Алотропија

Алотропија (од старогрчки: 'ἄλλος' (алос) „друг“ и τρόπος (тропос) „начин, облик“) — својство на некои хемиски елементи да се јавуваат во повеќе облици на истата состојба^[1]. Тие се наречени алотропски модификации или алотропи^[2] 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).

Дијамантот и графитот се алотропски модификации на јаглеродот: чисти облици на истиот елемент кои се разликуваат по кристална структура.

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..^[3][4] Поимот е изведен од старогрчки: άλλοτροπἱα што значи „променливост“.^[5] 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.^[4] 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.^[4][6] 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.^[7]

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 модификации
Јаглерод	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 јаглерод
Фосфор	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 °C
Кислород	дикислород, O2 — безбоен (бледосин кога е течен или цврст) озон, O3 — син тетраводород, O4 — метастабилен октаводород, O8 — црвен
Сулфур	цикло-пентасулфур, цикло-S5 цикло-хексасулфур, цикло-S6 цикло-хептасулфур, цикло-S7 цикло-октасулфур, цикло-S8
Селен	„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 модификации
Бор	аморфен бор — кафеав прав — B12 правилни икосаедри α-ромбоедарски бор β-ромбоедарски бор γ-орторомпски бор α-четираголен бор β-триаголен бор висикопритисочна супреспроводлива фаза
Силициум	аморфен силициум кристален силициум, дијаматнска коцкеста структура силицен, свиен рамнински еднослоен силициум, сличен на графенот
Германиум	α-германиум — полуметален, со иста структура како дијамантот β-германиум — метален, со иста структура како бета-калајот германен — свиен рамнински еднослоен силициум, сличен на графенот
Арсен	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 фосфор
Антимон	синобел антимон — стабилен облик (металоид), со иста структура како сивиот арсен жолт антимон (неметален) црн антимон (неметален) експлозивен антимон
Телур	аморфен телур — сиво-црн или кафеав прав[8] 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.

Елемент	Фазни називи	Просторна група	Пирсонов симбол	Структурен вид	Опис
Литиум		R3m	hR9	α-самариумски	Се образува под 70 K.[9]
		Im3m	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		P63/mmc	hP2	шестаголен збиено насложен	Стабилен на собна температура и притисок.
		Im3m	cI2	телоцентриран коцкест	Се образува над 1.255 °C.
Натриум		R3m	hR9	α-самариумски	Се образува под 20 K.
		Im3m	cI2	телоцентриран коцкест	Стабилен на собна температура и притисок.
		Fm3m	cF4	страноцентриран коцкест	Се образува на собна температура над 65 GPa.[10]
		I43d	cI16		Се образува на собна температура, 108 GPa.[11]
		Pnma	oP8		Се образува на собна температура, 119 GPa.[12]
Магнезиум		P63/mmc	hP2	шестаголен збиено насложен	Стабилен на собна температура и притисок.
		Im3m	cI2	телоцентриран коцкест	Се образува над 50 GPa.[13]
Калај	α-калај, сив калај, калајна чума	Fd3m	cF8	дијамантска коцкеста	Стабилен под 13,2 °C.
	β-калај, калај	I41/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.[14]
	станен
Железо	α-Fe, ферит	Im3m	cI2	телоцентриран коцкест	Стабилен на собна температура и притисок. Феромагнетен при T<770 °C, парамагнетен од T=770–912 °C.
	γ-железо, аустенит	Fm3m	cF4	страноцентриран коцкест	Стабилен од 912 до 1.394 °C.
	δ-железо	Im3m	cI2	телоцентриран коцкест	Стабилен од 1.394 до 1.538 °C, иста структура како α-Fe.
	ε-железо, хексаферум	P63/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

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.^[15]

Поврзано

• Изомер
• Полиморфизам (минералогија)

Наводи

1. „алотропија“ — Лексикон на македонскиот јазик
2. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2. изд. (the "Gold Book") (1997). Семрежна поправена верзија: (2006–) "Алотроп". doi:10.1351/goldbook.A00243
3. Berzelius, Jac. (1841). Årsberättelse om Framstegen i Fysik och Kemi afgifven den 31 Mars 1840. Första delen [Annual Report on Progress in Physics and Chemistry submitted March 31, 1840. First part.]. Stockholm, Sweden: P.A. Norstedt & Söner. стр. 14. 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: Berzelius, Jacob; Wöhler, F., trans. (1841). Jahres-Bericht über die Fortschritte der physischen Wissenschaften [Annual Report on Progress of the Physical Sciences]. vol. 20. Tübingen, (Germany): Laupp'schen Buchhandlung. стр. 13. 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
4. Jensen, W. B. (2006), „The Origin of the Term Allotrope“, J. Chem. Educ., 83 (6): 838–39, Bibcode:2006JChEd..83..838J, doi:10.1021/ed083p838.
5. „allotropy“, A New English Dictionary on Historical Principles, 1, Oxford University Press, 1888, стр. 238.
6. Ostwald, Wilhelm; Taylor, W.W., trans. (1912). Outlines of General Chemistry (3. изд.). London, England: Macmillan and Co., Ltd. стр. 104. 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."
7. Jensen 2006, citing Addison, W. E. The Allotropy of the Elements (Elsevier 1964) that many have repeated this advice.
8. Raj, G. Advanced Inorganic Chemistry Vol-1. Krishna Prakashan. стр. 1327. ISBN 9788187224037. Посетено на 6 јануари 2017.
9. Overhauser, A. W. (2 јули 1984). „Crystal Structure of Lithium at 4.2 K“. Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 53 (1): 64–65. Bibcode:1984PhRvL..53...64O. doi:10.1103/physrevlett.53.64. ISSN 0031-9007.
10. Hanfland, M.; Loa, I.; Syassen, K. (13 мај 2002). „Sodium under pressure: bcc to fcc structural transition and pressure-volume relation to 100 GPa“. Physical Review B. American Physical Society (APS). 65 (18): 184109. Bibcode:2002PhRvB..65r4109H. doi:10.1103/physrevb.65.184109. ISSN 0163-1829.
11. McMahon, M. I.; Gregoryanz, E.; Lundegaard, L. F.; Loa, I.; Guillaume, C.; Nelmes, R. J.; Kleppe, A. K.; Amboage, M.; Wilhelm, H.; Jephcoat, A. P. (18 октомври 2007). „Structure of sodium above 100 GPa by single-crystal x-ray diffraction“. Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (44): 17297–17299. Bibcode:2007PNAS..10417297M. doi:10.1073/pnas.0709309104. ISSN 0027-8424. PMC 2077250. PMID 17947379.
12. Gregoryanz, E.; Lundegaard, L. F.; McMahon, M. I.; Guillaume, C.; Nelmes, R. J.; Mezouar, M. (23 мај 2008). „Structural Diversity of Sodium“. Science. American Association for the Advancement of Science (AAAS). 320 (5879): 1054–1057. Bibcode:2008Sci...320.1054G. doi:10.1126/science.1155715. ISSN 0036-8075. PMID 18497293. S2CID 29596632.
13. Olijnyk, H.; Holzapfel, W. B. (1 април 1985). „High-pressure structural phase transition in Mg“. Physical Review B. American Physical Society (APS). 31 (7): 4682–4683. Bibcode:1985PhRvB..31.4682O. doi:10.1103/physrevb.31.4682. ISSN 0163-1829. PMID 9936412.
14. Molodets, A. M.; Nabatov, S. S. (2000). „Thermodynamic Potentials, Diagram of State, and Phase Transitions of Tin on Shock Compression“. High Temperature. 38 (5): 715–721. doi:10.1007/BF02755923. S2CID 120417927.
15. Benedict, U.; Haire, R. G.; Peterson, J. R.; Itie, J. P. (1985). „Delocalisation of 5f electrons in curium metal under high pressure“. Journal of Physics F: Metal Physics. 15 (2): L29–L35. Bibcode:1985JPhF...15L..29B. doi:10.1088/0305-4608/15/2/002.

Надворешни врски

„Алотропија“ на Ризницата ?

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