El carbono es capaz de formar muchos alótropos (formas estructuralmente diferentes del mismo elemento) debido a su valencia . Las formas más conocidas de carbono incluyen el diamante y el grafito . En las últimas décadas, se han descubierto e investigado muchos más alótropos, incluidas formas de bolas como el buckminsterfullereno y láminas como el grafeno . Las estructuras de carbono a mayor escala incluyen nanotubos , nanobuds y nanocintas.. Existen otras formas inusuales de carbono a temperaturas muy altas o presiones extremas. En la actualidad, se conocen alrededor de 500 hipotéticos alótropos 3-periódicos de carbono, según la base de datos de alótropos de carbono de Samara (SACADA). [1]
Diamante
El diamante es un alótropo bien conocido del carbono. La dureza y la alta dispersión de la luz del diamante lo hacen útil tanto para aplicaciones industriales como para joyería. El diamante es el mineral natural más duro que se conoce . Esto lo convierte en un abrasivo excelente y hace que mantenga el pulido y el lustre extremadamente bien. Ninguna sustancia conocida de origen natural puede cortar (o incluso rayar) un diamante, excepto otro diamante. También es uno de los elementos más costosos del mundo.
El mercado de diamantes de grado industrial opera de manera muy diferente a su contraparte de grado gema. Los diamantes industriales se valoran principalmente por su dureza y conductividad térmica, lo que hace que muchas de las características gemológicas del diamante, incluida la claridad y el color, sean en su mayoría irrelevantes. Esto ayuda a explicar por qué el 80% de los diamantes extraídos (equivalentes a unos 100 millones de quilates o 20 toneladas anuales) no son aptos para su uso como piedras preciosas y, conocidos como bort , están destinados a uso industrial. Además de los diamantes extraídos, los diamantes sintéticos encontraron aplicaciones industriales casi inmediatamente después de su invención en la década de 1950; otros 400 millones de quilates (80 toneladas) de diamantes sintéticos se producen anualmente para uso industrial, que es casi cuatro veces la masa de diamantes naturales extraídos durante el mismo período.
El uso industrial dominante del diamante es cortar , taladrar ( brocas ), pulir (cortadores con bordes de diamante) y pulir. La mayoría de los usos de diamantes en estas tecnologías no requieren diamantes grandes; de hecho, la mayoría de los diamantes que no tienen calidad de gema pueden encontrar un uso industrial. Los diamantes se incrustan en las puntas de los taladros o en las hojas de sierra, o se muelen hasta convertirlos en polvo para su uso en aplicaciones de esmerilado y pulido (debido a su extraordinaria dureza). Las aplicaciones especializadas incluyen el uso en laboratorios como contención para experimentos de alta presión (ver yunque de diamante ), cojinetes de alto rendimiento y uso limitado en ventanas especializadas de aparatos técnicos.
Con los continuos avances que se realizan en la producción de diamantes sintéticos, las aplicaciones futuras comienzan a ser factibles. Lo que genera mucha emoción es el posible uso del diamante como semiconductor adecuado para construir microchips o el uso del diamante como disipador de calor en la electrónica . Se están realizando importantes esfuerzos de investigación en Japón , Europa y Estados Unidos para capitalizar el potencial que ofrecen las propiedades únicas del material del diamante, combinadas con una mayor calidad y cantidad de suministro que comienza a estar disponible de los fabricantes de diamantes sintéticos.
Cada átomo de carbono en un diamante está unido covalentemente a otros cuatro carbonos en un tetraedro . Estos tetraedros juntos forman una red tridimensional de anillos de carbono de seis miembros (similar al ciclohexano ), en la conformación de silla , lo que permite una deformación del ángulo de enlace cero . Esta red estable de enlaces covalentes y anillos hexagonales es la razón por la que el diamante es tan fuerte. Aunque el grafito es el alótropo de carbono más estable en condiciones estándar de laboratorio (273 o 298 K, a 1 atm), un estudio computacional reciente indicó que en condiciones idealizadas ( T = 0, p = 0), el diamante es el alótropo más estable por 1,1 kJ / mol en comparación con el grafito. [2]
Grafito
El grafito , nombrado por Abraham Gottlob Werner en 1789, del griego γράφειν ( graphein , "dibujar / escribir", para su uso en lápices) es uno de los alótropos más comunes del carbono. A diferencia del diamante, el grafito es un conductor eléctrico. Por tanto, se puede utilizar, por ejemplo, en electrodos de lámparas de arco eléctrico. Asimismo, en condiciones estándar , el grafito es la forma de carbono más estable. Por lo tanto, se utiliza en termoquímica como estado estándar para definir el calor de formación de compuestos de carbono.
El grafito conduce la electricidad debido a la deslocalización de los electrones del enlace pi por encima y por debajo de los planos de los átomos de carbono. Estos electrones pueden moverse libremente, por lo que pueden conducir electricidad. Sin embargo, la electricidad solo se conduce a lo largo del plano de las capas. En el diamante, los cuatro electrones externos de cada átomo de carbono están "localizados" entre los átomos en enlace covalente. El movimiento de los electrones está restringido y el diamante no conduce corriente eléctrica. En el grafito, cada átomo de carbono usa solo 3 de sus 4 electrones de nivel de energía exterior para unirse covalentemente a otros tres átomos de carbono en un plano. Cada átomo de carbono aporta un electrón a un sistema deslocalizado de electrones que también forma parte del enlace químico. Los electrones deslocalizados pueden moverse libremente por el plano. Por esta razón, el grafito conduce la electricidad a lo largo de los planos de los átomos de carbono, pero no conduce la electricidad en una dirección perpendicular al plano.
El polvo de grafito se utiliza como lubricante seco . Aunque podría pensarse que esta propiedad industrialmente importante se debe enteramente al acoplamiento interlaminar suelto entre las láminas de la estructura, de hecho, en un entorno de vacío (como en las tecnologías para uso en el espacio ), se descubrió que el grafito es un lubricante muy deficiente. . Este hecho llevó al descubrimiento de que la lubricidad del grafito se debe al aire y el agua adsorbidos entre las capas, a diferencia de otros lubricantes secos en capas como el disulfuro de molibdeno . Estudios recientes sugieren que un efecto llamado superlubricidad también puede explicar este efecto.
Cuando una gran cantidad de defectos cristalográficos (físicos) unen estos planos, el grafito pierde sus propiedades lubricantes y se convierte en carbón pirolítico , un material útil en implantes en contacto con la sangre, como las válvulas cardíacas protésicas .
El grafito es el alótropo de carbono más estable. Contrariamente a la creencia popular, el grafito de alta pureza no se quema fácilmente, incluso a temperaturas elevadas. [3] Por este motivo, se utiliza en reactores nucleares y en crisoles de alta temperatura para fundir metales. [4] A temperaturas y presiones muy altas (aproximadamente 2000 ° C y 5 GPa), se puede transformar en diamante. [ cita requerida ]
Los grafitos naturales y cristalinos no se utilizan a menudo en forma pura como materiales estructurales debido a sus planos de corte, fragilidad y propiedades mecánicas inconsistentes.
En sus formas sintéticas vítreas puras (isotrópicas), el grafito pirolítico y el grafito de fibra de carbono son materiales extremadamente fuertes y resistentes al calor (hasta 3000 ° C), utilizados en escudos de reentrada para puntas de misiles, motores de cohetes sólidos , reactores de alta temperatura , zapatas de freno y cepillos para motores eléctricos .
Los grafitos intumescentes o expandibles se utilizan en sellos cortafuego, colocados alrededor del perímetro de una puerta cortafuegos. Durante un incendio, el grafito se intumesce (se expande y se chamusca) para resistir la penetración del fuego y evitar la propagación de humos. Una temperatura de expansión inicial típica (SET) está entre 150 y 300 ° C.
Densidad: la gravedad específica del grafito es 2,3, lo que lo hace más ligero que el diamante.
Actividad química: es ligeramente más reactivo que el diamante. Esto se debe a que los reactivos pueden penetrar entre las capas hexagonales de átomos de carbono en el grafito. No se ve afectado por disolventes ordinarios, ácidos diluidos o álcalis fundidos. Sin embargo, el ácido crómico lo oxida a dióxido de carbono.
Grafeno
Una sola capa de grafito se llama grafeno y tiene extraordinarias propiedades eléctricas, térmicas y físicas. Puede producirse por epitaxia sobre un sustrato aislante o conductor o por exfoliación mecánica (pelado repetido) del grafito. Sus aplicaciones pueden incluir la sustitución de silicio en dispositivos electrónicos de alto rendimiento. Con dos capas apiladas, el grafeno bicapa resulta con diferentes propiedades.
Grafenileno
El grafenileno [5] es un material de carbono de una sola capa con subunidades similares al bifenileno como base en su estructura de celosía hexagonal. También se conoce como bifenileno-carbono.
AA'-grafito
El grafito AA' es un alótropo de carbono similar al grafito, pero donde las capas se colocan de manera diferente entre sí en comparación con el orden del grafito.
Diamane
Diamane es una forma 2D de diamante. Puede hacerse a través de altas presiones, pero sin esa presión, el material se convierte en grafeno. Otra técnica consiste en agregar átomos de hidrógeno, pero esos enlaces son débiles. El uso de flúor (difluoruro de xenón) en su lugar acerca las capas, fortaleciendo los enlaces. Esto se llama f-diamane. [6]
Carbono amorfo
Carbono amorfo es el nombre que se le da al carbono que no tiene estructura cristalina . Al igual que con todos los materiales vítreos , se puede observar algún orden de corto alcance, pero no hay un patrón de largo alcance de posiciones atómicas. Si bien se puede producir carbono completamente amorfo, la mayor parte del carbono amorfo en realidad contiene cristales microscópicos de carbono similar al grafito , [7] o incluso similar al diamante . [8]
El carbón y el hollín o el negro de carbón se denominan informalmente carbón amorfo. Sin embargo, son productos de pirólisis (el proceso de descomposición de una sustancia por la acción del calor), que no produce verdadero carbono amorfo en condiciones normales.
Nanocarbonos
Buckminsterfullerenes
Los buckminsterfullerenos , o generalmente fullerenos o buckyballs para abreviar, fueron descubiertos en 1985 por un equipo de científicos de la Universidad Rice y la Universidad de Sussex, tres de los cuales recibieron el Premio Nobel de Química en 1996. Reciben su nombre por el parecido con las estructuras geodésicas diseñadas por Richard Buckminster "Bucky" Fuller . Los fullerenos son moléculas curvadas positivamente de diferentes tamaños compuestas completamente de carbono, que toman la forma de una esfera hueca, elipsoide o tubo.
A principios del siglo XXI, las propiedades químicas y físicas de los fullerenos todavía están bajo un intenso estudio, tanto en laboratorios de investigación pura como aplicada. En abril de 2003, se estaban estudiando los fullerenos para un posible uso medicinal: unir antibióticos específicos a la estructura para atacar a las bacterias resistentes e incluso a ciertas células cancerosas como el melanoma.
Nanotubos de carbon
Los nanotubos de carbono, también llamados buckytubos, son moléculas de carbono cilíndricas con propiedades novedosas que las hacen potencialmente útiles en una amplia variedad de aplicaciones (por ejemplo, nanoelectrónica, óptica , aplicaciones de materiales , etc.). Exhiben una fuerza extraordinaria, propiedades eléctricas únicas y son conductores eficientes de calor . También se han sintetizado nanotubos inorgánicos . Un nanotubo es un miembro de la familia estructural del fullereno , que también incluye buckyballs . Mientras que las buckyballs tienen forma esférica , un nanotubo es cilíndrico , con al menos un extremo típicamente cubierto con un hemisferio de la estructura de buckyball. Su nombre se deriva de su tamaño, ya que el diámetro de un nanotubo es del orden de unos pocos nanómetros (aproximadamente 50.000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano), mientras que pueden tener hasta varios centímetros de largo. Hay dos tipos principales de nanotubos: nanotubos de pared simple (SWNT) y nanotubos de paredes múltiples (MWNT).
Nanobuds de carbono
Los nanobuds de carbono son un alótropo de carbono recién descubierto en el que los "brotes" de fullereno se unen covalentemente a las paredes laterales exteriores de los nanotubos de carbono . Este material híbrido tiene propiedades útiles tanto de fullerenos como de nanotubos de carbono. Por ejemplo, se ha descubierto que son emisores de campo excepcionalmente buenos .
Schwarzites
Las schwarzitas son superficies de carbono curvadas negativamente propuestas originalmente decorando superficies mínimas triples periódicas con átomos de carbono. La topología geométrica de la estructura está determinada por la presencia de defectos en los anillos, como heptágonos y octágonos, en la red hexagonal del grafeno . [9] (La curvatura negativa dobla las superficies hacia afuera como una silla de montar en lugar de doblarse hacia adentro como una esfera).
Un trabajo reciente ha propuesto que los carbonos con plantilla de zeolita (ZTC) pueden ser schwarzitas. El nombre, ZTC, deriva de su origen dentro de los poros de las zeolitas , minerales cristalinos de dióxido de silicio . Se inyecta un vapor de moléculas que contienen carbono en la zeolita, donde el carbono se acumula en las paredes de los poros, creando la curva negativa. La disolución de la zeolita deja el carbón. Un equipo generó estructuras decorando los poros de una zeolita con carbono mediante un método Monte Carlo . Algunos de los modelos resultantes se asemejan a estructuras similares a la schwarzita. [10]
Carbono vidrioso
El carbono vítreo o carbono vítreo es una clase de carbono no grafitizante muy utilizado como material de electrodo en electroquímica , así como para crisoles de alta temperatura y como componente de algunos dispositivos protésicos.
Fue producido por primera vez por Bernard Redfern a mediados de la década de 1950 en los laboratorios de The Carborundum Company, Manchester, Reino Unido. Se había propuesto desarrollar una matriz de polímero para reflejar una estructura de diamante y descubrió una resina resol (fenólica) que, con una preparación especial, fraguaba sin catalizador. Con esta resina se produjo el primer carbono vítreo.
La preparación de carbón vítreo implica someter los precursores orgánicos a una serie de tratamientos térmicos a temperaturas de hasta 3000 ° C. A diferencia de muchos carbones no grafitizantes, son impermeables a los gases y químicamente extremadamente inertes, especialmente los preparados a temperaturas muy altas. Se ha demostrado que las tasas de oxidación de ciertos carbonos vítreos en oxígeno, dióxido de carbono o vapor de agua son más bajas que las de cualquier otro carbono. También son muy resistentes al ataque de los ácidos. Por tanto, mientras que el grafito normal se reduce a un polvo mediante una mezcla de ácidos sulfúrico y nítrico concentrados a temperatura ambiente, el carbono vítreo no se ve afectado por dicho tratamiento, incluso después de varios meses.
Carbono atómico y diatómico
Bajo ciertas condiciones, el carbono se puede encontrar en su forma atómica. Se forma al pasar grandes corrientes eléctricas a través del carbono a presiones muy bajas. Es extremadamente inestable, pero es un producto intermitente que se utiliza en la creación de carbenos . [11]
El carbono diatómico también se puede encontrar bajo ciertas condiciones. A menudo se detecta mediante espectroscopía en cuerpos extraterrestres, incluidos cometas y ciertas estrellas . [12] [13]
Nanoespuma de carbono
La nanoespuma de carbono es el quinto alótropo conocido del carbono, descubierto en 1997 por Andrei V. Rode y sus colaboradores en la Universidad Nacional Australiana en Canberra . Consiste en un grupo de átomos de carbono de baja densidad unidos en una red tridimensional suelta.
Cada grupo tiene aproximadamente 6 nanómetros de ancho y consta de aproximadamente 4000 átomos de carbono unidos en láminas similares al grafito a las que se les da una curvatura negativa mediante la inclusión de heptágonos entre el patrón hexagonal regular . Esto es lo contrario de lo que ocurre en el caso de los buckminsterfullerenos , en los que las láminas de carbono reciben una curvatura positiva mediante la inclusión de pentágonos .
La estructura a gran escala de la nanoespuma de carbono es similar a la de un aerogel , pero con el 1% de la densidad de los aerogeles de carbono producidos anteriormente , solo unas pocas veces la densidad del aire al nivel del mar . A diferencia de los aerogeles de carbono, la nanoespuma de carbono es un mal conductor eléctrico .
Carbono derivado de carburo
El carbono derivado de carburo (CDC) es una familia de materiales de carbono con diferentes geometrías de superficie y ordenamiento de carbono que se producen mediante la eliminación selectiva de metales de precursores de carburo metálico, como TiC, SiC, Ti
3AlC
2, Mo
2C , etc. Esta síntesis se logra mediante tratamiento con cloro, síntesis hidrotermal o desorción selectiva de metales a alta temperatura al vacío. Dependiendo del método de síntesis, el precursor de carburo y los parámetros de reacción, se pueden lograr múltiples alótropos de carbono, incluidas partículas endoédricas compuestas de carbono predominantemente amorfo, nanotubos de carbono, grafeno epitaxial, diamante nanocristalino, carbono similar a la cebolla y cintas grafíticas, barriles y cuernos. Estas estructuras exhiben una alta porosidad y áreas de superficie específicas, con diámetros de poro altamente ajustables, lo que los convierte en materiales prometedores para el almacenamiento de energía basado en supercondensadores, la filtración de agua y la desalinización capacitiva, el soporte de catalizadores y la eliminación de citocinas. [14]
Lonsdaleita (diamante hexagonal)
La lonsdaleita es un alótropo hexagonal del diamante alótropo de carbono , que se cree que se forma a partir del grafito presente en los meteoritos tras su impacto en la Tierra . El gran calor y la tensión del impacto transforman el grafito en diamante, pero conserva la red cristalina hexagonal del grafito . El diamante hexagonal también se ha sintetizado en el laboratorio comprimiendo y calentando el grafito en una prensa estática o utilizando explosivos. También se puede producir mediante la descomposición térmica de un polímero, poli (hidridocarbino) , a presión atmosférica, bajo una atmósfera de gas inerte (por ejemplo, argón, nitrógeno), comenzando a una temperatura de 110 ° C (230 ° F). [15] [16] [17]
Carbono acetilénico lineal
Un polímero de carbono unidimensional con la estructura - (C≡C) n -.
Ciclocarbonos
El ciclo [18] carbono (C 18 ) se sintetizó en 2019. [18]
Otras formas posibles
- D-carbono : los teóricos propusieron el carbono D en 2018. [19] El carbono D es un alótropo ortorrómbico de carbono sp 3 (6 átomos por célula). Los cálculos de energía total demuestran que el carbono D es energéticamente más favorable que la estructura T 6 propuesta anteriormente (con 6 átomos por celda), así como muchas otras.
- La chaoita es un mineral que se cree que se formó en impactos de meteoritos. Se ha descrito como un poco más duro que el grafito con un color de reflexión de gris a blanco. Sin embargo, se cuestiona la existencia de fases de carbeno ; consulte la entrada sobre chaoite para obtener más detalles.
- Carbono metálico : Los estudios teóricos han demostrado que hay regiones en el diagrama de fase , a presiones extremadamente altas, donde el carbono tiene carácter metálico. [20]
- bcc-carbon : A presiones ultra altas de más de 1000 GPa, se predice que el diamante se transformará en la llamada estructura C 8 , una estructura cúbica centrada en el cuerpo con 8 átomos en la celda unitaria. Esta fase de carbono cúbico podría tener importancia en astrofísica. Su estructura es conocida en una de las fases metaestables del silicio y es similar a la del cubano . [21] El material superdenso y superduro que se asemeja a esta fase se sintetizó y publicó en 1979 [22] y 2008. [23] [24] La estructura de esta fase se propuso en 2012 como sodalita de carbono. [25]
- bct-carbon : carbono tetragonal centrado en el cuerpo propuesto por teóricos en 2010 [26] [27]
- Carbono M : Se pensó por primera vez que el carbón monoclínico centrado en C se creó en 1963 comprimiendo grafito a temperatura ambiente. Su estructura fue teorizada en 2006, [28] luego en 2009 se relacionó [29] con esas observaciones experimentales. Se propuso que muchos candidatos estructurales, incluido bct-carbon, fueran igualmente compatibles con los datos experimentales disponibles en ese momento, hasta que en 2012 se demostró teóricamente que esta estructura es cinéticamente más probable que se forme a partir de grafito. [30] [31] Los datos de alta resolución aparecieron poco después, demostrando que entre todos los candidatos de estructura solo el carbono M es compatible con el experimento. [32] [33]
- Q-carbon : carbono ferromagnético descubierto en 2015. [34]
- Carbono T : cada átomo de carbono en el diamante se reemplaza por un tetraedro de carbono (de ahí el 'carbono T'). Esto fue propuesto por teóricos en 1985. [35]
- Existe evidencia de que las estrellas enanas blancas tienen un núcleo de carbono cristalizado y núcleos de oxígeno. El mayor de estos encontrados en el universo hasta ahora, BPM 37093 , se encuentra a 50 años luz (4,7 × 10 14 km) de distancia en la constelación de Centauro . Un comunicado de prensa del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics describió el núcleo estelar de 4.000 kilómetros de ancho como un diamante , [36] y fue nombrado como Lucy , en honor a la canción de los Beatles "Lucy in the Sky With Diamonds". "; [37] sin embargo, es más probable que sea una forma exótica de carbono.
- Prismane C 8 es un alótropo de carbono metaestable teóricamente predicho que comprende un grupo atómico de ocho átomos de carbono, con la forma de una bipirámide triangular alargada, un prisma triangular de seis átomos con dos átomos más por encima y por debajo de sus bases. [38]
- El gráfico de Laves o cristal K 4 es una estructura de carbono metaestable cristalina tridimensional teóricamente predicha en la que cada átomo de carbono está unido a otros tres, en ángulos de 120 ° (como el grafito), pero donde los planos de enlace de las capas adyacentes se encuentran en un ángulo de 120 °. ángulo de 70,5 °, en lugar de coincidir [39] [40]
- Pentagrafeno
- Haeckelitas Disposiciones ordenadas de pentágonos, hexágonos y heptágonos que pueden ser planos o tubulares.
- Phagraphene Graphene alótropo con conos de Dirac distorsionados.
- Novamene Una combinación de diamante hexagonal yhexágonossp 2 como en el grafeno. [41]
- Protomene Una estructura cristalina hexagonal con una celda primitiva completamente relajada que involucra 48 átomos. De estos, 12 átomos tienen el potencial de cambiar la hibridación entre sp 2 y sp 3 , formando dímeros. [42]
- Zayedene Una combinación de cadenas de carbono sp lineales y carbono a granel sp3. La estructura de estos alótropos de carbono cristalino consiste en cadenas sp insertadas en cavidades cilíndricas dispuestas periódicamente en diamante hexagonal (lonsdaleita). [43] [44]
- Se predice que el carbono U consiste en capas onduladas revestidas con anillos de seis o 12 átomos, unidos por enlaces covalentes. Cabe destacar que es más duro que el acero , tan conductor como el acero inoxidable, altamente reflectante y ferromagnético , comportándose como un imán permanente a temperaturas de hasta 125 ° C. [45]
Variabilidad del carbono
El sistema de los alótropos de carbono abarca una asombrosa gama de extremos, considerando que todos son meras formaciones estructurales del mismo elemento.
Entre diamante y grafito:
- El diamante cristaliza en el sistema cúbico pero el grafito cristaliza en el sistema hexagonal .
- El diamante es claro y transparente, pero el grafito es negro y opaco.
- El diamante es el mineral más duro conocido (10 en la escala de Mohs ), pero el grafito es uno de los más blandos (1–2 en la escala de Mohs ).
- El diamante es el abrasivo definitivo, pero el grafito es blando y es un lubricante muy bueno.
- El diamante es un excelente aislante eléctrico, pero el grafito es un excelente conductor.
- El diamante es un excelente conductor térmico, pero algunas formas de grafito se utilizan para aislamiento térmico (por ejemplo, escudos térmicos y cortafuegos).
- A temperatura y presión estándar, el grafito es la forma termodinámicamente estable. Por tanto, los diamantes no existen para siempre. Sin embargo, la conversión de diamante a grafito tiene una energía de activación muy alta y, por lo tanto, es extremadamente lenta.
A pesar de la dureza de los diamantes, los enlaces químicos que mantienen unidos los átomos de carbono en los diamantes son en realidad más débiles que los que mantienen unido el grafito. La diferencia es que en el diamante, los enlaces forman una red tridimensional inflexible. En el grafito, los átomos están estrechamente unidos en láminas, pero las láminas pueden deslizarse fácilmente entre sí, haciendo que el grafito sea suave. [46]
Ver también
- Alótropos de carbono superdensos
Referencias
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enlaces externos
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