Alotropía

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

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	Diamante : un cristal transparente extremadamente duro, con los átomos de carbono dispuestos en una red tetraédrica. Un mal conductor eléctrico. Excelente conductor térmico. Lonsdaleita - también llamado diamante hexagonal. Grafeno : es el elemento estructural básico de otros alótropos, nanotubos, carbón y fullerenos. Q-carbon : una estructura cristalina ferromagnética, resistente y brillante que es más dura y brillante que los diamantes. ^{[ dudoso - discutir ]} Grafito : un sólido suave, negro y escamoso, un conductor eléctrico moderado. Los átomos de C están unidos en celosías hexagonales planas ( grafeno ), que luego se colocan en capas. Carbono acetilénico lineal (Carbyne) Carbono amorfo Fullerenos , incluido el buckminsterfullereno , también conocido como "buckyballs", como el C ₆₀ . Nanotubos de carbono : alótropos de carbono con una nanoestructura cilíndrica. Schwarzites Ciclocarbono Carbono vidrioso
Fósforo	Fósforo blanco : sólido cristalino de moléculas de tetrafosforo (P ₄ ) Red de fósforo - amorfo polimérico sólido Fósforo escarlata Fósforo violeta con estructura cristalina monoclínica Fósforo negro : semiconductor, análogo al grafito Difósforo - forma gaseosa compuesta por moléculas de P ₂ , estable entre 1200 ° C y 2000 ° C; creado, por ejemplo, por disociación de moléculas P ₄ de fósforo blanco a alrededor de 827 ° C
Oxígeno	Dioxígeno , O ₂ - incoloro (líquido y sólido azul tenue) Ozono , O ₃ - azul Tetraoxígeno , O ₄ - metaestable Octaoxígeno , O ₈ - rojo
Azufre	Ciclo-pentasulfuro, ciclo-S ₅ Ciclohexasulfuro, ciclo-S ₆ Cicloheptasulfuro, ciclo-S ₇ Ciclo-Octasulfuro, Cyclo-S ₈
Selenio	"Selenio rojo", ciclo-Se ₈ Selenio gris, Se polimérico Selenio negro, anillos poliméricos irregulares de hasta 1000 átomos de largo Selenio monoclínico, cristales transparentes rojo oscuro

Metaloides

Elemento	Alótropos
Boro	Boro amorfo - polvo marrón - B ₁₂ icosaedro regular boro α-romboédrico boro β-romboédrico boro γ-ortorrómbico boro α-tetragonal boro β-tetragonal Fase superconductora de alta presión
Silicio	Silicio amorfo silicio cristalino, estructura cúbica de diamante Silicene, silicio plano pandeado de una sola capa, similar al grafeno
Germanio	α-germanio - semimetálico, con la misma estructura que el diamante β-germanio - metálico, con la misma estructura que el beta-estaño Germanene - Germanio plano abrochado, similar al grafeno
Arsénico	Arsénico amarillo - As ₄ molecular no metálico , con la misma estructura que el phopshorus blanco Arsénico gris, polimérico As (metaloide) Arsénico negro: molecular y no metálico, con la misma estructura que el fósforo rojo.
Antimonio	antimonio azul-blanco - forma estable (metaloide), con la misma estructura que el arsénico gris antimonio amarillo (no metálico) antimonio negro (no metálico) antimonio explosivo
Telurio	telurio amorfo - polvo gris-negro o marrón ^[5] telurio cristalino - estructura cristalina hexagonal (metaloide)

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		Se formó una fase intermedia ~ 40 GPa.
			cI16		Formas superiores a 40GPa.
Berilio		P6 ₃ / mmc	hP2	Empaquetado hexagonal cerrado	Estable a temperatura y presión ambiente.
Berilio		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.
Magnesio		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.
Cobalto	β-Cobalto			empaquetado hexagonal cerrado	Se forma por debajo de 417 ° C.
Polonio	α-polonio			cúbico simple
Polonio	β-polonio			romboédrico

Lantánidos y actínidos

Diagrama de fases de los elementos 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

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Referencias

Chisholm, Hugh, ed. (1911). "Alotropía" . 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

[1] IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) " Allotrope ". doi : 10.1351 / goldbook.A00243

[Jensen-2] Jensen, WB (2006), "El origen del término alótropo", J. Chem. Educ. , 83 (6): 838–39, Bibcode : 2006JChEd..83..838J , doi : 10.1021 / ed083p838.

[3] "alotropía", Un nuevo diccionario inglés sobre principios históricos , 1 , Oxford University Press, 1888, p. 238.

[4] Jensen 2006, citando a Addison, WE The Allotropy of the Elements (Elsevier 1964) que muchos han repetido este consejo.

[google-5] Raj, G. Química inorgánica avanzada Vol-1 . Krishna Prakashan. pag. 1327. ISBN 9788187224037. Consultado el 6 de enero de 2017 .

[6] 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 .

[7] Hanfland, M .; Loa, I .; Syassen, K. (13 de mayo de 2002). "Sodio a presión: transición estructural de bcc a fcc y relación presión-volumen a 100 GPa". Physical Review B . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 65 (18): 184109. Código Bibliográfico : 2002PhRvB..65r4109H . doi : 10.1103 / physrevb.65.184109 . ISSN 0163-1829 .

[8] McMahon, MI; Gregoryanz, E .; Lundegaard, LF; Loa, I .; Guillaume, C .; Nelmes, RJ; Kleppe, AK; Amboage, M .; Wilhelm, H .; Jephcoat, AP (18 de octubre de 2007). "Estructura del sodio por encima de 100 GPa por difracción de rayos X monocristalino" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 104 (44): 17297-17299. Código bibliográfico : 2007PNAS..10417297M . doi : 10.1073 / pnas.0709309104 . ISSN 0027-8424 . PMC 2077250 . PMID 17947379 .

[9] Gregoryanz, E .; Lundegaard, LF; McMahon, MI; Guillaume, C .; Nelmes, RJ; Mezouar, M. (23 de mayo de 2008). "Diversidad estructural del sodio". Ciencia . Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS). 320 (5879): 1054–1057. Código Bibliográfico : 2008Sci ... 320.1054G . doi : 10.1126 / science.1155715 . ISSN 0036-8075 . PMID 18497293 . S2CID 29596632 .

[10] Olijnyk, H .; Holzapfel, WB (1 de abril de 1985). "Transición de fase estructural de alta presión en Mg". Physical Review B . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 31 (7): 4682–4683. Código Bibliográfico : 1985PhRvB..31.4682O . doi : 10.1103 / physrevb.31.4682 . ISSN 0163-1829 . PMID 9936412 .

[11] Molodets, AM; Nabatov, SS (2000). "Potenciales termodinámicos, diagrama de estado y transiciones de fase de estaño en la compresión de choque". Alta temperatura . 38 (5): 715–721. doi : 10.1007 / BF02755923 . S2CID 120417927 .

[12] Benedict, U .; Haire, RG; Peterson, JR; Itie, JP (1985). "Deslocalización de electrones 5f en curio metálico a alta presión". Revista de física F: Física de metales . 15 (2): L29 – L35. Código Bibliográfico : 1985JPhF ... 15L..29B . doi : 10.1088 / 0305-4608 / 15/2/002 .

[:0-13] Udayabhaskararao, Thumu; Altantzis, Thomas; Houben, Lothar; Coronado-Puchau, Marc; Langer, Judith; Popovitz-Biro, Ronit; Liz-Marzán, Luis M .; Vuković, Lela; Král, Petr (27 de octubre de 2017). "Nanoalótropos porosos sintonizables preparados mediante grabado posterior al montaje de superredes de nanopartículas binarias" . Ciencia . 358 (6362): 514–518. Código Bibliográfico : 2017Sci ... 358..514U . doi : 10.1126 / science.aan6046 . ISSN 0036-8075 . PMID 29074773 .

[:1-14] "Los materiales que no existen en la naturaleza pueden 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 .

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