Back to the topics list

alotropia, alotropia

Istnieje wiele form, w których mogą istnieć pewne elementy. Czy wiesz, że diament i grafit to to samo - tylko czysty węgiel? A jednak są tak różne. Ponieważ diament jest najtwardszy, grafit jest jednym z najmiększych. Ale jak i dlaczego są różne, skoro oba są wykonane z tego samego elementu?

Tego właśnie nauczymy się na tej lekcji.

Cele kształcenia

Pod koniec tej lekcji powinieneś umieć:

• » Wyjaśnienie znaczenia słowa alotropia.
• Opisz odmiany alotropowe różnych pierwiastków.
• Wyjaśnij cechy różnych odmian alotropowych.
• Różne typy odmian alotropowych.
• Różnica między alotropizmem a polimorfizmem.

Co to jest alotropia?

Alotropia, znana również jako alotropizm, odnosi się do właściwości istnienia niektórych pierwiastków chemicznych w dwóch lub więcej różnych formach. Te różne formy są znane jako odmiany alotropowe pierwiastków. Allotropy to różne modyfikacje strukturalne elementu. Wynika to z faktu, że atomy pierwiastka są ze sobą związane w różny sposób.

Na przykład odmiany alotropowe węgla obejmują diament, grafit, grafen i fuleren.

Czy wszystkie pierwiastki mają alotropy? Odpowiedź brzmi: nie. Tylko niektóre pierwiastki mają odmiany alotropowe.

Termin alotropia jest używany tylko w odniesieniu do pierwiastków, a nie związków. Alotropia odnosi się tylko do różnych postaci pierwiastka w tym samym stanie (tj. różnych postaci stałych, ciekłych lub gazowych); te różne stany same w sobie nie są uważane za przykłady alotropii.

Alotropy mają różne wzory cząsteczkowe w niektórych pierwiastkach pomimo różnicy faz. Na przykład w tlenie dwa alotropy: ditlen O2 i ozon O3 oba mogą istnieć w różnych stanach, stałym, ciekłym lub gazowym.

Rodzaje alotropii: monotropowa i enancjotropowa

Allotropy mogą być monotropowe lub enancjotropowe.

• W alotropach monotropowych tylko jedna z form jest najbardziej stabilna w różnych warunkach. Dzieje się tak, gdy określona forma pierwiastka zachowuje swoją stabilność w normalnych warunkach, podczas gdy inne formy (formy) zmieniają się, ostatecznie przekształcając się w stabilną. Grafit i diamenty, jak wspomniano wcześniej, są alotropami węgla, przy czym grafit jest stabilny, a diament powoli przekształca się w grafit.
• W postaci enancjotropowej różne formy są stabilne w różnych warunkach i przechodzą odwracalne przejścia. Dzieje się tak, gdy określone warunki, takie jak temperatura lub ciśnienie, powodują przejście jednej postaci substancji w inną. Na przykład istnieją dwa alotropy cyny - biała cyna i szara cyna. Biała cyna jest stabilna w temperaturach powyżej 13,2°, a szara cyna jest stabilna w temperaturach poniżej 13,2°. W temperaturach poniżej 13,2°C zmienia kolor z białej cyny na szarą.

Allotropizm kontra polimorfizm

Allotropizm odnosi się tylko do różnych form czystych pierwiastków chemicznych. Zjawisko, w którym związki wykazują różne formy krystaliczne, nazywa się polimorfizmem.

Alotropy w układzie okresowym

Alotropy występują tylko z niektórymi pierwiastkami, w grupach od 13 do 16 w układzie okresowym.

Grupa 13

Bor (B), drugi najtwardszy pierwiastek, jest jedynym pierwiastkiem alotropowym w grupie 13. Ustępuje jedynie węglowi (C) pod względem zdolności do tworzenia sieci związanych z pierwiastkami.

Alotropy boru

• amorficzny bor
• czerwony krystaliczny α-romboedryczny bor
• czarny krystaliczny β-romboedryczny bor (najbardziej stabilny termodynamicznie alotrop)
• czarny krystaliczny β-tetragonalny bor

Grupa 14

W grupie 14 tylko węgiel i cyna występują jako alotropy w normalnych warunkach.

Alotropy węgla

Alotropy węgla obejmują:

• Diament, gdzie atomy węgla są połączone ze sobą w czworokątny układ kratowy
• Grafit, w którym atomy węgla są połączone ze sobą w arkusze sześciobocznej siatki
• Grafen, pojedyncze arkusze grafitu; I
• Fuleren, w którym atomy węgla są połączone ze sobą w kulki, cylindry lub jajowate formacje

Diament i grafit to najbardziej znane odmiany alotropowe węgla. Właściwości diamentu i grafitu są bardzo różne, przy czym diament jest przezroczysty i bardzo twardy, a grafit jest czarny i miękki (wystarczająco miękki, aby pisać na papierze).

Grafit jest najbardziej stabilną termodynamicznie formą węgla. Grafit to ciemne, woskowate ciało stałe, szeroko stosowane jako środek smarny. Jest również bardzo dobrym przewodnikiem elektryczności i może być stosowany jako materiał w elektrodach elektrycznej lampy łukowej. Grafit jest najbardziej stabilną formą stałego węgla, jaką kiedykolwiek odkryto. Zawiera również „ołów” w ołówkach.

Diament ma najwyższą temperaturę topnienia i jest najtwardszym z naturalnie występujących ciał stałych. Jego twardość i duże rozproszenie światła sprawiają, że dobrze nadaje się do stosowania w jubilerstwie. Ma również zastosowania przemysłowe. Jego twardość czyni go doskonałym materiałem ściernym.

Alotropy cyny

Cyna ma dwa główne odmiany alotropowe:

• W temperaturze pokojowej stabilnym alotropem jest β-cyna, srebrzystobiały, plastyczny metal. Jest również znany jako biała cyna. Ma czworokątną strukturę skoncentrowaną na ciele.
• w niskich temperaturach przekształca się w mniej gęstą szarą cynę α, która ma sześcienną strukturę diamentu. Jest również znany jako szara cyna. Ma strukturę kratową typu diamentu.
  
  Dwa kolejne alotropy, γ i σ, istnieją w temperaturach powyżej 161 ° C (322 ° F) i ciśnieniach powyżej kilku GPa. W niskich temperaturach β-cyna ma tendencję do spontanicznego przekształcania się w α-cynę, co jest zjawiskiem znanym jako „szkodnik cyny” lub „choroba cyny”. Szkodnik cynowy był szczególnym problemem w Europie Północnej w XVIII wieku, ponieważ piszczałki organowe wykonane z cyny czasami ulegały wpływowi podczas długich mroźnych zim.

Grupa 15

Istnieją dwa pierwiastki alotropowe w grupie 15, fosfor i arsen.

Alotropy fosforu

Główne formy alotropowe form fosforu to:

• Fosfor biały lub żółty – Jest woskowatą substancją stałą i bardzo trującą. Jest to najbardziej lotna, najbardziej reaktywna i toksyczna, ale najmniej stabilna termodynamicznie forma fosforu. Świeci w ciemności i może spontanicznie zapalić się w powietrzu.
• Fosfor czerwony – Znajduje się na boku pudełka zapałek. Czerwony fosfor powstaje, gdy biały fosfor jest podgrzewany do 250°C i tworzy parę. Para jest następnie zbierana pod wodą.
• Fosfor czarny – jest to najbardziej stabilna termodynamicznie i najmniej reaktywna forma fosforu. Istnieje jako trzy krystaliczne (rombowy, romboedryczny i metaliczny lub sześcienny) i jeden amorficzny, alotropowy.
• Fosfor fioletowy - Na cześć odkrywcy znany jest również jako fosfor jednoskośny lub fosfor Hittorfa.

Jedynie fosfor biały i czerwony mają znaczenie przemysłowe.

Alotropy arsenu

Arsen występuje w wielu odmianach alotropowych. Jego dwa najczęstsze odmiany alotropowe to – żółty i metaliczny szary.

• Szary arsen jest kruchym, błyszczącym ciałem stałym.
• Żółty arszenik jest miękki i woskowaty. Jest reaktywny i bardzo toksyczny, a pod wpływem światła w temperaturze pokojowej przekształca się w szary arsen.
• Innym alotropem jest czarny arszenik.

Grupa 16

W grupie 16 są tylko trzy pierwiastki alotropowe – tlen, siarka i selen.

Alotropy tlenu

Cząsteczka dwuatomowa złożona z 2 atomów tlenu o wzorze cząsteczkowym O2, powszechnie określanym jako tlen cząsteczkowy lub tlen tlenowy. Jest to najpowszechniejsza forma pierwiastkowego tlenu. Jest bezbarwnym gazem w temperaturze pokojowej i stanowi około 21% atmosfery ziemskiej. Istnieje jako dirodnik i jest jedynym alotropem z niesparowanymi elektronami.

Trójatomowa cząsteczka złożona z 3 atomów tlenu o wzorze cząsteczkowym O3 jest określana jako ozon. Ozon jest termodynamicznie nietrwały i wysoce reaktywny. Został odkryty w 1840 roku przez Christiana Friedricha Schonbeina i istnieje jako bladoniebieski gaz w normalnych warunkach temperatury i ciśnienia.

Obie odmiany alotropowe tlenu, ditlenu i ozonu składają się tylko z atomów tlenu, ale różnią się rozmieszczeniem atomów tlenu:

• Tlen cząsteczkowy (ditlen), O2, jest cząsteczką liniową
• Ozon, O3, jest wygiętą cząsteczką. Jest wysoce reaktywny.

Ozon pełni funkcję tarczy ochronnej dla biosfery przed mutagennymi i szkodliwymi skutkami promieniowania UV.

Tetratlen to kolejny alotrop tlenu. Jest również znany jako oksozon. Istnieje jako ciemnoczerwone ciało stałe, które powstaje w wyniku sprężenia O2 do rzędu 20 GPa.

Alotropy siarki

Obecnie znanych jest około 30 dobrze scharakteryzowanych alotropów siarki.

α-siarka tworzy żółte, rombowe kryształy z 8-członowych pierścieni atomów siarki (S8). Jest również znana jako siarka rombowa i jest dominującą formą występującą w „kwiatach siarki”, „siarce w rolkach” i „siarkowym mleku”.

β-Siarka jest żółtym ciałem stałym o jednoskośnej postaci krystalicznej i ma mniejszą gęstość niż α-siarka. Jest również znany jako siarka jednoskośna. Jest to niezwykłe, ponieważ jest stabilne tylko powyżej 95,3 ° C, poniżej tego przekształca się w α-siarkę.

Siarka γ tworzy żółte, jednoskośne, igiełkowate kryształy z 8-członowych pierścieni atomów siarki (S8). Czasami nazywana jest „siarką perłową” lub „siarką z masy perłowej” ze względu na swój wygląd. Jest to najgęstsza forma z trzech.

Alotropy selenu

Selen (Se) występuje również w kilku formach alotropowych - selen szary (trygonalny), selen romboedryczny, trzy ciemnoczerwone formy jednoskośne (α -, β - i γ -selen), selen amorficzny czerwony i selen czarny szklisty. Najbardziej stabilną termodynamicznie i najgęstszą postacią jest selen szary (trygonalny), który zawiera nieskończone spiralne łańcuchy atomów selenu. Wszystkie inne formy powracają do szarego selenu po ogrzaniu. Zgodnie ze swoją gęstością szary selen jest uważany za metaliczny i jest jedyną formą selenu, która przewodzi elektryczność. Niewielkie zniekształcenie spiralnej struktury dałoby sześcienną metaliczną siatkę.

Różne właściwości odmian alotropowych

Alotropy tego samego pierwiastka mogą wykazywać różne zachowania fizyczne i chemiczne. Zmianę form alotropowych ułatwiają te same siły, które wpływają na inne struktury, obejmują one temperaturę, ciśnienie i światło. Na przykład zachowanie chemiczne ozonu różni się od zachowania tlenu ditlenowego; ozon jest silniejszym utleniaczem niż ditlen.

Podsumowanie lekcji

• Allotropy to różne modyfikacje strukturalne elementu.
• Allotropizm to istnienie niektórych pierwiastków chemicznych w dwóch lub więcej różnych formach.
• Alotropizm jest wynikiem różnicy w wiązaniu atomów pierwiastka.
• Termin alotropia jest używany tylko w elementach, ale nie w związkach.
• Alotropy tego samego pierwiastka mogą wykazywać różne właściwości fizyczne i chemiczne.