QUÍMICA FÍSICA

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

La alotropía o alotropismo (del griego antiguo ἄλλος (allos) , que significa 'otro', y τρόπος (tropos) , que significa 'manera, forma') es la propiedad de algunos elementos químicos que existen en dos o más formas diferentes, en el mismo cuerpo físico. Estado , conocido como alótropos de estos elementos. Los alótropos son diferentes modificaciones estructurales de un elemento; ^[1] los átomos del elemento están unidos entre sí de una manera diferente. Por ejemplo, los alótropos de carbono incluyen el diamante (los átomos de carbono están unidos entre sí en unadisposición de la red tetraédrica ), grafito (los átomos de carbono están unidos entre sí en láminas de una red hexagonal ), grafeno (hojas simples de grafito) y fullerenos (los átomos de carbono están unidos entre sí en formaciones esféricas, tubulares o elipsoidales). El término alotropía se usa solo para elementos, no para compuestos . El término más general, usado para cualquier material cristalino, es polimorfismo . La alotropía se refiere solo a diferentes formas de un elemento dentro de la misma fase (es decir: sólido , líquido o gas).estados); las diferencias solo en estos estados no constituirían ejemplos de alotropía.

Para algunos elementos, los alótropos tienen diferentes fórmulas moleculares a pesar de la diferencia en la fase; por ejemplo, dos alótropos de oxígeno ( dioxígeno , O ₂ y ozono , O ₃ ) pueden existir en estado sólido, líquido y gaseoso. A la inversa, algunos elementos no mantienen alótropos distintos en fases diferentes; por ejemplo, el fósforo tiene numerosos alótropos sólidos , todos los cuales vuelven a la misma forma P ₄ cuando se funden al estado líquido.

Historia [ editar ]

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 ( allotropia) moderno , que significa "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 se reconocieron como O ₂ y O ₃ . ^[2] A principios del siglo 20, se reconoció que otros casos, como el carbono, se debían a diferencias en la estructura cristalina.

Para 1912, Ostwald notó que la alotropía de elementos es solo un caso especial del fenómeno del polimorfismoconocido para los compuestos, y propuso que los términos alótropo y alotropía se abandonaran y reemplazaran por polimorfos y polimorfismos. ^[2] Aunque muchos otros químicos han repetido este consejo, IUPAC y la mayoría de los textos de química siguen favoreciendo el uso de alótropo y alotropía solo para elementos. ^[4]

Diferencias en las propiedades de los alótropos de un elemento [ editar ]

Los alótropos son diferentes formas estructurales del mismo elemento y pueden exhibir propiedades físicas y comportamientos químicos muy diferentes. El cambio entre las formas alotrópicas se desencadena por las mismas fuerzas que afectan a otras estructuras, es decir, la presión , la luz y la 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 la cara ( austenita ) por encima de 906 ° C, y el estaño sufre una modificación conocida como plaga de estaño de un metalizado.formar una forma semiconductora por debajo de 13.2 ° C (55.8 ° F). Como ejemplo de que los alótropos tienen un comportamiento químico diferente, el ozono (O ₃ ) es un agente oxidante mucho más fuerte que el dioxígeno (O ₂).

Lista de alótropos [ editar ]

Esta sección necesita expansión. Puedes ayudar añadiéndolo . ( Mayo 2009 )

Típicamente, 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 para catenarse .

Ejemplos de alótropos incluyen:

No metales [ editar ]

Elemento	Alótropos
Carbón	Diamante : un cristal extremadamente duro y transparente, con los átomos de carbono dispuestos en una red tetraédrica. Un mal conductor eléctrico. Un excelente conductor térmico. Lonsdaleite - 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. Grafito : un sólido blando, negro, escamoso, un conductor eléctrico moderado. Los átomos de C están unidos en celosías hexagonales planas ( grafeno ), que luego se superponen en láminas. Carbono acetilénico lineal (Carbyne) Carbono amorfo Fullerenos , incluyendo Buckminsterfullerene , también conocido como "buckyballs", como C 60. Nanotubos de carbono : alótropos de carbono con una nanoestructura cilíndrica.
Fósforo	Fósforo blanco : sólido cristalino de las moléculas de tetrafósforo (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 de moléculas de P 2 , estables entre 1200 ° C y 2000 ° C; creado, por ejemplo, por disociación de P 4 moléculas de fósforo blanco a alrededor de 827 ° C
Oxígeno	Dioxígeno , O 2 - incoloro (azul tenue) Ozono , O 3 - azul Tetraoxigeno , O 4 - metaestable Octaoxygen , O 8 - rojo
Azufre	El azufre tiene un gran número de alótropos, superado solo por el carbono
Selenio	"Selenio rojo", ciclo-Se 8 Selenio gris, polimérico Se Selenio negro, anillos poliméricos irregulares de hasta 1000 átomos de largo. Selenio monoclínico, cristales transparentes rojo oscuro

Metaloides [ editar ]

Elemento	Alótropos
Boro	Boro amorfo - polvo marrón - B 12 icosahedra regular α-romboédrico boro β-romboédrico boro γ-ortorrómbico boro boro α-tetragonal boro β-tetragonal Fase superconductora de alta presión.
Silicio	Silicio amorfo Silicio cristalino, estructura cúbica de diamante. Silicona, de una sola capa plana de silicona, similar al grafeno.
Arsénico	Arsénico amarillo - molecular no metálico Como 4 , con la misma estructura que el phopshorus blanco Arsénico gris, polimérico como (metaloide) Arsénico negro - molecular y no metálico, con la misma estructura que el fósforo rojo
Germanio	α-germanio - semimetálico, con la misma estructura que el diamante β-germanio - metálico, con la misma estructura que el beta-estaño Germaneno - Germanio con hebillas planas, similar al grafeno
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)

Metales [ editar ]

Entre los elementos metálicos que aparecen 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	Alótropos
Estaño	estaño gris (estaño alfa, estaño plaga ) lata blanca (lata beta) estaño rombo (lata gamma) stanene sigma lata (formas a muy alta presión) [6]
Planchar	ferrita (α-hierro): la forma ferromagnética a T <770 c="" el="" font="" nbsp="">punto de Curie , T C ); Estructura cristalina BCC \ beta - hierro : T = 770 - 912ºC; la forma paramagnética del hierro α; misma estructura que α austenita (γ-hierro): 912 - 1,394 ° C; Estructura cristalina de la FCC δ-hierro: 1.394 - 1.538 ° C; formas de enfriar el hierro fundido; misma estructura que α ε-iron (también llamado hexaferrum): se forma a altas presiones; Estructura de cristal hCP
Cobalto	α-cobalto - formas por encima de 417 ° C cúbicos simples (metálicos) β-cobalto: se forma por debajo de 417 ° C, hexagonal, empaquetado (hcp) (metálico)
Polonio	α-polonio - cúbico simple (metálico) β-polonio - romboédrico (metálico)

Lantánidos y actínidos [ editar ]

Diagrama de fases de los elementos actínidos.

• El cerio , el samario , el disprosio y el iterbio tienen tres alótropos.
• 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 aproximadamente 4: 3, lo que complica enormemente todo tipo de trabajo con el metal (en particular la fundición, el mecanizado y el almacenamiento). Un séptimo alotropo de plutonio existe a presiones muy altas. Los metales transuránicos Np, Am y Cm también son alotrópicos.
• Promethium , americium , berkelium y californium tienen tres alótropos cada uno. ^[7]

Nanoalotropos [ editar ]

En 2017, el Prof. Rafal Klajn, del Departamento de Química Orgánica del Instituto Weizmann de Ciencia, propuso el concepto de nanoalotropía . ^{[8] Los} nanoalótropos, o alótropos de nanomateriales, son materiales nanoporosos que tienen la misma composición química (por ejemplo, Au), pero difieren en su arquitectura en la nanoescala (es decir, en una escala de 10 a 100 veces las dimensiones de los átomos individuales) . ^[9] Tales nanoalotropos pueden ayudar a crear dispositivos electrónicos ultra pequeños y encontrar otras aplicaciones industriales. ^[9] Las diferentes arquitecturas a nanoescala se traducen en propiedades diferentes, como se demostró para la dispersión Raman mejorada en la superficie realizada en varios nanoalotropos de oro diferentes. ^[8]También se creó un método de dos pasos para generar nanoalotropos.

El ensanchamiento de la aleación es un mecanismo de ensanchamiento de líneas espectrales causado por la distribución aleatoria de los átomos en una aleación . ^[1]

La ampliación de la aleación es uno de los mecanismos de ampliación de la línea. La distribución aleatoria de átomos en una aleación provoca una composición de material diferente en diferentes posiciones. En los semiconductores y aislantes, la composición de los diferentes materiales conduce a diferentes energías de separación de banda . Esto da diferentes energías de recombinación de excitones . Por lo tanto, dependiendo de la posición donde un excitón recombina la luz emitida tiene una energía diferente. La ampliación de la aleación es una ampliación de línea no homogénea, lo que significa que su forma es gaussiana.

Aleación binaria [ editar ]

En la descripción matemática se supone que no se produce agrupación dentro de la aleación. Luego, para una aleación binaria de la forma.$${\ displaystyle {\ ce {A_ {1-x} B_ {x}}}}, p.ej $${\ displaystyle {\ ce {Si_ {1-x} Ge_ {x}}}}, la desviación estándar de la composición viene dada por ^[2] :

$${\ displaystyle \ Delta x = {\ sqrt {\ frac {x \ cdot (1-x)} {N}}}},

dónde $${\ displaystyle N} es el número de átomos dentro del volumen de los excitones, es decir, $${\ displaystyle N = V_ {exc} \ cdot n} con $${\ displaystyle n}siendo los átomos por volumen. En general, la banda brecha de energía.$${\ displaystyle E_ {g}} de una aleación semiconductora depende de la composición, es decir, $${\ displaystyle E_ {g}}. La energía del intervalo de banda puede considerarse como la energía de fluorescencia. Por lo tanto, la desviación estándar en la fluorescencia es ^[3]

$${\ displaystyle \ Delta E = {\ frac {\ mathrm {d} E_ {g}} {\ mathrm {d} x}} \ cdot {\ sqrt {x \ cdot {\ frac {1-x} {N} }}}}

Dado que la ampliación de la aleación pertenece al grupo de ampliaciones no homogéneas, la forma de la línea de la intensidad de fluorescencia $${\ displaystyle I (E)} es gaussiano

$${\ displaystyle I (E) \ sim \ exp \ left (- {\ frac {(E-E_ {0}) ^ {2}} {2 \ cdot \ Delta E ^ {2}}} \ right)}