Allotropi (från annan grekisk ἄλλος "annan" + τρόπος "sväng, egenskap") är förekomsten av två eller flera enkla ämnen av samma kemiska element .
Fenomenet allotropi beror antingen på det olika tillståndet hos molekylerna i ett enkelt ämne ( sammansättningsallotropi ), eller på hur atomer eller molekyler placeras i kristallgittret ( form allotropi ).
Begreppet allotropi introducerades i vetenskapen av J. Berzelius 1841 för att beteckna olika former av existensen av element; samtidigt hade han uppenbarligen för avsikt att tillämpa det på isomerism av föreningar . Efter att ha accepterat hypotesen om A. Avogadro 1860, blev det klart att element kan existera i form av polyatomära molekyler, till exempel O 2 - syre och O 3 - ozon .
I början av 1900-talet insåg man att skillnader i kristallstrukturen hos enkla ämnen (till exempel kol eller fosfor ) också är orsaken till allotropi. År 1912
W. Ostwald noterade att allotropin av element bara är ett specialfall av kristallpolymorfism , och föreslog att man skulle överge denna term. Men hittills används dessa termer parallellt. Allotropi gäller endast för enkla ämnen , oavsett deras aggregationstillstånd ; polymorfism - endast till ett fast tillstånd , oavsett om detta ämne är enkelt eller komplext . Således sammanfaller dessa termer för enkla fasta ämnen (kristallint svavel, fosfor, järn, etc.) [1] .
För närvarande är mer än 400 varianter av enkla ämnen kända . Förmågan hos ett element att bilda allotropa former beror på atomens struktur, som bestämmer typen av kemisk bindning , strukturen hos molekyler och kristaller .
Som regel bildar element med variabla värden på koordinationsnummer eller oxidationstillstånd ( tenn , fosfor ) ett större antal allotropa former . En annan viktig faktor är katenering - förmågan hos ett elements atomer att bilda homokedjestrukturer (till exempel svavel ). Tendensen till allotropi är mer uttalad i icke-metaller , med undantag för halogener , ädelgaser och halvmetaller .
Det är brukligt att beteckna olika allotropiska former av samma element med små bokstäver i det grekiska alfabetet; dessutom betecknas formen som finns vid de lägsta temperaturerna med bokstaven α, nästa - β, etc.
| Element | Allotropa modifieringar |
|---|---|
| Väte : |
Molekylärt väte kan existera som orto- och para -väte. I orto-vätemolekylen o -H 2 (smp. −259,10 ° C, bp. −252,56 ° C) är kärnspinnen parallella , och i para-väte p -H 2 (smp. pl. -259,32 °C) , bp -252,89 °C) är antiparallella. |
| Kol : |
Många modifikationer : diamant , grafit , fulleren , karbin , grafen , kolnanorör , lonsdaleite , etc. Det är svårt att ange det exakta antalet modifieringar på grund av de olika former av bindande kolatomer till varandra. De mest talrika molekylära strukturerna är fullerener och nanorör . |
| Fosfor : |
Det finns 11 kända allotropa modifieringar av fosfor. Huvudmodifieringar: vit , röd och svart fosfor . Vit fosfor är giftig, lyser i mörker, självantändande, dielektrisk, röd fosfor är inte giftig, lyser inte i mörker, antänds inte av sig själv, svart fosfor är kemiskt inert, leder elektrisk ström bra. |
| Syre : |
Två allotropa modifikationer: O 2 - syre och O 3 - ozon . Syre är färglöst, luktfritt; ozon har en uttalad lukt, har en blekt lila färg, det är mer bakteriedödande. |
| Svavel : |
Ett stort antal allotropa modifieringar, näst efter kol. Huvudmodifieringar: rombiskt, monokliniskt och plastiskt svavel. |
| Selen : |
Röd cyklo-Se 8 , grå polymer Se och svart selen. |
| Element | Allotropa modifieringar |
|---|---|
| Bor : |
Bor finns i amorfa och kristallina former. Amorft bor är ett brunt pulver. Det är mer reaktivt än kristallint bor. Kristallint bor är ett svart ämne. Mer än 10 allotropa modifikationer av bor är kända, vilka kristalliserar i rombiska och tetragonala system. Den mest stabila modifieringen, β-rombisk bor, består av B 12 icosahedrons , som bildar lager kombinerade till en oändlig struktur. |
| Kisel : |
Det finns två huvudsakliga allotropa modifieringar av kisel - amorf och kristallin. Gittret för den kristallina modifieringen av kisel är atomärt, diamantliknande. Polykristallint och monokristallint kisel isoleras också. |
| Arsenik : |
Tre huvudsakliga allotropiska modifikationer: gul arsenik (icke-metall, bestående av As 4 molekyler - en struktur som liknar vit fosfor), grå arsenik (semi-metallisk polymer), svart arsenik (icke-metallisk molekylstruktur som liknar röd fosfor). |
| Germanium : |
Två allotropa modifikationer: α-Ge - en halvmetall med ett diamantliknande kristallgitter och β-Ge - med en metallisk struktur som liknar β-Sn. |
| Antimon : |
Det finns fyra metalliska allotropa modifikationer av antimon som existerar vid olika tryck, och tre amorfa modifieringar (explosiv, svart och gul antimon), varav den mest stabila metalliska formen är silvervit med en blåaktig nyans. |
| Polonium : |
Polonium finns i två allotropa metallmodifikationer. Kristallerna i en av dem - lågtemperatur - har ett kubiskt gitter (α-Po), och den andra - högtemperatur - rombisk (β-Po). Fasövergången från en form till en annan sker vid 36 °C, men under normala förhållanden är polonium i högtemperaturform på grund av uppvärmning av sin egen radioaktiva strålning. |
Bland de metaller som förekommer i naturen i stora mängder (upp till U, utan Tc och Pm) har 28 allotropa former vid atmosfärstryck : Li, Be, Na, Ca, Sc, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y , Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa, U. Allotropa former av ett antal metaller som bildas under deras tekniska bearbetning är också viktiga: Ti vid 882˚C, Fe vid 912˚C och 1394˚C, Co vid 422˚C, Zr vid 863˚C, Sn vid 13˚C och U vid 668˚C och 776˚C.
| Element | Allotropa modifieringar |
|---|---|
| Tenn : |
Tenn finns i tre allotropa modifikationer. Tenngrått (α-Sn) är ett fint kristallint pulver, en halvledare med ett diamantliknande kristallgitter, som existerar vid temperaturer under 13,2 °C. Vitt tenn (β-Sn) är en seg silverfärgad metall, stabil i temperaturområdet 13,2–161 °C. Högtemperatur gamma-tenn (γ-Sn), med en rombisk struktur, kännetecknas av hög densitet och sprödhet, stabil mellan 161 och 232 ° C (smältpunkt för rent tenn). |
| Järn : |
För järn är fyra kristallina modifikationer kända: upp till 769 ° C ( Curie point ), det finns α-Fe (ferrit) med ett kroppscentrerat kubiskt gitter och egenskaperna hos en ferromagnet ; i temperaturområdet 769-917 ° C finns β-Fe, som skiljer sig från α-Fe endast i parametrarna för det kroppscentrerade kubiska gittret och paramagnetens magnetiska egenskaper ; i temperaturområdet 917–1394 °C finns γ-Fe ( austenit ) med ett ansiktscentrerat kubiskt gitter; över 1394 °C stabil δ-Fe med kroppscentrerat kubiskt gitter |
| Lantanider : |
Cerium, samarium, dysprosium och ytterbium har vardera tre allotropa modifikationer; praseodym, neodym, gadolinium och terbium - två vardera. |
| Aktinider : |
Alla aktinider, utom aktinium, kännetecknas av polymorfism. Kristallstrukturerna av protactinium, uran, neptunium och plutonium har inga analoger bland lantaniderna i deras komplexitet och liknar mer strukturerna hos 3D-övergångsmetaller. Plutonium har sju polymorfa modifieringar (inklusive 6 vid normalt tryck), och uran, prometium, neptunium, americium, berkelium och californium har tre. Ljusa aktinider vid smältpunkten har ett kroppscentrerat gitter, och utgående från plutonium - ansiktscentrerat. |
Övergången av en allotrop modifiering till en annan sker med en förändring i temperatur eller tryck (eller samtidig verkan av båda faktorerna) och är associerad med en plötslig förändring av ett ämnes egenskaper. Denna process är reversibel ( enantiotropisk ) och irreversibel ( monotropisk ).
Ett exempel på en enantiotrop övergång är omvandlingen av rombiskt svavel till monoklinisk α-S (rombus) ↔ β-S (monokl.) vid 95,6 °C. Vid vanlig temperatur är den ortorombiska modifieringen av svavel stabil, som, när den värms upp till 95,6 ° C vid normalt tryck, omvandlas till en monoklinisk form. Den senare, när den kyls under 95,6 ° C, förvandlas igen till en rombisk form. Sålunda sker övergången av en form av svavel till en annan vid samma temperatur, och själva formerna kallas enantiotropa.
Den monotropiska övergången inkluderar omvandlingen av vit fosfor P 4 under ett tryck på 1,25 GPa och en temperatur på 200 ° C till en mer stabil modifiering - svart fosfor. Vid återgång till normala förhållanden sker inte den omvända övergången. Övergången från en instabil form till en stabil är i princip möjlig vid vilken temperatur som helst, men det omvända är inte, det vill säga det finns ingen bestämd övergångspunkt. Ett annat exempel är omvandlingen av grafit till diamant vid ett tryck på 6 GPa och en temperatur på 1500 °C i närvaro av en katalysator (nickel, krom, järn och andra metaller), det vill säga under förhållanden med termodynamisk stabilitet hos diamant. Medan diamant lätt och snabbt omvandlas till grafit vid temperaturer över 1000 °C. I båda fallen främjar tryck omvandlingen, eftersom ämnen med högre densitet än de ursprungliga bildas.
De tre kända modifikationerna av tenn förändras till varandra på olika sätt. Under normala förhållanden stabil β-Sn (plastvit tenn ) med ett tetragonalt kristallgitter [2] . Över 173°C omvandlas β-Sn enantiotropiskt till den spröda modifieringen γ-Sn, och under 13,2°C omvandlas β-Sn monotropiskt till pulveriserad α-Sn ( grå tenn ) med ett diamantliknande kubiskt gitter . Denna polymorfa övergång sker i låg hastighet, men accelereras kraftigt i kontakt med grått tenn - täta bitar av vitt tenn smulas sönder till damm (" plåtpest "). Den omvända processen är möjlig endast genom omsmältning.