Estados Alotropicos Del Carbono 3m5a1f

Estados alotr´opicas del carbono Medina Gamboa Fredy Escuela Profesional de F´ısica, Universidad Nacional de Trujillo Av. Juan Pablo II s/n, La Libertad, Trujillo, Per´ u Mayo del 2015

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Alotr´ opia

Se denomina alotrop´ıa a la existencia de diversas formas de un elemento qu´ımico, con estructura diferente pero un mismo estado f´ısico. Por ejemplo, el ox´ıgeno gas se presenta como diox´ıgeno (O2 ) y ozono (O3 ), el f´ osforo s´ olido en formas blanca y roja, el azufre s´olido comopl´astico, r´ombico y monocl´ınico, etc. En cuanto al carbono, desde hace tiempo se conocen dos formas alotr´opicas (figura1): el diamante –con los ´atomos en una red tetra´edrica– y el grafito –una red hexagonal plana–. M´as recientemente, se han descubierto otras estructuras, elevando el n´ umero de al´ otropos principales del carbono al menos a cuatro.

Figure 1: Representaci´ on esquem´atica de las estructuras de diamante y grafito.

1.1

Grafeno

El descubrimiento de esta estructura del carbono ha sido de nuevo motivo de un premio Nobel, en este caso el de F´ısica de 2010 para Andre Geim y Konstantin Novoselov. La estructura no resulta tan llamativa, pues equivale a una capa de las que forman el grafito. Sin embargo, su existencia como l´amina bidimensional con grosor monoat´ omico (figura2) le confiere propiedades diferenciadas. Uno de los modos de obtener grafenos –en forma de “nanocintas”– es la apertura longitudinal controlada de nanotubos, estructuras que describimos en el siguiente apartado. Las aplicaciones de este material dependen del desarrollo de tecnolog´ıas de fabricaci´on que proporcionen una superficie con propiedades bien definidas y controladas. En particular, tales aplicaciones ser´ an m´ as numerosas cuando se puedan obtener formas de grafeno con grupos funcionales a˜ nadidos que permitan unir la l´ amina a otros materiales. Entre los productos potenciales puede mencionarse sensores y transistores.

1.2

fullerenos

Los fullerenos son estructuras huecas formadas exclusivamente por carbono –aunque tambi´en existen derivados sustituidos– con una forma aproximadamente esf´erica (estrictamente, un poliedro con un elevado n´ umero de caras; (figura3) Cada ´ atomo de carbono est´ a enlazado a otros tres, es decir, posee un estado de hibridaci´on sp2 , y toda la mol´ecula es arom´ atica . A pesar de ello, la estructura obviamente no es plana, sino que los 3 enlaces de cada carbono se desv´ıan hacia un mismo lado . Como consecuencia, existe una tensi´on, pero la elevada simetr´ıa la distribuye por igual sobre toda la estructura. Dicha tensi´on se reduce, obviamente, cuanto m´as grande es el fullereno. Desde el punto de vista geom´etrico tal estructura cerrada s´olo es compatible con 12 anillos pentagonales y un n´ umero variable de anillos hexagonales (equivalentes al benceno). En todos los fullerenos se cumplen estas relaciones:

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Figure 2: Representaci´on esquem´atica del grefeno. p = 12; c = 2x(h + 10); h = c/2 − 10 (p = no de pent´ agonos; h = no de hex´agonos; c = no de carbonos) El m´ as peque˜ no posible se denomina C20 y est´a formado exclusivamente por 12 pent´agonos, sin ning´ un anillo hexagonal (es un dodecaedro con 20 a´tomos de carbono). El primer fullereno descubierto por Kroto y col., el C60 , tiene 20 hex´ agonos adem´ as de los 12 pent´agonos (se puede considerar un icosaedro truncado, figura3 y, adem´ as de su similitud con las c´ upulas geod´esicas de Buckminster Fuller, es completamente an´ alogo a los balones de f´ utbol tradicionales (blancos con pent´agonos negros). Mientras todos los anillos hexagonales pueden considerarse equivalentes al benceno, los pentagonales no son tan favorables para alojar electrones (o, formalmente, dobles enlaces); por ello, la deslocalizaci´on no es total y la estructura del fullereno no es completamente superarom´ atica (nota a), sino que se comporta m´as como un alqueno deficiente en electrones y reacciona con facilidad con compuestos nucle´ofilos como los hal´ogenos. Se ha comprobado que los fullerenos C60 y C70 pueden captar hasta 6 electrones en sucesivas reacciones de reducci´on reversibles. Algunos fullerenos mayores, con cientos de ´ atomos de carbono, son grandes pseudoesferas huecas, pero tambi´en se forman fullerenos multilamelares –de varias capas–, donde cada estructura queda encerrada en otra mayor; a ´estos se les ha dado el intuitivo nombre de “nanocebollas”.

Figure 3: Representaci´ on esquem´atica de las estructuras del fullerenos.

1.2.1

Formaci´ on y producci´ on

Los fullerenos se pueden formar en la naturaleza, como consecuencia de fuegos o rayos. Sin embargo, es mucho m´ as significativa su producci´ on artificial en el laboratorio y en la industria. Inicialmente se consigui´o vaporizando grafito con un l´ aser pulsado. En seguida se descubri´o que bastaba una instrumentaci´on mas asequible, la descarga de un arco el´ectrico entre dos electrodos de grafito en una atm´osfera inerte de helio (figura 3); este m´etodo lo inventaron en 1990 Wolfgang Kr¨ atschmer y Donald Huffman y al a˜ no siguiente fue objeto de patente europea. Del “holl´ın” formado sobre el c´ atodo se extraen los fullerenos disolvi´endolos en benceno u otros disolventes org´ anicos.

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Empleando corrientes de alrededor de 50 amperios parte del grafito se vaporiza y posteriormente condensa sobre las paredes de la c´ amara de reacci´ on y sobre el c´atodo. La clave no parece ser tanto el m´etodo de vaporizaci´ on como las condiciones en las que tiene ocasi´on de condensar. Principalmente, ajustando la presi´ on del helio se controla la velocidad con la que los ´atomos de carbono en el vapor se alejan del electrodo caliente, y as´ı se modula a su vez la temperatura y la densidad de los radicales de carbono que conducen a la formaci´ on de agregados de tipo fullereno C60 –o, alternativamente, a otras estructuras como los nanotubos–. El rendimiento de fullereno C60 puede alcanzar el 40% de todo el carbono vaporizado. Otros m´etodos alternativos –especialmente para los fullerenos mayores– incluyen la pir´ olisis de diversos compuestos arom´aticos, el uso de una llama de benceno, o la evaporaci´ on con un haz de electrones o por pulverizaci´on cat´odica (vaporizaci´on de ´atomos de un s´ olido por bombardeo con iones). A partir de estas posibilidades se ha desarrollado una nueva rama de la qu´ımica, con aplicaciones en ´ areas diversas, como la astroqu´ımica, la superconductividad, o la f´ısica y qu´ımica de materiales.

Figure 4: Esquema de una c´ amara de producci´on de fullerenos mediante arco el´ectrico.

1.2.2

Propiedades

La forma cerrada y altamente sim´etrica de los fullerenos tiene como consecuencia que sean estructuras de gran resistencia f´ısica: bajo presiones extremas –como 3.000 atm– se deforman, pero regresan a su estructura inicial al relajar la presi´ on. Por ello su adici´ on a algunos materiales polim´ericos les aporta resistencia. Los fullerenos (habitualmente con un tama˜ no cercano a 1 nm) se asocian espont´aneamente formando agregados de varias mol´eculas que alcanzan tama˜ nos desde 10 nm hasta varias micras. Suelen formar un holl´ın, polvo negro muy fino, pero tambi´en cristalizan formando fullerita. La densidad de los fullerenos es moderada, cercana a 1,65. Finalmente, aunque no en agua, pueden solubilizarse en disolventes como benceno, tolueno y cloroformo. Debido a las uniones intermoleculares d´ebiles mediante fuerzas de van der Waals, el holl´ın de fullerenos posee propiedades lubricantes (en especial los fullerenos m´as grandes, las nanocebollas o bucky-cebollas). Se ha observado asimismo la acci´ on de las nanocebollas como catalizadores (para ello deben convertirse a otra estructura menos organizada), por ejemplo en la producci´on de estireno a partir de etilbenceno , mejorando el rendimiento en un 12%.

1.3

Nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono pueden considerarse cilindros resultantes del arrollamiento sobre s´ı misma de una l´ amina de grafeno, uniendo sus bordes (figura5). Los primeros nanotubos se observaron en 1991: cuando el f´ısico japon´es Sumio Iijima empleaba un sistema de evaporaci´ on mediante arco el´ectrico, t´ıpico para la obtenci´on de fullerenos, observ´o la formaci´on de agujas de hasta 1 mm de longitud sobre el c´ atodo de grafito. M´as tarde se comprob´o que tales agujas constaban de varias capas cil´ındricas conc´entricas, de estructura similar a las del grafito pero curvadas: lo que hoy conocemos como nanotubos de pared m´ ultiple. En 1993 se consiguieron los primeros nanotubos de carbono de pared sencilla, gracias a la adici´on de cobalto, n´ıquel u otros metales en el ´ anodo. 1.3.1

Estructura

Los nanotubos son estructuras cil´ındricas, cuyos extremos pueden estar abiertos o bien cerrados con una semiesfera, la mitad de un fullereno. El di´ ametro de un nanotubo es de unos pocos nan´ometros (de ah´ı su nombre;

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esto es entre diez y cincuenta mil veces m´ as delgado que un cabello), mientras que su longitud puede alcanzar escala macrosc´ opica. Los tubos tienden a empaquetarse paralelamente formando haces m´as gruesos. Los primeros nanotubos conseguidos constaban de hasta 20 capas de cilindros conc´entricos, con di´ametros entre 3 y 30 nm y cerrados en sus extremos por hemifullerenos. La proximidad entre las capas es similar a la presente entre las capas planas del grafito. Por otro lado, los nanotubos de pared sencilla tienen t´ıpicamente un di´ametro de 1 a 2 nm. Por lo com´ un, las preparaciones de nanotubos son heterog´eneas, con una mezcla de tubos de diferente di´ ametro y longitud; adem´ as, son frecuentes los defectos estructurales tanto en las paredes como en los extremos. Pueden distinguirse 3 tipos de estructura de nanotubo (figura5), dependiendo de la forma como se produzca el cierre de la l´ amina de grafeno para formar el cilindro: • En sill´ on – se cierra por los v´ertices de los hex´agonos – la l´ınea axial del cilindro pasa por un v´ertice de cada hex´ agono sucesivo. • En zig-zag – se cierra por los lados de los hex´agonos – la l´ınea axial del cilindro pasa por un lado de cada hex´ agono alterno. • Quiral – es la forma m´ as com´ un; hay inclinaci´on, menor simetr´ıa y, como consecuencia, dos formas enantiom´ericas – la l´ınea axial forma un ´angulo con cualquier l´ınea que una sucesivos ´atomos equivalentes en los hex´ agonos.

Figure 5: Tipos de nanotubo, dependiendo del modo como se cierra la l´amina.

1.3.2

Formaci´ on

Desde al menos la d´ecada de 1950 se conoce la posibilidad de formar nanotubos de carbono haciendo pasar un ´ gas que contiene carbono –por ejemplo, un hidrocarburo– sobre un catalizador. Este consiste en part´ıculas de metal de tama˜ no nanom´etrico, habitualmente hierro, cobalto o n´ıquel. Las mol´eculas del gas se fragmentan y los ´ atomos de carbono van deposit´ andose en forma de tubo a partir de un ´atomo met´alico, que queda as´ı cerrando el extremo del tubo. En general, los nanotubos producidos catal´ıticamente son menos perfectos que los conseguidos con vaporizaci´ on por arco el´ectrico, aunque las t´ecnicas han mejorado mucho. La principal ventaja de los m´etodos catal´ıticos es que son m´ as f´ aciles de ampliar para la producci´on a gran escala, y la investigaci´ on reciente se ha concentrado en la obtenci´ on de nanotubos con mayor calidad. Tambi´en puede usarse el m´etodo de vaporizaci´ on por l´ aser, con particular ´exito para los tubos de pared sencilla. 1.3.3

Propiedades

Aunque las l´ aminas en el grafito se separan f´acilmente, al curvarse y cerrarse en el tubo la situaci´on cambia por completo y la estructura de los nanotubos es muy resistente. La resistencia a la tensi´on es hasta 20 veces superior a la de los mejores aceros, con un sexto de su densidad y la mitad de densidad que el aluminio. La rigidez de los nanotubos es igualmente elevada, alcanzando su m´odulo de Young cifras 5 veces superiores al acero. Tambi´en son conductores el´ectricos y t´ermicos, tan eficientes al menos como el cobre y el diamante, respectivamente. Estas propiedades se ven, no obstante, moduladas por el di´ametro, longitud y quiralidad de los nanotubos. En particular, dependiendo del tipo de cierre de la l´amina resultan ser conductores, semiconductores o incluso aislantes, o bien superconductores.

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La solubilidad de los nanotubos en disolventes org´anicos habituales es reducida. Se pueden formar suspensiones empleando algunos disolventes polares como la dimetilformamida. En general, cuando se desean solubles se a˜ naden grupos funcionales en algunos puntos de la pared del tubo.

1.4

Grafito

El grafito es una de las formas alotr´ opicas en las que se puede presentar el carbono junto al diamante y los fulerenos . A presi´ on atmosf´erica y temperatura ambiente es m´as estable el grafito que el diamante, sin embargo la descomposici´ on del diamante es tan extremadamente lenta que s´olo es apreciable a escala geol´ ogica. Fue nombrado por Abraham Gottlob Werner en el a˜ no 1789 y el t´ermino grafito deriva del griego (graphein) que significa escribir. Tambi´en se denomina plumbagina y plomo negro. El grafito se encuentra en yacimientos naturales y se puede extraer, pero tambi´en se produce artificialmente. El principal productor mundial de grafito es, China seguido de India y Brasil. En el grafito, cada ´atomo de carbono est´a enlazado a otros tres ´atomos formando una estructura hexagonal plana. Las capas hexagonales se unen entre s´ı por enlaces muy d´ebiles (l´ıneas punteadas en la imagen) lo cual les permite deslizarse unas sobre otras. La poca dureza del grafito y su poder lubricante se explican porque las capas planas de ´atomos de carbono pueden resbalar unas sobre otras. El grafito es buen conductor de la electricidad debido a que los electrones involucrados en los enlaces entre capa y capa se pueden mover con relativa libertad. 1.4.1

Estructura

En el grafito los ´ atomos de carbono presentan hibridaci´on sp2 , esto significa que forma tres enlaces covalentes en el mismo plano a un ´ angulo de 120o (estructura hexagonal) y que un orbital Π perpendicular a ese plano quede libre (estos orbitales deslocalizados son fundamentales para definir el comportamiento el´ectrico del grafito). El enlace covalente entre los ´ atomos de una capa es extremadamente fuerte, sin embargo las uniones entre las diferentes capas se realizan por fuerzas de Van der Waals e interacciones entre los orbitales Π, y son mucho m´ as d´ebiles. Se podr´ıa decir que el grafito est´ a constituido por capas de grafeno superpuestas (figura1). 1.4.2

Propiedades

Es de color negro con brillo met´ alico, refractario y se exfolia con facilidad. En la direcci´on perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad baja y que aumenta con la temperatura, comport´andose pues como un semiconductor. A lo largo de las capas la conductividad es mayor y aumenta proporcionalmente a la temperatura, comport´ andose como un conductor semimet´alico.

1.5

Diamante

En mineralog´ıa, el diamante es un al´ otropo del carbono donde los ´atomos de carbono est´an dispuestos en una variante de la estructura cristalina c´ ubica centrada en la cara denominada “red de diamante”. El diamante es la segunda forma m´ as estable de carbono, despu´es del grafito; sin embargo, la tasa de conversi´on de diamante a grafito es despreciable a condiciones ambientales. El diamante tiene renombre espec´ıficamente como un material con caracter´ısticas f´ısicas superlativas, muchas de las cuales derivan del fuerte enlace covalente entre sus ´ atomos. En particular, el diamante tiene la m´as alta dureza y conductividad t´ermica de todos los materiales conocidos por el hombre. Estas propiedades determinan que la aplicaci´on industrial principal del diamante sea en herramientas de corte y de pulido adem´ as de otras aplicaciones. 1.5.1

Porpiedades

El diamante es el material natural m´ as duro conocido hasta el momento (aunque en 2009 se iniciaron unos estudios que parecen demostrar que la lonsdale´ıta es un 58% m´as dura) donde la dureza est´a definida como la resistencia a la rayadura. Conductividad el´ectrica: algunos diamantes azules son semiconductores naturales, en contraste a la mayor´ıa de otros diamantes, que son excelentes aislantes el´ectricos. La conductividad y color azul se originan de la impureza de boro. El boro sustituye a ´ atomos de carbono en la red de diamante, donando un hueco en la banda de valencia.

REFERENCIAS [1] http://www.cdlmadrid.org/cdl/archivospdf/ciencias/estructuras-carbono.pdf

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[2]http://www.uv.es/mabegaga/fullerenos/ [3]http://www.monografias.com/trabajos104/sintesis-nanotubos-carbono-metodo-arco-descarga/sintesis-nanotubos -carbono-metodo-arco-descarga.shtml [4]http://www.seas.es/blog/automatizacion/el-grafeno-propiedades-caracteristicas-y-aplicaciones/ [5]http://tecnicopreocupado.com/2014/09/30/

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