Los alótropos son formas de un elemento químico que se diferencian a nivel molecular o en la forma en que los átomos se organizan en moléculas. Muchos elementos se encuentran en diferentes alótropos, entre ellos el carbono, el oxígeno, el fósforo y el azufre. Estas diferentes formas pueden diferir mucho en sus propiedades físicas, como el color, la dureza y la conductividad eléctrica, y en su reactividad química. Hay varias formas en que un alótropo se puede convertir en otro, incluso mediante calentamiento y enfriamiento, alta presión o incluso exposición a la luz. Un alótropo no debe confundirse con un isótopo, que difiere a nivel atómico, más que molecular.
Hay dos tipos de alótropos. El tipo enantiotrópico puede sufrir un cambio reversible a otro alótropo bajo ciertas condiciones, como diferente temperatura o presión. Por ejemplo, hay una forma del elemento estaño que es estable por debajo de 55.4 ° F (13 ° C), y otra que es estable por encima de esta temperatura; es posible convertir uno en otro y viceversa subiendo o bajando la temperatura. Monotrópico significa que una forma es la más estable y no se puede convertir fácilmente en otra forma; algunos ejemplos son la forma de grafito del carbono y la forma más común de oxígeno (O2), a diferencia del ozono menos estable (O3).
Carbón
El carbono es el elemento con mayor número de alótropos, aunque, a partir de 2013, el número exacto no está claro ya que algunos han sido controvertidos. Las diversas formas aceptadas son radicalmente diferentes entre sí, van de blandas a duras, de opacas a transparentes, de abrasivas a lisas, y muestran muchas otras variaciones y contrastes. La capacidad de este elemento para adoptar tantas formas diferentes se debe al hecho de que un átomo de carbono puede formar cuatro enlaces sencillos con otros átomos. También puede formar enlaces dobles y, en ocasiones, triples. Esto permite una gran variedad de tipos de estructuras moleculares y cristalinas posibles.
El carbono amorfo es la forma más común y es familiar para casi todo el mundo como carbón, carbón vegetal y hollín. Este alótropo negro y opaco no es cristalino y los átomos no forman estructuras regulares. De hecho, el carbón es una forma bastante impura en el sentido de que el 10% o más consiste en otros elementos.
El grafito es el material que forma la «mina» de los lápices. Consiste en láminas de átomos de carbono dispuestos en hexágonos bidimensionales enlazados. Las hojas se deslizan entre sí fácilmente, por lo que se puede utilizar para escribir en papel. Aunque el carbono no es un metal, este alótropo tiene un aspecto ligeramente metálico y conduce la electricidad.
El diamante es un tipo de carbono cristalino en el que cada átomo tiene cuatro enlaces simples que lo unen a otros átomos, formando tetraedros enlazados. Se forma de forma natural en las profundidades de la Tierra, a altas temperaturas y presiones muy elevadas. Aunque son extremadamente duros, debido a su estructura y la fuerza de los enlaces que mantienen unidos a los átomos, los diamantes no son para siempre: la estructura no es completamente estable a presión y temperatura normales, y muy lentamente se convierte en grafito. Sin embargo, el cambio es tan lento que no se nota en escalas de tiempo humanas. Los diamantes también se pueden crear artificialmente a partir de grafito a alta temperatura y presión.
Otro alótropo cristalino es el mineral lonsdaleita. Se parece al diamante y se cree que fue creado, en pequeñas cantidades, por el impacto de meteoritos. La presión creada convierte el grafito en una forma tridimensional que conserva la estructura hexagonal, produciendo un material duro y cristalino.
Entre las formas más fascinantes de carbono se encuentran los fullerenos. Estas son estructuras tridimensionales huecas con paredes que consisten en arreglos de átomos en hexágonos, pentágonos y, a veces, otras formas. Uno de los más conocidos es el «buckyball», o más correctamente, buckminsterfullereno: 60 átomos de carbono que forman una esfera hueca, también conocida como C60. También son posibles esferas más grandes, con un mayor número de átomos de carbono. Las buckybolas se pueden fabricar, pero también se producen de forma natural y se han encontrado en la Tierra en el hollín y en el espacio.
Los nanotubos son otra forma conocida de fullereno. Estos consisten en pequeños cilindros cuyas paredes tienen una estructura similar a las de las buckybolas. Pueden tener hasta varios milímetros de largo y pueden estar abiertos o cerrados en los extremos. Los nanotubos tienen una relación resistencia / peso extremadamente alta y también son buenos conductores eléctricos; se piensa que pueden tener muchas aplicaciones tecnológicas importantes, especialmente en el mundo de la nanotecnología.
La nanoespuma de carbono es un alótropo sintético que consta de átomos unidos en una estructura similar a una red. Es uno de los materiales más ligeros que se conocen, debido a su densidad extremadamente baja, y es solo unas pocas veces más pesado que el aire. Inusualmente, es ferromagnético – atraído por imanes – y también es un semiconductor.
Oxígeno
El oxígeno del aire que respiran las personas está formado por moléculas que contienen dos átomos de oxígeno: O2. Los átomos de este elemento pueden formar enlaces simples con otros dos átomos o un enlace doble entre sí. La forma normal de oxígeno tiene un doble enlace entre los dos átomos, pero también puede existir en una molécula que contiene tres átomos, cada uno unido por enlaces simples a otros dos. Esta forma se conoce como ozono (O3).
El ozono es menos estable y mucho más reactivo que el O2 y, en su forma pura, constituye un grave peligro de incendio. También es tóxico, ya que daña los pulmones si se inhala. El ozono puede ser producido por las reacciones de los gases producidos por los gases de escape de los motores bajo la influencia de la luz solar y puede convertirse en un contaminante grave en las zonas urbanas. También se produce en la atmósfera superior por la interacción del O2 y la luz ultravioleta del Sol, formando la “capa de ozono” que protege la vida en la superficie de la Tierra de las formas más dañinas de luz ultravioleta.
Fósforo
Este es otro elemento con varios alótropos fuertemente contrastantes. Cuando se aísla por primera vez de sus compuestos, aparece como fósforo blanco. Esta forma está formada por tetraedros de cuatro átomos; es muy reactivo, altamente tóxico y brilla en la oscuridad a temperatura ambiente, debido a una reacción lenta con el oxígeno en el aire. Al calentarlo durante algún tiempo en un recipiente sellado, se puede convertir en fósforo rojo, una forma mucho menos reactiva y no tóxica en la que los tetraedros se unen en cadenas. Se puede obtener una tercera forma, el fósforo negro, calentando la forma blanca a alta presión; tiene sus átomos dispuestos en hexágonos que forman láminas, muy parecidas al grafito.