Алотропија

Алотропија (од |''ἄλλος'' (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, O<sub>2</sub> и озон, O<sub>3</sub>) 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 P<sub>4</sub> кога ќе сте стопат во течна состојба.
1 Историја
Концептот за алотропија прв го вовел шведскиот научник и барон Јакоб Берцелиус во 1840 г.. Поимот е изведен од |άλλοτροπἱα 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 O<sub>2</sub> и O<sub>3</sub>. 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. 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.
2 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 (O<sub>3</sub>) е многу посилен оксидатор отколку дикислородот (O<sub>2</sub>).
3 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:
3.1 Неметали
Елемент, Алотропски модификации
Јаглерод
Фосфор
Кислород
Сулфур
Селен
3.2 Металоиди
Елемент, Алотропски модификации
Бор
Силициум
Германиум
Арсен
Антимон
Телур
3.3 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.
Елемент, Фазни називи, Просторна група, Пирсонов симбол, Структурен вид, Опис
Литиум, Rm, hR9, α-самариумски, Се образува под 70 K.
Imm, cI2, телоцентриран коцкест, Стабилен на собна температура и притисок.
cF4, страноцентриран коцкест, Се образува над 7 GPa
hR1, Преодната фаза се образува ~40 GPa.
cI16, Се образува над 40 GPa.
Берилиум, P6<sub>3</sub>/mmc, hP2, шестаголен збиено насложен, Стабилен на собна температура и притисок.
Imm, cI2, телоцентриран коцкест, Се образува над 1.255 °C.
Натриум, Rm, hR9, α-самариумски, Се образува под 20 K.
Imm, cI2, телоцентриран коцкест, Стабилен на собна температура и притисок.
Fmm, cF4, страноцентриран коцкест, Се образува на собна температура над 65 GPa.
I3d, cI16, Се образува на собна температура, 108 GPa.
Pnma, oP8, Се образува на собна температура, 119 GPa.
Магнезиум, P6<sub>3</sub>/mmc, hP2, шестаголен збиено насложен, Стабилен на собна температура и притисок.
Imm, cI2, телоцентриран коцкест, Се образува над 50 GPa.
Калај, α-калај, сив калај, калајна чума, Fdm, cF8, дијамантска коцкеста, Стабилен под 13,2 °C.
β-калај, калај, I4<sub>1</sub>/amd, tI4, β-калајна, Стабилен на собна температура и притисок.
γ-калај, ромпски калај, I4/mmm, телоцентриран четириаголен
σ-Sn, телоцентриран коцкест, Се образува на многу висок притисок.
станен
Железо, α-Fe, ферит, Imm, cI2, телоцентриран коцкест, Стабилен на собна температура и притисок. Феромагнетен при T<770 °C, парамагнетен од °C.
γ-железо, аустенит, Fmm, cF4, страноцентриран коцкест, Стабилен од 912 до 1.394 °C.
δ-железо, Imm, cI2, телоцентриран коцкест, Стабилен од 1.394 до 1.538 °C, иста структура како α-Fe.
ε-железо, хексаферум, P6<sub>3</sub>/mmc, hP2, шестаголен збиено насложен, Стабилен на висок притисок.
Кобалт, α-кобалт, прост коцкест, Се образува над 417 °C.
β-кобалт, шестаголен збиено насложен, Се образува под 417 °C.
Полониум, α-полониум, прост коцкест
β-полониум, ромбоедарски
3.3.1 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.
4 Поврзано
* Изомер
* Полиморфизам (минералогија)