polimorfismo y alotropia
TRANSCRIPT
JESUS VENTURA VALDES FLORES 1
POLIMORFISMO Y ALOTROPIA
El polimorfismo es la propiedad de un material de existir en más de un tipo de red
espacial en el estado sólido, si el cambio en estructura es reversible, entonces el
cambio polimórfico se conoce como alotropía. Por lo menos quince metales
muestran esta propiedad, y el hierro es el ejemplo mejor conocido. Cuando el
hierro existir en más de un tipo de red espacial en el estado sólido. Si el cambio
en estructura es reversible cristaliza a 1537°C es b.c.c. (Fe δ), a 1235 °C la
estructura cambia a f.c.c. (Fe γ) y a 910 °C vuelve a transformarse en b.c.c.
(Feα ).
El hierro es conocido en sus modificaciones alotrópicas α y γ . El hierro α existe
a temperaturas inferiores a 910°C y superiores a 1401°C en el intervalo de
temperaturas de 1401 a 1539°C el hierro existe en la forma γ.
Algunos metales como el hierro, manganeso, cobalto, estaño, pueden tener,
según la temperatura de calentamiento, distintas estructuras en sus redes
cristalinas y por consiguiente poseer propiedades diferentes. Este fenómeno se
denomina alotropía o polimorfísmo. Las formas alotropicas suelen representarse
por las letras del alfabeto griego α, β, γ, δ, etc.
La transformación de una variedad alotropica en otra va acompañada de una
absorción de calor al calentarse, o con el desprendimiento del calor latente al
enfriarse, verificandose estos procesos a temperatura constante; en la curva
termica de transformación (curva temperatura-tiempo), la parte horizontal de la
curva (punto crítico) corresponde a la transformación alotrópica.
JESUS VENTURA VALDES FLORES 2
La transformación alotrópica representa entre sí una transformación secuandaria
del metal, que es análoga al proceso de su cristalizaicón primaria a partir del
estado líquido. Para que empieze la transformación alotrópica se requiere un
sobre-enfriamiento, con el fin de que se formen de los núcleos de cristalización los
granos nuevos, continuando luego el crecimiento de estos.
En la figura siguiente se muestra la curva de enfriamiento del hierro que muestra
sus transformaciones alotropicas. El punto crítico a 1535°C, se debe a la
cristalización primaria del hierro, en el intervalo entre los 1535 y 1390°C el hierro
tiene la red espacial cúbica centrada con el parámetro igual a 2.93 A° y se
denomina hierro δ ( Fe δ ). A los 1390°C se realiza la reestructuración de la red
espacial cúbica centrada en la red en las caras con el parámetro igual a 3.65 A° o
sea que el hierro δ se transforma en hierro γ ( Fe γ ). En el intervalo entre 1390 y
900 ° C el hierro se encuentra en la forma alotrópica γ. A la temperatura de 910°C
la red cúbica centrada en las caras Fe γ se transforma en la red cúbica centrada
en el cuerpo Fe α con el parámetro de red igual a 2.90 A°. Abajo de esta
temperatura la red del hierro es cúbica centrada en el cuerpo.
El tramo horizontal de la curva del enfriamiento a 770°C no está ligado con el
cambio de estructura de la red sino con el surgimiento de propiedades magnéticas
en el hierro: a temperaturas superiores a 770°C el Fe α es no magnético y a
temperaturas menores a 770°C el Fe α es magnético.El cambio estructural de la
red cristalina del hierro trae consigo la modificación del algunas de sus
propiedades: así pues el fierro alfa casi no disuelve al carbono, el fierro gama lo
disuelve hasta un 2% y el fierro delta lo disuelve hasta 0.1%.
JESUS VENTURA VALDES FLORES 3
JESUS VENTURA VALDES FLORES 4
En la figura siguiente se esquematizan tres de las más comunes redes de Bravais
de un total de catorce que existen en los sistemas cristalinos.
Estructuras Cristalinas más comunes a) cúbicas centradas en el cuerpo BCC b) cúbicas centradas en las caras
FCC c) Hexagonal compacta HC
JESUS VENTURA VALDES FLORES 5
Otro ejemplo de materiales que presentan alotropia es el carbono, este caso es en
cierta forma interesante para nosotros ya que a diferencia del caso anterior en el
que se hablaba del fierro se trataba de un material metálico y en este caso en
cuestión se trata de un material cerámico.
Formas alotrópicas del carbono
Los átomos de carbono pueden unirse entre sí de diferentes maneras y formar
sustancias con propiedades muy distintas. En el diamante, los átomos constituyen
una red tridimensional que se extiende a lo largo de todo un cristal. Esta
disposición hace que el diamante sea la sustancia más dura que existe en la
naturaleza. El grafito está formado por capas de carbono compuestas por anillos
hexagonales de átomos. Las capas se pueden deslizar una sobre otra, por lo que
el grafito puede incluso utilizarse como lubricante. En los fullerenos, los átomos se
unen para formar superficies esféricas o cilíndricas. El fullereno C60 está
compuesto por 60 átomos de carbono que forman un ‘globo’ constituido por 20
hexágonos y 12 pentágonos. Sólo ahora se están empezando a descubrir las
propiedades de los fullerenos debidas a su inusual estructura.
Buckminsterfullereno o Fullereno C60, una forma natural o alotrópica del
carbono. Durante muchos años se pensó que el elemento carbono existía en dos
formas alotrópicas (o distribuciones distintas de los átomos), el diamante y el
grafito. El diamante es un sólido en el que cada átomo de carbono se une a otros
cuatro, y esta distribución se extiende por todo el cristal dando lugar a un sólido
rígido y duro. En el grafito, los átomos de carbono se unen formando anillos
hexagonales en láminas planas superpuestas, y el resultado es un sólido
escurridizo. El carbono es uno de los elementos más investigados, por lo que fue
una gran sorpresa el descubrimiento en 1985 de una familia entera de formas
alotrópicas distintas, los fullereros. Este descubrimiento fue el resultado de las
JESUS VENTURA VALDES FLORES 6
investigaciones sobre la formación de compuestos de carbono en el interior de
las estrellas realizadas por el británico Harold W. Kroto, en colaboración con los
estadounidenses Robert F. Curl y Richard E. Smalley; por ello, los tres científicos
recibieron el Premio Nobel de Química en 1996.
El buckminsterfullereno, la forma alotrópica más conocida del grupo de los
fullerenos, consiste en 60 átomos de carbono unidos para formar una molécula
C60 de hexágonos y pentágonos dispuestos en forma casi esférica, como la
envoltura de una pelota de fútbol. La molécula recibe ese nombre porque su
estructura se parece a las elaboradas estructuras geométricas inventadas por el
arquitecto estadounidense Richard Buckminster Fuller. Existen otros fullerenos
que poseen más átomos de carbono y sus formas son versiones alargadas del
buckminsterfullereno inicial (en forma de pelota). Con el aumento en la
producción de buckminsterfullereno, se llegó a obtener una forma sólida, la
fullerita. En este sólido amarillo transparente, las moléculas forman una especie
de conjunto de balas de cañón en una distribución compacta. Ahora existen
también versiones tubulares de fullerenos en forma sólida.
Originalmente se preparaba el buckminsterfullereno en un haz molecular y sólo
podían conseguirse pequeñas cantidades. Sin embargo, pronto se vio que
podían obtenerse grandes cantidades de moléculas en un arco eléctrico entre
dos electrodos de carbono en atmósfera de helio. Actualmente se sabe que es
probable que el buckminsterfullereno se forme en llamas tiznadas, y existe
incluso la posibilidad de que abunde en el Universo, particularmente cerca de las
estrellas rojas gigantes.
Cuando los fullerenos empezaron a ser abundantes, los químicos comenzaron a
investigar sus propiedades. Se piensa que los fullerenos podrían dar origen a un
nuevo campo de la química, del mismo modo que la química orgánica aromática
surgió a raíz del descubrimiento del benceno 150 años atrás. Una de las
propiedades más sorprendentes de los fullerenos es que se pueden introducir
átomos de elementos en el hueco existente en la 'jaula' de átomos de carbono;
JESUS VENTURA VALDES FLORES 7
así se puede obtener una versión de 'envoltura contraída' de cada elemento del
sistema periódico. Cuando se introducen átomos de metal en los tubos tipo
fullereno mencionados anteriormente, el material resultante es como un alambre
aislado unidimensional. Otra propiedad importante es que ciertos compuestos de
buckminsterfullereno (en especial el K3C60) son superconductores a bajas
temperaturas. Se ha averiguado que los derivados del buckminsterfullereno son
biológicamente activos y se están utilizando para atacar el cáncer: se cree que
las moléculas en forma de pelota de fútbol pueden introducirse en los
emplazamientos activos de las enzimas y bloquear su acción.
Formas alotropicas del carbono
JESUS VENTURA VALDES FLORES 8
Otro de los casos sumamente importantes para nosotros como estudiantes de los
cerámicos lo constituye el silicio ya que es uno de los elementos principales en la
formación de los materiales cerámicos, aunque en este trabajo no fue posible
encontrar información relacionada con los cambios alotropicos que pudiera tener,
sin embargo, consideramos conveniente señalar algunas características que
pudieran brindarnos un apoyo para el estudio de este tipo de materiales.
Silicio
De símbolo Si, es un elemento semimetálico, el segundo elemento más común
en la Tierra después del oxígeno. Su número atómico es 14 y pertenece al grupo
14 de la tabla periódica. Fue aislado por primera vez de sus compuestos en
1823 por el químico sueco Jöns Jakob Berzelius.
Propiedades y estado natural
Se prepara en forma de polvo amorfo amarillo pardo o de cristales negros-
grisáceos. Se obtiene calentando sílice, o dióxido de silicio (SiO2), con un
agente reductor, como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio
cristalino tiene una dureza de 7, suficiente para rayar el vidrio, de dureza de 5 a
7. El silicio tiene un punto de fusión de 1.410 °C, un punto de ebullición de
2.355 °C y una densidad relativa de 2,33. Su masa atómica es 28,086.
Se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas tetrafluoruro de silicio, SiF4
(véase Flúor), y es atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque
el dióxido de silicio formado inhibe la reacción. También se disuelve en hidróxido
de sodio, formando silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas ordinarias
el silicio no es atacado por el aire, pero a temperaturas elevadas reacciona con
el oxígeno formando una capa de sílice que impide que continúe la reacción. A
altas temperaturas reacciona también con nitrógeno y cloro formando nitruro de
silicio y cloruro de silicio respectivamente.
JESUS VENTURA VALDES FLORES 9
El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre, sino
que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos. Los
minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los minerales
comunes, incluyendo más del 90% de los minerales que forman rocas
volcánicas. El mineral cuarzo, sus variedades (cornalina, crisoprasa, ónice,
pedernal y jaspe) y los minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas
del silicio existentes en la naturaleza. El dióxido de silicio es el componente
principal de la arena. Los silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y
magnesio) son los componentes principales de las arcillas, el suelo y las rocas,
en forma de feldespatos, anfíboles, piroxenos, micas y ceolitas, y de piedras
semipreciosas como el olivino, granate, zircón, topacio y turmalina.
Aplicaciones
Se utiliza en la industria del acero como componente de las aleaciones de silicio-
acero. Para fabricar el acero, se desoxida el acero fundido añadiéndole
pequeñas cantidades de silicio; el acero común contiene menos de un 0,03% de
silicio. El acero de silicio, que contiene de 2,5 a 4% de silicio, se usa para
fabricar los núcleos de los transformadores eléctricos, pues la aleación presenta
baja histéresis (véase Magnetismo). Existe una aleación de acero, el durirón,
que contiene un 15% de silicio y es dura, frágil y resistente a la corrosión; el
durirón se usa en los equipos industriales que están en contacto con productos
químicos corrosivos. El silicio se utiliza también en las aleaciones de cobre,
como el bronce y el latón.
El silicio es un semiconductor; su resistividad a la corriente eléctrica a
temperatura ambiente varía entre la de los metales y la de los aislantes. La
conductividad del silicio se puede controlar añadiendo pequeñas cantidades de
impurezas llamadas dopantes. La capacidad de controlar las propiedades
eléctricas del silicio y su abundancia en la naturaleza han posibilitado el
desarrollo y aplicación de los transistores y circuitos integrados que se utilizan en
la industria electrónica.
JESUS VENTURA VALDES FLORES 10
La sílice y los silicatos se utilizan en la fabricación de vidrio, barnices, esmaltes,
cemento y porcelana, y tienen importantes aplicaciones individuales. La sílice
fundida, que es un vidrio que se obtiene fundiendo cuarzo o hidrolizando
tetracloruro de silicio, se caracteriza por un bajo coeficiente de dilatación y una
alta resistencia a la mayoría de los productos químicos. El gel de sílice es una
sustancia incolora, porosa y amorfa; se prepara eliminando parte del agua de un
precipitado gelatinoso de ácido silícico, SiO2·H2O, el cual se obtiene añadiendo
ácido clorhídrico a una disolución de silicato de sodio. El gel de sílice absorbe
agua y otras sustancias y se usa como agente desecante y decolorante.
El silicato de sodio (Na2SiO3), también llamado vidrio, es un silicato sintético
importante, sólido amorfo, incoloro y soluble en agua, que funde a 1.088 °C. Se
obtiene haciendo reaccionar sílice (arena) y carbonato de sodio a alta
temperatura, o calentando arena con hidróxido de sodio concentrado a alta
presión. La disolución acuosa de silicato de sodio se utiliza para conservar
huevos; como sustituto de la cola o pegamento para hacer cajas y otros
contenedores; para unir gemas artificiales; como agente incombustible, y como
relleno y adherente en jabones y limpiadores. Otro compuesto de silicio
importante es el carborundo, un compuesto de silicio y carbono que se utiliza
como abrasivo.
El monóxido de silicio, SiO, se usa para proteger materiales, recubriéndolos de forma que la superficie
exterior se oxida al dióxido, SiO2. Estas capas se aplican también a los filtros de interferencias.
JESUS VENTURA VALDES FLORES 11
Conclusiones:
El polimorfismo es la propiedad de un material de existir en más de un tipo de
red espacial en el estado sólido, si el cambio en estructura es reversible,
entonces el cambio polimórfico se conoce como alotropía. Por lo menos quince
metales muestran esta propiedad, y el hierro es el ejemplo mejor conocido, sin
embargo esta propiedad no es exclusiva de los materiales metálicos, en este
trabajo en cuestión se hablo de un caso no metálico, el cual fue el carbono,
hubiera sido interesante encontrar información sobre los cambios alotropicos del
silicio ya que es uno de los elementos principales que constituyen a los
materiales cerámicos, en este sentido sería capaz casi de asumir que el silicio
no presenta alotropia ni polimorfismo ya que como lo mencionamos
anteriormente no se encontró información al respecto.
Referencias:
Enciclopedia multimedia Larousse 2000
Enciclopedia multimedia Encarta 1999
Introducción a la metalurgia física, Avner, segunda edición, Mc Graw Hill
Metalografía y tratamiento térmico de los metales, Yu M Lajtin, Ed. Mir
Tecnología de los metales, Malishev Nikolaiev Shuvalov, Ed Limusa
Ciencia e ingeniería de los materiales, Askeland, ed Thomson
Ciencia de materiales para ingenieros, Schackelford, Ed Prentice Hall