Alotropia de los materiales

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Alotropía.












Jaime Rey Fraga.
3º Ingeniería Industrial.

Alotropía


El concepto de alotropía fue propuesto originalmente en 1841 por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) y se define como la capacidad que poseen algunos materiales para existir en más de una forma o estructura cristalina en la misma fase o estado de la materia. Él termino alotropíasuele reservarse para hacer referencia de este comportamiento en elementos puros mientras que el término polimorfismo se usa para elementos compuestos.


La existencia de una estructura cristalina o otra va a depender de la temperatura y presión exteriores. Cuando exista un cambio en las condiciones termodinámicas los átomos adoptan posiciones de mínima energía y por lo tanto de máximaestabilidad


La transformación alotrópica a menudo repercute en la densidad y en las propiedades físicas del material de ahí el interés de su estudio en áreas como la ingeniería. Por ejemplo, materiales con una estructura cúbica centrada en el cuerpo serán duros y resistentes mientras que los de estructura cúbica centrada en las caras serán materiales más blandos y fácilmente conformables.


Laalotropía suele ser más evidente en los no-metales (con exclusión de los halógenos y los gases nobles) y metaloides aunque también los metales tienden a formar variedades alotrópicas.

En la transformación alotrópica se produce una absorción de calor al ser calentado o en el caso del enfriamiento, un desprendimiento de calor latente verificándose estos procesos a temperatura constante; ladenominada temperatura de transformación alotrópica.

Por ejemplo en la imagen se muestra la curva de enfriamiento del hierro puro. Nótese las líneas isotermas correspondientes a las temperaturas de transformación alotrópica.
- En el intervalo entre los 1535 y 1390 °C el hierro tiene la red cúbica centrada en el cuerpo y esta fase alotrópica recibe el nombre de hierro δ ( Fe δ ).
- En el intervaloentre 1390 y 910 ° C la estructura pasa a ser cúbica centrada en las caras (Fe γ).
- Finalmente por debajo de 910 °C la red pasa a ser cúbica centrada en el cuerpo (Fe α).

Está situación influye en operaciones como el temple del acero ya que el hierro al pasar de
Fe γ a Fe α sufre una variación de su volumen. El índice de coordinación pasa de 12 a 8 y la compacidad del 74% al 8%. Todo ellopuede provocar que aparezcan grietas superficiales en el temple.
A altas presiones también puede estabilizarse el Fe-ε que presenta estructura hexagonal compacta.

El estaño es otro de los metal que presenta el fenómeno de alotropía. Sus formas alotrópicas mas conocidas son el estaño gris y el estaño blanco. El estaño gris, no metálico, tiene estructura cúbica y es estable a temperaturas pordebajo de 13,2 ºC y el estaño blanco, metálico, de estructura tetragonal que existe de manera estable por encima de esa temperatura. Esta transformación no se da con mucha frecuencia debido a la propia cinética de la transformación, tienen que estar expuestos en esas condiciones durante largos periodos. En esta transformación la variación del volumen es del 25% lo que da lugar al desmoronamiento delestaño, adquiere color gris, aumenta su volumen y comienza a desmenuzarse hasta convertirse en polvo produciendo un sonido conocido como grito del estaño que pone de manifiesto el mal o peste del estaño.

Otro de los casos más conocidos de alotropía es el carbono. Sus variedades alotrópicas son: el diamante con estructura tetraédrica, el grafito con estructura hexagonal y los fulerenos. Losfulerenos forman una familia entera de formas alotrópicas distintas que llaman la atención por la belleza de sus estructuras. La más conocida de ellas es el buckminsterfullereno con una estructura similar a la de un globo (imagen).
El carbono es un claro de ejemplo de cómo un mismo elemento químico como el carbono puede mostrar propiedades tan dispares como el duro diamante y el blando grafito....
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