Alotropía - Allotropy

El diamante y el grafito son dos alótropos del carbono: formas puras del mismo elemento que difieren en estructura cristalina.

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 , conocido 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 están unidos en una disposición de red tetraédrica ), grafito (los átomos de carbono están unidos en hojas de una red hexagonal ), grafeno (hojas individuales de grafito) y fullerenos ( los átomos de carbono están unidos 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 cristales. La alotropía se refiere solo a diferentes formas de un elemento dentro de la misma fase física (el estado de la materia, como un sólido , líquido o gas ). Las diferencias entre estos estados de la materia no constituirían por sí solas ejemplos de alotropía. Los alótropos de los elementos químicos se denominan con frecuencia polimorfos o fases del elemento.

Para algunos elementos, los alótropos tienen diferentes fórmulas moleculares o diferentes estructuras cristalinas, así como una diferencia en la fase física; por ejemplo, dos alótropos de oxígeno ( dioxígeno , O 2 y ozono , O 3 ) pueden existir en los estados sólido, líquido y gaseoso. Otros elementos no mantienen distintos alótropos en diferentes fases físicas; por ejemplo, el fósforo tiene numerosos alótropos sólidos , que vuelven todos a la misma forma P 4 cuando se funden 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 ( alotropia )  'variabilidad, variabilidad'. 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 de oxígeno como O 2 y O 3 . A principios del siglo XX, se reconoció que otros casos, como el carbono, se debían a diferencias en la estructura cristalina.

En 1912, Ostwald notó que la alotropía de elementos es solo un caso especial del fenómeno de polimorfismo conocido por 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 todavía favorecen el uso de alótropo y alotropía solo para elementos.

Diferencias en las propiedades de los alótropos de un elemento.

Los alótropos son diferentes formas estructurales del mismo elemento y pueden exhibir propiedades físicas y comportamientos químicos muy diferentes. El cambio entre formas alotrópicas es provocado por las mismas fuerzas que afectan a otras estructuras, es decir, presión , luz y temperatura . Por 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 la cara ( austenita ) por encima de 906 ° C, y el estaño sufre una modificación conocida como plaga de estaño de una forma metálica a una forma semiconductora por debajo de 13,2 ° 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

Normalmente, 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 de catenar .

Ejemplos de alótropos incluyen:

No metales

Elemento Alótropos
Carbón
  • Diamante : un cristal transparente extremadamente duro, con los átomos de carbono dispuestos en una red tetraédrica. Un mal conductor eléctrico. 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 celosías hexagonales planas ( grafeno ), que luego se colocan en capas.
  • Carbono acetilénico lineal (Carbyne)
  • Carbono amorfo
  • Fullerenos , incluido el buckminsterfullereno , también conocido como "buckyballs", como el C 60 .
  • Nanotubos de carbono : alótropos de carbono con una nanoestructura cilíndrica.
  • Schwarzites
  • Ciclocarbono
  • Carbono vidrioso
Fósforo
Oxígeno
Azufre
  • Ciclo-pentasulfuro, ciclo-S 5
  • Ciclohexasulfuro, ciclo-S 6
  • Cicloheptasulfuro, ciclo-S 7
  • Ciclo-Octasulfuro, Cyclo-S 8
Selenio
  • "Selenio rojo", ciclo-Se 8
  • Selenio gris, polimérico Se
  • Selenio negro, anillos poliméricos irregulares de hasta 1000 átomos de largo
  • Selenio monoclínico, cristales transparentes rojo oscuro

Metaloides

Elemento Alótropos
Boro
  • Boro amorfo - polvo marrón - B 12 icosaedro regular
  • boro α-romboédrico
  • boro β-romboédrico
  • boro γ-ortorrómbico
  • boro α-tetragonal
  • boro β-tetragonal
  • Fase superconductora de alta presión
Silicio
Germanio
  • α-germanio - semimetálico, con la misma estructura que el diamante
  • β-germanio - metálico, con la misma estructura que el beta-estaño
  • Germanene - Germanio plano abrochado, similar al grafeno
Arsénico
  • Arsénico amarillo - As 4 molecular no metálico , con la misma estructura que el fósforo blanco
  • Arsénico gris, polimérico As (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 gris
  • antimonio amarillo (no metálico)
  • antimonio negro (no metálico)
  • antimonio explosivo
Telurio
  • telurio amorfo - polvo gris-negro o marrón
  • telurio cristalino - estructura cristalina hexagonal (metaloide)

Rieles

Entre los elementos metálicos que ocurren en la naturaleza en cantidades significativas (56 hasta U, sin Tc y Pm), casi la mitad (27) son alotrópicos a presión ambiente: 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 3 m HR9 α- Estructura del samario Formas por debajo de 70 K.
Estoy 3 m cI2 Cúbico centrado en el cuerpo Estable a temperatura y presión ambiente.
cF4 Cúbico centrado en la cara Formas por encima de 7GPa
HR1 Se formó una fase intermedia ~ 40 GPa.
cI16 Formas superiores a 40GPa.
Berilio P6 3 / mmc hP2 Empaquetado hexagonal cerrado Estable a temperatura y presión ambiente.
Estoy 3 m cI2 Cúbico centrado en el cuerpo Formas por encima de 1255 ° C.
Sodio R 3 m HR9 α- Estructura del samario Formas por debajo de 20 K.
Estoy 3 m cI2 Cúbico centrado en el cuerpo Estable a temperatura y presión ambiente.
Fm 3 m cF4 Cúbico centrado en la cara Se forma a temperatura ambiente por encima de 65 GPa.
Yo 4 3d cI16 Se forma a temperatura ambiente, 108 GPa.
Pnma oP8 Se forma a temperatura ambiente, 119GPa.
Magnesio P6 3 / mmc hP2 empaquetado hexagonal cerrado Estable a temperatura y presión ambiente.
Estoy 3 m cI2 Cúbico centrado en el cuerpo Formas superiores a 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 centrada en el cuerpo
σ-Sn Cúbico centrado en el cuerpo Se forma a muy alta presión.
Stanene
Planchar α-Fe, ferrita Estoy 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 3 m cF4 Cúbico centrado en la cara Estable de 912 a 1394 ° C.
δ-hierro Estoy 3 m cI2 Cúbico centrado en el cuerpo Estable desde 1.394 - 1.538 ° C, misma estructura que α-Fe.
ε-hierro, Hexaferrum P6 3 / mmc hP2 Hexagonal compacto Estable a altas presiones.
Cobalto α-Cobalto cúbico simple Formas por encima de 417 ° C.
β-Cobalto empaquetado hexagonal cerrado Se forma por debajo de 417 ° C.
Polonio α-polonio cúbico simple
β-polonio romboédrico

Lantánidos y actínidos

Diagrama de fases de los elementos actínidos.
  • El cerio , el samario , el disprosio y el iterbio tienen tres alótropos.
  • El 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 4: 3, lo que complica enormemente todo tipo de trabajo con el metal (particularmente fundición, mecanizado y 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 concepto de nanoalotropía fue propuesto por el profesor Rafal Klajn del Departamento de Química Orgánica del Instituto de Ciencia Weizmann . Los nanoalótropos, o alótropos de los 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). Estos 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.

Ver también

Notas

Referencias

enlaces externos