Alotropía
La alotropía o alotropismo (del griego antiguo ἄλλος (allos) 'otro', y τρόπος (tropos) 'manera, forma') es la propiedad de algunos elementos químicos de existir en dos o más formas diferentes, en el mismo estado físico, conocida como alótropos de los elementos. Los alótropos son diferentes modificaciones estructurales de un elemento: los átomos del elemento están unidos entre sí de manera diferente. Por ejemplo, los alótropos del carbono incluyen diamante (los átomos de carbono se unen para formar una red cúbica de tetraedros), grafito (los átomos de carbono se unen en láminas de una red hexagonal), grafeno (láminas individuales de grafito) y fullerenos (los átomos de carbono están unidos entre sí en formaciones esféricas, tubulares o elipsoidales).
El término alotropía se usa solo para elementos, no para compuestos. El término más general, utilizado para cualquier compuesto, es polimorfismo, aunque su uso suele estar restringido a materiales sólidos como los cristales. La alotropía se refiere únicamente a las diferentes formas de un elemento dentro de la misma fase física (el estado de la materia, como sólido, líquido o gas). Las diferencias entre estos estados de la materia no constituirían por sí solas ejemplos de alotropía. Los alótropos de elementos químicos se denominan con frecuencia polimorfos o fases del elemento.
Para algunos elementos, los alótropos tienen fórmulas moleculares diferentes o estructuras cristalinas diferentes, así como una diferencia en la fase física; por ejemplo, dos alótropos de oxígeno (dioxígeno, O 2, y ozono, O 3) pueden existir en estado sólido, líquido y gaseoso. Otros elementos no mantienen alótropos distintos en diferentes fases físicas; por ejemplo, el fósforo tiene numerosos alótropos sólidos, que vuelven a la misma forma P 4 cuando se derriten al estado líquido.
Historia
El concepto de alotropía fue propuesto originalmente en 1840 por el científico sueco Baron Jöns Jakob Berzelius (1779–1848). El término se deriva del griego άλλοτροπἱα (alotropía) 'variabilidad, mutabilidad'. Después de la aceptación de la hipótesis de Avogadro en 1860, se entendió que los elementos podían existir como moléculas poliatómicas y se reconocieron dos alótropos del oxígeno como O 2 y O 3. A principios del siglo XX, se reconoció que otros casos, como el del carbono, se debían a diferencias en la estructura cristalina.
En 1912, Ostwald notó que la alotropía de los elementos es solo un caso especial del fenómeno del polimorfismo conocido para los compuestos, y propuso que los términos alótropo y alotropía fueran abandonados y reemplazados por polimorfismo y polimorfismo. Aunque muchos otros químicos han repetido este consejo, la IUPAC y la mayoría de los textos de química siguen favoreciendo el uso de alótropos y alotropías solo para elementos.
Diferencias en las propiedades de los alótropos de un elemento
Los alótropos son formas estructurales diferentes del mismo elemento y pueden exhibir propiedades físicas y comportamientos químicos bastante diferentes. El cambio entre las formas alotrópicas se desencadena por las mismas fuerzas que afectan a otras estructuras, es decir, la presión, la luz y la temperatura. Por lo tanto, la estabilidad de los alótropos particulares depende de condiciones particulares. Por ejemplo, el hierro cambia de una estructura cúbica centrada en el cuerpo (ferrita) a una estructura cúbica centrada en las caras (austenita) por encima de los 906 °C, y el estaño sufre una modificación conocida como plaga del estaño de una forma metálica a una forma semiconductora por debajo de los 13,2 °C. C (55,8 °F). Como ejemplo de alótropos que tienen un comportamiento químico diferente, el ozono (O 3) es un agente oxidante mucho más fuerte que el dioxígeno (O 2).
Lista de alótropos
Por lo general, los elementos capaces de un número de coordinación variable y/o estados de oxidación tienden a exhibir un mayor número de formas alotrópicas. Otro factor que contribuye es la capacidad de un elemento para catenarse.
Los ejemplos de alótropos incluyen:
No metales
| Elemento | alótropos |
|---|---|
| Carbón | Diamante: un cristal extremadamente duro y transparente, con los átomos de carbono dispuestos en una red tetraédrica. Un mal conductor eléctrico. Un excelente conductor térmico.Lonsdaleita – también llamado diamante hexagonal.Grafeno: es el elemento estructural básico de otros alótropos, nanotubos, carbón y fullerenos.Q-carbon: una estructura cristalina ferromagnética, resistente y brillante que es más dura y brillante que los diamantes.Grafito: un sólido suave, negro y escamoso, un conductor eléctrico moderado. Los átomos de C están unidos en redes hexagonales planas (grafeno), que luego se superponen en láminas.Carbono acetilénico lineal (carbino)Carbono amorfoFullerenos, incluido el buckminsterfullereno, también conocido como "buckyballs", como C 60.Nanotubos de carbono: alótropos que tienen una nanoestructura cilíndrica.SchwarzitasciclocarbonoCarbono vítreoAlótropos de carbono superdensos: alótropos propuestos |
| Fósforo | Fósforo blanco: sólido cristalino de moléculas de tetrafósforo (P 4)Fósforo rojo - sólido polimérico amorfofósforo escarlataFósforo violeta con estructura cristalina monoclínicaFósforo negro - semiconductor, análogo al grafitoDifósforo – forma gaseosa compuesta por moléculas de P 2, estable entre 1200 °C y 2000 °C; creado, por ejemplo, por disociación de moléculas P 4 de fósforo blanco a unos 827 °C |
| Oxígeno | Dioxígeno, O 2 - incoloro (líquido y sólido azul tenue)Ozono, O 3 – azulTetraoxígeno, O 4 – metaestableOctaoxígeno, O 8 – rojo |
| Azufre | Ciclo-Pentasulfuro, Ciclo-S 5ciclo-hexazufre, ciclo-S 6ciclo-heptasulfuro, ciclo-S 7Ciclo-Octasulfuro, Ciclo-S 8 |
| Selenio | "Selenio rojo", ciclo-Se 8Selenio gris, Se poliméricoSelenio negro, anillos poliméricos irregulares de hasta 1000 átomos de largoSelenio monoclínico, cristales transparentes de color rojo oscuro |
Metaloides
| Elemento | alótropos |
|---|---|
| Boro | Boro amorfo - polvo marrón - B 12 icosaedros regularesboro α-romboédricoBoro β-romboédricoboro γ-ortorrómbicoboro α-tetragonalBoro β-tetragonalFase superconductora de alta presión |
| Silicio | silicio amorfosilicio cristalino, estructura cúbica de diamanteSiliceno, una sola capa planar pandeada Silicio, similar al grafeno |
| Germanio | α-germanio - semimetálico, con la misma estructura que el diamanteβ-germanio - metálico, con la misma estructura que el beta-estañoGermaneno: germanio plano abrochado, similar al grafeno |
| Arsénico | Arsénico amarillo - molecular no metálico As 4, con la misma estructura que el fósforo blancoArsénico gris, As polimérico (metaloide)Arsénico negro: molecular y no metálico, con la misma estructura que el fósforo rojo. |
| Antimonio | antimonio azul-blanco - forma estable (metaloide), con la misma estructura que el arsénico grisantimonio amarillo (no metálico)antimonio negro (no metálico)antimonio explosivo |
| Telurio | telurio amorfo - polvo gris-negro o marróntelurio cristalino - estructura cristalina hexagonal (metaloide) |
Rieles
Entre los elementos metálicos que se dan en la naturaleza en cantidades significativas (56 hasta U, sin Tc y Pm), casi la mitad (27) son alotrópicos a presión ambiental: Li, Be, Na, Ca, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa y U. Algunas transiciones de fase entre formas alotrópicas de metales tecnológicamente relevantes son las de Ti a 882 °C, Fe a 912 °C y 1394 °C, Co a 422 °C, Zr a 863 °C, Sn a 13 °C y U a 668 °C y 776 °C.
| Elemento | Nombre(s) de fase | grupo espacial | símbolo de Pearson | tipo de estructura | Descripción |
|---|---|---|---|---|---|
| Litio | R 3m _ | hR9 | Estructura de α-samario | Formas por debajo de 70 K. | |
| mido 3 m | cI2 | cúbico centrado en el cuerpo | Estable a temperatura y presión ambiente. | ||
| cF4 | Cúbico centrado en las caras | Formas por encima de 7GPa | |||
| hR1 | Una fase intermedia formó ~40GPa. | ||||
| cI16 | Formas por encima de 40GPa. | ||||
| Berilio | P6 3 / mmc | HP2 | Paquete cerrado hexagonal | Estable a temperatura y presión ambiente. | |
| mido 3 m | cI2 | cúbico centrado en el cuerpo | Se forma por encima de 1255 °C. | ||
| Sodio | R 3m _ | hR9 | Estructura de α-samario | Formas por debajo de 20 K. | |
| mido 3 m | cI2 | cúbico centrado en el cuerpo | Estable a temperatura y presión ambiente. | ||
| FM 3m _ | cF4 | Cúbico centrado en las caras | Se forma a temperatura ambiente por encima de 65 GPa. | ||
| yo 4 3d | cI16 | Se forma a temperatura ambiente, 108GPa. | |||
| Pnma | oP8 | Se forma a temperatura ambiente, 119 GPa. | |||
| Magnesio | P6 3 / mmc | HP2 | empaquetado cerrado hexagonal | Estable a temperatura y presión ambiente. | |
| mido 3 m | cI2 | cúbico centrado en el cuerpo | Formas por encima de 50 GPa. | ||
| Estaño | α-estaño, estaño gris, plaga de estaño | Fd 3 m | cF8 | diamante cúbico | Estable por debajo de 13,2 °C. |
| β-estaño, estaño blanco | I4 1 / amd | tI4 | Estructura de β-estaño | Estable a temperatura y presión ambiente. | |
| γ-estaño, estaño rómbico | I4/mmm | tetragonal centrado en el cuerpo | |||
| σ-Sn | cúbico centrado en el cuerpo | Se forma a muy alta presión. | |||
| Estaneno | |||||
| Hierro | α-Fe, ferrita | mido 3 m | cI2 | cúbico centrado en el cuerpo | Estable a temperatura y presión ambiente. Ferromagnético a T<770 °C, paramagnético de T=770–912 °C. |
| γ-hierro, austenita | FM 3m _ | cF4 | cúbico centrado en la cara | Estable de 912 a 1.394 °C. | |
| δ-hierro | mido 3 m | cI2 | cúbico centrado en el cuerpo | Estable entre 1394 y 1538 °C, misma estructura que el α-Fe. | |
| ε-hierro, Hexaferrum | P6 3 / mmc | HP2 | Empaquetado compacto hexagonal | Estable a altas presiones. | |
| Cobalto | α-cobalto | cubico simple | Se forma por encima de 417 °C. | ||
| β-cobalto | empaquetado cerrado hexagonal | Se forma por debajo de 417 °C. | |||
| Polonio | α-polonio | cubico simple | |||
| β-polonio | romboédrico |
Lantánidos y actínidos
- El cerio, el samario, el disprosio y el iterbio tienen tres alótropos.
- Praseodimio, neodimio, gadolinio y terbio tienen dos alótropos.
- El plutonio tiene seis alótropos sólidos distintos bajo presiones "normales". Sus densidades varían en una proporción de unos 4:3, lo que complica enormemente todo tipo de trabajo con el metal (particularmente la fundición, el mecanizado y el almacenamiento). Existe un séptimo alótropo de plutonio a presiones muy altas. Los metales transuránicos Np, Am y Cm también son alotrópicos.
- El prometio, el americio, el berkelio y el californio tienen tres alótropos cada uno.
Nanoalótropos
En 2017, el Prof. Rafal Klajn del Departamento de Química Orgánica del Instituto de Ciencias Weizmann propuso el concepto de nanoalotropía. Los nanoalótropos, o alótropos de nanomateriales, son materiales nanoporosos que tienen la misma composición química (p. ej., Au), pero difieren en su arquitectura a nanoescala (es decir, en una escala de 10 a 100 veces las dimensiones de los átomos individuales). Dichos nanoalótropos pueden ayudar a crear dispositivos electrónicos ultrapequeños y encontrar otras aplicaciones industriales. Las diferentes arquitecturas a nanoescala se traducen en diferentes propiedades, como se demostró para la dispersión Raman mejorada en la superficie realizada en varios nanoalótropos de oro diferentes. También se creó un método de dos pasos para generar nanoalótropos.
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