Polimorfismo y Alotropia

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.

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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 en el cuerpo Fe

α

γ

se transforma en la red cúbica centrada

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 temperaturas menores a 770°C el Fe

α

α

es no magnético y a

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%.

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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

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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

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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

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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

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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 negrosgrisáceos. 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.

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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 silicioacero. 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

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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.

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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

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