Существуют различные формы, в которых могут существовать определенные элементы. Знаете ли вы, что алмаз и графит — это одно и то же — просто чистый углерод? И все же они такие разные. Поскольку алмаз — самый твердый, графит — один из самых мягких. Но чем и почему они отличаются, если оба состоят из одного и того же элемента?
Этому мы и будем учиться на этом уроке.
К концу этого урока вы должны уметь:
Аллотропия, также известная как аллотропизм, относится к свойству существования некоторых химических элементов в двух или более различных формах. Эти различные формы известны как аллотропы элементов. Аллотропы – это различные структурные модификации элемента. Это связано с тем, что атомы элемента связаны друг с другом по-разному.
Например, аллотропы углерода включают алмаз, графит, графен и фуллерен.
Все ли элементы имеют аллотропы? Ответ — нет. Аллотропы есть только у некоторых элементов.
Термин аллотропия используется только для элементов, а не для соединений. Аллотропия относится только к различным формам элемента в одном и том же состоянии (т. е. к различным твердым, жидким или газообразным формам); эти различные состояния сами по себе не считаются примерами аллотропии.
Аллотропы имеют разные молекулярные формулы для некоторых элементов, несмотря на разницу в фазе. Например, в кислороде два аллотропа: дикислород
Аллотропы могут быть монотропными или энантиотропными.
Аллотропизм относится только к различным формам чистых химических элементов . Явление, при котором соединения проявляют различные кристаллические формы, называется полиморфизмом.
Аллотропы встречаются только с некоторыми элементами в группах с 13 по 16 Периодической таблицы.
Группа 13
Бор (B), второй самый твердый элемент, является единственным аллотропным элементом в группе 13. Он уступает только углероду (C) по своей способности образовывать сети, связанные элементами.
Аллотропы бора
Группа 14
В группе 14 только углерод и олово существуют в виде аллотропов при нормальных условиях.
Аллотропы углерода
К аллотропам углерода относятся:
Алмаз и графит — самые известные аллотропы углерода. Свойства алмаза и графита сильно различаются: алмаз прозрачен и очень тверд, а графит черный и мягкий (достаточно мягкий, чтобы писать на бумаге).
Графит является наиболее термодинамически стабильной формой углерода. Графит представляет собой темное воскообразное твердое вещество, широко используемое в качестве смазки. Он также является очень хорошим проводником электричества и может использоваться в качестве материала электродов дуговой электрической лампы. Графит — самая стабильная форма твердого углерода из когда-либо обнаруженных. Он также включает в себя «грифель» в карандашах.
Алмаз имеет самую высокую температуру плавления и является самым твердым из встречающихся в природе твердых тел. Его твердость и высокая дисперсия света делают его пригодным для использования в ювелирных изделиях. Он также имеет промышленное применение. Его твердость делает его отличным абразивом.
Аллотропы олова
Олово имеет две основные аллотропные формы:
Группа 15
В группе 15 два аллотропных элемента — фосфор и мышьяк.
Аллотропы фосфора
Основными аллотропными формами фосфора являются:
Только белый и красный фосфор имеют промышленное значение.
Аллотропы мышьяка
Мышьяк существует в ряде аллотропов. Его две наиболее распространенные аллотропы — желтый и серый металлик.
Группа 16
В 16-й группе всего три аллотропных элемента — кислород, сера и селен.
Аллотропы кислорода
Двухатомная молекула, состоящая из 2 атомов кислорода с молекулярной формулой O2, обычно называемая молекулярным кислородом или дикислородом. Это наиболее распространенная форма элементарного кислорода. Это бесцветный газ при комнатной температуре, который составляет около 21% земной атмосферы. Он существует как бирадикал и является единственным аллотропом с неспаренными электронами.
Трехатомная молекула, состоящая из 3 атомов кислорода с молекулярной формулой O3, называется озоном. Озон термодинамически нестабилен и очень реактивен. Он был открыт в 1840 году Христианом Фридрихом Шёнбейном и существует в виде бледно-голубого газа при нормальных условиях температуры и давления.
Оба аллотропа кислорода, дикислорода и озона состоят только из атомов кислорода, но они различаются расположением атомов кислорода:
Озон выполняет функцию защитного экрана биосферы от мутагенного и вредного воздействия УФ-излучения.
Тетраоксиген — еще один аллотроп кислорода. Он также известен как оксозон. Он существует в виде темно-красного твердого вещества, которое образуется при повышении давления O2 до порядка 20 GPa.
Аллотропы серы
В настоящее время известно около 30 хорошо охарактеризованных аллотропов серы.
α-сера образует желтые ромбические кристаллы из 8-членных колец атомов серы (S8). Он также известен как ромбическая сера и является преобладающей формой, встречающейся в «цветах серы», «сере в рулонах» и «серном молоке».
β-сера представляет собой желтое твердое вещество с моноклинной кристаллической формой и менее плотна, чем α-сера. Он также известен как моноклинная сера. Это необычно, потому что он стабилен только выше 95,3 ° C, ниже этого он превращается в α-серу.
γ-сера образует желтые, моноклинные, игольчатые кристаллы из 8-членных колец атомов серы (S8). Его иногда называют «перламутровой серой» или «жемчужной серой» из-за его внешнего вида. Это самая плотная форма из трех.
Аллотропы селена
Селен (Se) также существует в нескольких аллотропных формах — серый (тригональный) селен, ромбоэдрический селен, три темно-красные моноклинные формы (α-, β- и γ-селен), аморфный красный селен и черный стекловидный селен. Наиболее термодинамически устойчивой и плотной формой является серый (тригональный) селен, который содержит бесконечные спиральные цепочки атомов селена. Все остальные формы при нагревании превращаются в серый селен. В соответствии с его плотностью серый селен считается металлическим, и это единственная форма селена, проводящая электричество. Небольшое искажение спиральной структуры привело бы к кубической металлической решетке.
Аллотропы одного и того же элемента могут проявлять различное физическое и химическое поведение. Смене аллотропных форм способствуют те же силы, которые воздействуют на другие структуры, к ним относятся температура, давление, свет. Например, химическое поведение озона отличается от поведения кислорода; озон является более сильным окислителем, чем молекулярный кислород.
