Alotropía

Alotropía (cambio, giro) es la propiedad de algunas sustancias simples de poseer estructuras atómicas o moleculares diferentes.[1] Las moléculas formadas por un solo elemento y que poseen distinta estructura molecular se llaman alótropos.

Muestras de diamante y grafito con sus respectivas estructuras. La formación inferior derecha de carbono es lo que se conoce como "grafeno", que se caracteriza por infinitas láminas de carbono de átomos individuales.

La alotropía ocurre debido a la capacidad de algunos elementos químicos de presentarse como varios compuestos naturales simples, las cuales son sustancias con diferentes estructuras moleculares y diferente o igual cantidad de átomos. En general los cambios de estado de agregación de la materia o de sus fenómenos concomitantes, como la temperatura o la presión, son uno de los factores más importantes que influyen sobre cuales alótropos de un elemento se presentan.

El término alotropía se utiliza sólo para elementos, no para compuestos. El término más general, utilizado para cualquier compuesto, es polimorfismo, aunque su uso suele restringirse a materiales sólidos como los cristales. La alotropía se refiere únicamente 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 suelen denominarse 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 del oxígeno (dioxígeno, O2, y ozono, O3) pueden existir ambos 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 revierten todos a la misma forma P4 cuando se funden al estado líquido.

La variación de las propiedades de los alótropos de un elemento, son causados por las diferencias en las estructuras moleculares de estos compuestos alótropos. Por ejemplo, en los cristales de diamante cada átomo de carbono está unido a cuatro átomos vecinos de este mismo elemento, por lo cual adopta un arreglo en forma de tetraedro que le confiere una particular dureza. La hibridación de orbitales del carbono en el diamante es sp3.

En el grafito, los átomos de carbono están dispuestos en capas superpuestas. En cada capa ocupan los vértices de hexágonos regulares.[5] De este modo, cada átomo está unido a tres de la misma capa con más intensidad y a uno de la capa próxima de manera más débil. En este caso la hibridación del carbono es sp2. Esto explica la blandura y la untuosidad –al tacto– del grafito. La mina de un lápiz forma el trazo porque, al desplazarse sobre el papel, a este se adhiere una delgada capa de grafito.

El diamante y el grafito, por ser dos sustancias simples diferentes, sólidas, constituidas por átomos de carbono, reciben la denominación de variedades alotrópicas del elemento carbono.

Una tercera variedad alotrópica del carbono es el fullereno (C60) o buckminsterfullereno (en honor del arquitecto Buckminster Fuller, por haber construido la cúpula geodésica en la Île Sainte-Hélène, Montreal). Puesto que tiene forma de balón de fútbol, al buckminsterfullereno también se le conoce como bucky ball

Historia

El concepto de alotropía fue propuesto originalmente en 1840 por el científico sueco barón Jöns Jakob Berzelius (1779-1848).[6][7] El término se deriva de la palabra griega άλλοτροπἱα (alotropía)|variabilidad, mutabilidad.[8] Tras la aceptación de la Hipótesis de Avogadro en 1860, se comprendió que los elementos podían existir como moléculas poliatómicas, y se reconocieron dos alótropos del oxígeno como O2 y O3.[7] A principios del siglo XX, se reconoció que otros casos como el del carbono se debían a diferencias en la estructura cristalina.

Diferencias en las propiedades de los alótropos de un elemento

Los alótropos son diferentes formas estructurales de un mismo elemento y pueden presentar propiedades físicas y comportamientos químicos bastante diferentes. El cambio entre formas alotrópicas está provocado por las mismas fuerzas que afectan a otras estructuras, es decir, presión, luz y temperatura. Por lo tanto, la estabilidad de los alótropos concretos depende de condiciones particulares. Por ejemplo, el hierro cambia de una estructura Sistema cristalino cúbico (ferrita) a una estructura cúbica centrada en la cara (austenita) por encima de 906 °C, y el estaño sufre una modificación conocida como peste del estaño, pasando de una forma metálica a una forma semiconductora por debajo de 13,2 °C (55,8 °F). Como ejemplo de alótropos con diferente comportamiento químico, el ozono (O3) es un agente oxidante mucho más potente que el dioxígeno (O2).

Lista de alótropos
No metales y metaloides
Metales

Entre los elementos metálicos de origen natural (hasta U, sin Tc y Pm), 28 están en condiciones de ambiente de presión alotrópicos: Li, Be, Na, Ca, Sr, Ti, Mn, Fe, Co, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, (Pm), Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Po, Th, Pa, U. Considerando sólo la tecnología pertinente, seis metales son alótropos:

Estructuras alotrópicas

Entre las estructuras alotrópicas comunes tenemos las del azufre.

Este no metal tiene un color amarillo,marrón o anaranjado. Es blando, frágil, ligero, desprende un olor característico a huevo podrido al combinarse con hidrógeno y arde con llama de color azul, desprendiendo dióxido de azufre. Es insoluble en agua pero se disuelve en disulfuro de carbono. Es multivalente, y son comunes los estados de oxidación -2, +2, +4 y +6. En todos los estados (sólido, líquido y gaseoso) presenta formas alotrópicas cuyas relaciones no son completamente conocidas. Sus estructuras Alotrópicas comunes son:

  • Azufre rómbico:[9] Es conocido de la misma manera como azufre α. Se halla de la transformación estable del elemento químico por debajo de los 95.5 °C (204 °F, el punto de transición), y la mayor parte de las otras formas se revierten a esta modificación si se las deja permanecer por debajo de esta temperatura. El azufre rómbico posee un color amarillo limón, insoluble en agua, levemente soluble en alcohol etílico, éter dietílico y benceno, y es muy soluble en disulfuro de carbono. Posee una densidad de 2.07 g/cm³(1.19 oz/in3), una dureza de 2.5 en la escala de Mohs y la fórmula molecular que presenta es S8.
  • Azufre monoclínico: También es llamado azufre prismático o azufre β. Viene siendo la modificación estable del elemento por encima de la temperatura de transición mientras que se encuentra por debajo del punto de fusión.
  • Azufre fundido: Se cristaliza en prismas con forma de agujas que son casi incoloras. Posee una densidad de 1.96 g/cm³(1.13 oz/in3), un punto de fusión de 119.0 °C (246.7 °F) y la fórmula molecular que ostenta es S8.
  • Azufre plástico: Denominado también azufre gamma. Se produce cuando el azufre fundido en el punto de ebullición normal o cerca de él, es enfriado al estado sólido. Esta forma es amorfa y es sólo parcialmente soluble en disulfuro de carbono.
  • Azufre líquido: Posee la propiedad notable de aumentar su viscosidad si sube la temperatura. Su color cambia a negro rojizo oscuro cuando su viscosidad aumenta, y el oscurecimiento del color y la viscosidad logran su máximo a 200 °C (392 °F). Por encima de esta temperatura, el color se aclara y la viscosidad disminuye.

En el punto normal de ebullición del elemento químico (444.60 °C u 832.28 °F) el Azufre gaseoso presenta un color amarillo naranja. Cuando la temperatura aumenta, el color se torna rojo profundo y después se aclara, aproximadamente a 650 °C (202 °F), y adquiere un color amarillo paja.

Nanoalótropos

En 2017, el concepto de nanoalotropía fue propuesto por el profesor Rafal Klajn, del Departamento de Química Orgánica del Instituto Weizmann de Ciencias.[10] Los nanoalótropos, o alótropos de nanomateriales, son materiales nanoporosos que tienen la misma composición química (por ejemplo, Au), pero difieren en su arquitectura a escala nanométrica (es decir, en una escala de 10 a 100 veces las dimensiones de los átomos individuales).[11] Estos nanoalótropos podrían ayudar a crear dispositivos electrónicos ultrapequeños y encontrar otras aplicaciones industriales.[11] Las diferentes arquitecturas a nanoescala se traducen en diferentes propiedades, como se demostró en la dispersión Raman mejorada en superficie realizada en varios nanoalótropos de oro diferentes.[5] También se creó un método de dos pasos para generar nanoalótropos.[11]

Véase también

Referencias
  1. Teijón, José María; Pérez, José Antonio García (1996). Química: Teoría y problemas. Editorial Tebar. ISBN 9788473601559. Consultado el 29 de enero de 2018.
  2. Rivera, José María Teijón; Teijón, José María (2006). La química en problemas. Editorial Tebar. ISBN 9788473602266. Consultado el 29 de enero de 2018.
  3. Burns, Ralph A. (2003). Fundamentos de química. Pearson Educación. ISBN 9789702602811. Consultado el 29 de enero de 2018.
  4. Márquez, Eduardo J. Martínez (2010). Química. Cengage Learning Editores. ISBN 6074811652. Consultado el 29 de enero de 2018.
  5. Antón, Juan Luis; Andrés, Dulce María (2015-06). Física y Química 3º ESO (LOMCE). Editex. ISBN 9788490785270. Consultado el 29 de enero de 2018.
  6. Véase:
    • Berzelius, Jac. (1841). Årsberättelse om Framstegen i Fysik och Kemi afgifven den 31 Mars 1840. Första delen. [Informe anual sobre los progresos en Física y Química presentado el 31 de marzo de 1840. Primera parte.] (en sueco). Estocolmo, Suecia: P.A. Norstedt & Söner. p. 14. De la p. 14: "Om det ock passar väl för att uttrycka förhållandet emellan myrsyrad ethyloxid och ättiksyrad methyloxid, så är det icke passande för de olika tillstånd hos de enkla kropparne, hvari dessa blifva af skiljaktiga egenskaper, och torde för dem böra ersättas af en bättre vald benämning, t. ex. Allotropi (af αλλότροπος, som betyder: af olika beskaffenhet) eller allotropiskt tillstånd."' (Si [i.e., la palabra isómero] también es adecuada para expresar la relación entre el óxido de etilo del ácido fórmico [es decir, el formiato de etilo] y el metíloxido del ácido acético [es decir, el acetato de metilo], entonces [es decir, la palabra isómeros] no es adecuada para diferentes condiciones de sustancias simples, en las que estas [sustancias] se transforman para tener propiedades diferentes, y [por lo tanto la palabra isómeros] debería sustituirse, en su caso, por un nombre mejor elegido; por ejemplo, Alotropía (de αλλότροπος, que significa: de naturaleza diferente) o condición alotrópica).
    • Reeditado en alemán: Berzelius, Jacob; Wöhler, F., trans. (1841). «Jahres-Bericht über die Fortschritte der physischen Wissenschaften» [Informe anual sobre el progreso de las ciencias físicas]. Jahres Bericht Über die Fortschritte der Physischen Wissenschaften (en alemán) (Tübingen, (Alemania): Laupp'schen Buchhandlung) 20: 13. De la p. 13: "Si bien es cierto que la diferencia entre el ameisensaurem Äthyloxyd y el essigsaurem Methyloxyd auszudrücken, no es aceptable para condiciones únicas de los seres humanos, en los que estos tienen características diferentes, y para ello se debe utilizar una alimentación más equilibrada, por ejemplo, mediante la alotropina. B. durch Allotropie (von αλλότροπος, welches bedeutet: von ungleicher Beschaffenheit), oder durch allotropischen Zustand."' (Incluso si [i.e., la palabra isómero] sigue siendo adecuada para expresar la relación entre el formiato de etilo y el acetato de metilo, entonces no es apropiada para las condiciones distintas en el caso de sustancias en las que estas [sustancias] asumen propiedades diferentes, y para éstas, [la palabra isómero] puede ser sustituida por una designación mejor elegida, por ejemplo, con Alotropía (de αλλότροπος, que significa: de carácter distinto), o con condición alotrópica).
    • Diccionario Merriam-Webster en línea: Alotropía
  7. Jensen, W. B. (2006), «El origen del término alótropo», J. Chem. Educ. 83 (6): 838-39, Bibcode:2006JChEd..83..838J..
  8. A New English Dictionary on Historical Principles 1, Oxford University Press, 1888, p. 238..
  9. Teijón, José María; Pérez, José Antonio García (1996). Química: Teoría y problemas. Editorial Tebar. ISBN 9788473601559. Consultado el 29 de enero de 2018.
  10. Udayabhaskararao, Thumu; Altantzis, Thomas; Houben, Lothar; Coronado-Puchau, Marc; Langer, Judith; Popovitz-Biro, Ronit; Liz-Marzán, Luis M.; Vuković, Lela et al. (27 de octubre de 2017). «Nanoalótropos porosos sintonizables preparados mediante grabado posterior al montaje de superredes de nanopartículas binarias». Science 358 (6362): 514-518. Bibcode:2017Sci...358..514U. ISSN 0036-8075. PMID 29074773.
  11. «Materiales que no existen en la naturaleza podrían conducir a nuevas técnicas de fabricación». israelbds.org. Archivado desde el original el 9 de diciembre de 2017. Consultado el 8 de diciembre de 2017.

Bibliografía

Enlaces externos
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