QUÍMICA · ELEMENTOS Y ESTRUCTURAS
El diamante y el grafito están hechos de carbono, pero sus átomos se organizan de manera diferente. Son alótropos: formas estructurales distintas de un mismo elemento químico.
La diferencia puede estar en la molécula, como en O₂ y O₃, o en una red sólida. Por eso dos alótropos pueden tener propiedades muy diferentes sin cambiar de elemento. Definición de IUPAC.
EJEMPLO 01
C · Red covalente tridimensional
En el diamante, cada átomo de carbono está unido a cuatro vecinos en una disposición tetraédrica. Esa red extendida explica su gran dureza. No hay moléculas separadas de C₄: el símbolo C indica el elemento de toda la red.
Puede permanecer a presión atmosférica aunque allí sea metaestable: transformarse en grafito exige reorganizar sus enlaces. No basta con decir que el diamante solo existe a alta presión.
EJEMPLO 02
C · Capas de redes hexagonales
Cada carbono se enlaza con tres vecinos de su misma capa. Los electrones deslocalizados contribuyen a la conducción eléctrica dentro de las láminas; las interacciones entre capas son mucho más débiles que los enlaces de cada lámina.
El deslizamiento de las capas ayuda a entender el trazo de un lápiz. Su mina suele ser una mezcla de grafito y otros materiales, no un trozo de carbono perfectamente puro.
EJEMPLO 03
C · Una capa de espesor atómico
Es una lámina de átomos de carbono enlazados en una red hexagonal. Se describe como material bidimensional porque su espesor corresponde a una sola capa atómica, no porque los átomos carezcan de tamaño.
Su conductividad y transparencia motivan aplicaciones en electrónica y materiales. El comportamiento de un material con grafeno depende de su formulación; no existe un porcentaje de adición que garantice todas esas propiedades.
EJEMPLO 04
C₆₀ · Molécula cerrada de 60 carbonos
El buckminsterfullereno tiene forma de jaula: combina 12 pentágonos y 20 hexágonos. Los átomos ocupan los vértices y cada carbono se une a tres vecinos. A diferencia del diamante, aquí sí se identifican moléculas individuales.
C₆₀ es un miembro de la familia de los fullerenos, no una fórmula común a todos. Tampoco deben atribuirse a la molécula pura todas las propiedades de materiales obtenidos al combinar fullerenos con metales.
EJEMPLO 05
C · Estructuras tubulares
Una pared de nanotubo puede representarse geométricamente como una red de grafeno cerrada en un cilindro. Existen nanotubos de una pared y de varias paredes. Este modelo describe la estructura, no un procedimiento de fabricación.
Su diámetro y la orientación de la red influyen en las propiedades. Los nanotubos de una pared pueden tener comportamiento metálico o semiconductor; no todos conducen de la misma manera ni poseen un único diámetro.
EJEMPLO 06
P₄ · Moléculas tetraédricas
Cada molécula contiene cuatro átomos de fósforo, con cada átomo unido a los otros tres. Es un sólido molecular muy reactivo, distinto de las redes extendidas de otras formas del fósforo. Puede presentar un aspecto amarillento.
Es tóxico y puede inflamarse en contacto con el aire. Su fusión ocurre aproximadamente a 44 °C: cambiar de sólido a líquido no lo convierte, por ese solo hecho, en fósforo rojo.
EJEMPLO 07
P · Estructura extendida
En el fósforo rojo, los enlaces unen átomos en estructuras más extensas que las moléculas P₄ aisladas. El material comercial no tiene necesariamente el mismo grado de orden cristalino en todas las muestras.
Es menos reactivo que el blanco. Se utiliza en la superficie de fricción de las cajas de cerillas de seguridad. El color da nombre a la forma, pero su diferencia química se basa en la estructura.
EJEMPLO 08
P · Láminas plegadas
La forma ortorrómbica del fósforo negro presenta capas plegadas de átomos enlazados. Cada átomo tiene tres vecinos unidos covalentemente. Las capas pueden separarse para obtener láminas muy delgadas, estudiadas como materiales semiconductores.
Las capas no son paquetes de moléculas P₄. «Laminar» tampoco significa idéntico al grafito: cambian el elemento, la geometría de la capa y las propiedades electrónicas.
EJEMPLO 09
S₈ · Cristal ortorrómbico
Sus moléculas son anillos de ocho átomos de azufre, con forma no plana semejante a una corona. Es la forma cristalina estable en condiciones ambientales ordinarias.
En este caso conviene distinguir dos niveles: S₈ describe la molécula; «ortorrómbico» describe cómo se ordenan las moléculas en el cristal.
EJEMPLO 10
S₈ · Otro orden cristalino
También contiene anillos S₈, pero su disposición cristalina es diferente de la del azufre rómbico. A presión atmosférica pasa a ser la forma estable por encima de unos 95–96 °C y hasta la fusión, cercana a 119 °C.
Son formas alotrópicas cristalinas y, más específicamente, polimorfos de S₈. Tener la misma fórmula molecular no obliga a tener la misma estructura de cristal.
EJEMPLO 11
O₂ · Moléculas de dos átomos
El oxígeno molecular habitual del aire está formado por parejas de átomos. O₂ es una sustancia elemental: solo contiene oxígeno, aunque cada molécula tenga dos átomos.
El O₂ gaseoso y el O₂ líquido son fases de la misma especie molecular. Ese cambio de estado se distingue de pasar de O₂ a O₃.
EJEMPLO 12
O₃ · Moléculas de tres átomos
Cada molécula de ozono contiene tres átomos de oxígeno en una geometría angular. Es otro alótropo del mismo elemento, con propiedades diferentes de las del O₂.
O₂ y O₃ pueden existir ambos como gases. La alotropía no exige que uno sea sólido y el otro líquido; aquí cambia el número de átomos y la estructura de la molécula.
El carbón mineral contiene una combinación compleja de materia orgánica y componentes minerales. No es una forma pura y única del elemento carbono como el diamante o el grafito. Su composición depende del yacimiento y del grado de transformación de la materia vegetal.
El carbón vegetal se obtiene de biomasa, y el llamado carbón animal puede obtenerse de huesos. Tampoco deben tratarse automáticamente como alótropos puros por compartir la palabra «carbón». USGS: composición del carbón mineral.
«Líquido» indica un estado físico, no una estructura única. En el azufre fundido hay anillos y, según la temperatura, cadenas. Alrededor de 159 °C aumenta la formación de cadenas y la viscosidad crece mucho; a temperaturas mayores, su fragmentación contribuye a que vuelva a disminuir.
Por tanto, «azufre líquido amarillo» no nombra por sí solo un alótropo definido. Para describir su estructura hay que considerar la temperatura y la distribución de anillos y cadenas. Estructura y cambios del azufre líquido.
El vapor puede contener especies como S₈, S₆, S₄ y S₂, y también átomos S en condiciones de alta temperatura. Sus proporciones dependen de la temperatura y la presión. No existe una fórmula única válida para todo vapor de azufre.
Evaporar describe un cambio de fase; cambiar entre esas especies implica además reorganizar los enlaces. Las tablas NIST-JANAF distinguen las especies y sus estados físicos.
O₂: 2 átomos por molécula
O₃: 3 átomos por molécula
Ambas moléculas solo contienen oxígeno. En cambio, CO₂ contiene dos elementos y es un compuesto.
La oxidación del fósforo puede representarse, para la formación del óxido de fósforo(V), mediante:
P₄ + 5 O₂ → P₄O₁₀
Hay 4 átomos de fósforo y 10 de oxígeno en cada lado. Esta ecuación resume la composición de reactivos y producto; no especifica un procedimiento ni todas las fases posibles.
P₄O₁₀ es un compuesto, no otro alótropo del fósforo. El subíndice 4 pertenece a la molécula P₄; el coeficiente 5 multiplica cinco moléculas O₂. Estructura del fósforo molecular.
Carbono-12 y carbono-13 son isótopos: cambia el número de neutrones del núcleo. Diamante y grafito son alótropos: cambia la organización de los átomos. Son dos criterios distintos y no se sustituyen uno por otro.
1. Diamante y grafito se escriben C. ¿Por qué son alótropos distintos?
Porque cambia la red de enlaces: cuatro vecinos en una red tridimensional frente a tres vecinos por átomo en láminas. La fórmula elemental por sí sola no describe esa organización.
2. ¿Son alótropos el oxígeno gaseoso O₂ y el oxígeno líquido O₂?
No por esa diferencia: son dos fases de la misma especie molecular. El contraste alotrópico es O₂ frente a O₃.
3. ¿Qué cambia entre α-S₈ y β-S₈: el elemento, la molécula o el orden cristalino?
El orden cristalino. Ambos contienen anillos S₈; son polimorfos cristalinos del mismo elemento.
4. Un recipiente contiene 4 moléculas de O₃. ¿Cuántas moléculas de O₂ conservarían el mismo número de átomos?
4 × 3 = 12 átomos de oxígeno. Se necesitan 12/2 = 6 moléculas de O₂. Es un conteo de átomos, no una instrucción para producir ozono.
5. ¿Cuántos enlaces entre vértices tiene la jaula ideal de C₆₀ si cada carbono tiene tres vecinos?
60 × 3 / 2 = 90 conexiones. Se divide entre dos porque cada conexión une dos vértices y se habría contado dos veces. No se están sumando órdenes de enlace.
6. ¿El carbón mineral y el fósforo negro están formados por moléculas pequeñas idénticas?
No. El carbón mineral es una roca de composición compleja, no un alótropo puro. El fósforo negro sí es una forma elemental de fósforo, pero presenta una red laminar extendida, no moléculas P₄ aisladas.
Consultadas el 7 de octubre de 2026. Desarrollo didáctico y ejercicios: Editorial Ejemplode.