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viernes, 2 de septiembre de 2011
Alotropía del Carbono
Esta palabra deriva de las raíces griegas: Allos (otros) y Tropos
(cambio).
Es la capacidad de un elemento de presentarse de manera distinta dentro del mismo estado de agregación, lo cual se debe a la forma diferente en que se ordenan sus átomos 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, fullereno y nanotubos.
Es la capacidad de un elemento de presentarse de manera distinta dentro del mismo estado de agregación, lo cual se debe a la forma diferente en que se ordenan sus átomos 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, fullereno y nanotubos.
Formas Alotrópicas y Estructura de los Carbono
Todos los materiales de carbón están compuestos de átomos de
carbono. Sin embargo, dependiendo de la organización que presenten estos átomos
de carbono, los materiales de carbón pueden ser muy diferentes unos de otros.
Las estructuras a las que dan lugar las diversas combinaciones de átomos de
carbono pueden llegar a ser muy numerosas. En consecuencia, existen una gran
variedad materiales de carbón.
Para intentar explicar las diferentes estructuras de los carbones
conviene empezar a una escala atómica. Así, los átomos de carbono poseen una
estructura electrónica 1s2 2s2 2p2, lo que permite que los orbitales atómicos
de los átomos de carbono puedan presentar hibridaciones del tipo: sp, sp2 y
sp3.
Grafito
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| Img 1. Estructura del Grafito |
Es una forma alotrópica del elemento carbono. Está constituido por láminas planas de átomos de carbono que forman un sistema de anillos condensados.(ver imagen 1). Las láminas están ordenadas en forma hexagonal y paralelas entre sí. Hay dos formas alotrópicas con diferentes secuencias de apilamiento: hexagonal y romboédrico. En cada lámina, cada átomo de carbono está unido a otros tres por medio de enlaces covalentes formando una serie continua de hexágonos. En el grafito hexagonal, la distancia entre los planos es de 0.3354, más del doble de la distancia del enlace C-C en los planos basales. Esto indica que la interacción entre láminas aromáticas es débil. Se asume que las láminas están unidas mediante enlaces de van der Waals e interacciones p-p, formando una red cristalina tridimensional.
Diamante
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| Img 1 Diamante |
El diamante es uno de los alótropos del carbono mejor conocidos,
cuya dureza y alta dispersión de la luz lo hacen útil para aplicaciones
industriales y joyería. El diamante es el mineral natural más duro conocido, lo
que lo convierte en un abrasivo excelente y le permite mantener su pulido y
lustre extremadamente bien. No se conocen sustancias naturales que puedan
rayar, o cortar, un diamante. (ver imagen 1)
El mercado para los diamantes de grado industrial opera de un modo
muy diferente a su contraparte de grado gema. Los diamantes industriales son
valuados principalmente por su dureza y conductividad térmica, haciendo muchas
de las características gemología gemológicas del diamante, incluyendo claridad
y color, principalmente irrelevantes. Esto ayuda a explicar por qué el 80% de
los diamantes minados (aproximadamente igual a 100 millones de quilates, o
20000 kg anuales), inadecuados para uso como gemas y conocidos como bort, son
destinados para uso industrial. Además de los diamantes minados, los diamantes
sintéticos encontraron aplicaciones industriales casi inmediatamente después de
su invención en la década de 1950; otros 400 millones de quilates (80000 kg) de
diamantes sintéticos son producidos anualmente para uso industrial casi cuatro
veces la masa de diamantes naturales minados en el mismo período.
Nanotubos y Fullerenos
Los nanotubos de carbono (CNT), que fueron descubiertos en 1991 y
desarrollados a partir de ese año, son
unos materiales formados únicamente por carbono, donde la unidad básica es un
plano grafítico enrollado que forma un cilindro, formando unos tubos cuyo
diámetro es del orden de algunos nanometros.
Su estructura puede
considerarse procedente de una lámina de grafito enrollada sobre sí misma (ver imagen 1).
Dependiendo del grado de enrollamiento y la manera como se conforma la lámina
original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría
interna.
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| Img 1. Estructura del Nanotubo |
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| Nanotubos |
Los nanotubos están siendo
estudiados activamente, como los fullerenos por su interés fundamental para la
química y por sus aplicaciones tecnológicas. Es, por ejemplo, la primera
sustancia conocida por la humanidad capaz de sustentar indefinidamente su
propio peso, una condición necesaria para la construcción de un ascensor
espacial.
Nanoespuma
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| Nanoespuma |
En 1997 científicos de Australia, Rusia y Grecia produjeron una
nueva forma de partículas manométricas de carbón. Este material es la
nanoespuma de carbono (carbon nanofoam), compuesta por una red de nanotubos de
carbono de forma esponjosa. De hecho, estas nanoespumas de carbono se
descubrieron accidentalmente tratando de sintetizar nanotubos y
fullerenos. Estos materiales se
obtuvieron por primera vez disparando un láser de alta potencia sobre carbón
vítreo en una cámara de argón, lo que produce temperaturas del orden de los
10.000 ºC que evaporan los átomos de carbono. Estos átomos se recombinan en una
forma alotrópica intermedia entre el grafito (C sp2) y el diamante (C sp3),
para dar lugar a estas espumas. La nanoespuma de carbono está considerada como
una nueva forma alotrópica del carbono. A escala atómica cada unidad posee unos
6 nm de anchura y presenta
aproximadamente unos 4.000 átomos de carbono que se combinan en hexágonos y
heptágonos dando lugar, al contrario de los fullerenos, a una curvatura inversa.
Estas estructuras presentan un electrón desapareado.
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