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Alotropía del carbono

Alotropía del Carbono
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Variedad Alotrópica del carbono
Alotropía. Propiedad de un elemento químico de presentarse en dos o más formas físicas distintas. A cada una de estas formas se le denomina variedad alotrópica. El carbono, por ejemplo, presenta alotropía en las formas de grafito, diamante y fullereno.


El fenómeno de la alotropía

Alotropía: (del griego:allos, otro, y tropos, manera) en química es la propiedad que poseen determinados elementos químicos de presentarse bajo estructuras moleculares diferentes, como el oxígeno, que puede presentarse como oxígeno atmosférico (O2) y como ozono (O3),o con características físicas distintas, como el fósforo, que se presenta como fósforo rojo y fósforo blanco (P4), o el carbono, que lo hace como grafito, diamante y fulereno. Para que a un elemento se le pueda denominar como alótropo, sus diferentes estructuras moleculares deben presentarse en el mismo estado físico. Debido a la distinta configuración en la estructura de sus átomos, las variedades alotrópicas de un elemento presentan diferentes valores en sus propiedades físicas, como el color, brillo, densidad, dureza, olor y conductividad eléctrica y térmica, así como en sus propiedades químicas. Otros elementos que presentan alotropía son el fósforo, el azufre y el estaño.

Carbono

El carbono es un elemento químico de número atómico 6 y símbolo C. Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación, puede encontrarse en la naturaleza en distintas formasalotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante.

La explicación de las diferencias que presentan en sus propiedades se ha encontrado en la disposición de los átomos de carbono en el espacio. Por ejemplo, en los cristales de diamante, cada átomo de carbono está unido a cuatro átomos de carbono vecinos, adoptando una ordenación en forma de tetraedro que le confiere una particular dureza.

En el grafito, los átomos de carbono están dispuestos en capas superpuestas y en cada capa ocupan los vértices de hexágonos regulares imaginarios. De este modo, cada átomo está unido a tres de la misma capa con más intensidad y a uno de la capa próxima en forma más débil. Esto explica porqué el grafito es blando y untuoso al tacto. La mina de grafito del lápiz forma el trazo porque, al desplazarse sobre el papel, se adhiere a éste una pequeña capa de grafito.

El diamante y el grafito, por ser dos sustancias simples diferentes, sólidas, constituidas por átomos de carbono que reciben la denominación de variedades alotrópicas del elemento carbono.

Se conocen cuatro formas alotrópicas del carbono, además del amorfo: grafito, diamante, fulerenos y nanotubos. La explicación de las diferencias que presentan en sus propiedades se ha encontrado en la disposición de los átomos de carbono en el espacio. Por ejemplo, en los cristales de diamante, cada átomo de carbono está unido a cuatro átomos de carbono vecinos, adoptando una ordenación en forma de tetraedro que le confiere una particular dureza.

En el grafito, los átomos de carbono están dispuestos en capas superpuestas y en cada capa ocupan los vértices de hexágonos regulares imaginarios. De este modo, cada átomo está unido a tres de la misma capa con más intensidad y a uno de la capa próxima en forma más débil. Esto explica porqué el grafito es blando y untuoso al tacto. La mina de grafito de un lápiz forma el trazo porque, al desplazarse sobre el papel, se adhiere a éste una pequeña capa de grafito.

El diamante y el grafito, por ser dos sustancias simples diferentes, sólidas, constituidas por átomos de carbono reciben la denominación de variedades alotrópicas del elemento carbono.

Uso del Carbono

El principal uso industrial del carbono es como componente de hidrocarburos especialmente los combustibles fósiles petróleo y gas natural). Del primero se obtienen, por destilación en las refinerías, gasolinas, keroseno y aceites, siendo además la materia prima empleada en la obtención de plásticos. El segundo se está imponiendo como fuente de energía por su combustión más limpia. Otros usos son:

  • El isótopo carbono-14, descubierto el 27 de febrero de 1940, se usa en la datación radiométrica.
  • El grafito se combina con arcilla para fabricar las minas de los lápices. Además se utiliza como aditivo en lubricantes. Las pinturas anti-radar utilizadas en el camuflaje de vehículos y aviones militares están basadas igualmente en el grafito, intercalando otros compuestos químicos entre sus capas.
  • El diamante se emplea para la construcción de joyas y como material de corte aprovechando su dureza.
  • Como elemento de aleación principal de los aceros.
  • En varillas de protección de reactores nucleares.
  • Las pastillas de carbón se emplean en medicina para absorber las toxinas del sistema digestivo y como remedio de la flatulencia.
  • El carbón activado se emplea en sistemas de filtrado y purificación de agua.
  • El carbón amorfo ("hollín") se añade a la goma para mejorar sus propiedades mecánicas. Además se emplea en la formación de electrodos (p. ej. de las baterías). Obtenido por sublimación del grafito, es fuente de los fulerenos que pueden ser extraídos con disolventes orgánicos.
  • Las fibras de carbón (obtenido generalmente por termólisis de fibras de poliacrilato) se añaden a resinas de poliéster, donde mejoran mucho la resistencia mecánica sin aumentar el peso, obteniéndose los materiales denominados fibras de carbono.
  • Las propiedades químicas y estructurales de los fulerenos, en la forma de nanotubos, prometen usos futuros en el incipiente campo de la nanotecnología.

Fósforo

Descubierto por el alquimista alemán H. Brand en1669, cuando investigaba la consecución de la piedra filosofal, siendo reconocido como elemento por A.L. Lavoisier un siglo después.

Características

Elemento químico no metálico. Se obtiene a partir de la fosforita y de la apatita por tratamientos especiales en hornos eléctricos. No se encuentra libre en la naturaleza, pero abunda en forma de fosfatos; en los tejidos óseos aparece también como hidroxiapatito o como carbapatito, o en forma de compuestos orgánicos del fósforo. Se emplea para elaborar aleaciones especiales, bronce fosforoso, así como raticidas, fuegos de artificio compuestos de fósforo, y debido a que al arder en el aire forma nubes de pentóxido de fósforo sólido, se utiliza en las guerras como cortina de humo. Por su combustibilidad se usa en las bombas incendiarias y balas trazadoras. Combinado con el azufre sirve para la fabricación de cerillas. Sus formas alotrópicas de dividen en:

Fósforo blanco: es una sustancia sólida, traslúcida, parecida a la cera, que se obtiene condensando vapores de fósforo. Es fosforescente en la oscuridad debido a una oxidación lenta. En el aire húmedo puede inflamarse a 30 ºC, mientras que en el seco requiere mayor temperatura; por ser tan inflamable debe guardarse bajo el agua. La temperatura del cuerpo basta para inflamarlo, por lo que no debe nunca tocarse con los dedos, a no ser debajo del agua, sino servirse de pinzas. Sus quemaduras son muy dolorosas y tardan en curarse. Sus humos producen necrosis. Se disuelve fácilmente en sulfato de carbono. Sus moléculas son tetratómicas, con un átomo de fósforo en cada vértice de un tetraedro, unido por enlaces covalentes a los otros tres. A temperaturas elevadas, las moléculas P4 se disocian en P2.

Fósforo rojo: es un polvo de color rojizo consistente en cristales pequeños y alguna otra modificación amorfa. Se obtiene al calentar fósforo blanco, primero a 250 ºC y finalmente a 350 ºC en un recipiente de hierro del que se ha eliminado el aire. Esta transformación es exotérmica y se cataliza por el yodo, pero en presencia del catalizador la transformación puede ser explosiva. Se convierte en blanco, aunque lentamente, expuesto a la luz solar, por lo que es necesario guardarlo en sitio oscuro. Se evapora sin fundirse y su vapor es el mismo que el de la variedad blanca. Sometido a presión funde entre 500 y 600 ºC. Es insoluble en los disolventes del fósforo blanco y no se oxida fácilmente en el aire. No fosforece en la oscuridad, ni es venenoso, a menos que contenga una pequeña proporción de la variedad blanca.

Fósforo violeta: se obtiene disolviendo fósforo blanco en plomo fundido, se deja solidificar éste y se disuelve el plomo en ácido nítrico diluido. Constituye una molécula gigante, lo que explica su inercia química y su elevado punto de fusión.

Fósforo negro o metálico: se obtiene calentando fósforo blanco a 220 ºC y bajo una gran presión.

Óxigeno

El oxígeno es un gas, puede existir en dos variedades alotrópicas, es poco soluble en agua (0.0410 en agua a 0°c ), pero es absorbido en frío mejor que en caliente por algunos metales y ciertos óxidos metálicos como ser la plata fundida, la cual absorbe 22 veces su volumen sin combinación. Cuando la plata se enfría el oxígeno se libera produciendo desgarraduras. El oxígeno licua a una temperatura de -139 °c a una presión de 22.5 atm. y es de un color azulado el cual hierve a -182,5°c. El calor de disociación del oxígeno molecular es de -117.3 Kcal/mol. El oxígeno se encuentra en dos variedades alotrópicas O2 y O3. También existe el O4 el cual aumenta en proporción con el descenso de la temperatura.

Propiedades del O2 y O3

Ubicación: Se lo encuentra en la atmósfera en forma de O2 en estado gaseoso. Al ozono se le encuentra en la atmósfera en forma de O3 en estado gaseoso

Densidad: 0,00143 g/cm³ del oxígeno.

Color: El oxígeno es Incoloro gaseoso y azul licuado, mientras que el ozono Azul claro gaseoso y azul oscuro licuado.

Olor: El oxígeno es Inodoro, siendo el ozono posee un olor nauseabundo semejante al del cloro. P. de ebullición:-182.5 °C del oxígeno, el ozono -112 °C.

Características:La molécula de O2 es paramagnética en sus tres estados y es angular. La molécula de O3 es diamagnética y angular (117°49’±30’).

Reactividad: El oxígeno, directa o indirectamente reacciona con todos los elementos de la naturaleza exceptuando el Flúor y los metales nobles (Au y Pt). La combinación de un cuerpo con oxígeno recibe el nombre de combustión. Esta combinación puede ser acompañada de un gran desprendimiento de calor. El ozono posee las mismas propiedades químicas que el oxígeno solo que se producen mas enérgicamente. Es decir que oxidaciones con ozono se producen mayor velocidad que con oxígeno, o en condiciones que con oxígeno no son apreciables.

Usos: Se utiliza para las combustiones en las cuales se desea llegar a una temperatura más elevada que si se utiliza aire. Se utiliza para dar a los enfermos y para abastecer de oxígeno a los tripulantes en los aviones ultrasónicos y naves espaciales. El oxígeno se utiliza en los sopletes y principalmente para mejorar los aceros en los altos hornos.Mientras que el ozono se utiliza como desinfectante para la fabricación de aceites secantes. Se usa como desinfectante y antiséptico en la purificación de agua potable.

Obtención: El oxígeno puede obtenerse a partir de la descomposición térmica de óxidos (de metales poco reactivos, de los peróxidos, algunos bióxidos y algunas oxisales). Se puede obtener por electrólisis del agua. Por destilación fraccionada del aire liquido.

El ozono puede obtenerse a partir de oxígeno molecular por calentamiento (por un filamento de platino en contacto con aire liquido) por radiación (por luz con 2.090 Å de long. de onda), eléctricamente (por descarga eléctrica silenciosa).El ozono es un importante constituyente natural de la atmósfera, concentrándose principalmente (hasta cerca del 27%) entre las alturas de 15 a 25 km. su formación es causada por la radiación ultravioleta proveniente del sol en el rango 240-300 nm.

El ozono absorbe radiación uv de 200 a 360 nm. Esto conduce a una inversión parcial de la reacción “b”, y de este modo se establece un estado de concentración constante. El resultado neto de todos estos procesos es la absorción y conversión en calor de una cantidad considerable de radiación solar uv, que de otra manera incidiría sobre la superficie terrestre. La destrucción de cualquier porcentaje significativo de este ozono, puede tener efectos graves (por ejemplo, aumento de la temperatura de la superficie, mayor incidencia del cáncer en la piel), pero muchas de las actividades del hombre son capaces de destruir el ozono estratosférico. Los aviones supersónicos, que vuelan en la capa de ozono, descargan NO y NO2.

La situación, sin embargo, es un poco mas complicada, y el efecto neto de los aviones supersónicos varia con el tipo de motor y el motor y el modo de operación. El avión del tipo Concorde, como se opera usualmente, parece no tener efectos significativos. Los clorofluorocarbonos, como el CFCl3 y el CF2Cl2, que se usan mucho como agentes espumantes, propulsores de aerosoles y refrigerantes, se descomponen fotoquimicamente para dar átomos de Cloro, y estos si catalizan la descomposición del ozono a través del mecanismo.

La rapidez de liberación del fluorocarbono a la atmósfera que prevalecía en 1977 podría reducir significativamente la capa de ozono alrededor del año 2000, según los análisis cinéticos actuales, pero puede haber factores adicionales aun no incluidos en dichos análisis, que podrían alterar las conclusiones para bien o para mal.

Fuente

  • Adolfo Pon Juan y Blanco Química Inorgánica Tomo I
  • KARAPETIANS,M.J.y S.I.DRAKIN: Estructura de la sustancia. Editorial Mir, Moscú, 1974
  • KLEINBERG,JW.J.ARGERSINGER y K.GRISWOLD: Química Inorgánica, traducido por Beltrán. Editorial Reverte S.S Barcelona,1972.

Referencias Bibliográficas

  • Andrés Caballero y Froilan Ramos.2DO AÑO CICLO DIVERSIFICADO CIENCIAS Y CICLO PROFESIONAL. Editorial: Distribuidora Escolar S.A
  • Química Orgánica. Federich Akknann

Enlaces Externos