اشکال مختلفی وجود دارد که عناصر خاصی می توانند در آنها وجود داشته باشند. آیا می دانید که الماس و گرافیت هر دو یکسان هستند - فقط کربن خالص؟ و با این حال آنها بسیار متفاوت هستند. از آنجایی که الماس سخت ترین است، گرافیت یکی از نرم ترین الماس ها است. اما چگونه و چرا آنها متفاوت هستند، اگر هر دو از یک عنصر ساخته شده باشند؟
این چیزی است که ما در این درس خواهیم آموخت.
در پایان این درس، شما باید بتوانید:
آلوتروپی که به نام آلوتروپیسم نیز شناخته می شود، به خاصیت وجود برخی عناصر شیمیایی در دو یا چند شکل مختلف اشاره دارد. این اشکال مختلف به عنوان آلوتروپ عناصر شناخته می شوند. آلوتروپ ها تغییرات ساختاری مختلف یک عنصر هستند. این به دلیل این واقعیت است که اتم های عنصر به روش های متفاوتی به یکدیگر متصل می شوند.
به عنوان مثال، آلوتروپ های کربن شامل الماس، گرافیت، گرافن و فولرن است.
آیا همه عناصر آلوتروپ دارند؟ پاسخ خیر است. فقط برخی از عناصر دارای آلوتروپ هستند.
واژه آلوتروپی فقط برای عناصر استفاده می شود، نه برای ترکیبات. آلوتروپی فقط به اشکال مختلف یک عنصر در یک حالت (یعنی اشکال مختلف جامد، مایع یا گاز) اشاره دارد. این حالت های مختلف، خود نمونه هایی از آلوتروپی در نظر گرفته نمی شوند.
آلوتروپ ها با وجود تفاوت در فاز، فرمول های مولکولی متفاوتی در برخی عناصر دارند. به عنوان مثال، در اکسیژن، دو آلوتروپ: دی اکسیژن
آلوتروپ ها می توانند تک تروپیک یا انانتیوتروپ باشند.
آلوتروپیسم فقط به اشکال مختلف عناصر شیمیایی خالص اشاره دارد. پدیده ای که در آن ترکیبات اشکال کریستالی متفاوتی از خود نشان می دهند، چندشکلی نامیده می شود.
آلوتروپ ها فقط با عناصر خاصی در گروه های 13 تا 16 در جدول تناوبی وجود دارند.
گروه 13
بور (B)، دومین عنصر سخت‌ترین عنصر، تنها عنصر آلوتروپیک در گروه 13 است. این عنصر پس از کربن (C) در توانایی‌اش برای تشکیل شبکه‌های متصل به عنصر دوم است.
آلوتروپ های بور
گروه 14
در گروه 14، تنها کربن و قلع به عنوان آلوتروپ در شرایط عادی وجود دارند.
آلوتروپ های کربن
آلوتروپ های کربن عبارتند از:
الماس و گرافیت شناخته شده ترین آلوتروپ های کربن هستند. خواص الماس و گرافیت بسیار متفاوت است با الماس شفاف و بسیار سخت در حالی که گرافیت سیاه و نرم است (به اندازه ای نرم که بتوان روی کاغذ نوشت).
گرافیت پایدارترین شکل کربن از نظر ترمودینامیکی است. گرافیت یک جامد مومی شکل و تیره است که به طور گسترده به عنوان روان کننده استفاده می شود. همچنین رسانای بسیار خوبی برای الکتریسیته است و می تواند به عنوان ماده در الکترودهای لامپ قوس الکتریکی استفاده شود. گرافیت پایدارترین شکل کربن جامد است که تاکنون کشف شده است. همچنین شامل "سرب" در مداد است.
الماس بالاترین نقطه ذوب را دارد و سخت ترین مواد جامد طبیعی است. سختی و پراکندگی بالای نور آن را برای استفاده در جواهرات مناسب کرده است. مصارف صنعتی نیز دارد. سختی آن آن را به یک ساینده عالی تبدیل می کند.
آلوتروپ های قلع
قلع دارای دو آلوتروپ اصلی است:
گروه 15
در گروه 15 دو عنصر آلوتروپیک، فسفر و آرسنیک وجود دارد.
آلوتروپ های فسفر
اشکال اصلی آلوتروپیک اشکال فسفر عبارتند از:
فقط فسفر سفید و قرمز از اهمیت صنعتی برخوردار است.
آلوتروپ های آرسنیک
آرسنیک در تعدادی از آلوتروپ ها وجود دارد. دو آلوتروپ رایج آن زرد و خاکستری فلزی هستند.
گروه 16
تنها سه عنصر آلوتروپیک در گروه 16 وجود دارد - اکسیژن، گوگرد و سلنیوم.
آلوتروپ های اکسیژن
یک مولکول دو اتمی متشکل از 2 اتم اکسیژن با فرمول مولکولی O2 که معمولاً به عنوان اکسیژن مولکولی یا دی‌اکسیژن شناخته می‌شود. این رایج ترین شکل اکسیژن عنصری است. این گاز در دمای اتاق بی رنگ است و حدود 21 درصد از جو زمین را تشکیل می دهد. به صورت دیرادیکال وجود دارد و تنها آلوتروپ با الکترون های جفت نشده است.
به مولکول سه اتمی که از 3 اتم اکسیژن با فرمول مولکولی O3 تشکیل شده است، ازن گفته می شود. ازن از نظر ترمودینامیکی ناپایدار و بسیار واکنش پذیر است. این گاز در سال 1840 توسط Christian Friedrich Schonbein کشف شد و به صورت گاز آبی کم رنگ در شرایط دما و فشار معمولی وجود دارد.
هر دو آلوتروپ اکسیژن، دی‌اکسیژن و ازن، فقط از اتم‌های اکسیژن ساخته شده‌اند، اما در آرایش اتم‌های اکسیژن متفاوت هستند:
ازن به عنوان یک سپر محافظ برای بیوسفر در برابر اثرات جهش زا و مضر اشعه UV عمل می کند.
تترااکسیژن یکی دیگر از آلوتروپ های اکسیژن است. همچنین به عنوان اگزوزون شناخته می شود. این ماده به صورت جامد قرمز تیره ای وجود دارد که با فشار دادن O2 تا حدود 20 GPa.
آلوتروپ های گوگرد
در حال حاضر، حدود 30 آلوتروپ گوگرد با مشخصه خوب شناخته شده است.
α-گوگرد بلورهای زرد و لوزی شکل را از حلقه های 8 عضوی اتم های گوگرد (S8) تشکیل می دهد. همچنین به عنوان گوگرد لوزی شناخته می شود و شکل غالب آن در «گل های گوگرد»، «گوگرد رولی» و «شیر گوگرد» یافت می شود.
β-گوگرد یک جامد زرد رنگ با فرم کریستالی مونوکلینیک است و چگالی کمتری نسبت به گوگرد α دارد. همچنین به عنوان گوگرد مونوکلینیک شناخته می شود. غیر معمول است زیرا فقط در دمای بالای 95.3 درجه سانتیگراد پایدار است، در زیر آن به α-گوگرد تبدیل می شود.
گوگرد γ از حلقه های 8 عضوی اتم های گوگرد (S8) کریستال های زرد، مونوکلینیک و سوزنی شکل می دهد. به دلیل ظاهری که دارد گاهی به آن گوگرد ناکرئوس یا گوگرد مادر مروارید می گویند. این متراکم ترین شکل از این سه است.
آلوتروپ های سلنیوم
سلنیوم (Se) همچنین در چندین شکل آلوتروپیک وجود دارد - سلنیوم خاکستری (سه ضلعی)، سلنیوم لوزی شکل، سه شکل تک کلینیک قرمز عمیق (α -، β - و γ-سلنیوم)، سلنیوم قرمز آمورف، و سلنیوم زجاجیه سیاه. پایدارترین و متراکم ترین شکل از نظر ترمودینامیکی، سلنیوم خاکستری (مثلثی) است که شامل زنجیره های مارپیچ بی نهایت از اتم های سلنیوم است. تمام اشکال دیگر با گرم شدن به سلنیوم خاکستری باز می گردند. سلنیوم خاکستری با توجه به چگالی آن فلزی در نظر گرفته می شود و تنها شکلی از سلنیوم است که الکتریسیته را هدایت می کند. اعوجاج جزئی ساختار مارپیچ باعث ایجاد یک شبکه فلزی مکعبی می شود.
آلوتروپ های یک عنصر می توانند رفتارهای فیزیکی و شیمیایی متفاوتی از خود نشان دهند. تغییر در اشکال آلوتروپیک توسط همان نیروهایی که بر ساختارهای دیگر تأثیر می گذارد تسهیل می شود، آنها شامل دما، فشار و نور هستند. به عنوان مثال، رفتار شیمیایی ازن با دی اکسیژن متفاوت است. ازن یک عامل اکسید کننده قوی تر از دی اکسیژن است.
