Química de l'estat sòlit

La química de l'estat sòlit és l'estudi dels materialés sòlits, siguen de base molecular, metàlica, cristalina o ceràmica del estat sòlit inorgànic, i ha segut impulsada fortament per la tecnologia. Els alvanços en el camp s'han vist alimentats en freqüència per les exigències de l'indústria, molt per davant de la simple curiositat acadèmica. Aplicacions descobertes en el XX inclouen zeolita i catalisadorés per al processament de petròleu, basats en platí en la década de 1950, silici d'alta purea com un component bàsic dels dispositius de microelectrónica en la década de 1960 i la superconductividad d'alta temperatura en la década de 1980. L'invenció de la cristalografia de rajos X en 1900 per part de William Lawrence Bragg va permetre futures innovacions. La comprensió de cóm procedixen les reaccions a nivell atòmic en l'estat sòlit va evolucionar considerablement gràcies al treball de Carl Wagner en la teoria de la taxa d'oxidació i la contradifusión de ions, entre uns atres, per lo que a este investigador se li considera el pare de la química de l'estat sòlit.

Métodos sintètics

Donada la diversitat de composts en estat sòlit, una série igualment diversa de métodos s'utilisen per a la seua preparació. Per als materials orgànics, tals com sales de transferència de càrrega, els métodos operen prop de la temperatura ambiente i en freqüència són similars a les tècniques de síntesis orgànica. Les reaccions redox a voltes són conduïdes per electrocristalización, com s'ilustra en la preparació de les sales de Bechgaard de tetratiafulvaleno.

Tècniques de forn

Per a materials tèrmicament robusts, els métodos d'alta temperatura són els que s'ampren a sovint. Per eixemple, els sòlits a granel es preparen usant forns de tubo, lo que permet portar a terme reaccions de fins a aprox. 1100 °C. Equips especials, com per eixemple forns consistents en un tubo de tàntal a través del com es fa passar una corrent elèctrica, poden ser utilisats per a temperatures inclús més altes de fins a 2000 °C. Tals altes temperatures són a voltes necessàries per a induir la difusió dels reactius, pero açò depén en gran mida del sistema estudiat. Algunes reaccions en estat sòlit ya procedixen a temperatures tan baixes com 100 °C.

Métodos de fusió

Un método freqüentment amprat és el de fondre els reactants en conjunt i després recocer la massa fosa solidificada. Si els reactius volàtils estan involucrats, els reactius es posen a sovint en una ampolla que és regularment evacuada mentres es manté la mescla freda, per eixemple mantenint el fondo de l'ampolla en nitrogen líquit i posteriorment sagellant-la. L'ampolla sagellada es posa llavors en un forn i se somet a un determinat tractament tèrmic.

Métodos de solució

És possible utilisar dissolvents per a preparar els sòlits per precipitació o per evaporament. A voltes, el dissolvent s'utilisa hidrotérmicament, és dir, baix pressió a temperatures superiors al punt d'ebullició normal. Una variació d'este tema és l'us de métodos de fluix, a on s'afig a la mescla una sal en punt de fusió relativament baix per a actuar com un dissolvent d'alta temperatura en el que la reacció desijada puga tindre lloc.

Reaccions de gas

Molts sòlits reaccionen fàcilment en tipos de gasos reactius com el clor, el yodo, l'oxigen, etc. Uns atres formen aductos en atres gasos, per eixemple el CO o el etileno. Tals reaccions es realisen a sovint en un tubo obert per abdós costats i a través del com es fa passar el gas. Una variant d'açò és permetre que la reacció tinga lloc dins d'un dispositiu de medició, com l'ATG. En eixe cas l'informació estequiomètrica pot obtindre's durant la reacció, lo que ajuda a identificar els productes.

Un cas especial d'una reacció de gas és una reacció de transport químic. Estos són a sovint portats a terme en una ampolla sagellada a la qual una chicoteta cantitat d'un agent de transport, per eixemple yodo, s'afig. L'ampolla es coloca llavors en un forn de zona. Es tracta essencialment de dos forns de tubos units entre sí que permeten impondre un gradient de temperatura. Tal método pot ser utilisat per a obtindre el producte en forma de cristals simples adequats per a la determinació estructural per difracció de rajos X.

La deposición química de vapor és un método d'alta temperatura que és àmpliament amprat per a la preparació de revestiment i semiconductors a partir de precursors moleculars.

Materials sensibles a l'aire i a la humitat

Molts sòlits són higroscòpics i/o sensibles a l'oxigen. Molts halurs per eixemple, són molt 'sedientos' i només poden ser estudiats en la seua forma anhidra si es manegen en una guantera plena de gas sec (i/o lliure d'oxigen), per lo general nitrogen.

Caracterisació

Noves fases, diagrames de fase, estructures

La metodologia sintètica i la caracterisació del producte a sovint van de la mà en el sentit de que no una, sino una série de mescles de reacció són preparades i someses a un tractament tèrmic. La estequiometría és normalment variada d'una manera sistemàtica per a trobar qué estequiometría donaran lloc a nous composts sòlits o solucions sòlides entre les ya conegudes. Un primer método per a caracterisar els productes de reacció és la difracció de pols, perque moltes reaccions en estat sòlit produiran lingots policristalinos o pols. La difracció de pols facilitarà l'identificació de les fases conegudes en la mescla. Si un patró trobat no es coneix en les biblioteques de senyes de difracció, es pot fer un intent per a indexar dit patró, és dir, per a identificar la simetria i el tamany de la cela unitària. (Si el producte no és cristalí la caracterisació és típicament molt més difícil.)

Una volta que es coneix la cela unitària d'una nova fase, el següent pas és establir la estequiometría de la fase. Açò pot fer-se en un determinat número de maneres.

A sovint es requerix un esforç considerable en el perfeccionament de la metodologia sintètica per a obtindre una mostra pura del nou material.

Si és possible separar el producte del restant de la mescla de reacció, es pot utilisar un anàlisis elemental. Atres formes impliquen el SEM i la generació de rajos X característics en el fes d'electrons. La forma més senzilla per a resoldre l'estructura és per mig de l'us de difracció de rajos X de cristal únic.

Esta última requerix a sovint revisar i perfeccionar els procediments de preparació i està vinculat a la qüestió de quines fases són estables a quina composició i quina estequiometría. En atres paraules, cóm lluïx el diagrama de fase. Una ferramenta important per a establir açò són les tècniques d'anàlisis tèrmic com la DSC o el DTA, i també cada volta més , gràcies a l'arribada de la difracció de pols depenent de la temperatura del sincrotrón. Un major coneiximent de les relacions de fase a sovint conduïx a un major refinament dels procediments sintètics de forma iterativa. Aixina que, noves fases són caracterisades per mig dels seus punts de fusió i els seus dominis estequiomètrics. Açò últim és important per als sòlits que són composts no estequiomètrics. Els paràmetros de les celes obtingudes a partir de difracció de rajos X (DRX) són particularment útils per a caracterisar els rancs d'homogeneïtat d'este últim.

Atres caracterisació

En molts -pero certament no tots- els casos, els nous composts sòlits es caracterisen ademés per una varietat de tècniques que se situen en la fina llínea que (casi) separa la química de l'estat sòlit de la física de l'estat sòlit.

Propietats òptiques

Per a materials no metàlics a sovint és possible obtindre espectres UV/VIS. En el cas dels semiconductors, açò donarà una idea de la banda prohibida.

Propietats elèctriques

Els métodos de sonda de quatre punts (o de cinc punts) s'apliquen a sovint ya siga a lingots, cristals o grànuls pressionats per a medir la resistividad i el tamany del efecte Hall. Açò dona informació sobre si el compost és un aïllant, semiconductor, semimetal o metal i del tipo de dopage i la movilitat en les bandes deslocalizadas (si existix). Aixina, l'informació important s'obté en l'unió química en el material.

Propietats magnètiques

La susceptibilitat magnètica es pot medir com a funció de la temperatura per a establir si el material és un iman per a magnètic, ferromagnético o anti ferromagnético. De nou l'informació obtinguda es referix a l'unió en el material. Açò és particularment important per als ZHECOS composts de metals de transició. En el cas de l'orde magnètic, la difracció de neutrons es pot utilisar per a determinar l'estructura magnètica.