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Alotropía

El diamante y el grafito son dos alótropos del carbono: formas puras del mismo elemento que difieren en su 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 , conocidas como alótropos de los elementos. Los alótropos son diferentes modificaciones estructurales de un elemento: los átomos del elemento están unidos entre sí de diferentes maneras. [1] Por ejemplo, los alótropos del carbono incluyen el diamante (los átomos de carbono están unidos entre sí para formar una red cúbica de tetraedros ), el grafito (los átomos de carbono están unidos entre sí en láminas de una red hexagonal ), el grafeno (láminas individuales de grafito) y los fulerenos (los átomos de carbono están unidos entre sí en formaciones esféricas, tubulares o elipsoidales).

El término alotropía se utiliza únicamente 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 las diferentes formas de un elemento dentro de la misma fase física (el estado de la materia, como un sólido , un líquido o un 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.

En el caso de algunos elementos, los alótropos tienen diferentes fórmulas moleculares 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 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 todos a la misma forma P4 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). [2] [3] El término se deriva del griego άλλοτροπἱα (allotropía)  'variabilidad, mutabilidad'. [4] 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 . [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 observó que la alotropía de los elementos es sólo un caso especial del fenómeno del polimorfismo conocido para los compuestos, y propuso que los términos alótropo y alotropía se abandonaran y se reemplazaran por polimorfo y polimorfismo. [5] [3] 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 los elementos. [6]

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 bastante diferentes. El cambio entre formas alotrópicas es provocado por las mismas fuerzas que afectan a otras estructuras, es decir, presión , luz y 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 peste de estaño de una forma metálica a una forma semimetálica por debajo de los 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

Por lo general, los elementos capaces de presentar un número de coordinación y/o estados de oxidación variables tienden a exhibir un mayor número de formas alotrópicas. Otro factor que contribuye es la capacidad de un elemento para concatenarse .

Algunos ejemplos de alótropos incluyen:

No metales

Metaloides

Rieles

Entre los elementos metálicos que se encuentran 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.

 Estructura más estable en condiciones estándar.
 Estructuras estables por debajo de la temperatura ambiente.
 Estructuras estables por encima de la temperatura ambiente.
 Estructuras estables por encima de la presión atmosférica.

Lantánidos y actínidos

Diagrama de fases de los elementos actínidos.

Nanoalótropos

En 2017, se propuso el concepto de nanoalotropía. [21] 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). [22] Dichos nanoalótropos pueden ayudar a crear dispositivos electrónicos ultrapequeños y encontrar otras aplicaciones industriales. [22] Las diferentes arquitecturas a escala nanométrica se traducen en diferentes propiedades, como se demostró para la dispersión Raman mejorada en la superficie realizada en varios nanoalótropos de oro diferentes. [21] También se creó un método de dos pasos para generar nanoalótropos. [22]

Véase también

Notas

  1. ^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2.ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "Allotrope". doi :10.1351/goldbook.A00243
  2. ^ Ver:
    • Berzelius, Jac. (1841). Årsberättelse om Framstegen i Fysik och Kemi afgifven den 31 Mars 1840. Första delen [ Informe anual sobre el progreso de la física y la química presentado el 31 de marzo de 1840. Primera parte . ] (en sueco). Estocolmo, Suecia: PA Norstedt & Söner. pag. 14. De la pág. 14: "Om det ock passar väl för att uttrycka förhållandet emellan myrsyrad etiloxid och ättiksyrad methyloxid, så är det icke passande för de olikatilstånd hos de enkla kropparne, hvari dessa blifva af skiljaktiga egenskaper, och torde för dem böra ersättas af en bättre vald benämning , t .​​​ (Si también es adecuada para expresar la relación entre el óxido de etilo del ácido fórmico [es decir, el formato de etilo] y el óxido de metilo del ácido acético [es decir, el acetato de metilo] , entonces ... no es adecuado para diferentes condiciones de sustancias simples, donde estas [sustancias] se transforman para tener propiedades diferentes, y [por lo tanto, la palabra isómeros ] debería reemplazarse, en su caso, por un nombre mejor elegido; por ejemplo, Alotropía (de αλλότροπος , que significa: de distinta naturaleza) o condición alotrópica .)
    • Republicado en alemán: Berzelius, Jacob; Wöhler, F. (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). 20 . Tubinga, (Alemania): Laupp'schen Buchhandlung: 13. De la pág. 13: "Wenn es sich auch noch gut eignet, um das Verhältniss zwischen ameisensaurem Äthyloxyd und essigsaurem Mmethyloxyd auszudrücken, so ist es nicht passend für ungleiche Zustände bei Körpern, in welchen diese verschiedene Eigenschaften annehmen, und dürfte für die se durch eine besser gewählte Benennung zu ersetzen sein, z. B. durch Allotropie (von αλλότροπος , welches bedeutet: von ungleicher Beschaffenheit), oder durch allotropischen Zustand . (Aunque [es decir, la palabra isómero ] todavía es adecuada para expresar la relación entre el formato de etilo y el acetato de metilo, entonces no es apropiada para las condiciones distintas en el caso de sustancias donde estas [sustancias] asumen propiedades diferentes, y Para estos, [la palabra isómero ] puede reemplazarse con una designación mejor elegida, por ejemplo, con alotropía (de αλλότροπος , que significa: de carácter distinto), o con condición alotrópica .
    • Diccionario en línea Merriam-Webster: Alotropía
  3. ^ abc Jensen, WB (2006), "El origen del término alótropo", J. Chem. Educ. , 83 (6): 838–39, Bibcode :2006JChEd..83..838J, doi :10.1021/ed083p838.
  4. ^ "alotropía", A New English Dictionary on Historical Principles , vol. 1, Oxford University Press, 1888, pág. 238.
  5. ^ Ostwald, Wilhelm; Taylor, WW (1912). Esquemas de química general (3.ª ed.). Londres, Inglaterra: Macmillan and Co., Ltd., pág. 104. De la página 104: "Se sabe que existen sustancias que no sólo existen en dos, sino incluso en tres, cuatro o cinco formas sólidas diferentes; no se sabe que exista ninguna limitación en cuanto al número. Tales sustancias se denominan polimorfas. El nombre alotropía se emplea comúnmente en el mismo contexto, especialmente cuando la sustancia es un elemento. No hay ninguna razón real para hacer esta distinción, y es preferible dejar que el segundo nombre menos común desaparezca".
  6. ^ Jensen 2006, citando a Addison, WE The Allotropy of the Elements (Elsevier 1964) que muchos han repetido este consejo.
  7. ^ Werner Heisenberg – Datos Nobelprize.org
  8. ^ "Conozca el silicio Q, un nuevo material magnético para computadoras cuánticas espintrónicas". New Atlas . 4 de julio de 2023.
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Referencias

Enlaces externos

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