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; [1] los átomos del elemento están unidos entre sí de manera diferente. Por ejemplo, los alótropos del carbono incluyen el diamante (los átomos de carbono están unidos en una estructura tetraédricadisposición de celosía), grafito (los átomos de carbono están unidos en láminas de una celosía hexagonal ), grafeno (láminas 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 material cristalino, es polimorfismo . La alotropía se refiere solo a diferentes formas de un elemento dentro de la misma fase (es decir , estados sólido , líquido o gaseoso ); las diferencias entre estos estados no constituirían por sí solas ejemplos de alotropía.
Para algunos elementos, los alótropos tienen fórmulas moleculares diferentes a pesar de la diferencia de fase; 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; 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 1841 por el científico sueco Baron Jöns Jakob Berzelius (1779-1848). [2] El término se deriva del griego άλλοτροπἱα ( alotropia ) 'variabilidad, variabilidad'. [3] Después de la aceptación de la hipótesis de Avogadro en 1860, se entendió que los elementos podían existir como moléculas poliatómicas, y dos alótropos de oxígeno fueron reconocidos como O 2 y O 3 . [2] 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 para compuestos, y propuso que los términos alótropo y alotropía se abandonen y se reemplacen por polimorfismo y polimorfismo. [2] 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. [4]
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 |
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Fósforo |
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Oxígeno |
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Azufre |
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Selenio |
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Metaloides
Elemento | Alótropos |
---|---|
Boro |
|
Silicio |
|
Germanio |
|
Arsénico |
|
Antimonio |
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Telurio |
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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 | Formularios por debajo de 70 K. [6] | |
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 | Una fase intermedia se formó ~ 40 GPa. | ||||
cI16 | Formas superiores a 40 GPa. | ||||
Berilio | P6 3 / mmc | HP2 | Empaquetado hexagonal | 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. [7] | ||
Yo 4 3d | cI16 | Se forma a temperatura ambiente, 108 GPa. [8] | |||
Pnma | OP8 | Se forma a temperatura ambiente, 119GPa. [9] | |||
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. [10] | ||
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. [11] | |||
Stanene | |||||
Hierro | 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
- 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. [12]
Nanoalótropos
En 2017, el concepto de nanoalotropía fue propuesto por el profesor Rafal Klajn del Departamento de Química Orgánica del Instituto de Ciencia Weizmann . [13] 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). . [14] Estos nanoalótropos pueden ayudar a crear dispositivos electrónicos ultrapequeños y encontrar otras aplicaciones industriales. [14] 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. [13] También se creó un método de dos pasos para generar nanoalótropos. [14]
Ver también
- Isómero
- Polimorfismo (ciencia de materiales)
- Alótropo de carbono superdenso
Notas
- ^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) " Allotrope ". doi : 10.1351 / goldbook.A00243
- ^ a b c Jensen, WB (2006), "El origen del término alótropo", J. Chem. Educ. , 83 (6): 838–39, Bibcode : 2006JChEd..83..838J , doi : 10.1021 / ed083p838.
- ^ "alotropía", Un nuevo diccionario inglés sobre principios históricos , 1 , Oxford University Press, 1888, p. 238.
- ↑ Jensen 2006, citando a Addison, WE The Allotropy of the Elements (Elsevier 1964) que muchos han repetido este consejo.
- ^ Raj, G. Química inorgánica avanzada Vol-1 . Krishna Prakashan. pag. 1327. ISBN 9788187224037. Consultado el 6 de enero de 2017 .
- ^ Overhauser, AW (2 de julio de 1984). "Estructura cristalina de litio a 4,2 K". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 53 (1): 64–65. Código Bibliográfico : 1984PhRvL..53 ... 64O . doi : 10.1103 / physrevlett.53.64 . ISSN 0031-9007 .
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Referencias
- Chisholm, Hugh, ed. (1911). . Encyclopædia Britannica (11ª ed.). Prensa de la Universidad de Cambridge.
enlaces externos
- Nigel Bunce y Jim Hunt. "El rincón de la ciencia: alótropos" . Archivado desde el original el 31 de enero de 2008 . Consultado el 6 de enero de 2017 .CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace )
- Alótropos - Enciclopedia de química