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Un alótropo es cada una de las distintas formas estables en las que podemos encontrar o preparar un elemento puro. Es decir, los alótropos son las distintas formas en las que se presentan las sustancias elementales, bien sea de manera natural o sintética. Un ejemplo común de un alótropo es el grafito, el cual es una de las formas como se puede conseguir el elemento carbono.
Otro alótropo importante del carbono es el diamante, una forma cristalina transparente y extremadamente dura del elemento que forma la base de la vida. A excepción de los elementos sintéticos (sintetizados artificialmente), cada elemento de la tabla periódica posee al menos un alótropo, aunque por lo general posee varios. Mientras que algunos de estos alótropos pueden carecer de valor, otros pueden ser extremadamente valiosos, como lo ilustra la diferencia entre el carbono grafito y el carbono diamante.
Características y propiedades de los alótropos
Propiedades físicas
El ejemplo del carbono ilustra un aspecto muy importante de los alótropos, y es que pueden tener características y propiedades tanto físicas como químicas radicalmente opuestas.
El carbono grafito, por ejemplo, es un material conductor de la electricidad, es muy blando, posee una estructura en forma de capas o láminas de átomos de carbono con hibridación sp2 enlazados entre sí por medio de enlaces simples y dobles que se intercambian constantemente por medio de resonancia.
En cambio, el diamante es el material más duro que conocemos. Está formado por una red cristalina tridimensional en la que cada átomo de carbono está unido simultáneamente a otros cuatro átomos por medio de enlaces covalente sencillos. Esta característica hace que el diamante sea uno de los mejores aislantes eléctricos que se conozca (en contraposición del grafito, que es conductor).
Propiedades químicas
Los alótropos también suelen tener propiedades químicas marcadamente diferentes. Por ejemplo, el fósforo se puede encontrar en forma de varios alótropos, entre los cuales el fósforo blanco, el rojo y el negro son los más comunes. El fósforo blanco y el rojo poseen átomos de fósforo similares con geometría tetraédrica. Sin embargo, el fósforo blanco es extremadamente tóxico y es muy inflamable, encendiéndose de manera espontánea con tan solo entrar en contacto con el oxígeno del aire. Esto lo hace útil como mecha en ciertos explosivos como las granadas de mano.
En cambio, el fósforo rojo es mucho más estable. Puede entrar en contacto con el aire sin por eso causar un incendio. Por otro lado, el fósforo negro se forma sólo bajo condiciones de alta presión y una temperatura de más de 200 °C, pero una vez formado se puede enfriar y resulta incluso más estable que el fósforo rojo.
Estado físico
Los ejemplos de los alótropos del fósforo mencionados en el apartado anterior son todos sólidos a temperatura ambiente. Sin embargo, los alótropos también pueden existir en otros estados de agregación. Por ejemplo, además de los tres isótopos sólidos mencionados (y al menos otros tantos más), el fósforo también puede existir como un alótropo gaseoso de fórmula P4, formando una estructura tetraédrica con un fósforo en cada vértice.
Estructura cristalina
Finalmente, los alótropos también se pueden diferenciar entre sí en función de su estructura cristalina. Ya vimos cómo el carbono puede formar dos clases muy diferentes de estructuras tridimensionales que dan origen a propiedades marcadamente diferentes. Además de esto, algunos alótropos también pueden no tener una estructura cristalina bien definida, en cuyo caso se dice que son alótropos amorfos.
Desde un punto de vista macroscópico, los alótropos amorfos son fáciles de reconocer porque no se observa en su superficie ningún tipo de faceta o estructura definida que sugiera una estructura interna altamente ordenada.
Sin embargo, desde el punto de vista microscópico, los sólidos amorfos suelen ser simplemente una mezcla de una gran cantidad de sólidos cristalinos pequeños de diferentes tamaños, y hasta de diferentes estructuras cristalinas locales.
Importancia de los alótropos
La alotropía de un elemento puede llegar a ser extremadamente importante desde muchos puntos de vista. El hecho de que algunos alótropos sean más estables que otros, hace que sean preferibles para el transporte y manipulación del respectivo elemento. Por otro lado, algunos alótropos tienen propiedades deseables que otros alótropos no tienen.
Un ejemplo de lo anterior es la dureza del diamante, la conductividad del grafito, y la combinación entre dureza y conductividad de otro alótropo muy importante del carbono, el que conforman los nanotubos de carbono.
Por otro lado, transformar un alótropo en otro puede resultar esencial para muchas aplicaciones industriales de los distintos elementos. Por ejemplo, el silicio es uno de los elementos más importantes en la industria de la electrónica. Es el semiconductor que forma la base de todos los microchips y procesadores que hacen funcionar a todos nuestros dispositivos electrónicos. Sin embargo, el silicio se puede encontrar en dos formas alotrópicas: el silicio amorfo y el silicio cristalino.
El silicio amorfo se utiliza como semiconductor en la fabricación de paneles solares de bajo costo, mientras que para la fabricación de microchips solo se puede utilizar silicio monocristalino, es decir, se necesita un cristal único gigante de silicio en el que todos los átomos estén perfectamente ordenados para poder así crear los patrones que forman parte de los circuitos de cada microchip.
Ejemplos de alótropos comunes
Alótropos naturales del carbono:
Carbono grafito
Carbono diamante
Grafeno
Nanotubos de carbono de pared simple
Nanotubos de carbono de pared doble
Nanotubos de carbono de paredes múltiples
Los fulerenos como el Buckminsterfulereno o C60
Alótropos naturales del oxígeno:
Oxígeno atómico (O)
Oxígeno gaseoso o molecular (O2)
Ozono (O3)
Tetraoxígeno (O4)
Oxígeno sólido O8
Alótropos naturales del nitrógeno:
Nitrógeno molecular gaseoso (N2)
Nitrógeno sólido cúbico
Nitrógeno sólido hexagonal
Alótropos naturales del boro:
Boro Amorfo (polvo marrón)
Boro α-romboédrico
Boro β-romboédrico
Boro-γ sal gema
Borofenos (estructuras similares al grafeno pero de boro en lugar de carbono)
Referencias
Bolívar, G. (2019, July 10). Boro: historia, propiedades, estructura, usos. Lifeder. https://www.lifeder.com/boro/
Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Química (11th ed.). McGraw-Hill Interamericana de España S.L.
Educaplus.org. (n.d.). Propiedades de los elementos. http://www.educaplus.org/elementos-quimicos/propiedades/alotropos.html
Flores, G. (2021, June 11). ¿Cuáles son las formas Alotropicas del nitrogeno? La-Respuesta.com. https://la-respuesta.com/preguntas-comunes/cuales-son-las-formas-alotropicas-del-nitrogeno/
