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, lonsdaleiittina, 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 hiilen fulleriinin kaltaisen pallomaisen molekyylin.
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.