¿Qué son los alótropos, los isótopos?
Las propiedades físicas de los alótropos varían en función de su estructura. Pero como están formados a partir del mismo elemento, sus propiedades químicas son similares.
Por ejemplo, el oxígeno es un gas incoloro e inodoro, mientras que el ozono es un gas de color azul claro con olor a pescado; el punto de ebullición del oxígeno es -183°C, mientras que el punto de ebullición del ozono es -111,5; °C; el oxígeno es más estable que el ozono y no tan oxidante como el ozono. Deben ser sustancias simples, como el oxígeno y el ozono, uno es O2 y el otro es O3.
Los diamantes y el grafito son ambos carbono.
Las transiciones entre alótropos son cambios químicos.
Existen tres formas de formar alótropos:
1. El número de átomos que forman las moléculas es diferente, como el oxígeno O2 y el ozono O3.
2. La disposición de los átomos en la red cristalina es diferente, como en el diamante y el grafito.
3. Las moléculas de la red cristalina están dispuestas de diferentes formas, como el azufre ortorrómbico y el azufre monoclínico.
Variantes del Carbono
(1) Los alótropos del carbono incluyen diamante, grafito, carbono 60 y otros fullerenos. Sus diferentes propiedades se deben a sus diferentes microestructuras.
El diamante es una estructura tridimensional de red espacial tetraédrica regular, con enlaces de valencia formados entre átomos de carbono. Al cortar o fundir, es necesario superar los enlaces de valencia entre los átomos de carbono. El diamante es el material más duro conocido por la naturaleza y tiene un punto de fusión muy alto. Los diamantes impecables de primera calidad son cristalinos, refractivos y deslumbrantes. Es una decoración favorita de la gente y un material indispensable para la tecnología de vanguardia. Los diamantes con partículas más pequeñas y de menor calidad se utilizan principalmente en industrias generales, como la fabricación de piezas de precisión como cojinetes de instrumentos, procesamiento mecánico, perforación geológica, etc. Los diamantes son indispensables para cortar piedras, metales, cerámica, vidrio, etc. Durante el esmerilado, aserrado, taladrado y pulido. Reemplazar las brocas de carburo comunes con brocas de diamante puede aumentar en gran medida la velocidad de perforación y reducir los costos; los taladros dentales con incrustaciones de diamantes son una herramienta conveniente para los dentistas. Los bisturíes oftálmicos con incrustaciones de diamantes tienen hojas afiladas y suaves, incluso con 1000 No se pueden ver fallas; bajo un microscopio de 100 veces, y es una herramienta comúnmente utilizada para eliminar cataratas de los ojos. Diamond tiene amplias perspectivas de aplicación en los campos de maquinaria, electrónica, óptica, transferencia de calor, militar, aeroespacial, medicina y química.
El grafito es una estructura en capas. Los átomos de carbono de la capa están dispuestos en forma hexagonal plana y cada átomo de carbono está unido a otros átomos de carbono a través de tres enlaces de valencia. Los electrones deslocalizados en la misma capa pueden moverse a lo largo de la capa y los átomos de carbono entre las capas están unidos por fuerzas intermoleculares (fuerzas de van der Waals). El grafito es un cristal metálico opaco de color gris negruzco. El grafito natural es resistente a altas temperaturas, tiene un bajo coeficiente de expansión térmica, buena conductividad térmica y eléctrica y un bajo coeficiente de fricción. El grafito se utiliza mucho como electrodos, crisoles, cepillos, lubricantes, lápices, etc. El grafito con una estructura en capas puede insertar algunos átomos o grupos en la capa y combinarse con átomos de C en condiciones apropiadas para formar compuestos de grafito entre capas. Las propiedades de estos compuestos de intercalación básicamente no modifican la estructura estratificada original del grafito, sino que sólo aumentan la separación entre láminas, lo que se denomina grafito expandido. Tiene propiedades de bobinado y resistencia que el grafito natural no tiene y puede usarse ampliamente como un nuevo material de ingeniería en petroquímica, fertilizantes, energía atómica, electrónica y otros campos.
Carbono 60
En 1985, científicos de la Universidad Ross en Texas, EE. UU., crearon la tercera forma de carbono elemental, el C60, que está compuesto por 60 átomos de carbono. Eso parece una pelota de fútbol. C60 es un polvo negro, fácilmente soluble en disulfuro de carbono, benceno y otros disolventes. Esta forma del elemento carbono se llama fullareno, en honor al arquitecto B. Fuller. Esto se debe a que Fuller diseñó un edificio llamado cúpula esférica, y resulta que algunos fullerenos tienen estructuras muy similares. Al C60 se le ha llamado futboleno, buckyball, etc. Pertenece a la familia de los fullerenos. La fórmula molecular de este tipo de sustancias se puede expresar como Cn, donde n es un valor entero entre 28 y 540, incluyendo C50, C70, C84, C240, etc. En estas moléculas, el átomo de carbono forma dos enlaces simples y un doble enlace con otros tres átomos de carbono, que en realidad son alquenos conjugados * * * esféricos.
Las moléculas de fullereno han atraído una gran atención debido a su estructura y propiedades únicas. Se descubrió que la superficie de la estructura en forma de jaula de la molécula de fullereno está abierta, pero el interior está vacío, lo que puede introducir otras sustancias en la esfera, lo que puede cambiar significativamente las propiedades físicas y químicas de la molécula de fullereno. Por ejemplo, los químicos intentan añadir varios metales a estos materiales huecos para hacerlos superconductores. Se descubrió que la temperatura crítica del superconductor obtenido al combinar C60 con algunos metales alcalinos es mayor que la de varios superconductores estudiados en los últimos años. Los científicos predicen que el C540 puede alcanzar una superconductividad a temperatura ambiente. También se prevé que algunos fármacos puedan introducirse en la cavidad de las esferas C60 para convertirse en fármacos de liberación sostenida y entrar en diversas partes del cuerpo humano. Con amplias perspectivas de aplicación en dispositivos nanoelectrónicos de una sola molécula, el fullereno ha afectado ampliamente a diversos campos como la física, la química, la ciencia de los materiales, la vida y la medicina.
(3) Nanotubos de carbono
Los nanotubos de carbono se pueden dividir en nanotubos de carbono de una sola capa y nanotubos de carbono multicapa. Están hechos de capas de grafito concéntricas de una o varias capas. hecho de nanotubos de carbono huecos. Generalmente, el diámetro del tubo oscila entre unos pocos nanómetros y decenas de nanómetros. La separación entre las capas de grafito en la pared del tubo es de 0,34 nanómetros, que es la misma que la separación entre las capas planas de grafito. Tanto los nanotubos de carbono de una sola capa como los de múltiples capas tienen extremos frontal y posterior semicirculares, y son básicamente similares en estructura al carbono sesenta, lo que hace que todo el tubo de carbono sea una estructura cerrada, por lo que el nanotubo de carbono también es un miembro del grupo de carbono. Los nanotubos de carbono son muy pequeños. Sólo hay 50.000 fibras una al lado de la otra y son tan anchas como un cabello humano. Son fibras con una relación de aspecto alta.
Los nanotubos de carbono tienen alta resistencia, buena tenacidad, peso ligero, gran superficie específica y rendimiento estable. Presentan la conductividad específica de semiconductores o buenos conductores con diferentes estructuras de devanado de pared de tubo y tienen un excelente rendimiento de emisión de campo. Desde el descubrimiento de los nanotubos de carbono de una sola capa en 1991 y la síntesis exitosa de cantidades macroscópicas, la aplicación de los nanotubos de carbono en diversos campos ha atraído una amplia atención de científicos de todo el mundo debido a su estructura electrónica única y sus propiedades físicas y químicas, convirtiéndose en un puntos críticos de investigación de fullereno y nanotecnología en el campo.
Los nanotubos de carbono se pueden utilizar para fabricar materiales de fibra de carbono y materiales compuestos de alta resistencia. Por ejemplo, su resistencia es 100 veces mayor que la del acero y su peso es solo 1/6 del acero. superfibra" de futuros científicos; en En el campo aeroespacial, los nanotubos de carbono se utilizan para fabricar cables de remolque para satélites, que no solo pueden proporcionar energía a los satélites, sino que también pueden soportar altas temperaturas sin quemarse. Rellenar los nanotubos de carbono con metal y luego grabarlos la capa de carbono puede producir cables de tamaño nanométrico con muy buena conductividad; el uso de nanotubos de carbono como materiales de electrodos positivos y negativos de las baterías de iones de litio puede extender la vida útil de la batería y mejorar el rendimiento de carga y descarga de la batería. Utilice nanotubos de carbono para crear excelentes fuentes de luz en tiempo real que emitan luz, calor y electrones, así como para crear pantallas planas y más. , haciendo posibles los televisores montados en la pared; en la industria electrónica, el tamaño de los transistores producidos por nanotubos de carbono es sólo una décima parte del de los semiconductores. Reemplazar los chips de computadora con dispositivos electrónicos moleculares basados en carbono desencadenará una nueva revolución en las computadoras. Los nanotubos de carbono pueden almacenar grandes cantidades de hidrógeno a baja presión. El combustible producido con este método no sólo es seguro, sino también una fuente de energía limpia y tendrá amplias perspectivas de desarrollo en la industria automovilística. Los nanotubos de carbono también se pueden utilizar como soportes de catalizadores y materiales de membrana.
Isótopos:
Definición: Diferentes nucleidos de un mismo elemento con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones (o diferentes números de masa) son isótopos entre sí.
El átomo aquí es un concepto amplio, que se refiere a partículas microscópicas.
Por ejemplo, el hidrógeno tiene tres isótopos, H, D, deuterio (también llamado hidrógeno pesado) y T, tritio (también llamado hidrógeno superpesado). Hay muchos isótopos del carbono, como el 12C (12 is); un superíndice, lo mismo a continuación), 14C. A finales de 2019, se descubrieron por primera vez isótopos radiactivos, luego se descubrieron isótopos estables naturales y se determinó la abundancia de isótopos. La mayoría de los elementos naturales tienen varios isótopos estables. Los isótopos de un mismo elemento tienen masas diferentes pero casi las mismas propiedades químicas. Muchos isótopos tienen usos importantes. Por ejemplo, el 12C es un átomo como estándar para determinar el peso atómico; dos átomos de H son materiales para fabricar bombas de hidrógeno; u es un material para fabricar bombas atómicas y reactores nucleares. Los métodos de rastreo de isótopos se utilizan ampliamente en la investigación científica, la producción industrial y agrícola y la tecnología médica. Por ejemplo, los compuestos marcados con O se utilizan para confirmar el proceso de reacciones de esterificación y el I se utiliza para realizar experimentos sobre la función de absorción de yodo del yodo. glándula tiroides.
Un isótopo es uno de dos o más átomos de un mismo elemento químico, tiene el mismo número atómico, ocupa la misma posición en la tabla periódica, tiene casi el mismo comportamiento químico, pero tiene una masa atómica o sus números de masa son diferentes, lo que hace que su comportamiento espectral de masas, su conversión radiactiva y sus propiedades físicas (como la capacidad de difusión en gas) sean diferentes. Los isótopos se representan indicando el número de masa en la esquina superior izquierda del símbolo del elemento, como el carbono 14, que generalmente se utiliza en lugar del C14.
Existen muchos isótopos de elementos en la naturaleza. Los isótopos son naturales, artificiales, radiactivos y no radiactivos.
Aunque los isótopos de un mismo elemento tienen diferentes números de masa, tienen básicamente las mismas propiedades químicas y diferentes propiedades físicas (principalmente diferentes masas). En la naturaleza, se determinan los porcentajes del número atómico de varios isótopos.
Los isótopos se refieren a átomos (nucleidos) con la misma carga nuclear pero diferentes pesos atómicos, llamados isótopos. Desde el descubrimiento de la radiactividad a finales del siglo XIX hasta principios del XX se han descubierto más de 30 elementos radiactivos, y se ha comprobado que algunos elementos radiactivos tienen exactamente las mismas propiedades químicas aunque su radiactividad es evidentemente diferente. .
En 1910, el químico británico F. Soddy propuso la hipótesis de que existen variantes de elementos químicos con diferentes masas atómicas relativas y radiactividad pero con las mismas propiedades físicas y químicas. Estas variantes deberían estar en la misma posición en. la tabla periódica. La ubicación se llama isótopo. Pronto, a partir de diferentes elementos radiactivos, la masa atómica relativa de un tipo de plomo fue 206,08 y el otro, 208. En 1897, el físico británico W. Thomson descubrió el electrón. En 1912, mejoró el instrumento para medir electrones y utilizó un campo magnético para fabricar un separador magnético (el predecesor del espectrómetro de masas). Cuando midió el neón, sin importar cuán puro fuera, obtuvo dos parábolas en la pantalla, una que representaba un neón con una masa de 20 y otra que representaba un neón con una masa de 22. Fue el primer isótopo estable descubierto, es decir, un isótopo que no es radiactivo. Cuando F.W. Aston construyó el primer espectrómetro de masas, se demostró además que el neón tenía dos isótopos de diferentes masas atómicas, y se descubrieron más de 200 isótopos entre más de 70 elementos más.
Hasta el momento se han descubierto 109 elementos, y sólo 20 elementos no tienen isótopos estables, pero todos los elementos tienen isótopos radiactivos. La mayoría de los elementos naturales son mezclas de varios isótopos, con más de 300 isótopos estables y más de 1.500 isótopos radiactivos.
Después de que en 1932 se propusiera la teoría neutrón-protón de los núcleos atómicos, se aclaró aún más que los isótopos son elementos compuestos por varios átomos con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones. Dado que el número de protones es el mismo, sus cargas nucleares son las mismas que las de los electrones fuera del núcleo (número de protones = número de cargas nucleares = número de electrones fuera del núcleo) y tienen la misma estructura de capa de electrones. Entonces, las propiedades químicas de los isótopos son las mismas, pero debido a que tienen diferente número de neutrones, la masa de cada átomo será diferente y algunas propiedades físicas del núcleo (como la radiactividad) también son diferentes. En general, los elementos con un número par de protones pueden tener isótopos más estables, generalmente no menos de tres, mientras que los elementos con un número impar de protones generalmente tienen solo un isótopo estable y nunca más de dos isótopos estables. Esto está determinado por la unión. energía de los nucleones.
El descubrimiento de los isótopos permitió comprender mejor la estructura atómica. Esto no sólo da un nuevo significado al concepto de elementos, sino que también cambia en gran medida el punto de referencia de la masa atómica relativa, demostrando una vez más que es el número de protones (número de carga nuclear), y no el número de masa atómica, lo que determina las propiedades químicas. de elementos.