QUÍMICA DEL CARBONO
2.1 CONCEPTO
El carbono está ampliamente distribuido en la naturaleza pese a no ser un elemento especialmente abundante. En la corteza terrestre es el duodécimo elemento en orden de abundancia, siendo la misma la milésima parte de la de oxígeno y sólo vez y media mayor que la del manganeso.
Sólo se conocen unas cincuenta mil sustancias en cuya composición no interviene el carbono, y pasan de 2 millones el número de compuestos de carbono conocidos.
Al final del siglo XVII, los científicos dividían las sustancias naturales en tres grupos según su origen: sustancias vegetales, sustancias animales y sustancias minerales.
Al final del siglo XVIII y gracias a los trabajos de Lavoisier, se llegó a la conclusión de que no existían diferencias en cuanto a la naturaleza de sustancias animales y vegetales. A partir de entonces se clasificaron las sustancias en dos grupos: las producidas por seres vivos u orgánicas, y las que no procedían de seres vivos o inorgánicas.
A principios del siglo XIX, Berzelius aún creía en la existencia de una razón básica que fuese responsable de las marcadas diferencias que se encontraban entre los compuestos orgánicos y los inorgánicos. La causa de las diferencias se achacaba a la vis vitalis (fuerza vital), de misteriosa naturaleza y que sólo actuaba en los seres vivos, por lo que los compuestos orgánicos no podrían nunca prepararse artificialmente.
La derrota de la teoría de la vis vitalis se atribuye a Friedrich Wöhler, quien en 1828 sintetizó urea (sustancia que se encuentra en la orina de los animales, siendo el principal producto nitrogenado del metabolismo de las proteínas). La síntesis tuvo lugar, sin intervención de organismos vivos, según:
SO4(NH4)2 + (CNO)2Pb SO4Pb + 2CNONH4 (H2N)2CO
(Urea)
La síntesis efectuada por Kolbe en 1845 (síntesis del ácido acético) y la de Berthelot (síntesis del metano), así como otras que les siguieron, corroboraron las conclusiones de Wöhler, determinando el definitivo y total rechazo de la teoría de la fuerza vital.
Poco a poco fue diluyéndose en la mente de los científicos la barrera entre Química Orgánica y Química Inorgánica. Sin embargo, se conservaron estos términos debido a que:
•Todos los compuestos considerados como orgánicos contienen carbono.
•Los compuestos de carbono son mucho más numerosos que los compuestos conocidos del resto de los elementos.
•Los compuestos con un esqueleto carbonado no parecen ajustarse a las reglas de valencia a que se ajustan los compuestos minerales.
•Los compuestos orgánicos presentan propiedades generales muy distintas de las que presentan los compuestos minerales. Así, los compuestos orgánicos se descomponen con facilidad por la acción del calor, son combustibles en su gran mayoría, tienen puntos de fusión y ebullición bajos, de ordinario reaccionan con lentitud, etc.
2.2 FORMAS ALOTRÓPICAS
Todos los materiales de carbón están compuestos de átomos de carbono. Sin embargo, dependiendo de la organización que presenten estos átomos de carbono, los materiales de carbón pueden ser muy diferentes unos de otros. Las estructuras a las que dan lugar las diversas combinaciones de átomos de carbono pueden llegar a ser muy numerosas. En consecuencia, existen una gran variedad materiales de carbón.
Para intentar explicar las diferentes estructuras de los carbones conviene empezar a una escala atómica. Así, los átomos de carbono poseen una estructura electrónica 1s2 2s2 2p2 , lo que permite que los orbitales atómicos de los átomos de carbono puedan presentar hibridaciones del tipo: sp, sp2 y sp3.
Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp dan lugar a cadenas de átomos, en las que cada átomo de carbono está unido a otro átomo de carbono por un enlace tripe y a un segundo átomo de carbono por un enlace sencillo.
Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp2, cada átomo de carbono se une a otros 3 en una estructura plana que da lugar a la forma alotrópica del grafito.
Los átomos de carbono forman un sistema de anillos condensados que dan lugar a láminas paralelas entre si. Los enlaces químicos de las láminas son covalentes entre orbitales híbridos sp2, mientras que los enlaces entre las láminas son por fuerzas de Van der Waals. Dependiendo del apilamiento de las láminas existen dos formas alotrópicas diferentes: el grafito hexagonal, que es la forma termodinámicamente estable en la que la secuencia de apilamiento de las láminas es ABAB; y el grafito romboédrico, que es una forma termodinámicamente inestable, y mucho menos abundante, con una secuencia de apilamiento ABCABC.
Estructuras del grafito hexagonal (ABAB) y del grafito romboédrico(ABCA)
Hibridación sp3, forma alotrópica del diamante.
El diamante cúbico es la estructura más habitual de esta forma alotrópica. Sin embargo, bajo ciertas condiciones el carbono cristaliza como diamante hexagonal o lonsdaleita (llamada así en honor a Kathleen Lonsdale), una forma similar al diamante pero hexagonal. Esta forma inusual del diamante se encontró por primera vez en 1967 en forma de cristales microscópicos, asociados al diamante, en restos del meteorito del Cañón del Diablo en Arizona. Con posterioridad también se ha identificado esta forma de diamante en otros meteoritos. Se cree que se forma cuando en el momento del impacto de meteoritos que contienen grafito contra la Tierra, de forma que el calor y energía del impacto transforman el grafito en diamante manteniendo en parte de la estructura hexagonal del grafito.
Una forma alotrópica del carbono en la cual los átomos de carbono presentan una hibridación intermedia entre la sp2 y la sp3 es el fullereno. Este tipo de hibridación hace posible que los átomos de carbono puedan combinarse formando hexágonos y pentágonos en estructuras tridimensionales cerradas. El fullereno más común es el C60 (de 60 átomos de carbono) y es similar a un balón de fútbol, aunque también se han descrito otros fullerenos: C76,...C100, etc. Los nanotubos de carbono prestan también estas hibridaciones intermedias y pueden considerarse como láminas de grafito enrolladas en forma de tubos. Los nanotubos pueden ser abiertos o cerrados, en cuyo caso la estructura que cierra el nanotubo es similar a la mitad de un fullereno. Los nanotubos también pueden ser monocapa (de una sola capa) o multicapa (varias capas concéntricas).
Diversas estructuras de nanotubos de carbono
Carbones y sus diferentes estructuras microscópicas
QUÍMICA DEL SILICIO
3.1 ESTRUCTURA QUÍMICA
Es un elemento semimetálico, el segundo elemento más común en la Tierra después del oxígeno. Su número atómico es 14 y pertenece al grupo 14 (o IVA) de la tabla periódica. Fue aislado por primera vez de sus compuestos en 1823 por el químico sueco Jöns Jakob barón de Berzelius.
Propiedades y estado natural
Se prepara en forma de polvo amorfo amarillo pardo o de cristales negros-grisáceos. Se obtiene calentando sílice, o dióxido de silicio (SiO2), con un agente reductor, como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio cristalino tiene una dureza de 7, suficiente para rayar al vidrio, de dureza de 5 a 7. El silicio tiene un punto de fusión de 1.410 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una densidad relativa de 2,33. Su masa atómica es 28,086.
El silicio se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas tetrafluoruro de silicio, SiF4 (véase Flúor), y es atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque el dióxido de silicio formado inhibe la reacción. También se disuelve en hidróxido de sodio, formando silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas ordinarias el silicio es insensible al aire, pero a temperaturas elevadas reacciona con el oxígeno formando una capa de sílice que ya no reacciona más. A altas temperaturas reacciona también con nitrógeno y cloro formando nitruro de silicio y cloruro de silicio respectivamente.
El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre elemental, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos. Los minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los minerales comunes, incluyendo más del 90% de los minerales que forman rocas volcánicas. El mineral cuarzo, las variedades del cuarzo (cornalina, crisoprasa, ónice, pedernal y jaspe) y los minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en la naturaleza. El dióxido de silicio es el componente principal de la arena. Los silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y magnesio) son los componentes principales de las arcillas, el suelo y las rocas, en forma de feldespatos, anfiboles, piroxenos, micas y ceolitas, y de piedras semipreciosas como el olivino, granate, zircón, topacio y turmalina
3.2 SILICIO EN LA MEMORIA
En 1959, Richard Feynman predijo que todas las palabras escritas en la historia del mundo podrían ser contenidas en un cubo de material cuyo lado fuera una 2/100 parte de una pulgada, siempre y cuando dichas palabras estuviesen escritas con átomos. Poco más de 40 años después, científicos de la University of Wisconsin-Madison han creado una memoria a escala atómica utilizando átomos de silicio en vez de los 1s y 0s empleados por los ordenadores de hoy en día para almacenar datos.
Se trata de un paso corto pero crucial hacia una memoria a escala atómica práctica, donde los átomos representarán los bits de información que a su vez forman las palabras, imágenes y códigos leídos por los ordenadores.
El trabajo, encabezado por Franz Himpsel, es muy interesante. Aunque la memoria creada por él y sus colegas se encuentra en dos dimensiones, a diferencia del cubo pronosticado por Feynman, proporciona una densidad de almacenamiento un millón de veces mayor que la de un CD-ROM.
El átomo representa, de momento, el "muro" infranqueable de la miniaturización tecnológica. Parece un límite natural. Aunque divisible, es una unidad fundamental de la naturaleza. Son las partículas más pequeñas de un elemento químico: un único grano de arena, por ejemplo, puede contener 10 billones de átomos.
La nueva memoria fue construida sobre una superficie de silicio que automáticamente forma surcos dentro de los cuales se alinean filas de átomos de silicio, descansando como pelotas de tenis en un canalón. Utilizando un microscopio STM (scanning tunneling microscope), los científicos levantaron átomos individuales de silicio con su punta, creando espacios que representan los 0s del almacenamiento de datos, mientras que los átomos que permanecen en su lugar representan los 1s.
Como la memoria convencional, el dispositivo a escala atómica puede ser inicializado, formateado, escrito y leído a temperatura ambiental. Para su fabricación no se empleó litografía sino que se evaporó oro sobre una pastilla de silicio, proporcionando una estructura de pistas (surcos) muy precisa. Evaporando después silicio sobre la oblea tratada, se pueden difundir los átomos a lo largo de la estructura, donde se alinearán y permanecerán dentro de las pistas como los huevos en una huevera. Los átomos de silicio representarán los bits de información.
La alineación es tan precisa que permite su manipulación y extracción con el STM sin perturbar a los átomos que no deben tocarse (de lo contrario podrían formarse enlaces indeseados).
La tecnología requerirá aún años, sino décadas, para alcanzar el punto de madurez necesario para su uso práctico. Las manipulaciones con el STM en una situación de vacío son impedimentos que deberán resolverse.
La densidad de memoria alcanzada es comparable a la elegida por la naturaleza cuando almacena información en las moléculas de ADN. La memoria de silicio a escala atómica usa 20 átomos para almacenar un bit de datos. El ADN utiliza 23 átomos.
Nombre: Edymar Gonzalez A
EES
http://www.monografias.com/trabajos48/nanotecnologia/nanotecnologia2.shtml
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