Er zijn verschillende vormen waarin bepaalde elementen kunnen voorkomen. Weet je dat diamant en grafiet allebei hetzelfde zijn - gewoon pure koolstof? En toch zijn ze zo verschillend. Aangezien diamant de hardste is, is grafiet een van de zachtste. Maar hoe en waarom zijn ze verschillend, als beide van hetzelfde element zijn gemaakt?
Dat gaan we in deze les leren.
Aan het einde van deze les zou je in staat moeten zijn om:
Allotropie, ook bekend als allotropisme, verwijst naar de eigenschap van het bestaan van sommige chemische elementen in twee of meer verschillende vormen. Deze verschillende vormen staan bekend als de allotropen van de elementen. Allotropen zijn verschillende structurele modificaties van een element. Dit komt door het feit dat de atomen van het element op een andere manier met elkaar verbonden zijn.
De allotropen van koolstof omvatten bijvoorbeeld diamant, grafiet, grafeen en fullereen.
Hebben alle elementen allotropen? Het antwoord is Nee. Slechts enkele elementen hebben allotropen.
De term allotropie wordt alleen gebruikt voor elementen, niet voor verbindingen. Allotropie verwijst alleen naar verschillende vormen van een element binnen dezelfde toestand (dwz verschillende vaste, vloeibare of gasvormen); deze verschillende toestanden worden op zichzelf niet beschouwd als voorbeelden van allotropie.
Allotropen hebben in sommige elementen verschillende molecuulformules ondanks het faseverschil. In zuurstof bijvoorbeeld twee allotropen: dizuurstof
Allotropen kunnen monotroop of enantiotroop zijn.
Allotropisme verwijst alleen naar de verschillende vormen van zuivere chemische elementen . Het fenomeen waarbij verbindingen verschillende kristallijne vormen vertonen, wordt polymorfisme genoemd.
Allotropen komen alleen voor bij bepaalde elementen, in groepen 13 tot en met 16 in het periodiek systeem.
Groep 13
Boor (B), het op een na hardste element, is het enige allotrope element in groep 13. Het staat op de tweede plaats na koolstof (C) wat betreft zijn vermogen om elementgebonden netwerken te vormen.
Allotropen van boor
Groep 14
In groep 14 komen onder normale omstandigheden alleen koolstof en tin voor als allotropen.
Allotropen van koolstof
De allotropen van koolstof omvatten:
Diamant en grafiet zijn de bekendste allotropen van koolstof. De eigenschappen van diamant en grafiet zijn heel verschillend, waarbij diamant transparant en erg hard is, terwijl grafiet zwart en zacht is (zacht genoeg om op papier te schrijven).
Grafiet is de meest thermodynamisch stabiele vorm van koolstof. Grafiet is een donkere, wasachtige vaste stof die veel als smeermiddel wordt gebruikt. Het is ook een zeer goede geleider van elektriciteit en kan worden gebruikt als materiaal in de elektroden van een elektrische booglamp. Grafiet is de meest stabiele vorm van vaste koolstof die ooit is ontdekt. Het omvat ook de "lead" in potloden.
Diamant heeft het hoogste smeltpunt en is de hardste van de natuurlijk voorkomende vaste stoffen. De hardheid en hoge lichtverstrooiing maken het geschikt voor gebruik in sieraden. Het heeft ook industriële toepassingen. Door zijn hardheid is het een uitstekend schuurmiddel.
Allotropen van tin
Tin heeft twee belangrijke allotropen:
Groep 15
Er zijn twee allotrope elementen in Groep 15, fosfor en arseen.
Allotropen van fosfor
De belangrijkste allotrope vormen van fosforvormen zijn:
Alleen witte en rode fosfor zijn van industrieel belang.
Allotropen van arseen
Arseen bestaat in een aantal allotropen. De twee meest voorkomende allotropen zijn: geel en metaalgrijs.
Groep 16
Er zijn slechts drie allotrope elementen in Groep 16: zuurstof, zwavel en selenium.
Allotropen van zuurstof
Een diatomisch molecuul bestaande uit 2 zuurstofatomen met de molecuulformule O2, gewoonlijk aangeduid als moleculaire zuurstof of dizuurstof. Het is de meest voorkomende vorm van elementaire zuurstof. Het is een kleurloos gas bij kamertemperatuur en vormt ongeveer 21% van de atmosfeer van de aarde. Het bestaat als een diradicaal en is de enige allotroop met ongepaarde elektronen.
Een triatomisch molecuul bestaande uit 3 zuurstofatomen met de molecuulformule O3 wordt ozon genoemd. Ozon is thermodynamisch onstabiel en zeer reactief. Het werd in 1840 ontdekt door Christian Friedrich Schonbein en bestaat als een lichtblauw gas bij normale temperatuur- en drukomstandigheden.
Beide allotropen van zuurstof, dizuurstof en ozon bestaan alleen uit zuurstofatomen, maar ze verschillen in de opstelling van de zuurstofatomen:
Ozon fungeert als een beschermend schild voor de biosfeer tegen de mutagene en schadelijke effecten van UV-straling.
Tetraoxygen is een andere allotroop van zuurstof. Het is ook bekend als oxozon. Het bestaat als een dieprode vaste stof die wordt gecreëerd door O2 onder druk te zetten in de orde van grootte van 20 GPa.
Allotropen van zwavel
Momenteel zijn er ongeveer 30 goed gekarakteriseerde zwavelallotropen bekend.
α-zwavel vormt gele, ruitvormige kristallen uit 8-ledige ringen van zwavelatomen (S8). Het is ook bekend als ruitvormige zwavel en is de overheersende vorm die wordt aangetroffen in "bloemen van zwavel", "rolzwavel" en "melk van zwavel".
β-zwavel is een gele vaste stof met een monokliene kristalvorm en is minder dicht dan α-zwavel. Het is ook bekend als monokliene zwavel. Het is ongebruikelijk omdat het alleen stabiel is boven 95,3 °C, daaronder wordt het omgezet in α-zwavel.
γ-zwavel vormt gele, monokliene, naaldachtige kristallen uit 8-ledige ringen van zwavelatomen (S8). Het wordt soms "parelmoer zwavel" of "parelmoer zwavel" genoemd vanwege zijn uiterlijk. Het is de dichtste vorm van de drie.
Allotropen van selenium
Selenium (Se) bestaat ook in verschillende allotrope vormen - grijs (trigonaal) selenium, rhombohedraal selenium, drie dieprode monokliene vormen (α -, β - en γ -selenium), amorf rood selenium en zwart glasachtig selenium. De meest thermodynamisch stabiele en dichtste vorm is grijs (trigonaal) selenium, dat oneindige spiraalvormige ketens van seleniumatomen bevat. Alle andere vormen keren bij opwarming terug naar grijs selenium. In overeenstemming met zijn dichtheid wordt grijs selenium beschouwd als metaalachtig en het is de enige vorm van selenium die elektriciteit geleidt. Een lichte vervorming van de spiraalvormige structuur zou een kubisch metalen rooster opleveren.
Allotropen van hetzelfde element kunnen verschillende fysische en chemische gedragingen vertonen. De verandering in allotrope vormen wordt mogelijk gemaakt door dezelfde krachten die andere structuren beïnvloeden, waaronder temperatuur, druk en licht. Het chemische gedrag van ozon is bijvoorbeeld anders dan dat van dizuurstof; ozon is een sterker oxidatiemiddel dan dizuurstof.
