Аллотропия простых веществ и химия аллотропных модификаций
В природе встречаются такие химические элементы, которые могут существовать в форме различных простых веществ, свойства которых, как химические, так и физические различны, а также кардинально различны строения их кристаллических решеток. В химии это называется «Аллотропия».
Аллотропия, это
Термин вошел в обиход с 1841 благодаря шведскому ученому, И. Я. Берцелиусу, в целях обозначения различных форм проявления одного и того же химического элемента.
Аллотропия химических элементов может проявляться в виде:
В современной химии термин «Аллотропия» используется для простых веществ, вне зависимости от их агрегатного состояния.
Аллотропные преобразования
Химические элементы, образующие различные простые вещества и встречающиеся в природе, называются аллотропными формами химического элемента.
Химические элементы, образующие различные простые вещества под воздействием изменения окружающих условий, например, температура и давление, называются аллотропными модификациями химического элемента.
Не все химические элементы обладают свойством аллотропии.
Установлено, что аллотропией обладают химические элементы с высокой степенью окисления и способностью атомов к образованию гомоцепных структур.
Поэтому аллотропные преобразования в основном наблюдаются у неметаллов (за исключением галогенов и инертных газов), а также у полуметаллов.
Аллотропные преобразования металлов в природе встречаются намного реже. Только 28 металлов при атмосферном давлении имеют аллотропные формы и 6 образуют аллотропные модификации при их технологической обработке.
Химия аллотропных переходов
Преобразования химического элемента происходят при химическом переходе его атомного или молекулярного состояния из одной формы в другую. Эти переходы могут происходить при изменении окружающих условий, например:
Эти преобразования могут носить обратимый (энантиотропный) характер или необратимый (монотропный).
Примеры преобразований:
У некоторых химических элементов аллотропные переходы могут чередоваться.
Примером является олово.
Белое олово (β-Sn) в обычных условиях пластичное, имеет тетрагональную кристаллическую решетку и устойчиво.
Белое олово при повышении температуры выше 173 °C, превращается в хрупкую форму (γ-Sn). Превращение происходит энантиотропно.
Белое олово при понижении температуры ниже 13.2 °C, превращается в серое олово (α-Sn) порошкообразное с кубической алмазоподобной решёткой. Превращение происходит монотропно.
Аллотро́пия (от др.-греч. αλλος — «другой», τροπος — «поворот, свойство») — существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам — так называемых аллотропических (аллотропных) модификаций или форм.
Явление аллотропии обусловлено либо различным составом молекул простого вещества (аллотропия состава), либо способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке (аллотропия формы).
Содержание
История
Понятие аллотропии введено в науку Й. Берцелиусом в 1841 году для обозначения разных форм существования элементов; одновременно он предполагал, по-видимому, применить его и к изомерии соединений. После принятия гипотезы А. Авогадро в 1860 году стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, например, О2 — кислород и О3 — озон.
Примеры аллотропии
В настоящее время известно более 400 разновидностей простых веществ. Способность элемента к образованию аллотропных форм обусловлена строением атома, которое определяет тип химической связи, строение молекул и кристаллов.
Как правило, большее число аллотропных форм образуют элементы, имеющие переменные значения координационного числа или степени окисления (олово, фосфор). Другим важным фактором является катенация — способность атомов элемента образовывать гомоцепные структуры (например, сера). Склонность к аллотропии более выражена у неметаллов, за исключением галогенов и благородных газов, и полуметаллов.
Принято обозначать различные аллотропические формы одного и того же элемента строчными буквами греческого алфавита; причём форму, существующую при самых низких температурах, обозначают буквой α, следующую — β и т. д.
Неметаллы
Водород может существовать в виде орто- и пара-водорода. В молекуле орто-водорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины параллельны, а у пара-водорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — антипараллельны.
Множество модификаций: алмаз, графит, фуллерен, карбин, графен, углеродные нанотрубки, лонсдейлит и др. Точное число модификаций указать затруднительно вследствие разнообразия форм связывания атомов углерода между собой. Наиболее многочисленны молекулярные структуры фуллеренов и нанотрубок.
Известно 11 аллотропных модификаций фосфора. Основные модификации: белый, красный и чёрный фосфор. Белый фосфор ядовит, светится в темноте, способен самовоспламеняться, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте, сам по себе не воспламеняется.
Две аллотропные модификации: О2 — кислород и О3 — озон. Кислород бесцветен, не имеет запаха; озон имеет выраженный запах, имеет бледно-фиолетовый цвет, он более бактерициден.
Большое число аллотропных модификаций, второе место после углерода. Основные модификации: ромбическая, моноклинная и пластическая сера.
Красный цикло-Se8, серый полимер Se и чёрный селен.
Полуметаллы
Бор существует в аморфном и кристаллическом видах. Аморфный бор – порошок бурого цвета. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический бор. Кристаллический бор – вещество черного цвета. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, которые кристаллизуются в ромбической и тетрагональной сингониях. Наиболее устойчивая модификация – β-ромбический бор – состоит из икосаэдров B12, которые образуют слои, объединенные в бесконечную структуру.
Известны четыре металлических аллотропных модификаций сурьмы, существующих при различных давлениях, и три аморфные модификации (взрывчатая, чёрная и жёлтая сурьма), из которых наиболее устойчива металлическая форма серебристо-белого цвета с синеватым оттенком
Полоний существует в двух аллотропных металлических модификациях. Кристаллы одной из них – низкотемпературной – имеют кубическую решетку (α-Po), а другой – высокотемпературной – ромбическую (β-Po). Фазовый переход из одной формы в другую происходит при 36 °C, однако при обычных условиях полоний находится в высокотемпературной форме вследствие разогрева собственным радиоактивным излучением.
Металлы
Среди металлов, которые встречаются в природе в больших количествах (до U, без Tc и Pm), 28 имеют аллотропные формы при атмосферном давлении: 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. Также важны аллотропные формы ряда металлов, образующиеся при их технологической обработке: Ti при 882˚C, Fe при 912˚C и 1394˚C, Co при 422˚C, Zr при 863˚C, Sn при 13˚C и U при 668˚C и 776˚C.
Элемент
Аллотропные модификации
Олово:
Энантиотропные и монотропные переходы
Переход одной аллотропной модификации в другую происходит при изменении температуры или давления (или одновременном воздействии обоих факторов) и связан со скачкообразным изменением свойств вещества. Этот процесс бывает обратимым (энантиотропным) и необратимым (монотропным).
Примером энантиотропного перехода может служить превращение ромбической серы в моноклинную α-S (ромб.) ↔ β-S (монокл.) при 95,6 °C. При обычной температуре стабильной является ромбическая модификация серы, которая при нагревании до 95,6 °С при нормальной давлении переходит в моноклинную форму. Последняя при охлаждении ниже 95,6 °С вновь переходит в ромбическую форму.
К монотропному переходу относится превращение белого фосфора P4 под давление 1,25 ГПа и температуре 200 °C в более стабильную модификацию — чёрный фосфор. При возвращении к обычным условиям обратный переход не происходит. Переход из нестабильной формы в стабильную в принципе возможен при любой температуре, а обратный — нет, то есть определенная точка перехода отсутствует. Еще один пример — превращение графита в алмаз при давлении 6 ГПа и температуре 1500 °C в присутствии катализатора (никель, хром, железо и другие металлы). В обоих случаях давление способствует превращению, поскольку образуется вещества с более высокой плотностью, чем исходные.
Явление аллотропии подразумевает возможность создания из одного и того же элемента определенного количества различных веществ. Например, кислород и озон в своем составе содержат только лишь оксиген. Вопрос о том, как это вообще возможно, на протяжении длительного периода времени интересовал многих людей. На сегодняшний момент ученые легко могут объяснить все особенности этого процесса.
Определение понятия
Под аллотропией подразумевается существование нескольких простых веществ, в основе которых присутствует один и тот же единственный химический элемент. Впервые такое явление описал известный шведский химик и минеролог Йенс Берцелиус.
Аллотропия по своей сути имеет довольно много общего с кристаллическим полиморфизмом. В связи с этим у ученых на протяжении длительного периода времена существовали достаточно серьезные споры. Это связанно с тем, что часть специалистов считали, что аллотропия и кристаллический полиморфизм – это одно и то же явление.
В настоящее же время от этой теории большинство ученых отошло. Мировое научное сообщество пришло к выводу о том, что кристаллический полиморфизм может касаться только лишь твердых тел, тогда как аллотропия – газов и жидкостей.
Причины возникновения аллотропии
Далеко не все элементы способны образовывать несколько разных простых веществ. Такая способность напрямую зависит от структуры молекул. Чаще всего подобное явление наблюдается у элементов, которые имеют переменные окислительные степени. Это касается таких групп, как:
Причины аллотропии могут быть нескольких типов. К наиболее вероятным из них ученые относят такие факторы, как:
Для того чтобы наглядно понять, каким образом может существовать явление аллотропии, необходимо рассмотреть несколько наиболее примечательных примеров, широко встречающихся в природе.
Кислород и озон
Аллотропия кислорода и озона – это вариант того, как различное количество атомов может существенно влиять не только на физические, но и на химические свойства простых веществ. Для того чтобы понять это, необходимо разобраться в особенностях каждого из этих газов:
Аллотропия оксигена была исследована из-за своего распространения одной из первых.
Алмаз и графит
Молекула углерода отличается тем, что она имеет постоянное количество атомов. При этом из последних могут образовываться самые разнообразные простые вещества. Это касается, к примеру, алмаза и графита. Их отличия заключаются в следующем:
Аллотропия алмаза и графита – один из примеров того, как из одного и того же химического элемента из-за разной кристаллической решетки образуются существенно отличающиеся друг от друга простые вещества.
Внутренняя структура молекул серы может быть различной. Вследствие этого происходит образование различных простых веществ, среди которых стоит выделить такие:
Аллотропия серы – еще один пример влияния внутренней структуры молекул на создание разных по своим свойствам простых веществ.
Фосфор
На сегодняшний момент известно около 11 видов фосфора. Это обусловлено аллотропией, причина которой связана с кристаллической решеткой молекул этого химического элемента. Для того чтобы изменить внутреннее строение, необходимо создать определенные условия.
К примеру, белый фосфор может быть выделен посредством испарения мочи. Такое вещество будет очень активным, вследствие чего при повышении температурных показателей окружающей среды до 40 градусов по Цельсию оно воспламенится из-за реакции с кислородом.
Для получения красного фосфора достаточно всего лишь увеличить давление и температуру в атмосфере двуокиси углерода. Это вещество отличается средней активностью. Вследствие этого оно не светится в темноте. При нагревании красный фосфор преобразовывается в пар. Это можно наблюдать при зажигании спичек.
Аллотропия – это образование нескольких отличающихся друг от друга веществ из одного и того же химического элемента. Наблюдать такое явление можно преимущественно у неметаллов. Его основные причины заключаются, как в разном количестве атомов, что образовывают молекулу, так и в изменениях кристаллической решетки.
Каждый химический элемент в таблице Менделеева — это определенный вид атомов со своими уникальными свойствами. Однако в природе существует не так много веществ, которые состоят из скоплений атомов. Кислород, углекислый газ, вода и множество другие соединений представляют собой молекулы.
Атом кислорода и молекула кислорода сильно отличаются друг от друга по своим свойствам. Так или иначе, в природе атомы кислорода склонны объединяться и образовывать молекулы, потому что это энергетически более выгодно. Но один химический элемент может образовывать сразу несколько видов молекул. Например, если соединить два атома кислорода, можно получить молекулу O2, а если соединить три атома, то получится уже озон O3.
Явление образования множества химических веществ из одного химического элемента называется аллотропией, а эти вещества — аллотропными модификациями. Самый известный пример, иллюстрирующий это явление — углерод. Этот элемент может принимать форму не только «беспорядочного» угля и уложенного в слои графита, но и графена, нанотрубок и фуллеренов, похожих на футбольные мячи.
Аллотропия позволяет сильно увеличить количество доступных человеку соединений. Многие модификации углерода сегодня используются в исследованиях для создания сенсоров, средств адресной доставки лекарств, а также упрочнения существующих конструкционных материалов.
АЛЛОТРОПИЯ — (от греч. allos иной, и trepein обращать). Свойство некоторых химических веществ принимать различные формы, вместе с различными свойствами; напр., углерод, являющийся в виде алмаза, графита, угля. Словарь иностранных слов, вошедших в состав… … Словарь иностранных слов русского языка
АЛЛОТРОПИЯ — (от алло. и греч. tropos поворот свойство), существование химических элементов в виде двух или более простых веществ. Может быть обусловлена образованием молекул с различным числом атомов (напр., кислород O2 и озон O3) либо кристаллов различных … Большой Энциклопедический словарь
АЛЛОТРОПИЯ — АЛЛОТРОПИЯ, свойство некоторых химических элементов, позволяющее им существовать в двух или более различных физических формах. Каждая форма (называемая аллотропом) может иметь различные химические свойства, но способна превратиться и в другой… … Научно-технический энциклопедический словарь
АЛЛОТРОПИЯ — полиморфизм элементов (углерод, сера и др.). Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия
АЛЛОТРОПИЯ — (от греч. allos иной и tropos образ), свойство некоторых хим. элементов существовать в нескольких видоизменениях, различных по физ. и хим. свойствам. Причины А.: полимерия (см.) различное число атомов в молекуле (напр., у О, S, Р), различное… … Большая медицинская энциклопедия
аллотропия — Существование одного и того же химич. элемента в виде двух или нескольких простых вещ в, разных по строению и свойствам, т.н. аллотропич. модификаций. А. м. б. результатом образования разных кристаллич. форм (напр., фа фит и алмаз, a Fe и y Fe)… … Справочник технического переводчика
АЛЛОТРОПИЯ — свойство некоторых хим. элементов в свободном виде существовать в нескольких видоизменениях (модификациях), различных по строению кристаллической решетки, физ. и хим. свойствам, напр. углерод существует в виде угля, графита и алмаза … Большая политехническая энциклопедия
Аллотропия — Алмаз и графит аллотропические формы углерода, отличающиеся строением кристаллической решётки Аллотропия (от др. греч … Википедия
АЛЛОТРОПИЯ — существование химических элементов в двух или более молекулярных либо кристаллических формах. Например, аллотропами являются обычный кислород O2 и озон O3; в этом случае аллотропия обусловлена образованием молекул с разным числом атомов. Чаще… … Энциклопедия Кольера
