Química del Estado Sólido 02/05/2012 Profesor: Gustavo Tavizón Alvarado Alumnos: Barrios Rosales Andrés López Robledo Luis Enrique Ponce Pérez Daniela Berenice FULLERENOS
Introducción El carbono es el elemento más importante para la vida, claro que hay muchos otros sin los cuales la vida no existiría, pero desde la espiral fundamental del ADN hasta los intrincados anillos y serpentinas de los esteroides y proteínas, el carbono es el elemento cuyas propiedades únicas lo unifican todo.
Quizás lo más común es encontrarlo en la forma de sólido negro (coque, grafito), pero también se puede presentar como el cristalino y duro diamante. En los diamantes los átomos de carbono están en un arreglo muy especial, que sólo se consigue a presiones muy altas. En el grafito los átomos de carbono forman capas en las que cada átomo está rodeado por otros tres átomos idénticos, formando una estructura hexagonal. Donde la estructura de cada uno de estos materiales es lo que determina sus propiedades.
En los últimos años se han descubierto nuevas formas alotrópicas del carbono, tales como los fullerenos y el grafeno. El grafeno es un teselado hexagonal plano (como un panal de abeja), formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se formarían a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados.
Grafito Color Negro, acero, gris. Exfoliación En una dirección Raya Negro Fractura Escamosa Lustre Transparenci a Sistema Cristalino Hábito Cristalino Metálica, tierra. Dureza 1-2 No Densidad 2.09 a 2.23 g/cm3 Hexagonal Tabular (6 caras foliadas) Índice de Refracción Solubilidad Opaco Fundido Ni Estructura atómica del Grafito.
Diamante Color Amarillo, marrón, gris, incoloro, azul, verde, negro, blanco traslúcido, rosado, violeta, anaranjado, púrpura y rojo Fractura Concoidal Raya Incolora Dureza 10 Lustre Adamantino Densidad 3.5 3.53 g/cm3 Transparen cia Sistema Cristalino Transparente subsecuente a translúcido. Isométrico- Hexoctaédrico. Índice de Refracción Propiedades Ópticas 2,4175 2,4178 Refractiva simple
Grafeno Representación artística del Grafeno.
Fullerenos Historia de los Fullerenos. Los fullerenos son la tercera forma alotrópica del carbono, después del grafito y el diamante). El primer fullereno se descubrió en 1985 por Harold Kroto, James Heath, Sean O Brien, Robert Curl y Richard Smalley; este descubrimiento casual se produjo al irradiar un disco de grafito con un laser y mezclar vapor de carbono resultante mediante una corriente de helio. Al examinar el residuo cristalizado, se encontraron moléculas constituidas por 60 átomos de carbono. Los fullerenos también se han encontrado en el espacio interestelar y en formas geológicas de la Tierra. Fue nombrado en alusión a una cúpula geodésica construida con motivo de una Exposición Universal en Montreal en 1967 por el arquitecto Richard Buckminster Fuller, por lo que dado a su semejanza arquitectónica fueron llamados Buckminsterfullerenos, fullerenos o buckyesferas.
Estructura del Fullereno Los fullerenos son moléculas grandes esféricas. Las más común es la molécula C60, las demás son C70, C76, C84, entre otras. Se trata de un material obtenido por interacción de átomos de carbono C60 en fase gaseosa, logrando que los átomos de carbono se unieran en hexágonos y con dobles enlaces resonantes entre átomos de carbono vecinos, como si se tratara del benceno.
Consta de 60 átomos de carbono los cuales forman 12 pentágonos y 20 hexágonos, la misma forma de una pelota de fútbol, está molécula cuenta con una alta simetría. Hay 120 operaciones de simetría, tales como rotaciones de eje o reflexiones en el plano. Esto hace que el fullereno sea la molécula más simétrica pues tiene el más alto número de operaciones de simetría.
Simetría del Fullereno Para la molécula C60 hay tres tipos de ejes de rotación C2, C3 y C5. el eje C5 se considera como el que pasa a través de los centros de dos pentágonos. Como hay 12 pentágonos, se tienen seis diferentes ejes 5 (cada uno a través de 2 pentágonos). además hay 20 hexágonos con 10 diferentes ejes 3, así como 30 bordes entre los hexágonos con 15 diferentes ejes 2, puesto que los planos tienen dos bordes. Finalmente el C60 tiene un centro de inversión. Al combinar todas estas transformaciones se pueden encontrar las 120 diferentes operaciones de simetría, que forman el grupo icosedral, que es el grupo puntual con el mayor número de elementos.
Propiedades del Fullereno. Las esferas del Fullereno tienen diámetro de 7-15 Angstroms, el cual es 6-10 veces mayor que el diámetro de un átomo típico, son pequeños en comparación con muchas moléculas orgánicas. Los fullerenos son bastantes estables, para destruirlos se necesitan temperaturas mayores a 1000 C (depende del Fullereno). A temperaturas más bajas los fullerenos se subliman sin destrucción de las esferas. Esta propiedad se usa en el crecimiento de cristales y películas finas de fullerenos. Se ha observado que las moléculas C60 se combinan formando un sólido cristalino con propiedades interesantes.
Este sólido tiene una estructura cúbica, y es aislante eléctrico (ΔE= 2.3 ev). Arriba de -13 C las moléculas rotan libremente en sus posiciones cristalinas, como esferas lisas). A temperaturas más bajas, estas comienzan a fijarse en orientaciones definidas. Debajo de -183 C las esferas se tornan completamente inmóviles. Químicamente la molécula C60 es muy electronegativa y forma fácilmente compuestos como donadores de electrones, por lo que una combinación obvia sería la de un metal alcalino, ya que estos son muy electropositivos.
La apariencia del fullereno es la de un polvo amarillo que se torna rosa cuando se disuelve. Al exponer las moléculas C60 a la luz ultravioleta intensa como la del láser, se polimerizan formando enlaces entre las esferas cercanas, es decir, se polimeriza. En el estado de polímero ya no se disuelve en tolueno, por lo que se puede concluir que es una molécula fotosensible. Debido a esto el fullereno se utiliza como un fotoresistor en algunos procesos fotográficos.
Aplicaciones de los Fullerenos Lubricantes Ópticas Compuestos alcalinos. Nanotubos Superconductores Cristales Magnetismo Conductividad térmica Mecánicas Perfección molecular. Fuerzas Fuertes de Van de Waals.