Alótropos del Carbono
Lic. Raúl Hernández M.
Contenidos:
1. Introducción2. Grafito
3. Diamante
4. Grafeno
5. Buckybola (Buckminsterfulereno)
6. Nanotubo
I. Introducción
El término alótropo se refiere a una o más formas de un elemento químico que ocurren en el mismo estado físico. Las diferentes formas surgen de las diferentes maneras en que los átomos pueden unirse entre sí. El concepto de alótropos fue propuesto por el científico sueco Jons Jakob Berzelium en 1841. La capacidad de los elementos para existir de esta manera se llama alotropismo.
Los alótropos pueden mostrar propiedades químicas y físicas muy diferentes. Por ejemplo, el grafito y el diamante son alótropos de carbono que se producen en estado sólido. El grafito es suave, mientras que el diamante es extremadamente duro. Los alótropos de fósforo muestran diferentes colores, como el rojo, el amarillo y el blanco. Los elementos pueden cambiar los alótropos en respuesta a los cambios en la presión, la temperatura y la exposición a la luz.
II. Grafito
El grafito es la forma de estado estándar del elemento carbono, lo que significa que es la forma más estable a 25 grados C y presión atmosférica normal. El grafito es una red covalente de átomos de carbono, donde cada átomo de carbono individual está unido a 3 átomos de carbono adicionales. La hibridación orbital de los átomos de C es sp 2 , lo que da como resultado ángulos de enlace de 120 grados y geometría plana trigonal. Todos los átomos de C unidos se encuentran en un solo plano (capa u hoja) que contiene anillos de 6 miembros de átomos de C (una red hexagonal) que se repiten. Cada átomo de C contiene un solo electrón en un orbital p no hibridado que se deslocaliza sobre los sistemas de anillos de la capa. Las capas individuales de grafito, llamadas grafeno, se apilan unas sobre otras para formar la estructura tridimensional que se muestra en el modelo de la derecha. Solo una pequeña porción de cada hoja se muestra en este modelo; en realidad, las hojas individuales contendrán un número mucho mayor de átomos de carbono. No existe una fórmula molecular verdadera para el grafito, ya que el número de átomos de carbono en las capas no es un número fijo y, en consecuencia, está representado por la fórmula empírica (C).
El grafito es un conductor eléctrico debido a la presencia de los electrones en los orbitales p no hibridados.
varias capas
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Diamante
El diamante es un alótropo de carbono que constituye una red covalente en donde cada átomo de C tiene una hibridación sp 3 y se enlaza a 4 átomos de C adicionales en una red grande de 3 dimensiones. Todos los ángulos de enlace en la red son 109.5 grados. El diamante se forma a partir de la reorganización de los enlaces químicos cuando la forma estándar del estado del carbono (grafito) se somete a altas presiones. Al igual que el grafito y el grafeno, el diamante debe representarse mediante una fórmula empírica (C), ya que no hay un número definido de átomos.
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Grafeno
El grafeno es una red covalente de átomos de carbono dispuestos en una monocapa, donde cada átomo de carbono individual está unido a 3 átomos de carbono adicionales. La hibridación orbital de los átomos de C es sp2, lo que da como resultado ángulos de enlace de 120 grados y geometría plana trigonal. Todos los átomos de C unidos se encuentran en un solo plano (capa u hoja) que contiene anillos de 6 miembros de átomos de C (una red hexagonal) que se repiten. Cada átomo de C contiene un solo electrón en un orbital p no hibridado que se deslocaliza sobre los sistemas de anillos de la capa. Las hojas de grafeno apiladas una encima de la otra forman el grafito alótropo. Solo una pequeña porción de una hoja de grafeno se muestra en este modelo; en realidad, las hojas individuales contendrán un número mucho mayor de átomos de carbono. No existe una fórmula molecular verdadera para el grafeno, ya que el número de átomos de carbono en las capas no es un número fijo y, por lo tanto, está representado por la fórmula empírica C.
El grafeno es un conductor eléctrico debido a la presencia de electrones en los orbitales p no hibridados. También es aromático debido a los enlaces pi deslocalizados en los átomos de C hibridados sp2.
Las asombrosas propiedades de transporte del grafeno ya mencionadas han hecho pensar que el grafeno puede, con el tiempo suplantar al silicio en los chips de computador, con la perspectiva de aparatos ultrarrápidos operando a velocidades de Tera hercios. Sin embargo, de acuerdo con los expertos, los microprocesadores de grafeno se demoraran por lo menos 20 años en salir al mercado. Por lo que se espera que aparezcan otras aplicaciones del grafeno.
El uso más inmediato puede ser en materiales compuestos pues se ha demostrado que el polvo de grafeno se puede producir en masa, lo que permitiría desarrollar plásticos conductores con rellenos de menos de 1 % en volumen.
Otra posibilidad atractiva es el uso de polvo de grafeno en las baterías eléctricas que son en la actualidad el principal mercado para el grafito.
Una mejor relación superficie/volumen y la elevada conductividad pueden mejorar la eficiencia de las pilas reemplazando las nano fibras de carbono que se usan en las baterías modernas.
Las aplicaciones más nuevas del grafeno se relacionan con su transparencia y su alta conductividad para su uso para electrodos en pantallas planas y celdas solares. Actualmente, por su transparencia, el óxido de indio es el material usado en tales electrodos, pero presenta el problema de que es muy escaso en el planeta, por tanto las investigaciones buscan nuevos materiales con excelentes propiedades conductivas y que puedan ser aplicados en optoelectrónica.
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5. Buckybola (Buckminsterfulereno)
El buckminster fullereno es un alótropo de carbono que contiene exactamente 60 átomos de C unidos en una estructura de anillo similar a una jaula. Los átomos de C están unidos de tal manera que forman 20 unidades hexagonales y 12 pentagonales interconectadas.
Cada átomo de C tiene una hibridación sp 2 y contiene 3 enlaces sigma y un enlace pi, donde los enlaces pi (dobles) se pueden representar como se muestra en la siguiente figura. En realidad, los enlaces pi están deslocalizados por resonancia en toda la molécula.
Cada unidad hexagonal y pentagonal es plana. Dado que los átomos del anillo están envueltos en una estructura esférica, algunos ángulos de enlace para los átomos de C deben comprimirse por debajo de los 120 grados óptimos para los átomos de C hibridados, induciendo la tensión del ángulo.
En el campo de la medicina, algunos elementos tales como el helio (que puede ser detectado en cantidades minúsculas) puede ser utilizado como marcador químico en buckibolas impregnadas. El buckminsterfullereno podría además inhibir al virus del SIDA. La molécula de C60 aparentemente sería capaz de bloquear el sitio activo de una enzima clave para la replicación del virus conocida como proteasa VIH-1; esto impediría la replicación del virus dentro de las células del sistema inmune. En el campo de la nanomedicina, el fulereno C60 se ha estudiado su potencial uso medicinal como fijador de antibióticos espécificos en su estructura para atacar bacterias resistentes y ciertas células cancerígenas, tales como el melanoma.
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Nanotubo
Un nanotubo de carbono es un alótropo en el que los átomos de C forman anillos de seis miembros interconectados que se envuelven para adoptar una estructura cilíndrica. Un nanotubo es básicamente una hoja de grafeno de tamaño definido que se ha enrollado y conectado. Cada átomo de C está hibridado sp 2 y contiene 3 enlaces sigma y un enlace pi, donde los enlaces pi (dobles) están deslocalizados por resonancia. La envoltura de la lámina de grafeno, donde todos los ángulos de enlace son de 120 grados, en un tubo induce una tensión de ángulo a medida que los enlaces se comprimen para permitir que se forme la estructura del tubo. Los nanotubos se pueden sintetizar con varias relaciones de longitud a diámetro. En el modelo molecular de la derecha se muestra un nanotubo representativo.
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