Back to the topics list

phân bổ, phân bổ

Có nhiều hình thức trong đó các yếu tố nhất định có thể tồn tại. Bạn có biết rằng kim cương và than chì đều giống nhau - chỉ là carbon nguyên chất? Và họ rất khác nhau. Vì kim cương là cứng nhất nên than chì là một trong những loại mềm nhất. Nhưng làm thế nào và tại sao chúng lại khác nhau nếu cả hai đều được làm từ cùng một nguyên tố?

Đây là những gì chúng ta sẽ học trong bài học này.

Mục tiêu học tập

Đến cuối bài học này, bạn sẽ có thể:

• Nêu ý nghĩa của hiện tượng đẳng hướng.
• Mô tả các đồng vị của các yếu tố khác nhau.
• Giải thích các tính năng của các đồng vị khác nhau.
• Các loại thù hình khác nhau.
• Sự khác biệt giữa đẳng hướng và đa hình.

đẳng hướng là gì?

Allotropy, còn được gọi là allotropism, đề cập đến tính chất tồn tại của một số nguyên tố hóa học ở hai hoặc nhiều dạng khác nhau. Các dạng khác nhau này được gọi là dạng thù hình của các nguyên tố. Các đồng vị là những sửa đổi cấu trúc khác nhau của một phần tử. Điều này là do thực tế là các nguyên tử của nguyên tố được liên kết với nhau theo một cách khác.

Ví dụ, các thù hình của carbon bao gồm kim cương, than chì, graphene và fullerene.

Làm tất cả các yếu tố có đẳng hướng? Câu trả lời là Không. Chỉ một số nguyên tố có đồng vị.

Thuật ngữ allotropy chỉ được sử dụng cho các nguyên tố, không phải cho các hợp chất. Allotropy chỉ đề cập đến các dạng khác nhau của một nguyên tố trong cùng một trạng thái (nghĩa là các dạng rắn, lỏng hoặc khí khác nhau); bản thân những trạng thái khác nhau này không được coi là những ví dụ của hiện tượng đẳng hướng.

Các đồng vị có công thức phân tử khác nhau trong một số nguyên tố mặc dù có sự khác biệt về pha. Ví dụ, trong oxy, hai đồng vị: dioxygen O2 và ozon O3 đều có thể tồn tại ở các trạng thái khác nhau, rắn, lỏng hoặc khí.

Các loại đẳng hướng: Monotropic và Enantiotropic

Các đồng vị có thể là đơn hướng hoặc đối hướng.

• Trong các dạng thù hình đơn hướng, chỉ có một dạng ổn định nhất trong các điều kiện khác nhau. Nó xảy ra khi một dạng cụ thể của một phần tử duy trì sự ổn định của nó trong điều kiện bình thường, trong khi (các) dạng khác thay đổi, cuối cùng chuyển thành dạng ổn định. Than chì và kim cương, như đã đề cập trước đó, là các đồng vị của carbon, với than chì là chất ổn định và kim cương chuyển đổi chậm thành than chì.
• Ở dạng đối hướng, các dạng khác nhau ổn định ở các điều kiện khác nhau và trải qua quá trình chuyển đổi thuận nghịch. Nó xảy ra khi một điều kiện cụ thể như nhiệt độ hoặc áp suất làm cho một dạng chất chuyển sang dạng khác. Ví dụ, có hai đồng vị của thiếc - thiếc trắng và thiếc xám. Thiếc trắng ổn định ở nhiệt độ trên 13,2° và thiếc xám ổn định ở nhiệt độ dưới 13,2°. Ở nhiệt độ dưới 13,2°C, nó chuyển từ thiếc trắng sang thiếc xám.

Allotropism so với đa hình

Thuyết đẳng hướng chỉ đề cập đến các dạng khác nhau của các nguyên tố hóa học tinh khiết. Hiện tượng trong đó các hợp chất hiển thị các dạng tinh thể khác nhau được gọi là đa hình.

Đồng vị trong bảng tuần hoàn

Các đồng vị chỉ xảy ra với các yếu tố nhất định, trong Nhóm 13 đến 16 trong Bảng tuần hoàn.

Nhóm 13

Boron (B), nguyên tố cứng thứ hai, là nguyên tố đẳng hướng duy nhất trong Nhóm 13. Nó chỉ đứng sau carbon (C) về khả năng hình thành mạng lưới liên kết nguyên tố.

Đồng vị của Boron

• bo vô định hình
• boron α-rhombohedral kết tinh màu đỏ
• boron β-rhombohedral kết tinh màu đen (đồng vị ổn định nhất về mặt nhiệt động)
• boron β-tetragonal kết tinh màu đen

Nhóm 14

Trong nhóm 14, chỉ có carbon và thiếc tồn tại dưới dạng đồng vị trong điều kiện bình thường.

Đồng vị của cacbon

Các thù hình của carbon bao gồm:

• Kim cương, trong đó các nguyên tử carbon được liên kết với nhau theo cách sắp xếp mạng bốn góc
• Than chì, nơi các nguyên tử carbon được liên kết với nhau trong các tấm của mạng sáu cạnh
• Graphene, các tấm than chì đơn lẻ; và
• Fullerene, trong đó các nguyên tử carbon được liên kết với nhau thành hình cầu, hình trụ hoặc hình quả trứng

Kim cương và than chì là những đồng vị nổi tiếng nhất của carbon. Các tính chất của kim cương và than chì rất khác nhau với kim cương trong suốt và rất cứng trong khi than chì có màu đen và mềm (đủ mềm để viết trên giấy).

Than chì là dạng carbon bền nhiệt động nhất. Than chì là một chất rắn sẫm màu, giống sáp, được sử dụng rộng rãi làm chất bôi trơn. Nó cũng là một chất dẫn điện rất tốt và có thể được sử dụng làm vật liệu trong các điện cực của đèn hồ quang điện. Than chì là dạng carbon rắn ổn định nhất từng được phát hiện. Nó cũng bao gồm “chì” trong bút chì.

Kim cương có điểm nóng chảy cao nhất và là chất rắn cứng nhất trong tự nhiên. Độ cứng và độ phân tán ánh sáng cao của nó làm cho nó phù hợp để sử dụng trong đồ trang sức. Nó cũng có sử dụng công nghiệp. Độ cứng của nó làm cho nó trở thành một chất mài mòn tuyệt vời.

Đồng vị của Thiếc

Thiếc có hai đồng vị chính:

• Ở nhiệt độ phòng, dạng thù hình ổn định là β-tin, một kim loại dễ uốn, màu trắng bạc. Nó còn được gọi là thiếc trắng. Nó có cấu trúc tứ giác tập trung vào cơ thể.
• ở nhiệt độ thấp, nó biến đổi thành α-tin màu xám ít đậm đặc hơn, có cấu trúc khối kim cương. Nó còn được gọi là thiếc xám. Nó có cấu trúc mạng kiểu kim cương.
  
  Hai đồng vị khác, γ và σ, tồn tại ở nhiệt độ trên 161°C (322 °F) và áp suất trên vài GPa. Trong điều kiện lạnh, β-tin có xu hướng biến đổi một cách tự nhiên thành α-tin, một hiện tượng được gọi là “bệnh thiếc” hoặc “bệnh thiếc”. Sâu bệnh thiếc là một vấn đề đặc biệt ở Bắc Âu vào thế kỷ 18 vì các ống đàn organ làm bằng thiếc thỉnh thoảng sẽ bị ảnh hưởng trong mùa đông dài lạnh giá.

Nhóm 15

Có hai nguyên tố đẳng hướng trong Nhóm 15, phốt pho và asen.

Đồng vị của phốt pho

Các dạng đẳng hướng chính của các dạng phốt pho là:

• Phốt pho trắng hoặc vàng – Nó là chất rắn dạng sáp và rất độc. Nó là dạng photpho dễ bay hơi nhất, phản ứng mạnh nhất và độc hại nhất nhưng kém ổn định về mặt nhiệt động nhất. Nó phát sáng trong bóng tối và có thể tự bốc cháy trong không khí.
• Phốt pho đỏ – Nó được tìm thấy ở bên cạnh hộp diêm. Phốt pho đỏ được hình thành khi phốt pho trắng được nung nóng đến 250°C và tạo thành hơi. Hơi sau đó được thu thập dưới nước.
• Phốt pho đen – Đây là dạng phốt pho ổn định nhất về mặt nhiệt động và ít phản ứng nhất. Nó tồn tại dưới dạng ba tinh thể (trực thoi-, hình thoi- và kim loại, hoặc lập phương) và một dạng thù hình, vô định hình.
• Phốt pho tím – Nó còn được gọi là phốt pho đơn tà hoặc phốt pho Hittorf sau khi người phát hiện ra nó.

Chỉ có phốt pho trắng và đỏ là có tầm quan trọng trong công nghiệp.

Đồng vị của asen

Asen tồn tại trong một số đồng vị. Hai đồng vị phổ biến nhất của nó là – màu vàng và màu xám kim loại.

• Asen xám là một chất rắn sáng bóng giòn.
• Thạch tín vàng mềm và như sáp. Nó phản ứng và rất độc và chuyển thành asen xám khi tiếp xúc với ánh sáng ở nhiệt độ phòng.
• Một thù hình khác là asen đen.

Nhóm 16

Chỉ có ba nguyên tố đẳng hướng trong Nhóm 16 - oxy, lưu huỳnh và selen.

Đồng vị của oxy

Một phân tử hai nguyên tử được tạo thành từ 2 nguyên tử oxy có công thức phân tử O2 thường được gọi là oxy phân tử hoặc oxy dioxygen. Nó là hình thức phổ biến nhất của oxy nguyên tố. Nó là một loại khí không màu ở nhiệt độ phòng và chiếm khoảng 21% bầu khí quyển của trái đất. Nó tồn tại dưới dạng một diradical và là dạng thù hình duy nhất có các electron chưa ghép cặp.

Một phân tử triatomic được tạo thành từ 3 nguyên tử oxy với công thức phân tử O3 được gọi là ozone. Ozone không ổn định về mặt nhiệt động và có tính phản ứng cao. Nó được Christian Friedrich Schonbein phát hiện vào năm 1840, và tồn tại dưới dạng khí màu lam nhạt ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường.

Cả hai đồng vị của oxy, dioxygen và ozone, chỉ được tạo thành từ các nguyên tử oxy, nhưng chúng khác nhau về cách sắp xếp các nguyên tử oxy:

• Oxy phân tử (dioxygen), O2, là một phân tử tuyến tính
• Ozone, O3, là một phân tử uốn cong. Nó có tính phản ứng cao.

Ozone có chức năng như một lá chắn bảo vệ sinh quyển chống lại các tác động gây đột biến và có hại của bức xạ UV.

Tetraoxygen là một dạng thù hình khác của oxy. Nó còn được gọi là oxozone. Nó tồn tại dưới dạng chất rắn màu đỏ đậm được tạo ra bằng cách tạo áp suất O2 ở mức 20 GPa.

Đồng vị của lưu huỳnh

Hiện tại, khoảng 30 đồng vị lưu huỳnh đặc trưng đã được biết đến.

α-lưu huỳnh tạo thành các tinh thể hình thoi, màu vàng từ các vòng nguyên tử lưu huỳnh có 8 cạnh (S8). Nó còn được gọi là lưu huỳnh hình thoi, và là dạng chủ yếu được tìm thấy trong "hoa lưu huỳnh", "lưu huỳnh cuộn" và "sữa lưu huỳnh".

β-Lưu huỳnh là chất rắn màu vàng có dạng tinh thể đơn nghiêng và nhẹ hơn α-lưu huỳnh. Nó còn được gọi là lưu huỳnh đơn tà. Điều này là bất thường vì nó chỉ ổn định trên 95,3 °C, dưới nhiệt độ này nó chuyển thành α-lưu huỳnh.

γ-lưu huỳnh tạo thành các tinh thể hình kim, đơn tà, màu vàng từ các vòng nguyên tử lưu huỳnh có 8 cạnh (S8). Nó đôi khi được gọi là "lưu huỳnh xà cừ" hoặc "lưu huỳnh xà cừ" vì vẻ ngoài của nó. Nó là hình thức dày đặc nhất của ba.

Đồng vị của Selenium

Selenium (Se) cũng tồn tại ở một số dạng đẳng hướng – selen xám (lượng giác), selen hình thoi, ba dạng đơn tà màu đỏ đậm (α -, β -, và γ –selenium), selen đỏ vô định hình và selen thủy tinh thể màu đen. Dạng đặc nhất và ổn định về mặt nhiệt động học nhất là selen xám (lưỡng giác), chứa các chuỗi nguyên tử selen xoắn ốc vô hạn. Tất cả các dạng khác trở lại selen xám khi nóng lên. Để phù hợp với mật độ của nó, selen xám được coi là kim loại và nó là dạng selen duy nhất dẫn điện. Một biến dạng nhỏ của cấu trúc xoắn ốc sẽ tạo ra một mạng tinh thể kim loại hình khối.

Tính chất khác nhau của các đồng vị

Các đồng vị của cùng một nguyên tố có thể thể hiện các hành vi vật lý và hóa học khác nhau. Sự thay đổi trong các dạng đẳng hướng được tạo điều kiện bởi các lực tương tự ảnh hưởng đến các cấu trúc khác, chúng bao gồm nhiệt độ, áp suất và ánh sáng. Ví dụ, hành vi hóa học của ozone khác với dioxygen; ozon là chất oxi hóa mạnh hơn dioxygen.

Tom tăt bai học

• Các đồng vị là những sửa đổi cấu trúc khác nhau của một nguyên tố.
• Allotropism là sự tồn tại của một số nguyên tố hóa học ở hai hoặc nhiều dạng khác nhau.
• Allotropism là kết quả của sự khác biệt trong liên kết của các nguyên tử của một nguyên tố.
• Thuật ngữ đẳng hướng chỉ được sử dụng trong các nguyên tố chứ không phải cho các hợp chất.
• Các đồng vị của cùng một nguyên tố có thể hiển thị các tính chất vật lý và hóa học khác nhau.