Allotropia

Allotropia on alkuaineiden kyky esiintyä samassa paineessa ja lämpötilassa erilaisissa kemiallisissa muodoissa. Allotropia on seurausta saman alkuaineen atomien erilaisesta sitoutumisesta ja niiden muodostamasta kiderakenteesta. Yhdisteillä ilmiöstä käytetään nimeä polymorfismi.
Tunnetuin esimerkki allotropiasta on kiinteän hiilen esiintyminen grafeenina, grafiittina, timanttina, fullereenina ja nanoputkena. Grafiitti on kerrosmaisen rakenteensa vuoksi pehmeää, tummaa, sähköä johtavaa, hiukan kiiltävää ja rasvamaista, kun taas timantti on erittäin kovaa, läpinäkyvää ja sähköä johtamatonta. Hiilen stabiilein muoto huoneenlämmössä on grafiitti, mutta timantti ei muutu täksi muodoksi itsekseen. Grafiitti voidaan muuttaa timantiksi erittäin suuren paineen avulla. Hiilen kolmas muoto on vuonna 1985 löydetty fullereeni C₆₀, joka on 60:stä hiiliatomista koostuva pallomainen molekyyli.
Allotropian hallitseminen on erittäin tärkeää valmistettaessa metalleja, kuten terästä.

Esimerkkejä allotroopeista

Hapella on neljä allotrooppista muotoa: yksiatominen happi O, jota ei esiinny vapaana luonnossa; kaksiatominen O₂ joka on eliöille välttämätön hapen muoto, kolmiatominen sinertävä otsoni O₃ ja väriltään syvänpunainen neliatominen happi O₄ joka syntyy faasimuutoksena paineistamalla kaksiatominen happi O₂ 20 GPa:n paineeseen (200 000 kertainen ilmakehän paine). Paineistettuna 96 GPa:n paineeseen neliatominen happi käy läpi toisen faasimuutoksen ja saa metallisen olomuodon.
Arseenia esiintyy kolmessa allotrooppisessa muodossa: keltainen neliatominen As₄ ja yksiatomiset musta ja metallisen harmaa. Uusimpien tutkimusten pohjalta on jo todisteita siitä että arseenista voisi myös koostaa pallomaisen molekyylin, fulleriinin.
Fosforia esiintyy viidessä allotrooppisessa muodossa: valkoinen neliatominen P₄; punainen fosfori jota syntyy lämmittämällä valkoista fosforia 250 °C:n lämpötilaan tai altistamalla sitä auringonvalolle, jolloin valkoisen fosforin neliatominen rakenne hajoaa ja kiteytyy. Musta fosfori on allotroopeista vähiten reaktiivinen, kiteinen muoto joka esiintyy kuusiatomisina renkaina. Kaksiatomista fosforia P₂ ei esiinny luonnossa, mutta sitä voidaan valmistaa esimerkiksi lämmittämällä neliatomista fosforia P₄ 1 100 Kelvinin lämpötilaan. Mustan fosforin monet ominaisuudet muistuttavat grafeenia, ja siitä voidaan valmistaa nanokalvoja ja elektroniikan komponentteja kuten (kokeiluasteella olevia) kanavatransistoreita.
Rikillä taas on useita erilaisia allotrooppeja, esimerkiksi yksiatominen amorfinen rikki joka ei ole kiteisessä muodossa; suuria kiteitä muodostava kahdeksanatominen S₈, ja seitsemän- tai kaksitoista-atomiset S₇ ja S₁₂ jotka muodostavat rengasrakenteen.
Kullan on myös viimeisimpien tutkimusten mukaan laskettu voivan muodostaa pallomaisia allotrooppeja, fulleriineja, vaikka aiemmin onkin luultu etteivät metallit voisi muodostaa niin järjestäytyneitä rakenteita kuin palloja. Metalliatomien luultiin järjestäytyvän vain hiloiksi. Allotrooppien Au₁₃, Au₂₀ ja Au₃₂ on laskettu teoriassa olevan mahdollisia, ja joitakin näistä on jo laboratorio-olosuhteissa pystytty valmistamaan.
Seleenillä on kolme allotrooppista muotoa: punainen rengasrakenteinen kahdeksanatominen Se₈, ja yksiatomiset ketjurakenteiset metallinen ja harmaa Se.
Plutoniumilla on seitsemän allotrooppista muotoa. Myös muilla transuraanisilla metalleilla kuten neptuniumilla, curiumilla ja amerikiumilla esiintyy allotropiaa.