La mina de un lápiz y un anillo de diamante parecen objetos completamente distintos. La primera se desgasta con facilidad al frotarla contra el papel, mientras que el diamante se considera el material natural más duro del mundo. Sin embargo, por sorprendente que parezca, ambas sustancias están formadas por átomos del mismo elemento, el carbono. En química, cada una de estas formas de un mismo elemento con propiedades tan distintas recibe el nombre de «alótropo» (Allotrope).
En términos sencillos, los alótropos son sustancias formadas por un solo elemento que presentan propiedades distintas porque sus átomos se enlazan y se ordenan de maneras diferentes. Aunque el elemento sea el mismo, el color, la dureza, la conductividad eléctrica e incluso la reactividad pueden variar mucho según cómo se agrupen y se enlacen sus átomos.
Este artículo explica de forma sencilla qué son los alótropos y cómo se forman, recorre las distintas caras del carbono, presenta ejemplos del oxígeno, el fósforo y el estaño, y ofrece varias perspectivas para entender los alótropos.
Principios y ejemplos representativos de los alótropos
¿Qué son los alótropos?
Los alótropos aparecen cuando un elemento puede existir en dos o más estructuras. Si cambia el número de vecinos a los que se une cada átomo, si los enlaces se extienden en un plano o en tres dimensiones, o si varía el número de átomos por molécula, las formas resultantes se comportan como sustancias completamente distintas.
- Tipo de enlace (Bonding). Indica cuántos enlaces forma un átomo con los átomos vecinos.
- Estructura cristalina (Crystal Structure). Es la disposición regular de los átomos en el espacio.
- Composición molecular (Molecular Form). Se refiere al número de átomos que contiene una molécula, como en el caso de la molécula de oxígeno O₂ y la de ozono O₃.
Es como construir un coche o una casa con los mismos bloques de Lego. Las piezas son las mismas, pero su función cambia por completo según cómo se encajen.
Se atribuye al químico sueco Jöns Jacob Berzelius la primera propuesta del concepto de «alótropo» en 1841. El término se acuñó para explicar la existencia de sustancias con propiedades distintas formadas por el mismo elemento.
El término «alótropo» se aplica únicamente a los elementos. Un simple cambio de estado de una sustancia, como en el caso del agua y el hielo, o las diferencias de estructura de un compuesto formado por varios elementos quedan fuera de este concepto.
El mismo carbono, distintas caras
El carbono es el primer elemento que suele mencionarse al explicar los alótropos. Sus átomos pueden enlazarse de diversas maneras y dar lugar a varias sustancias con propiedades diametralmente opuestas.
(1) Diamante
En esta estructura tridimensional, cada átomo de carbono está unido firmemente a cuatro átomos vecinos. Por eso el diamante es muy duro y transparente, y apenas conduce la electricidad.
(2) Grafito
Los átomos de carbono forman láminas planas con una red hexagonal, y estas láminas se apilan en varias capas. Como las fuerzas entre las capas son débiles, estas se deslizan fácilmente unas sobre otras. Por eso el grafito se usa en minas de lápiz y como lubricante. Además, conduce bien la electricidad a lo largo de las láminas.
(3) Fullereno y grafeno
El fullereno, formado por 60 átomos de carbono agrupados en forma de balón de fútbol, se descubrió en 1985 y dio lugar al Premio Nobel de Química de 1996. El grafeno, que consiste en una sola capa de grafito, se aisló en 2004 y valió el Premio Nobel de Física de 2010.
Un nanotubo de carbono (Carbon Nanotube) es una forma tubular del carbono que parece una lámina de grafeno enrollada. Es ligero, muy resistente y buen conductor de la electricidad, por lo que despierta gran interés en la investigación de nuevos materiales.
Curiosamente, a temperatura y presión normales, el grafito es más estable que el diamante. Sin embargo, el diamante se transforma en grafito a una velocidad tan inimaginablemente lenta que el diamante de un anillo permanece intacto, en la práctica, para siempre.
Alótropos de otros elementos
También hay alótropos de otros elementos. El oxígeno que respiramos es O₂ y está formado por dos átomos, mientras que la unión de tres átomos da lugar al ozono (O₃). El ozono tiene un olor fuerte y es muy reactivo, por lo que puede ser nocivo si estamos cerca. En cambio, en la capa de ozono, a gran altitud, absorbe la radiación ultravioleta del Sol y protege la vida en la Tierra.
El ozono se forma cuando el oxígeno recibe un aporte elevado de energía, por ejemplo, de un rayo o de radiación ultravioleta intensa. El olor acre que queda en el aire tras la caída de un rayo también se debe a menudo al ozono.
El fósforo (P) es otro ejemplo representativo. El fósforo blanco es tan reactivo que puede inflamarse espontáneamente en el aire y, como además es muy tóxico, se guarda bajo el agua. El fósforo rojo es mucho más estable y se usa en la superficie de fricción del lateral de las cajas de cerillas.
El estaño (Sn) cambia de forma según la temperatura. El conocido estaño metálico de color plateado puede transformarse lentamente en un polvo gris y quebradizo si permanece mucho tiempo por debajo de unos 13 °C. Este fenómeno se conoce como «peste del estaño» (Tin Pest).
El azufre (S) también tiene alótropos con distintas formas cristalinas, como el azufre rómbico, estable a temperatura ambiente, y el azufre monoclínico, que se forma a temperaturas elevadas.
[Puntos clave de los ejemplos]
- Oxígeno. El O₂ que respiramos y el O₃ que bloquea la radiación ultravioleta.
- Fósforo. El fósforo blanco, peligroso, y el fósforo rojo, que se usa en las cerillas.
- Estaño. El metal plateado y el estaño gris que se desmenuza con el frío.
- Azufre. El azufre rómbico y el monoclínico, con distintas formas cristalinas.
4 perspectivas para entender los alótropos
El estudio de los alótropos muestra que las propiedades de una sustancia dependen tanto de qué está hecha como de cómo se ordenan sus átomos. Incluso cuando los átomos son los mismos, su disposición determina las propiedades.
(1) La estructura determina las propiedades
La dureza, el color y la conductividad eléctrica dependen en mayor medida de cómo se enlazan y se disponen los átomos que del tipo de átomo.
(2) Las condiciones cambian la forma
Al variar la temperatura y la presión, también cambia cuál es el alótropo más estable. Los diamantes sintéticos se fabrican transformando el grafito a altas presiones y temperaturas.
(3) La estabilidad y la velocidad de transformación son distintas
Incluso si existe una forma más estable, la forma original puede mantenerse durante mucho tiempo si la transformación es lenta.
(4) Los alótropos son un punto de partida para nuevos materiales
Los alótropos descubiertos recientemente, como el grafeno y los nanotubos de carbono, se emplean en la investigación sobre baterías, semiconductores y materiales compuestos.
Así como con los mismos ladrillos se pueden construir una cabaña y una torre, los átomos también pueden dar lugar a mundos completamente distintos según cómo se agrupen. Por eso, al hablar de las propiedades de un elemento, los químicos siempre indican qué estructura presenta ese elemento.
Preguntarse también cómo están unidos los átomos, incluso cuando son los mismos, es el primer paso para comprender a fondo las propiedades de la materia.
