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Alótropos del carbono

Ocho alótropos del carbono : (a)  diamante , (b)  grafito , (c)  lonsdaleíta , (d) buckminsterfullereno C60 , (e) fulereno C540 , (f)  fulereno C70 , (g)  carbono amorfo , (h) nanotubo de carbono de pared simple en zigzag . Faltan : ciclocarbono , nanobrotes de carbono , schwarzitas, carbono vítreo y carbono acetilénico lineal (carbino)

El carbono es capaz de formar muchos alótropos (formas estructuralmente diferentes del mismo elemento) debido a su valencia ( tetravalente ). Las formas conocidas de carbono incluyen el diamante y el grafito . En las últimas décadas, se han descubierto e investigado muchos más alótropos, incluidas formas esféricas como el buckminsterfullereno y láminas como el grafeno . Las estructuras de carbono a mayor escala incluyen nanotubos , nanobrotes y nanocintas . Existen otras formas inusuales de carbono a temperaturas muy altas o presiones extremas. En la actualidad se conocen alrededor de 500 alótropos hipotéticos de carbono de 3 períodos, según la Base de datos de alótropos de carbono de Samara (SACADA). [1]

Carbono atómico y diatómico

En determinadas condiciones, el carbono se puede encontrar en su forma atómica. Se puede formar vaporizando grafito, haciendo pasar grandes corrientes eléctricas para formar un arco de carbono a muy baja presión. Es extremadamente reactivo, pero es un producto intermedio utilizado en la creación de carbenos . [2]

El carbono diatómico también se puede encontrar en determinadas condiciones. A menudo se detecta mediante espectroscopia en cuerpos extraterrestres, incluidos cometas y ciertas estrellas . [3] [4]

Diamante

El diamante es un alótropo conocido del carbono. Su dureza , su índice de refracción extremadamente alto y su alta dispersión de la luz hacen que el diamante sea útil para aplicaciones industriales y para la joyería. El diamante es el mineral natural más duro que se conoce . Esto lo convierte en un excelente abrasivo y hace que mantenga el pulido y el brillo extremadamente bien. Ninguna sustancia natural conocida puede cortar o rayar el diamante, excepto otro diamante. En forma de diamante, el carbono es uno de los elementos más costosos.

La estructura cristalina del diamante es una red cúbica centrada en las caras que tiene ocho átomos por celda unitaria para formar una estructura cúbica de diamante . Cada átomo de carbono está unido covalentemente a otros cuatro carbonos en una geometría tetraédrica . Estos tetraedros juntos forman una red tridimensional de anillos de carbono de seis miembros en la conformación de silla , lo que permite una tensión de ángulo de enlace cero . La unión se produce a través de orbitales hibridados sp3 para dar una longitud de enlace CC de 154  pm . Esta red de enlaces covalentes sin tensión hace que el diamante sea extremadamente fuerte. El diamante es termodinámicamente menos estable que el grafito a presiones inferiores1,7  GPa . [5] [6] [7]

El uso industrial dominante del diamante es el corte , la perforación ( brocas ), el esmerilado (cortadores con filo de diamante) y el pulido. La mayoría de los usos de los diamantes en estas tecnologías no requieren diamantes grandes, y la mayoría de los diamantes que no son de calidad gema pueden encontrar un uso industrial. Los diamantes se incrustan en las puntas de las brocas y 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 (véase yunque de diamante ), cojinetes de alto rendimiento y ventanas especializadas de aparatos técnicos.

El mercado de diamantes de calidad industrial funciona de manera muy diferente a su contraparte de calidad 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 adecuados para su uso como piedras preciosas y, conocidos como bort , se destinan a un 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, lo que es casi cuatro veces la masa de los diamantes naturales extraídos durante el mismo período.

Con los continuos avances que se están realizando en la producción de diamantes sintéticos, las aplicaciones futuras están empezando a ser factibles. El posible uso del diamante como semiconductor adecuado para construir microchips o como disipador de calor en la electrónica está generando mucho entusiasmo . Se están realizando importantes esfuerzos de investigación en Japón , Europa y Estados Unidos para aprovechar el potencial que ofrecen las propiedades únicas del diamante, combinadas con una mayor calidad y cantidad de suministro que comienza a estar disponible por parte de los fabricantes de diamantes sintéticos. [ cita requerida ]

Grafito

El grafito , llamado así por Abraham Gottlob Werner en 1789, del griego γράφειν ( graphein , "dibujar/escribir", por su uso en lápices) es uno de los alótropos más comunes del carbono. A diferencia del diamante, el grafito es un conductor eléctrico. Por lo tanto, se puede utilizar, por ejemplo, en electrodos de lámparas de arco eléctrico. Asimismo, en condiciones estándar , el grafito es la forma más estable del carbono. Por lo tanto, se utiliza en termoquímica como el 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 tienen libertad de movimiento, 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 un enlace covalente. El movimiento de los electrones está restringido y el diamante no conduce una corriente eléctrica. En el grafito, cada átomo de carbono utiliza solo 3 de sus 4 electrones del nivel de energía externo 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 tienen libertad de movimiento por todo 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 en ángulo recto con el plano.

El polvo de grafito se utiliza como lubricante seco . Aunque se podría pensar que esta propiedad, importante a nivel industrial, 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 su uso en el espacio ), se ha descubierto que el grafito es un lubricante muy deficiente. Este hecho llevó al descubrimiento de que la lubricidad del grafito se debe al aire y al 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 carbono pirolítico , un material útil en implantes en contacto con la sangre, como las válvulas cardíacas protésicas .

El grafito es el alótropo más estable del carbono. Contrariamente a la creencia popular, el grafito de alta pureza no se quema fácilmente, incluso a temperaturas elevadas. [8] Por esta razón, se utiliza en reactores nucleares y en crisoles de alta temperatura para fundir metales. [9] 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 suelen utilizarse en forma pura como materiales estructurales debido a sus planos de corte, su fragilidad y sus 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 conos de nariz de misiles, motores de cohetes sólidos , reactores de alta temperatura , zapatas de freno y escobillas de motores eléctricos .

Los grafitos intumescentes o expandibles se utilizan en los sellos contra incendios, instalados alrededor del perímetro de una puerta cortafuegos. Durante un incendio, el grafito se intumesce (se expande y carboniza) para resistir la penetración del fuego y evitar la propagación de humos. Una temperatura de expansión inicial (SET) típica está entre 150 y 300 °C.

La gravedad específica del grafito es 2,3, lo que lo hace menos denso que el diamante.

El grafito es ligeramente más reactivo que el diamante, ya que los reactivos pueden penetrar entre las capas hexagonales de átomos de carbono del grafito. No se ve afectado por los disolventes comunes, los ácidos diluidos o los álcalis fundidos. Sin embargo, el ácido crómico lo oxida y lo convierte en dióxido de carbono.

Grafeno

Una sola capa de grafito se denomina grafeno y posee propiedades eléctricas, térmicas y físicas extraordinarias. Puede producirse por epitaxia sobre un sustrato aislante o conductor o por exfoliación mecánica (pelado repetido) del grafito. Sus aplicaciones pueden incluir la sustitución del silicio en dispositivos electrónicos de alto rendimiento. Con dos capas apiladas, el grafeno bicapa tiene propiedades diferentes.

Lonsdaleíta (diamante hexagonal)

La lonsdaleíta es un alótropo a veces llamado " diamante hexagonal ", formado a partir del grafito presente en los meteoritos tras su impacto en la Tierra. El gran calor y la presión del impacto transforman el grafito en una forma más densa similar al diamante pero que 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 por la descomposición térmica de un polímero, poli(hidridocarbino) , a presión atmosférica, bajo una atmósfera de gas inerte (por ejemplo, argón, nitrógeno), a partir de una temperatura de 110 °C (230 °F). [10] [11] [12]

Grafenileno

El grafenileno [13] es un material de carbono de una sola capa con subunidades similares al bifenileno como base en su estructura reticular hexagonal. También se lo conoce como carbono-bifenileno.

Carbofeno

El carbofeno es un armazón orgánico covalente bidimensional . [14] El 4-6 carbofeno se ha sintetizado a partir del 1-3-5 trihidroxibenceno . Está formado por anillos de 4 y 6 carbonos en una proporción de 1:1. Los ángulos entre los tres enlaces σ de los orbitales son aproximadamente 120°, 90° y 150°. [15]

Grafito AA'

El grafito AA' es un alótropo del carbono similar al grafito, pero donde las capas están ubicadas de manera diferente entre sí en comparación con el orden en el grafito.

Diamante

El diamane es una forma bidimensional del diamante. Se puede fabricar mediante altas presiones, pero sin esa presión, el material se convierte en grafeno. Otra técnica consiste en añadir átomos de hidrógeno, pero esos enlaces son débiles. En cambio, el uso de flúor (difluoruro de xenón) acerca las capas y fortalece los enlaces. Esto se denomina f-diamane. [16]

Carbono amorfo

El carbono amorfo es el nombre que se le da al carbono que no tiene ninguna estructura cristalina . Como ocurre con todos los materiales vítreos , se puede observar un cierto orden de corto alcance, pero no existe un patrón de largo alcance de posiciones atómicas. Si bien se puede producir carbono completamente amorfo, la mayor parte del carbono amorfo contiene cristales microscópicos de carbono similar al grafito [17] o incluso al diamante [18] .

El carbón y el hollín o negro de carbón se denominan informalmente carbono amorfo. Sin embargo, son productos de la pirólisis (el proceso de descomposición de una sustancia por la acción del calor), que no produce carbono amorfo verdadero en condiciones normales.

Nanocarbonos

Fulerenos de Buckminster

Los buckminsterfullerenos , o por lo general simplemente 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 fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 1996. Reciben su nombre por el parecido con las estructuras geodésicas ideadas por Richard Buckminster "Bucky" Fuller . Los fulerenos son moléculas de curvatura positiva de tamaños variables compuestas completamente de carbono, que toman la forma de una esfera hueca, un elipsoide o un tubo (la versión C60 tiene la misma forma que un balón de fútbol tradicional cosido).

A principios del siglo XXI, las propiedades químicas y físicas de los fulerenos siguen siendo objeto de intensos estudios, tanto en laboratorios de investigación pura como aplicada. En abril de 2003, los fulerenos se estaban estudiando para su posible uso medicinal: la unión de antibióticos específicos a la estructura para atacar a las bacterias resistentes e incluso a ciertas células cancerosas como el melanoma.

Nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono, también llamados buckytubos, son moléculas de carbono cilíndricas con propiedades novedosas que los hacen potencialmente útiles en una amplia variedad de aplicaciones (por ejemplo, nanoelectrónica, óptica , aplicaciones de materiales , etc.). Presentan una resistencia extraordinaria, propiedades eléctricas únicas y son conductores eficientes del calor . También se han sintetizado nanotubos no carbonados . Los nanotubos de carbono son miembros de la familia estructural de los fulerenos , que también incluye las buckybolas . Mientras que las buckybolas tienen forma esférica , un nanotubo es cilíndrico , con al menos un extremo típicamente cubierto con un hemisferio de la estructura de buckybola. 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 longitud. Hay dos tipos principales de nanotubos: nanotubos de pared simple (SWNT) y nanotubos de pared múltiple (MWNT).

Nanobuds de carbono

Modelos informáticos de estructuras nanoscópicas estables

Los nanobrotes de carbono son un alótropo de carbono descubierto recientemente en el que "brotes" similares a los fulerenos se unen covalentemente a las paredes laterales externas de los nanotubos de carbono . Este material híbrido tiene propiedades útiles tanto de los fulerenos como de los nanotubos de carbono. Por ejemplo, se ha descubierto que son emisores de campo excepcionalmente buenos .

Schwarzitas

Las schwarzitas son superficies de carbono con curvatura negativa, propuestas originalmente mediante la decoración de superficies mínimas triplemente periódicas con átomos de carbono. La topología geométrica de la estructura está determinada por la presencia de defectos en los anillos, como heptágonos y octógonos, en la red hexagonal del grafeno . [19] ( 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 carbones con plantilla de zeolita (ZTC) pueden ser schwarzitas. El nombre, ZTC, deriva de su origen dentro de los poros de las zeolitas , minerales de dióxido de silicio cristalino . 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. Al disolver la zeolita, queda el carbono. Un equipo generó estructuras decorando los poros de una zeolita con carbono a través de un método de Monte Carlo . Algunos de los modelos resultantes se parecen a las estructuras de tipo schwarzita. [20]

Carbono vítreo

Una gran muestra de carbono vítreo.

El carbono vítreo o carbono vítreo es una clase de carbono no grafitizante ampliamente 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 que imitara la estructura de un 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 del 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 carbones vítreos en oxígeno, dióxido de carbono o vapor de agua son inferiores a las de cualquier otro carbono. También son muy resistentes al ataque de los ácidos. Así, mientras que el grafito normal se reduce a polvo mediante una mezcla de ácidos sulfúrico y nítrico concentrados a temperatura ambiente, el carbón vítreo no se ve afectado por dicho tratamiento, incluso después de varios meses.

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 conjunto de átomos de carbono de baja densidad unidos entre sí en una red tridimensional suelta.

Cada grupo tiene unos 6 nanómetros de ancho y está formado por unos 4000 átomos de carbono unidos en láminas similares al grafito a las que se les da una curvatura negativa por la inclusión de heptágonos entre el patrón hexagonal regular . Esto es lo opuesto de lo que ocurre en el caso de los buckminsterfullerenos , en los que las láminas de carbono reciben una curvatura positiva por la inclusión de pentágonos .

La estructura a gran escala de la nanoespuma de carbono es similar a la de un aerogel , pero con un 1% de la densidad de los aerogeles de carbono producidos anteriormente (apenas unas pocas veces la densidad del aire a nivel del mar ). A diferencia de los aerogeles de carbono, la nanoespuma de carbono es un mal conductor eléctrico .

Carbono derivado del 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 los precursores de carburo metálico, como TiC, SiC, Ti 3 AlC 2 , Mo 2 C , etc. Esta síntesis se logra utilizando 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 predominantemente de carbono amorfo, nanotubos de carbono, grafeno epitaxial, diamante nanocristalino, carbono tipo cebolla y cintas, barriles y cuernos grafíticos. Estas estructuras exhiben alta porosidad y áreas de superficie específicas, con diámetros de poro altamente ajustables, lo que las 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. [21]

Se han producido otras fases de carbono metaestables, algunas similares al diamante, a partir de reacciones de SiC o CH3SiCl3 con CF4. [22]

Carbono acetilénico lineal

Polímero de carbono unidimensional con estructura —(C≡C) n —. Su estructura es relativamente similar a la del carbono amorfo.

Ciclocarbonos

El ciclo[18]carbono (C 18 ) se sintetizó en 2019. [23]

Otros posibles alótropos

Se han planteado hipótesis sobre muchos otros alótropos, pero aún no se han sintetizado.

El cristal K 4

Variabilidad del carbono

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

El sistema de alótropos del carbono abarca una asombrosa gama de extremos, considerando que todos son meras formaciones estructurales del mismo elemento.

Entre el diamante y el grafito:

A pesar de la dureza de los diamantes, los enlaces químicos que mantienen unidos los átomos de carbono son en realidad más débiles que los que mantienen unidos al grafito. La diferencia es que en el diamante los enlaces forman una red tridimensional inflexible. En el grafito, los átomos están fuertemente unidos en láminas, pero estas pueden deslizarse fácilmente unas sobre otras, lo que hace que el grafito sea blando. [54]

Véase también

Referencias

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