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alotropia, alotropismo

Há uma variedade de formas nas quais certos elementos podem existir. Você sabia que diamante e grafite são a mesma coisa - apenas carbono puro? E, no entanto, eles são tão diferentes. Como o diamante é o mais duro, o grafite é um dos mais macios. Mas como e por que eles são diferentes, se ambos são feitos do mesmo elemento?

É isso que vamos aprender nesta lição.

objetivos de aprendizado

Ao final desta lição, você deverá ser capaz de:

• Descreva o significado de alotropia.
• Descrever alótropos de diferentes elementos.
• Explique as características dos diferentes alótropos.
• Diferentes tipos de alótropos.
• Diferença entre alotropismo e polimorfismo.

O que é alotropia?

A alotropia, também conhecida como alotropismo, refere-se à propriedade da existência de alguns elementos químicos em duas ou mais formas diferentes. Essas diferentes formas são conhecidas como alótropos dos elementos. Alótropos são diferentes modificações estruturais de um elemento. Isso se deve ao fato de que os átomos do elemento estão ligados de maneiras diferentes.

Por exemplo, os alótropos de carbono incluem diamante, grafite, grafeno e fulereno.

Todos os elementos têm alótropos? A resposta é Não. Apenas alguns elementos têm alótropos.

O termo alotropia é usado apenas para elementos, não para compostos. Alotropia refere-se apenas a diferentes formas de um elemento dentro do mesmo estado (isto é, diferentes formas sólidas, líquidas ou gasosas); esses diferentes estados não são, eles próprios, considerados exemplos de alotropia.

Os alótropos têm fórmulas moleculares diferentes em alguns elementos, apesar da diferença de fase. Por exemplo, no oxigênio, dois alótropos: dioxigênio O2 e ozônio O3 ambos podem existir em diferentes estados, sólido, líquido ou gasoso.

Tipos de alotropia: Monotrópica e Enantiotrópica

Os alótropos podem ser monotrópicos ou enantiotrópicos.

• Em alótropos monotrópicos, apenas uma das formas é mais estável em diferentes condições. Ocorre quando uma determinada forma de um elemento mantém sua estabilidade em condições normais, enquanto a(s) outra(s) forma(s) muda(m), acabando por se converter na estável. Grafite e diamantes, como mencionado anteriormente, são alótropos de carbono, sendo o grafite o estável e o diamante convertendo-se lentamente em grafite.
• Na forma enantiotrópica, diferentes formas são estáveis em diferentes condições e sofrem transições reversíveis. Acontece quando uma condição específica, como temperatura ou pressão, faz com que uma forma de uma substância faça a transição para outra forma. Por exemplo, existem dois alótropos de estanho - estanho branco e estanho cinza. O estanho branco é estável em temperaturas acima de 13,2° e o estanho cinza é estável em temperaturas abaixo de 13,2°. Em temperaturas abaixo de 13,2° C, muda de estanho branco para estanho cinza.

Alotropismo Versus Polimorfismo

Alotropismo refere-se apenas às diferentes formas de elementos químicos puros. O fenômeno no qual os compostos exibem diferentes formas cristalinas é chamado de polimorfismo.

Alótropos na Tabela Periódica

Os alótropos ocorrem apenas com certos elementos, nos Grupos 13 a 16 da Tabela Periódica.

Grupo 13

O boro (B), o segundo elemento mais duro, é o único elemento alotrópico do Grupo 13. Perde apenas para o carbono (C) em sua capacidade de formar redes ligadas a elementos.

Alótropos de Boro

• boro amorfo
• boro α-romboédrico cristalino vermelho
• boro β-romboédrico cristalino preto (o alótropo termodinamicamente mais estável)
• boro β-tetragonal cristalino preto

Grupo 14

No Grupo 14, apenas carbono e estanho existem como alótropos em condições normais.

Alótropos de Carbono

Os alótropos de carbono incluem:

• Diamante, onde os átomos de carbono estão ligados em um arranjo de treliça de quatro cantos
• Grafite, onde os átomos de carbono são ligados em folhas de uma rede de seis lados
• Grafeno, folhas soltas de grafite; e
• Fulereno, onde os átomos de carbono estão ligados em esferas, cilindros ou formações em forma de ovo

Diamante e grafite são os alótropos de carbono mais conhecidos. As propriedades do diamante e do grafite são muito diferentes, sendo o diamante transparente e muito duro, enquanto o grafite é preto e macio (macio o suficiente para escrever no papel).

O grafite é a forma de carbono mais termodinamicamente estável. O grafite é um sólido ceroso escuro, usado extensivamente como lubrificante. Também é um excelente condutor de eletricidade e pode ser usado como material nos eletrodos de uma lâmpada de arco elétrico. O grafite é a forma mais estável de carbono sólido já descoberta. Compreende também o “grafite” nos lápis.

O diamante tem o ponto de fusão mais alto e é o mais duro dos sólidos que ocorrem naturalmente. Sua dureza e alta dispersão de luz o tornam adequado para uso em joalheria. Também tem usos industriais. Sua dureza o torna um excelente abrasivo.

Alótropos de Estanho

O estanho tem dois alótropos principais:

• À temperatura ambiente, o alótropo estável é o β-estanho, um metal maleável branco-prateado. Também é conhecido como estanho branco. Tem uma estrutura tetragonal centrada no corpo.
• em baixas temperaturas, ele se transforma no α-estanho cinza menos denso, que tem uma estrutura cúbica de diamante. Também é conhecido como estanho cinza. Tem uma estrutura treliçada do tipo diamante.
  
  Mais dois alótropos, γ e σ, existem em temperaturas acima de 161°C (322°F) e pressões acima de vários GPa. Em condições de frio, o β-estanho tende a se transformar espontaneamente em α-estanho, fenômeno conhecido como “praga do estanho” ou “doença do estanho”. A praga do estanho era um problema particular no norte da Europa no século 18, pois os tubos dos órgãos feitos de estanho às vezes eram afetados durante longos invernos frios.

Grupo 15

Existem dois elementos alotrópicos no Grupo 15, fósforo e arsênico.

Alótropos de Fósforo

As principais formas alotrópicas de formas de fósforo são:

• Fósforo branco ou amarelo – É um sólido ceroso e muito venenoso. É a forma de fósforo mais volátil, mais reativa e mais tóxica, mas menos termodinamicamente estável. Ele brilha no escuro e pode entrar em combustão espontânea no ar.
• Fósforo vermelho – Encontra-se nas laterais das caixas de fósforos. O fósforo vermelho é formado quando o fósforo branco é aquecido a 250°C e forma um vapor. O vapor é então coletado debaixo d'água.
• Fósforo preto – Esta é a forma de fósforo mais termodinamicamente estável e menos reativa. Existe como três cristalinos (ortorrômbico, romboédrico e metálico, ou cúbico) e um alótropo amorfo.
• Fósforo violeta – É também conhecido como fósforo monoclínico ou fósforo de Hittorf em homenagem ao seu descobridor.

Apenas o fósforo branco e vermelho são de importância industrial.

Alótropos de Arsênico

O arsênico existe em vários alótropos. Seus dois alótropos mais comuns são – amarelo e cinza metálico.

• O arsênico cinza é um sólido brilhante e quebradiço.
• O arsênico amarelo é macio e ceroso. É reativo e muito tóxico e se converte em arsênico cinza quando exposto à luz em temperatura ambiente.
• Outro alótropo é o arsênico preto.

Grupo 16

Existem apenas três elementos alotrópicos no Grupo 16 – oxigênio, enxofre e selênio.

Alótropos de Oxigênio

Uma molécula diatômica composta de 2 átomos de oxigênio com a fórmula molecular O2 comumente referida como oxigênio molecular ou dioxigênio. É a forma mais comum de oxigênio elementar. É um gás incolor à temperatura ambiente e forma cerca de 21% da atmosfera terrestre. Existe como um diradical e é o único alótropo com elétrons desemparelhados.

Uma molécula triatômica composta por 3 átomos de oxigênio com a fórmula molecular O3 é referida como ozônio. O ozônio é termodinamicamente instável e altamente reativo. Foi descoberto em 1840, por Christian Friedrich Schonbein, e existe como um gás azul claro em condições normais de temperatura e pressão.

Ambos os alótropos de oxigênio, dioxigênio e ozônio, são compostos apenas de átomos de oxigênio, mas diferem no arranjo dos átomos de oxigênio:

• O oxigênio molecular (dioxigênio), O2, é uma molécula linear
• O ozônio, O3, é uma molécula dobrada. É altamente reativo.

O ozônio funciona como um escudo protetor para a biosfera contra os efeitos mutagênicos e nocivos da radiação UV.

O tetraoxigênio é outro alótropo do oxigênio. Também é conhecido como oxozona. Existe como um sólido vermelho escuro que é criado pela pressurização de O2 na ordem de 20 GPa.

Alótropos de Enxofre

Atualmente, cerca de 30 alótropos de enxofre bem caracterizados são conhecidos.

O α-enxofre forma cristais rômbicos amarelos a partir de anéis de 8 membros de átomos de enxofre (S8). Também é conhecido como enxofre rômbico e é a forma predominante encontrada em “flores de enxofre”, “rolo de enxofre” e “leite de enxofre”.

O β-enxofre é um sólido amarelo com uma forma cristalina monoclínica e é menos denso que o α-enxofre. Também é conhecido como enxofre monoclínico. É incomum porque só é estável acima de 95,3 °C, abaixo disso ele se converte em α-enxofre.

O γ-enxofre forma cristais amarelos, monoclínicos, em forma de agulha, a partir de anéis de 8 membros de átomos de enxofre (S8). Às vezes é chamado de “enxofre nacarado” ou “enxofre madrepérola” por causa de sua aparência. É a forma mais densa das três.

Alótropos de Selênio

O selênio (Se) também existe em várias formas alotrópicas - selênio cinza (trigonal), selênio romboédrico, três formas monoclínicas de vermelho escuro (α -, β - e γ -selênio), selênio vermelho amorfo e selênio vítreo preto. A forma mais termodinamicamente estável e mais densa é o selênio cinza (trigonal), que contém infinitas cadeias helicoidais de átomos de selênio. Todas as outras formas revertem para selênio cinza com o aquecimento. De acordo com sua densidade, o selênio cinza é considerado metálico e é a única forma de selênio que conduz eletricidade. Uma ligeira distorção da estrutura helicoidal produziria uma rede metálica cúbica.

Diferentes propriedades dos alótropos

Alótropos do mesmo elemento podem apresentar diferentes comportamentos físicos e químicos. A mudança nas formas alotrópicas é facilitada pelas mesmas forças que afetam outras estruturas, elas incluem temperatura, pressão e luz. Por exemplo, o comportamento químico do ozônio é diferente daquele do dioxigênio; o ozônio é um agente oxidante mais forte do que o dioxigênio.

Resumo da lição

• Alótropos são diferentes modificações estruturais de um elemento.
• Alotropismo é a existência de alguns elementos químicos em duas ou mais formas diferentes.
• O alotropismo é resultado da diferença na ligação dos átomos de um elemento.
• O termo alotropia é usado apenas em elementos, mas não para compostos.
• Alótropos do mesmo elemento podem apresentar diferentes propriedades físicas e químicas.