Алотропија

Алотропија (од  (алос) „друг“ и τρόπος (тропос) „начин, облик“) — својство на некои хемиски елементи да се јавуваат во повеќе облици на истата состојба. Тие се наречени алотропски модификации или алотропи каде атомите на елементот се врзани на различен начин. На пример, алотропски модификации на јаглеродот се дијамантот (каде јаглеродните атоми се врзани во тетраедарска решетка), графит (врзани во листови на шестаголна решетка), графенот (единечни графитни листови) и фулерени (врзани во топчести, цевчести или елипсоидни строеви).

Поимот алотропија се користи само за елементи, а не за соединенија. Поопштиот поим за секое соединение е полиморфизам, иако употребата е ограничена на цврсти материјали како кристали. Алотропијата се однесува само на различните облици на еден елемент во иста фаза (состојба на материјата — цврста, течна или гасовита). Самата разлика во состојбите на материите не сочинува алотропија. Алотропските модификации на хемиските елементи често се нарекуваат полиморфи или фази на елементот.

Кај некои елементи, алотропските модификации имаат различни молекулски формули или кристални структури, како и разлики во физичката фаза; на пример, алотропските модификации на кислородот (дикислород, O2 и озон, O3) можат да се јават во цврста, течна и гасовита состојба. Други елементи немаат одделни алотропски модификации во различни фази; на пример, фосфорот има бројни цврсти алотропски модификации, и сите тие се сведуваат на истиот облик P4 кога ќе сте стопат во течна состојба.

Историја
Концептот за алотропија прв го вовел шведскиот научник и барон Јакоб Берцелиус во 1840 г..  From p. 14:  "Om det ock passar väl för att uttrycka förhållandet emellan myrsyrad ethyloxid och ättiksyrad methyloxid, så är det icke passande för de olika tillstånd hos de enkla kropparne, hvari dessa blifva af skiljaktiga egenskaper, och torde för dem böra ersättas af en bättre vald benämning, t. ex. Allotropi (af αλλότροπος, som betyder:  af olika beskaffenhet) eller allotropiskt tillstånd."
  Republished in German:    From p. 13:  "Wenn es sich auch noch gut eignet, um das Verhältniss zwischen ameisensaurem Äthyloxyd und essigsaurem Methyloxyd auszudrücken, so ist es nicht passend für ungleiche Zustände bei Körpern, in welchen diese verschiedene Eigenschaften annehmen, und dürfte für diese durch eine besser gewählte Benennung zu ersetzen sein, z. B. durch Allotropie (von αλλότροπος, welches bedeutet:  von ungleicher Beschaffenheit), oder durch allotropischen Zustand."
  Merriam-Webster online dictionary:  Allotropy. Поимот е изведен од  што значи „променливост“.. По усвојувањето на Авогадровата хипотеза во 1860 г. станало јасно дека елементите можат да постојат како повеќеатомски молекули, и утврдени се две алотропски модификации на кислородот, имено O2 и O3. На почетокот на XX век увидено е дека во случај на јаглеродот, ова се должи на различната кристална структура.

Кон 1912 г. балтогерманскиот физичар Вилхелм Оствалд забелжал дека алотропијата на елементите едноставно претставува посебен случај на полиморфизмот забележан кај соединенијата, и ги поимите алотроп (т.е. алотропска модификација) и алотропија да се напуштат во полза на полиморф и полиморфизам. From p. 104: "Substances are known which exist not only in two, but even in three, four or five different solid forms; no limitation to the number is known to exist.  Such substances are called polymorphous.  The name allotropy is commonly employed in the same connexion, especially when the substance is an element. There is no real reason for making this distinction, and it is preferable to allow the second less common name to die out." Иако многу други хемичари се на истото мислење, Меѓународниот сојуз за чиста и применета хемија и најголемиот број учебници сè уште го претпочитаат поимот алотропска модификација и алотропија во случајот на елементи.Jensen 2006, citing Addison, W. E. The Allotropy of the Elements (Elsevier 1964) that many have repeated this advice.

Разлики во својствата на алотропските модификации
Алотропските модификации се различни структурни облици на еден ист елемент и можат да имаат прилично различни физички свосјтва и хемиски поведенија. Промената на алотропскиот облик е предизвикана од истите сили кои ги засегаат другите структури — притисок, светлина и температура. Оттука, стабилноста на дадените алотропски модификации зависи од дадените услови. За пример, железото се менува од телоцентрирана коцкеста структура (ферит) во страноцентрирана коцкеста структура (аустенит) над 906 °C, а калајот претрпува модификација наречена калајна чума од метален облик во полуспроводнички облик под 13,2 °C. Како пример за алотропски модификации со различни хемиски поведенија, озонот (O3) е многу посилен оксидатор отколку дикислородот (O2).

Список на алотропски модификации
Елементите кои можат да имаат координациски број и/или оксидациски состојби обично пројавуваат поголем број алотропни модификации. Друг чинител е способноста на елементот да прави верижни врски (катенација).

Еве примери за елементи со алотропски модификации:

Неметали
 Елемент Алотропски модификацииЈаглерод дијамант — извонредно тврд проѕирен кристал со јаглеродни атоми распоредени во тетраедарска решетка. Слаб спроводник на струја. Одличен топлински спроводник.
 лонсдејлит — наречен и шестаголен дијамант.
 графен — основниот структурен елемент  на другите алотропски модификации, наноцевките, дрвениот јаглер и фулерените.
 Q-јаглерод — феромагнетна, цврста и блескава кристална структура која е потврда и посјајна од дијамантот.
 графит — меко црно лушпесто тело, умерен електричен спроводник. Јаглеродните атоми се врзани во рамни шестаголни решетки (графен), наслоени во листови.
 карбин
 аморфен јаглерод
 фулерени, вклучувајќи бакминстерфулерен како C60.
 јаглеродни наноцевки — алотропски модификации на јаглеродот со цилиндрична наноструктура.
 шварцити
 циклојаглерод
 стаклест јаглеродФосфор бел фосфор — кристална цврста материја со тетрафосфорнни (P4) молекули
 црвен фосфор — аморфно полимерно тело
 алов фосфор
 виолетов фосфор со моноклинска кристална структура
 црн фосфор — полуспроводник, аналоген на графитот
 дифосфор — гасовит обли создаден од молекули P2, стабилни помеѓу 1.200 и 2.000 °C; создадени со одвојување на молекули P4 на бел фосфор при околу 827 °CКислород дикислород, O2 — безбоен (бледосин кога е течен или цврст)
 озон, O3 — син
 тетраводород, O4 — метастабилен
 октаводород, O8 — црвенСулфур цикло-пентасулфур, цикло-S5
 цикло-хексасулфур, цикло-S6
 цикло-хептасулфур, цикло-S7
 цикло-октасулфур, цикло-S8Селен „црвен селен“ цикло-Se8
 сив селен, полимерски Se
 црн селен, неправилни полимерски прстени со должина до 1000 атоми
 моноклински селен, темноцрвени проѕирни кристали

Металоиди
 Елемент Алотропски модификацииБор аморфен бор — кафеав прав — B12 правилни икосаедри
 α-ромбоедарски бор
 β-ромбоедарски бор
 γ-орторомпски бор
 α-четираголен бор
 β-триаголен бор
 висикопритисочна супреспроводлива фазаСилициум аморфен силициум
 кристален силициум, дијаматнска коцкеста структура
 силицен, свиен рамнински еднослоен силициум, сличен на графенотГерманиумα-германиум — полуметален, со иста структура како дијамантот
β-германиум — метален, со иста структура како бета-калајот
германен — свиен рамнински еднослоен силициум, сличен на графенотАрсен жолт арсен — молекулски неметален As4, со иста структура како белиот фосфор
 сив арсен, полимерски As (металоид)
 црн арсен — молекулски и неметален, со иста структура како црвениот фосфорАнтимон синобел антимон — стабилен облик (металоид), со иста структура како сивиот арсен
 жолт антимон (неметален)
 црн антимон (неметален)
 експлозивен антимонТелур аморфен телур — сиво-црн или кафеав прав
 кристален телур — шестаголна кристална структура (металоид)

Метали
Меѓу металните елементи кои природно се јавуваат во значителни количества (56 до U, без Tc и Pm), речиси половина (27) се алотропски при амбиентален притисок: 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. Некои фазни премини помеѓу алотропските облици на технолошки значајни метали се оние на Ti при 882 °C, Fe при 912 °C и 1.394 °C, Co при 422 °C, Zr при 863 °C, Sn при 13 °C и U при 668 °C и 776 °C.

 ЕлементФазни називиПросторна групаПирсонов симболСтруктурен видОписЛитиумRmhR9α-самариумскиСе образува под 70 K.ImmcI2телоцентриран коцкестСтабилен на собна температура и притисок.cF4страноцентриран коцкестСе образува над 7 GPahR1Преодната фаза се образува ~40 GPa.cI16Се образува над 40 GPa.БерилиумP63/mmchP2шестаголен збиено насложенСтабилен на собна температура и притисок.ImmcI2телоцентриран коцкестСе образува над 1.255 °C.НатриумRmhR9α-самариумскиСе образува под 20 K.ImmcI2телоцентриран коцкестСтабилен на собна температура и притисок.FmmcF4страноцентриран коцкестСе образува на собна температура над 65 GPa.I3dcI16Се образува на собна температура, 108 GPa.PnmaoP8Се образува на собна температура, 119 GPa.МагнезиумP63/mmchP2шестаголен збиено насложенСтабилен на собна температура и притисок.ImmcI2телоцентриран коцкестСе образува над 50 GPa.Калајα-калај, сив калај, калајна чумаFdmcF8дијамантска коцкестаСтабилен под 13,2 °C.β-калај, калајI41/amdtI4β-калајнаСтабилен на собна температура и притисок.γ-калај, ромпски калајI4/mmmтелоцентриран четириаголенσ-Snтелоцентриран коцкестСе образува на многу висок притисок.станенЖелезоα-Fe, феритImmcI2телоцентриран коцкестСтабилен на собна температура и притисок. Феромагнетен при T<770 °C, парамагнетен од T=770–912 °C.γ-железо, аустенитFmmcF4страноцентриран коцкестСтабилен од 912 до 1.394 °C. δ-железоImmcI2телоцентриран коцкестСтабилен од 1.394 до 1.538 °C, иста структура како α-Fe.ε-железо, хексаферумP63/mmchP2шестаголен збиено насложенСтабилен на висок притисок.Кобалтα-кобалтпрост коцкестСе образува над 417 °C.β-кобалтшестаголен збиено насложенСе образува под 417 °C.Полониумα-полониумпрост коцкестβ-полониумромбоедарски

Лантаноиди и актиноиди 

 Цериумот, самариумот, диспрозиумот и итербиумот ги имаат сите три алотропски модификации.
 Празеодиумот, неодиумот, гадолиниумот и тербиумот имаат по два алотропа.
 Плутониумот има шест различни цврсти алотропски модификации под нормален притисок. Нивните густини се движат во сооднос од 4:3, што во огромна мера ги усложнува најразличните работни зафати со металот (особено леење, машинообработка и складирање). Постои и седми алотроп при многу висок притисок. Поураниумските метали Np, Am и Cm исто така се алотропски.
 Прометиумот, америциум, берклиумот и калифорниумот имаат по три алотропски модификации.

 Поврзано 
 Изомер
 Полиморфизам (минералогија)

 Наводи 

 Надворешни врски 

 Научно катче: Алотропски модификации (алотропи) од Најџел Банс и Џим Хант 
 Алотропски модификации — Хемиска енциклопедија 


Категорија:Неорганска хемија
Категорија:Физичка хемија
Категорија:Зборови што ги нема во ТРМЈ
Категорија:Хемија