La alotropía (del otro griego ἄλλος “otro” + τρόπος “a su vez, propiedad”) es la existencia de dos o más sustancias simples del mismo elemento químico .
El fenómeno de la alotropía se debe al diferente estado de las moléculas de una sustancia simple ( alotropía de composición ), o a la forma en que los átomos o moléculas se colocan en la red cristalina ( alotropía de forma ).
El concepto de alotropía fue introducido en la ciencia por J. Berzelius en 1841 para denotar diferentes formas de existencia de los elementos; al mismo tiempo, aparentemente pretendía aplicarlo a la isomería de compuestos . Después de aceptar la hipótesis de A. Avogadro en 1860, quedó claro que los elementos pueden existir en forma de moléculas poliatómicas, por ejemplo, O 2 - oxígeno y O 3 - ozono .
A principios del siglo XX, se reconoció que las diferencias en la estructura cristalina de las sustancias simples (por ejemplo, el carbono o el fósforo ) también son la causa de la alotropía. en 1912
W. Ostwald señaló que la alotropía de los elementos es solo un caso especial de polimorfismo cristalino y sugirió abandonar este término. Sin embargo, hasta la fecha, estos términos se utilizan en paralelo. La alotropía se aplica sólo a sustancias simples , independientemente de su estado de agregación ; polimorfismo - sólo a un estado sólido , independientemente de si esta sustancia es simple o compleja . Así, estos términos coinciden para sustancias sólidas simples (azufre cristalino, fósforo, hierro, etc.) [1] .
Actualmente se conocen más de 400 variedades de sustancias simples . La capacidad de un elemento para formar formas alotrópicas se debe a la estructura del átomo, que determina el tipo de enlace químico , la estructura de las moléculas y los cristales .
Por regla general, los elementos con valores variables de número de coordinación o estado de oxidación ( estaño , fósforo ) forman un mayor número de formas alotrópicas . Otro factor importante es la concatenación : la capacidad de los átomos de un elemento para formar estructuras de homocadena (por ejemplo, azufre ). La tendencia a la alotropía es más pronunciada en los no metales , a excepción de los halógenos , los gases nobles y los semimetales .
Es costumbre denotar diferentes formas alotrópicas del mismo elemento con letras minúsculas del alfabeto griego; además, la forma que existe a las temperaturas más bajas se denota con la letra α, la siguiente - β, etc.
| Elemento | Modificaciones alotrópicas |
|---|---|
| Hidrógeno : |
El hidrógeno molecular puede existir como orto- y para -hidrógeno. En la molécula de orto-hidrógeno o -H 2 (pf -259,10 °C, pb -252,56 °C), los espines nucleares son paralelos, y en el para-hidrógeno p -H 2 (pf -259,32 °C , pb -252,89 °C) son antiparalelos. |
| Carbono : |
Muchas modificaciones : diamante , grafito , fullereno , carabina , grafeno , nanotubos de carbono , lonsdaleita , etc. Es difícil indicar el número exacto de modificaciones debido a la variedad de formas de unión de los átomos de carbono entre sí. Las estructuras moleculares más numerosas son los fullerenos y los nanotubos . |
| fósforo : |
Hay 11 modificaciones alotrópicas conocidas del fósforo. Principales modificaciones: fósforo blanco , rojo y negro . El fósforo blanco es venenoso, brilla en la oscuridad, es autoinflamable, dieléctrico, el fósforo rojo no es venenoso, no brilla en la oscuridad, no se enciende por sí mismo, el fósforo negro es químicamente inerte, conduce bien la corriente eléctrica. |
| Oxígeno : |
Dos modificaciones alotrópicas: O 2 - oxígeno y O 3 - ozono . El oxígeno es incoloro, inodoro; el ozono tiene un olor pronunciado, tiene un color púrpura pálido, es más bactericida. |
| azufre : |
Una gran cantidad de modificaciones alotrópicas, solo superada por el carbono. Principales modificaciones: azufre rómbico, monoclínico y plástico. |
| Selenio : |
Ciclo-Se 8 rojo, polímero gris Se y selenio negro. |
| Elemento | Modificaciones alotrópicas |
|---|---|
| bor : |
El boro existe en formas amorfas y cristalinas. El boro amorfo es un polvo marrón. Es más reactivo que el boro cristalino. El boro cristalino es una sustancia negra. Se conocen más de 10 modificaciones alotrópicas del boro, que cristalizan en sistemas rómbicos y tetragonales. La modificación más estable, el boro rómbico β, consta de icosaedros B 12 , que forman capas combinadas en una estructura infinita. |
| Silicio : |
Hay dos modificaciones alotrópicas principales del silicio: amorfa y cristalina. La red de la modificación cristalina del silicio es atómica, como un diamante. También se aísla silicio policristalino y monocristalino. |
| Arsénico : |
Tres modificaciones alotrópicas principales: arsénico amarillo (no metálico, que consiste en moléculas de As 4 , una estructura similar al fósforo blanco), arsénico gris (polímero semimetálico), arsénico negro (estructura molecular no metálica similar al fósforo rojo). |
| Germanio : |
Dos modificaciones alotrópicas: α-Ge, un semimetal con una red cristalina similar a un diamante y β-Ge, con una estructura metálica similar a β-Sn. |
| Antimonio : |
Hay cuatro modificaciones alotrópicas metálicas del antimonio que existen a diferentes presiones, y tres modificaciones amorfas (antimonio explosivo, negro y amarillo), de las cuales la forma metálica más estable es de color blanco plateado con un tinte azulado. |
| polonio : |
El polonio existe en dos modificaciones de metales alotrópicos. Los cristales de uno de ellos, de baja temperatura, tienen una red cúbica (α-Po), y el otro, de alta temperatura, rómbico (β-Po). La transición de fase de una forma a otra ocurre a los 36 °C, sin embargo, en condiciones normales, el polonio se encuentra en una forma de alta temperatura debido al calentamiento por su propia radiación radiactiva. |
Entre los metales que se encuentran en la naturaleza en grandes cantidades (hasta U, sin Tc y Pm), 28 tienen formas alotrópicas a presión atmosférica : Li, Be, Na, Ca, Sc, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y , Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa, U. Las formas alotrópicas de varios metales formados durante su procesamiento tecnológico también son importantes: 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 | Modificaciones alotrópicas |
|---|---|
| Estaño : |
El estaño existe en tres modificaciones alotrópicas. El gris de estaño (α-Sn) es un polvo cristalino fino, un semiconductor que tiene una red cristalina similar al diamante, existe a temperaturas inferiores a 13,2 °C. El estaño blanco (β-Sn) es un metal plateado dúctil, estable en el rango de temperatura de 13,2 a 161 °C. El gamma-estaño de alta temperatura (γ-Sn), que tiene una estructura rómbica, se caracteriza por una alta densidad y fragilidad, estable entre 161 y 232 ° C (punto de fusión del estaño puro). |
| Hierro : |
Para el hierro se conocen cuatro modificaciones cristalinas: hasta los 769 °C ( punto de Curie ), hay α-Fe (ferrita) con una red cúbica centrada en el cuerpo y las propiedades de un ferromagnético ; en el rango de temperatura de 769-917 °C, se encuentra el β-Fe, que difiere del α-Fe solo en los parámetros de la red cúbica centrada en el cuerpo y en las propiedades magnéticas del paramagneto ; en el rango de temperatura de 917 a 1394 °C, hay γ-Fe ( austenita ) con una red cúbica centrada en las caras; por encima de 1394 °C δ-Fe estable con red cúbica centrada en el cuerpo |
| Lantánidos : |
El cerio, el samario, el disprosio y el iterbio tienen cada uno tres modificaciones alotrópicas; praseodimio, neodimio, gadolinio y terbio, dos cada uno. |
| actínidos : |
Todos los actínidos, excepto el actinio, se caracterizan por polimorfismo. Las estructuras cristalinas de protactinio, uranio, neptunio y plutonio no tienen análogos entre los lantánidos en su complejidad y son más similares a las estructuras de los metales de transición 3d. El plutonio tiene siete modificaciones polimórficas (incluidas 6 a presión normal), y el uranio, el prometio, el neptunio, el americio, el berkelio y el californio tienen tres. Los actínidos ligeros en el punto de fusión tienen una red centrada en el cuerpo y, a partir del plutonio, centrada en la cara. |
La transición de una modificación alotrópica a otra ocurre con un cambio de temperatura o presión (o la acción simultánea de ambos factores) y está asociada con un cambio abrupto en las propiedades de una sustancia. Este proceso es reversible ( enantiotrópico ) e irreversible ( monotrópico ).
Un ejemplo de transición enantiotrópica es la transformación de azufre rómbico en monoclínico α-S (rombo) ↔ β-S (monocl.) a 95,6 °C. A temperatura ordinaria, es estable la modificación ortorrómbica del azufre, que al ser calentada a 95,6 °C a presión normal, se transforma en una forma monoclínica. Este último, cuando se enfría por debajo de 95,6 ° C, nuevamente se convierte en una forma rómbica. Por lo tanto, la transición de una forma de azufre a otra ocurre a la misma temperatura, y las formas mismas se denominan enantiotrópicas.
La transición monotrópica incluye la transformación del fósforo blanco P 4 bajo una presión de 1,25 GPa y una temperatura de 200 ° C en una modificación más estable: el fósforo negro. Al volver a las condiciones normales, no se produce la transición inversa. La transición de una forma inestable a una estable es, en principio, posible a cualquier temperatura, pero no a la inversa, es decir, no hay un punto de transición definido. Otro ejemplo es la transformación de grafito en diamante a una presión de 6 GPa y una temperatura de 1500 °C en presencia de un catalizador (níquel, cromo, hierro y otros metales), es decir, en condiciones de estabilidad termodinámica del diamante. Mientras que el diamante se transforma fácil y rápidamente en grafito a temperaturas superiores a 1000 °C. En ambos casos, la presión favorece la transformación, ya que se forman sustancias de mayor densidad que las originales.
Las tres modificaciones conocidas del estaño cambian entre sí de diferentes maneras. En condiciones normales, β-Sn estable ( estaño blanco plástico ) con una red cristalina tetragonal [2] . Por encima de 173 °C, β-Sn se transforma enantiotrópicamente en la modificación frágil γ-Sn, y por debajo de 13,2 °C, β-Sn se transforma monotrópicamente en α-Sn en polvo ( estaño gris ) con una red cúbica similar a un diamante . Esta transición polimórfica ocurre a un ritmo lento, pero se acelera bruscamente en contacto con el estaño gris: piezas densas de estaño blanco se desmoronan en polvo (" plaga de estaño "). El proceso inverso sólo es posible volviendo a fundir.