Аллотропия

Свойство некоторых химических элементов существовать в двух или более различных формах Алмаз и графит представляют собой два аллотропа углерода: чистые формы одного и того же элемента, различающиеся кристаллической структурой.

Аллотропия или аллотропизм (от древнегреческого ἄλλος (аллос) «другой», и τρόπος (тропос) «манера, форма») - это свойство некоторых химических элементов существовать в двух или более разных формах, в одном и том же физическом состоянии, известном как аллотропы элементов. Аллотропы - это различные структурные модификации элемента; атомы элемента связаны вместе другим способом. Например, аллотропы углерода включают алмаз (атомы углерода связаны вместе в тетраэдрической структуре решетки), графит ( атомы углерода связаны вместе в листы гексагональной решетки ), графен (отдельные листы графита) и фуллерены (атомы углерода связаны вместе в сферических, трубчатые или эллипсоидальные образования). Термин аллотропия используется только для элементов, а не для соединений. Более общий термин, используемый для любого кристаллического материала, - это полиморфизм. Аллотропия относится только к различным формам элемента в пределах одной и той же фазы (т. Е.: твердое, жидкое или газовое состояния); Различия между этими состояниями сами по себе не являются примерами аллотропии.

Для некоторых элементов аллотропы имеют разные молекулярные формулы, несмотря на разницу в фазах; например, два аллотропа кислорода (dioxygen, O 2 и озон, O 3) могут оба существуют в твердом, жидком и газообразном состояниях. Другие элементы не поддерживают отчетливых аллотропов в разных фазах; например, фосфор имеет многочисленные твердые аллотропы, которые все возвращаются в одну и ту же форму P 4 при плавлении до жидкого состояния.

• 1 История
• 2 Различия в свойствах аллотропов элементов
• 3 Список аллотропов
  • 3.1 Неметаллы
  • 3.2 Металлоиды
  • 3.3 Металлы
    • 3.3.1 Лантаноиды и актиниды
• 4 Наноаллотропы
• 5 См. Также
• 6 Примечания
• 7 Ссылки
• 8 Внешние ссылки

Концепция аллотропии была первоначально предложена в 1841 г. шведский ученый барон Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848). Термин происходит от греческого άλλοτροπἱα (аллотропия) «изменчивость, изменчивость». После принятия гипотезы Авогадро в 1860 году стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, и два аллотропа кислорода были признаны как O 2 и O 3. В начале 20 века было признано, что другие случаи, такие как углерод, связаны с различиями в кристаллической структуре.

К 1912 году Оствальд заметил, что аллотропия элементов - это просто частный случай явления полиморфизма, известного для соединений, и предложил, чтобы термины аллотропия и аллотропия быть оставленным и замененным полиморфом и полиморфизмом. Хотя многие другие химики повторяли этот совет, ИЮПАК и большинство текстов по химии по-прежнему отдают предпочтение использованию аллотропа и аллотропии только для элементов.

Аллотропы - это разные структурные формы одного и того же элемента, которые могут проявлять совершенно разные физические свойства и химическое поведение. Смена аллотропных форм вызывается теми же силами, которые действуют на другие структуры, то есть давлением, светом и температурой. Следовательно, стабильность конкретных аллотропов зависит от конкретных условий. Например, железо изменяется с объемноцентрированной кубической структуры (феррит ) на гранецентрированную кубическую структуру (аустенит ) при температуре выше 906 ° C, и олово подвергается модификации, известной как tin pest, из металлической формы в полупроводниковый ниже 13,2 ° C (55,8 ° F). В качестве примера аллотропов, имеющих различное химическое поведение, озон (O 3) является гораздо более сильным окислителем, чем дикислород (O 2).

Обычно элементы с переменным координационным числом и / или степенями окисления имеют тенденцию проявлять большее количество аллотропных форм. Другой способствующий фактор - способность элемента катенат.

Примеры аллотропов включают:

Неметаллы

Элемент	Аллотропы
Углерод	Алмаз - чрезвычайно твердый прозрачный кристалл с атомами углерода, расположенными в тетраэдрической решетке. Плохой электрический провод. Превосходный теплопроводник. Лонсдейлит - также называемый гексагональным алмазом. Графен - основной структурный элемент других аллотропов, нанотрубок, древесного угля и фуллеренов. Q-углерод - ферромагнитная, прочная и блестящая кристаллическая структура, которая тверже и ярче алмазов. Графит - мягкое, черное, чешуйчатое твердое тело, умеренный электрический проводник. Атомы C связаны в плоские гексагональные решетки (графен ), которые затем накладываются слоями. Линейный ацетиленовый углерод (Карбин) Аморфный углерод Фуллерены, включая бакминстерфуллерен, также известный как «бакиболлы», такие как C 60. Углеродные нанотрубки - аллотропы углерода с цилиндрической наноструктурой. шварциты Циклоуглерод Стеклоуглерод
Фосфор	Белый фосфор - твердое кристаллическое вещество из молекул тетрафосфора (P 4) Красный фосфор - аморфное полимерное твердое вещество Алый фосфор Фиолетовый фосфор с моноклинной кристаллической структурой Черный фосфор - полупроводник, аналог графита Дифосфор - газообразная форма состоит из молекул P 2, стабильных между 1200 ° C и 2000 ° C; создано например путем диссоциации молекул белого фосфора P 4 примерно на 827 °C
Oxygen	Dioxygen, O 2 - бесцветный (бледно-голубая жидкость и твердое вещество) Озон, O 3 - синий Tetraoxygen, O 4– метастабильный Octaoxygen, O 8 - красный
Сера	Циклопентасера, Цикло-S 5 Циклогексасера, Цикло-S 6 Циклогептасера, Цикло-S 7 Цикло-октасера, Цикло-S 8
Селен	"Красный селен, "цикло-Se 8 Серый селен, полимерный Se Черный селен, нерегулярные полимерные кольца длиной до 1000 атомов Моноклинный селен, темно-красные прозрачные кристаллы

Металлоиды

Элемент	Аллотропы
Бор	Аморфный бор - коричневый порошок - B 12 правильные икосаэдры α-ромбоэдрический бор β-ромбоэдрический бор γ-орторомбический бор α-тетрагональный бор β-тетрагональный бор сверхпроводящая фаза высокого давления
Кремний	Аморфный кремний кристаллический кремний, кубическая структура алмаза e Силицен, гнутый плоский однослойный кремний, похожий на графен
Мышьяк	Желтый мышьяк - молекулярный неметаллический As 4, с такой же структурой, как белый фосфор Серый мышьяк, полимерный As (металлоид) Черный мышьяк - молекулярный и неметаллический, с той же структурой, что и красный фосфор
Германий	α-германий - полуметаллический, с тем же структура как алмаз β-германий - металлический, с такой же структурой, что и бета-олово Германен - ​​Прямоугольный плоский германий, похожий на графен
Сурьма	сине-белая сурьма - стабильная форма (металлоид), имеющая ту же структуру, что и серый мышьяк желтая сурьма (неметалл) черная сурьма (неметалл) взрывчатая сурьма
теллур	аморфный теллур - серо-черный или коричневый порошок кристаллический теллур - гексагональная кристаллическая структура (металлоид)

Металлы

Среди металлических элементов, встречающихся в природе в значительных количествах (56 до U, без ut Tc и Pm), почти половина (27) аллотропны при атмосферном давлении: Li, Be, Na, Ca, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa и U. Некоторые фазовые переходы между аллотропными формами технологически важных металлов - это переходы Ti при 882 ° C, Fe при 912 ° C и 1394 ° C, Co при 422 ° C, Zr при 863 ° C, Sn при 13 ° C и U при 668 ° C и 776 ° C.

.

Элемент	Название (я) фазы	Пробел	символ Пирсона	Тип структуры	Описание
Литий		R3m	hR9	α-Самарий структура	Образуется ниже 70 К.
		Im3m	cI2	Объемно-центрированный кубический	Стабилен при комнатной температуре и давление.
			cF4	Гранецентрированный кубический	Образуется выше 7 ГПа
			hR1		Формируется промежуточная фаза ~ 40 ГПа.
			cI16		Формируется выше 40 ГПа.
Бериллий		P63/ mmc	hP2	Гексагональная плотная упаковка	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
		Im3m	cI2	Телоцентрированный кубический	Образуется при температуре выше 1255 ° C.
Натрий		R3m	hR9	α-Самарий структура	Образуется ниже 20 К.
		Im3m	cI2	Тело по центру кубический	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
		Fm3m	cF4	Гранецентрированный кубический	Образуется при комнатной температуре выше 65 ГПа.
		I43d	cI16		Образуется при комнатной температуре, 108 ГПа.
		Pnma	oP8		Образуется при комнатной температуре, 119 ГПа.
Магний		P63/ mmc	hP2	гексагональный плотноупакованный	Стабилен при комнатной температуре и давление.
		Im3m	cI2	Телоцентрированная кубическая	Образуется выше 50 ГПа.
Олово	α-олово, серое олово, оловянный вредитель	Fd3m	cF8	Алмазный кубик	Стабилен ниже 13,2 ° C.
	β-олово, белое олово	I41/ amd	tI4	Структура β-олова	Стабильно при комнатной температуре и давлении.
	γ-олово, ромбическое олово	I4 / ммм		Телоцентрированное тетрагональное
	σ-Sn			Телоцентрированное кубическое	Формируется при очень высоком давлении.
	Станен
Железо	α-Fe, феррит	Im3m	cI2	Объемно-центрированный кубический	Стабилен при комнатной температуре и давлении. Ферромагнетик при T <770 °C, парамагнитный от T = 770–912 ° C.
	γ-железо, аустенит	Fm3m	cF4	Гранецентрированный кубический	Стабильный при 912–1394 ° C.
	δ-железо	Im3m	cI2	Объемно-центрированный кубический	Стабилен при температуре 1394–1538 ° C, структура такая же, как у α-Fe.
	ε-железо, гексаферрум	P63/ mmc	hP2	гексагональный плотноупакованный	Стабилен при высоких давлениях.
Кобальт	α-Кобальт			простой кубический	Образуется при температуре выше 417 ° C.
	β-Кобальт			гексагональная плотная упаковка	Образуется при температуре ниже 417 ° C.
Полоний	α-Полоний			простой кубический
	β-Полоний			ромбоэдрический

Лантаноиды и актиниды

Фазовая диаграмма актинидных элементов.

• Церий, самарий, диспрозий и иттербий имеют три аллотропа:
• празеодим, неодим, гадолиний и тербий имеет два аллотропа.
• Плутоний имеет шесть различных твердых аллотропов при «нормальном» давлении. Их плотность варьируется в пределах примерно 4: 3, что значительно усложняет все виды работ с металлом (особенно литье, механическую обработку и хранение). Седьмой аллотроп плутония существует при очень высоких давлениях. Трансурановые металлы Np, Am и Cm также являются аллотропными.
• Прометий, америций, берклий и калифорний имеют по три аллотропа. 353>Наноаллотропы