Az allotrópia ( más görög ἄλλος „egyéb” + τρόπος „fordulat, tulajdonság”) két vagy több egyszerű anyag létezése ugyanabban a kémiai elemben .
Az allotrópia jelensége vagy egy egyszerű anyag molekuláinak eltérő állapotából adódik ( összetétel allotrópia ), vagy abból, ahogyan az atomok vagy molekulák a kristályrácsban helyezkednek el ( forma allotrópia ).
Az allotrópia fogalmát J. Berzelius 1841-ben vezette be a tudományba, hogy az elemek létezésének különböző formáit jelölje; ugyanakkor nyilvánvalóan a vegyületek izomériájára kívánta alkalmazni . Miután 1860-ban elfogadták A. Avogadro hipotézisét , világossá vált, hogy az elemek többatomos molekulák formájában is létezhetnek, például O 2 - oxigén és O 3 - ózon .
A 20. század elején felismerték, hogy az egyszerű anyagok (például szén vagy foszfor ) kristályszerkezetének különbségei is az allotrópiát okozzák. 1912-ben
W. Ostwald megjegyezte, hogy az elemek allotrópiája a kristálypolimorfizmus egy speciális esete , és javasolta ennek a kifejezésnek a elhagyását. A mai napig azonban ezeket a kifejezéseket párhuzamosan használják. Az allotrópia csak egyszerű anyagokra vonatkozik , függetlenül azok aggregációs állapotától ; polimorfizmus - csak szilárd halmazállapotig , függetlenül attól, hogy ez az anyag egyszerű vagy összetett . Így ezek a kifejezések egybeesnek az egyszerű szilárd anyagokra (kristályos kén, foszfor, vas stb.) [1] .
Jelenleg több mint 400 fajta egyszerű anyag ismert . Egy elem azon képessége, hogy allotróp formákat hozzon létre, az atom szerkezetének köszönhető, amely meghatározza a kémiai kötés típusát , a molekulák és kristályok szerkezetét .
Általában a változó koordinációs számmal vagy oxidációs állapotú elemek ( ón , foszfor ) nagyobb számú allotróp formát alkotnak . Egy másik fontos tényező a katenáció - az elem atomjainak azon képessége, hogy homoláncú struktúrákat (például kén ) képezzenek. Az allotrópiára való hajlam kifejezettebb a nemfémeknél , kivéve a halogéneket , a nemesgázokat és a félfémeket .
Ugyanazon elem különböző allotróp alakjait szokás a görög ábécé kisbetűivel jelölni; sőt, a legalacsonyabb hőmérsékleten létező formát α betűvel jelöljük, a következőt - β stb.
| Elem | Allotróp módosítások |
|---|---|
| Hidrogén : |
A molekuláris hidrogén orto- és parahidrogénként létezhet . Az o -H 2 ortohidrogénmolekulában (olvadáspont: -259,10 °C, forráspont -252,56 °C) a mag spinek párhuzamosak, a parahidrogénben pedig p -H 2 (olvadáspont: -259,32 °C) , fp -252,89 °C) ellenpárhuzamosak. |
| Szén : |
Sok módosítás : gyémánt , grafit , fullerén , karabin , grafén , szén nanocsövek , lonsdaleit stb. A módosítások pontos számát nehéz megjelölni a szénatomok egymáshoz kötésének változatos formái miatt. A legtöbb molekulaszerkezet a fullerének és a nanocsövek . |
| Foszfor : |
A foszfornak 11 allotróp módosulata ismert. Főbb módosítások: fehér , vörös és fekete foszfor . A fehér foszfor mérgező, sötétben világít, öngyulladó, dielektromos, a vörös foszfor nem mérgező, nem világít a sötétben, nem gyullad meg magától, a fekete foszfor kémiailag inert, jól vezeti az elektromos áramot. |
| Oxigén : |
Két allotróp módosulat: O 2 - oxigén és O 3 - ózon . Az oxigén színtelen, szagtalan; Az ózonnak kifejezett szaga van, halványlila színű, baktériumölőbb. |
| Kén : |
Számos allotróp módosulás, a szén után a második helyen áll. Főbb módosítások: rombuszos, monoklin és képlékeny kén. |
| Szelén : |
Piros ciklo-Se 8 , szürke Se polimer és fekete szelén. |
| Elem | Allotróp módosítások |
|---|---|
| Bor : |
A bór amorf és kristályos formában létezik. Az amorf bór barna por. Reaktívabb, mint a kristályos bór. A kristályos bór fekete anyag. A bórnak több mint 10 allotróp módosulata ismert, amelyek rombos és tetragonális rendszerekben kristályosodnak ki. A legstabilabb módosulat, a β-rombos bór, B 12 ikozaéderekből áll , amelyek végtelen szerkezetté egyesítve alkotnak rétegeket. |
| Szilícium : |
A szilíciumnak két fő allotróp módosulata van: amorf és kristályos. A szilícium kristályos módosulatának rácsa atomi, gyémántszerű. Polikristályos és monokristályos szilíciumot is izolálnak. |
| Arzén : |
Három fő allotróp módosítás: sárga arzén (nem fém, As 4 molekulából áll - a fehér foszforhoz hasonló szerkezet), szürke arzén (félfémes polimer), fekete arzén (a vörös foszforhoz hasonló nem fémes molekulaszerkezet). |
| Germánium : |
Két allotróp módosulat: α-Ge - egy gyémántszerű kristályrácsos félfém és β-Ge - a β-Sn-hez hasonló fémes szerkezettel. |
| Antimon : |
Az antimonnak négy fémes allotróp módosulata létezik, amelyek különböző nyomáson léteznek, és három amorf módosulat (robbanékony, fekete és sárga antimon), amelyek közül a legstabilabb fémforma az ezüstfehér, kékes árnyalattal. |
| Polónium : |
A polónium két allotróp fémmódosításban létezik. Az egyik - alacsony hőmérsékletű - kristálya köbös rácsos (α-Po), a másik - magas hőmérsékletű - rombuszos (β-Po). A fázisátalakulás egyik formából a másikba 36 °C-on megy végbe, azonban normál körülmények között a polónium a saját radioaktív sugárzása általi melegítés következtében magas hőmérsékletű formában van. |
A természetben nagy mennyiségben előforduló fémek közül (U-ig, Tc és Pm nélkül) 28-nak van allotróp formája légköri nyomáson : 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. Számos fémnek technológiai feldolgozásuk során keletkező allotróp formái is fontosak: Ti: Ti 882 °C-on, Fe 912 °C-on és 1394 °C-on, Co 422 °C-on, Zr 863 °C-on, Sn 13 °C-on és U 668 °C-on és 776 °C-on.
| Elem | Allotróp módosítások |
|---|---|
| Ón : |
Az ón három allotróp változatban létezik. Az ónszürke (α-Sn) finom kristályos por, gyémántszerű kristályrácsos félvezető, amely 13,2 °C alatti hőmérsékleten létezik. A fehér ón (β-Sn) képlékeny, ezüstös fém, 13,2-161 °C hőmérséklet-tartományban stabil. A rombuszos szerkezetű, magas hőmérsékletű gamma-ónt (γ-Sn) nagy sűrűség és törékenység jellemzi, 161 és 232 °C között stabil (a tiszta ón olvadáspontja). |
| vas : |
A vas esetében négy kristálymódosulás ismert: 769 °C-ig ( Curie-pont ) létezik α-Fe (ferrit), testközpontú köbös ráccsal és ferromágneses tulajdonságokkal ; a 769-917 °C hőmérséklet-tartományban β-Fe található, amely csak a testközpontú köbös rács paramétereiben és a paramágnes mágneses tulajdonságaiban tér el az α-Fe-től ; a 917–1394 °C hőmérséklet-tartományban γ-Fe ( ausztenit ) van, amelynek felülete középpontos köbös ráccsal rendelkezik; 1394 °C felett stabil δ-Fe testközpontú köbös ráccsal |
| Lantanidák : |
A cériumnak, szamáriumnak, diszpróziumnak és itterbiumnak három allotróp módosulata van; prazeodímium, neodímium, gadolínium és terbium - kettő-két. |
| aktinidák : |
Az aktinid kivételével minden aktinidára jellemző a polimorfizmus. A protaktinium, az urán, a neptunium és a plutónium kristályszerkezetének összetettségükben nincs analógja a lantanidok között, és jobban hasonlítanak a 3d átmeneti fémek szerkezetére. A plutóniumnak hét polimorf módosulata van (ebből 6 normál nyomáson), az uránnak, a prométiumnak, a neptuniumnak, az americiumnak, a berkeliumnak és a kaliforniumnak pedig három. A könnyű aktinidák az olvadásponton testközpontú rácsot tartalmaznak, a plutóniumtól kezdve pedig arcközpontúak. |
Az egyik allotróp módosulás átmenete a másikba a hőmérséklet vagy a nyomás változásával (vagy mindkét tényező egyidejű hatására) következik be, és az anyag tulajdonságainak hirtelen megváltozásával jár. Ez a folyamat reverzibilis ( enantiotróp ) és irreverzibilis ( monotróp ).
Az enantiotróp átmenetre példa a rombos kén átalakulása monoklin α-S (rombusz) ↔ β-S (monokl.) 95,6 °C-on. Normál hőmérsékleten a kén ortorombikus módosulása stabil, amely normál nyomáson 95,6 ° C-ra melegítve monoklin formává alakul. Ez utóbbi 95,6 ° C alá hűtve ismét rombusz alakúvá válik. Így a kén egyik formájának átmenete a másikba ugyanazon a hőmérsékleten megy végbe, és magukat a formákat enantiotrópnak nevezik.
A monotróp átmenet magában foglalja a fehér foszfor P 4 átalakulását 1,25 GPa nyomáson és 200 ° C hőmérsékleten egy stabilabb módosulattá - fekete foszforrá. A normál állapotokhoz való visszatéréskor a fordított átmenet nem következik be. Az instabil formából a stabilba való átmenet elvileg bármilyen hőmérsékleten lehetséges, de fordítva nem, vagyis nincs határozott átmeneti pont. Egy másik példa a grafit átalakítása gyémánttá 6 GPa nyomáson és 1500 °C hőmérsékleten katalizátor (nikkel, króm, vas és más fémek) jelenlétében, vagyis a gyémánt termodinamikai stabilitásának körülményei között. Míg a gyémánt könnyen és gyorsan grafittá alakul 1000 °C feletti hőmérsékleten. Mindkét esetben a nyomás elősegíti az átalakulást, mivel az eredetinél nagyobb sűrűségű anyagok keletkeznek.
Az ón három ismert változata különböző módon változik egymásba. Normál körülmények között stabil β-Sn (műanyag fehér ón ) tetragonális kristályrácstal [2] . 173°C felett a β-Sn enantiotróp módon átalakul a rideg γ-Sn módosulattá, 13,2°C alatt pedig a β-Sn monotróp módon átalakul porított α-Sn-vé ( szürke ón ), gyémántszerű köbös ráccsal . Ez a polimorf átmenet kis sebességgel megy végbe, de a szürke ónnal érintkezve élesen felgyorsul – a fehér ón sűrű darabjai porrá morzsolódnak („ ónpestis ”). A fordított folyamat csak újraolvasztással lehetséges.