Back to the topics list

allotropism, alotropija

Postoje različiti oblici u kojima određeni elementi mogu postojati. Znate li da su dijamant i grafit isti - samo čisti ugljik? A ipak su toliko različiti. Kako je dijamant najtvrđi, grafit je jedan od najmekših. Ali kako i zašto su različiti, ako su oboje napravljeni od istog elementa?

To je ono što ćemo naučiti u ovoj lekciji.

ciljevi učenja

Do kraja ove lekcije trebali biste moći:

• Opišite značenje alotropije.
• Opišite alotrope različitih elemenata.
• Objasnite značajke različitih alotropa.
• Različite vrste alotropa.
• Razlika između alotropizma i polimorfizma.

Što je alotropija?

Alotropija, koja je također poznata kao alotropizam, odnosi se na svojstvo postojanja nekih kemijskih elemenata u dva ili više različitih oblika. Ovi različiti oblici poznati su kao alotropi elemenata. Alotropi su različite strukturne modifikacije elementa. To je zbog činjenice da su atomi elementa međusobno povezani na različite načine.

Na primjer, alotropi ugljika uključuju dijamant, grafit, grafen i fuleren.

Imaju li svi elementi alotrope? Odgovor je ne. Samo neki elementi imaju alotrope.

Izraz alotropija koristi se samo za elemente, ne i za spojeve. Alotropija se odnosi samo na različite oblike elementa unutar istog stanja (tj. različite čvrste, tekuće ili plinovite oblike); ta se različita stanja sama po sebi ne smatraju primjerima alotropije.

Alotropi imaju različite molekularne formule u nekim elementima unatoč razlici u fazi. Na primjer, u kisiku, dva alotropa: dioksigen O2 i ozona O3 oboje mogu postojati u različitim stanjima, krutom, tekućem ili plinovitom.

Vrste alotropije: monotropna i enantiotropna

Alotropi mogu biti monotropni i enantiotropni.

• U monotropnim alotropima samo je jedan od oblika najstabilniji u različitim uvjetima. To se događa kada određeni oblik elementa zadrži svoju stabilnost u normalnim uvjetima, dok se drugi oblik(i) mijenja, na kraju pretvarajući u stabilan. Grafit i dijamanti, kao što je ranije spomenuto, alotropi su ugljika, pri čemu je grafit stabilan, a dijamant se polako pretvara u grafit.
• U enantiotropnom obliku, različiti oblici su stabilni u različitim uvjetima i prolaze kroz reverzibilne prijelaze. To se događa kada određeni uvjeti poput temperature ili tlaka uzrokuju prijelaz jednog oblika tvari u drugi oblik. Na primjer, postoje dva alotropa kositra - bijeli kositar i sivi kositar. Bijeli kositar je stabilan na temperaturama iznad 13,2°, a sivi je stabilan na temperaturama ispod 13,2°. Na temperaturama ispod 13,2° C prelazi iz bijelog u sivi kositar.

Alotropizam nasuprot polimorfizmu

Alotropizam se odnosi samo na različite oblike čistih kemijskih elemenata . Pojava u kojoj spojevi pokazuju različite kristalne oblike naziva se polimorfizam.

Alotropi u periodnom sustavu

Alotropi se pojavljuju samo s određenim elementima, u skupinama od 13 do 16 u periodnom sustavu.

Grupa 13

Bor (B), drugi najtvrđi element, jedini je alotropski element u skupini 13. Drugi je samo ugljik (C) po svojoj sposobnosti da oblikuje mreže povezane elementima.

Alotropi bora

• amorfni bor
• crveni kristalni α-romboedarski bor
• crni kristalni β-romboedarski bor (termodinamički najstabilniji alotrop)
• crni kristalni β-tetragonalni bor

Grupa 14

U grupi 14 samo ugljik i kositar postoje kao alotropi u normalnim uvjetima.

Alotropi ugljika

Alotropi ugljika uključuju:

• Dijamant, gdje su atomi ugljika međusobno povezani u četverokutnom rešetkastom rasporedu
• Grafit, gdje su ugljikovi atomi međusobno povezani u listove šesterostrane rešetke
• Grafen, pojedinačne ploče grafita; i
• Fuleren, gdje su atomi ugljika međusobno povezani u sfere, cilindre ili formacije u obliku jajeta

Dijamant i grafit su najpoznatiji alotropi ugljika. Svojstva dijamanta i grafita vrlo su različita, pri čemu je dijamant proziran i vrlo tvrd, dok je grafit crn i mekan (dovoljno mekan da se može pisati na papiru).

Grafit je termodinamički najstabilniji oblik ugljika. Grafit je tamna, voskasta krutina koja se intenzivno koristi kao lubrikant. Također je vrlo dobar vodič električne energije i može se koristiti kao materijal za elektrode lučne svjetiljke. Grafit je najstabilniji oblik čvrstog ugljika ikada otkriven. Također uključuje "olovo" u olovkama.

Dijamant ima najvišu točku taljenja i najtvrđa je od prirodnih čvrstih tvari. Njegova tvrdoća i visoka disperzija svjetlosti čine ga dobrim za upotrebu u nakitu. Ima i industrijsku upotrebu. Njegova tvrdoća ga čini izvrsnim abrazivom.

Alotropi kositra

Kositar ima dva glavna alotropa:

• Na sobnoj temperaturi stabilni alotrop je β-kositar, srebrnastobijeli, kovni metal. Također je poznat kao bijeli lim. Ima tetragonalnu strukturu usmjerenu prema tijelu.
• na niskim temperaturama prelazi u manje gusti sivi α-kositar, koji ima dijamantnu kubičnu strukturu. Također je poznat kao sivi lim. Ima rešetkastu strukturu poput dijamanta.
  
  Još dva alotropa, γ i σ, postoje na temperaturama iznad 161°C (322°F) i pritiscima iznad nekoliko GPa. U hladnim uvjetima, β-kositar ima tendenciju spontane transformacije u α-kositar, što je fenomen poznat kao "štetočina kositra" ili "bolest kositra". Kositrena štetočina bila je poseban problem u sjevernoj Europi u 18. stoljeću jer su orgulje napravljene od kositra ponekad bile pogođene tijekom dugih hladnih zima.

Grupa 15

Dva su alotropna elementa u skupini 15, fosfor i arsen.

Alotropi fosfora

Glavni alotropski oblici fosfornih oblika su:

• Bijeli ili žuti fosfor – To je voskasta krutina i vrlo je otrovna. To je najhlapljiviji, najreaktivniji i najotrovniji, ali najmanje termodinamički stabilan oblik fosfora. Svijetli u mraku i može se spontano zapaliti na zraku.
• Crveni fosfor – Nalazi se na kutijama šibica. Crveni fosfor nastaje kada se bijeli fosfor zagrije na 250°C i stvara paru. Para se zatim skuplja pod vodom.
• Crni fosfor – Ovo je termodinamički najstabilniji i najmanje reaktivan oblik fosfora. Postoji kao tri kristalna (ortorombski, romboedarski i metalni ili kubni) i jedan amorfni, alotrop.
• Ljubičasti fosfor – poznat je i kao monoklinski fosfor ili Hittorfov fosfor po svom pronalazaču.

Od industrijskog značaja su samo bijeli i crveni fosfor.

Alotropi arsena

Arsen postoji u nizu alotropa. Njegova dva najčešća alotropa su - žuta i metalno siva.

• Sivi arsen je krta sjajna kruta tvar.
• Žuti arsen je mekan i voštan. Reaktivan je i vrlo otrovan te se pretvara u sivi arsen kada je izložen svjetlu na sobnoj temperaturi.
• Još jedan alotrop je crni arsen.

Grupa 16

Postoje samo tri alotropna elementa u skupini 16 – kisik, sumpor i selen.

Alotropi kisika

Dvoatomna molekula sastavljena od 2 atoma kisika s molekularnom formulom O2 koja se obično naziva molekularni kisik ili dioksigen. To je najčešći oblik elementarnog kisika. To je bezbojni plin na sobnoj temperaturi i čini oko 21% zemljine atmosfere. Postoji kao diradikal i jedini je alotrop s nesparenim elektronima.

Troatomna molekula sastavljena od 3 atoma kisika s molekularnom formulom O3 naziva se ozon. Ozon je termodinamički nestabilan i vrlo reaktivan. Otkrio ga je 1840. godine Christian Friedrich Schonbein i postoji kao blijedoplavi plin pri normalnoj temperaturi i tlaku.

Oba alotropa kisika, dioksigen i ozon, sastoje se samo od atoma kisika, ali se razlikuju po rasporedu atoma kisika:

• Molekularni kisik (dioksigen), O2, je linearna molekula
• Ozon, O3, je savijena molekula. Vrlo je reaktivan.

Ozon djeluje kao zaštitni štit za biosferu od mutagenih i štetnih učinaka UV zračenja.

Tetraoksigen je još jedan alotrop kisika. Također je poznat kao oksozon. Postoji kao tamnocrvena krutina koja se stvara pritiskom O2 do reda veličine 20 GPa.

Alotropi sumpora

Trenutno je poznato oko 30 dobro karakteriziranih alotropa sumpora.

α-sumpor tvori žute, rombične kristale iz 8-članih prstenova atoma sumpora (S8). Također je poznat kao rombični sumpor i dominantan je oblik koji se nalazi u "cvjetovima sumpora", "sumpornom kolutu" i "mlijeku sumpora".

β-sumpor je žuta krutina monoklinskog kristalnog oblika i manje je gustoće od α-sumpora. Također je poznat kao monoklinski sumpor. Neobičan je jer je stabilan samo iznad 95,3 °C, ispod koje se pretvara u α-sumpor.

γ-sumpor tvori žute, monoklinske, igličaste kristale iz 8-članih prstenova atoma sumpora (S8). Ponekad se naziva "sedefastim sumporom" ili "sedefnim sumporom" zbog svog izgleda. To je najgušći oblik od tri.

Alotropi selena

Selen (Se) također postoji u nekoliko alotropskih oblika – sivi (trigonalni) selen, romboedarski selen, tri tamnocrvena monoklinska oblika (α -, β - i γ –selen), amorfni crveni selen i crni staklasti selen. Termodinamički najstabilniji i najgušći oblik je sivi (trigonalni) selen, koji sadrži beskonačne spiralne lance atoma selena. Svi ostali oblici zagrijavanjem se vraćaju u sivi selen. U skladu sa svojom gustoćom, sivi se selen smatra metalnim, i to je jedini oblik selena koji provodi elektricitet. Lagano iskrivljenje spiralne strukture proizvelo bi kubičnu metalnu rešetku.

Različita svojstva alotropa

Alotropi istog elementa mogu pokazivati različita fizikalna i kemijska ponašanja. Promjenu u alotropskim oblicima olakšavaju iste sile koje utječu na druge strukture, a to su temperatura, tlak i svjetlost. Na primjer, kemijsko ponašanje ozona razlikuje se od dioksigena; ozon je jače oksidacijsko sredstvo od dioksigena.

Sažetak lekcije

• Alotropi su različite strukturne modifikacije elementa.
• Alotropizam je postojanje nekih kemijskih elemenata u dva ili više različitih oblika.
• Alotropizam je rezultat razlike u vezivanju atoma elementa.
• Izraz alotropija koristi se samo za elemente, ali ne i za spojeve.
• Alotropi istog elementa mogu pokazivati različita fizikalna i kemijska svojstva.