Аллотропия

Алмаз и графит - это два аллотропа углерода: чистые формы одного и того же элемента, различающиеся кристаллической структурой.

Аллотропия или аллотропизм (от древнегреческого ἄλλος (аллос) «другой» и τρόπος (тропос) «манера, форма») - это свойство некоторых химических элементов существовать в двух или более различных формах в одном и том же физическом состоянии , известном как аллотропы элементов. Аллотропы - это различные структурные модификации элемента; ^[1] , что атомы этого элемента соединены друг с другом различным образом. Например, аллотропы углерода включают алмаз (атомы углерода связаны в тетраэдрическую форму).структура решетки), графит (атомы углерода связаны вместе в листы гексагональной решетки ), графен (отдельные листы графита) и фуллерены (атомы углерода связаны вместе в сферические, трубчатые или эллипсоидальные образования).

Термин аллотропия используется только для элементов, а не для соединений . Более общий термин, используемый для любого кристаллического материала, - это полиморфизм . Аллотропия относится только к различным формам элемента в одной и той же фазе (то есть: твердое , жидкое или газовое состояние); Различия между этими состояниями сами по себе не являются примерами аллотропии.

Для некоторых элементов аллотропы имеют разные молекулярные формулы, несмотря на разницу в фазах; например, два аллотропа кислорода ( дикислород , O ₂ , и озон , O ₃ ) могут оба существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Другие элементы не поддерживают отчетливых аллотропов в разных фазах; например, фосфор имеет множество твердых аллотропов , которые все превращаются в одну и ту же форму P ₄ при плавлении до жидкого состояния.

История [ править ]

Концепция аллотропии была первоначально предложена в 1841 году шведским ученым бароном Йенсом Якобом Берцелиусом (1779–1848). ^[2] Термин происходит от греческого άλλοτροπἱα (аллотропия) «изменчивость, изменчивость». ^[3] После принятия гипотезы Авогадро в 1860 году стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, и два аллотропа кислорода были признаны как O ₂ и O ₃ . ^[2] В начале 20 века было признано, что другие случаи, такие как углерод, были вызваны различиями в кристаллической структуре.

К 1912 году Оствальд отметил, что аллотропия элементов - это просто частный случай явления полиморфизма, известного для соединений, и предложил отказаться от терминов аллотропия и аллотропия и заменить их на полиморф и полиморфизм. ^[2] Хотя многие другие химики повторяли этот совет, ИЮПАК и большинство текстов по химии по-прежнему отдают предпочтение использованию аллотропа и аллотропии только для элементов. ^[4]

Различия в свойствах аллотропов элементов [ править ]

Аллотропы - это разные структурные формы одного и того же элемента, которые могут проявлять совершенно разные физические свойства и химическое поведение. Смена аллотропных форм вызывается теми же силами, которые влияют на другие структуры, то есть давлением , светом и температурой . Следовательно, стабильность конкретных аллотропов зависит от конкретных условий. Например, железо при температуре выше 906 ° C превращается из объемноцентрированной кубической структуры ( феррит ) в гранецентрированную кубическую структуру ( аустенит ), а олово подвергается модификации, известной как оловянный вредитель из металлическогопревращаются в полупроводниковые при температуре ниже 13,2 ° C (55,8 ° F). В качестве примера аллотропов, имеющих различное химическое поведение, озон (O ₃ ) является гораздо более сильным окислителем, чем дикислород (O ₂ ).

Список аллотропов [ править ]

Обычно элементы, обладающие переменным координационным числом и / или степенями окисления, имеют тенденцию проявлять большее количество аллотропных форм. Еще один способствующий фактор - это способность элемента катетеризоваться .

Примеры аллотропов включают:

Неметаллы [ править ]

Элемент	Аллотропы
Углерод	Алмаз - чрезвычайно твердый прозрачный кристалл, атомы углерода которого расположены в тетраэдрической решетке. Плохой электрический провод. Отличный теплопроводник. Лонсдейлит - также называют гексагональным алмазом. Графен - основной структурный элемент других аллотропов, нанотрубок, угля и фуллеренов. Q-углерод - ферромагнитная, прочная и блестящая кристаллическая структура, которая тверже и ярче, чем алмазы. ^{[ сомнительно - обсудить ]} Графит - мягкое, черное, чешуйчатое твердое тело, умеренный электрический проводник. Атомы C связаны в плоские гексагональные решетки ( графен ), которые затем накладываются слоями. Линейный ацетиленовый углерод (Карбин) Аморфный углерод Фуллерены , включая бакминстерфуллерен , также известные как «бакиболлы», такие как C ₆₀ . Углеродные нанотрубки - аллотропы углерода с цилиндрической наноструктурой. Шварциты Циклокарбон Стекловидный углерод
Фосфор	Белый фосфор - твердое кристаллическое вещество из молекул тетрафосфора (P ₄ ). Красный фосфор - аморфное полимерное твердое вещество Алый фосфор Фиолетовый фосфор с моноклинной кристаллической структурой Черный фосфор - полупроводник, аналог графита Дифосфор - газообразная форма, состоящая из молекул P ₂ , стабильная при температуре от 1200 ° C до 2000 ° C; создается, например, диссоциацией молекул P ₄ белого фосфора при температуре около 827 ° C
Кислород	Кислород , O ₂ - бесцветный (жидкий и твердый бледно-голубой цвет) Озон , О ₃ - синий Тетраоксиген , O ₄ - метастабильный Octaoxygen , O ₈ - красный
Сера	Цикло-пентасера, Цикло-С ₅ Циклогексасера, Цикло-С ₆ Цикло-гептасера, Цикло-С ₇ Цикло-октасера, Цикло-S ₈
Селен	«Красный селен», цикло-Се ₈ Серый селен, полимерный Se Черный селен, полимерные кольца неправильной формы длиной до 1000 атомов Моноклинный селен, темно-красные прозрачные кристаллы

Металлоиды [ править ]

Элемент	Аллотропы
Бор	Аморфный бор - коричневый порошок - правильные икосаэдры B ₁₂ α-ромбоэдрический бор β-ромбоэдрический бор γ-орторомбический бор α-тетрагональный бор β-тетрагональный бор Сверхпроводящая фаза высокого давления
Кремний	Аморфный кремний кристаллический кремний, кубическая структура алмаза Силицен, изогнутый плоский однослойный кремний, похожий на графен
Мышьяк	Желтый мышьяк - неметаллический молекулярный As ₄ , имеющий ту же структуру, что и белый фосфор Серый мышьяк, полимерный As (металлоид) Черный мышьяк - молекулярный и неметаллический, имеет ту же структуру, что и красный фосфор.
Германий	α-германий - полуметаллический, с той же структурой, что и алмаз β-германий - металлический, с той же структурой, что и бета-олово Германен - плоский германий с пряжкой, похожий на графен
Сурьма	сине-белая сурьма - стабильная форма (металлоид), имеющая ту же структуру, что и серый мышьяк желтая сурьма (неметалл) черная сурьма (неметаллик) взрывоопасная сурьма
Теллур	аморфный теллур - серо-черный или коричневый порошок ^[5] кристаллический теллур - гексагональная кристаллическая структура (металлоид)

Металлы [ править ]

Среди металлических элементов, которые встречаются в природе в значительных количествах (от 56 до U, без Tc и Pm), почти половина (27) являются аллотропными при атмосферном давлении: Li, Be, Na, Ca, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa и U. Некоторые фазовые переходы между аллотропными формами технологически важных металлов - это переходы Ti при 882 ° C, Fe при 912 ° C и 1394 ° C, Co при 422 ° C, Zr при 863 ° C, Sn при 13 ° C и U при 668 ° C и 776 ° C.

Элемент	Название фазы	Космическая группа	Символ Пирсона	Тип структуры	Описание
Литий		R 3 м	hR9	α- структура самария	Формы ниже 70 К. ^[6]
		Я 3 м	cI2	Телоцентрированный кубический	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
			cF4	Гранецентрированный кубический	Формы выше 7ГПа
			hR1		Промежуточная фаза образовывала ~ 40 ГПа.
			cI16		Формы выше 40ГПа.
Бериллий		P6 ₃ / mmc	hP2	Гексагональный плотно упакованный	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
Бериллий		Я 3 м	cI2	Тело центрированный кубический	Образуется при температуре выше 1255 ° C.
Натрий		R 3 м	hR9	α- структура самария	Образуется ниже 20 К.
		Я 3 м	cI2	Тело центрированный кубический	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
		FM 3 м	cF4	Гранецентрированный кубический	Образуется при комнатной температуре выше 65 ГПа. ^[7]
		Я 4 3д	cI16		Формируется при комнатной температуре 108ГПа. ^[8]
		ПНМА	oP8		Формируется при комнатной температуре, 119ГПа. ^[9]
Магний		P6 ₃ / mmc	hP2	гексагональный плотно упакованный	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
Магний		Я 3 м	cI2	Тело центрированный кубический	Образуется выше 50 ГПа. ^[10]
Банка	α-олово, серая олово , оловянный вредитель	Ж / д 3 м	cF8	Алмазный кубический	Стабилен ниже 13,2 ° C.
	β-олово, белое олово	I4 ₁ / драм	tI4	β-оловянная структура	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
	γ-олово, ромбическое олово	I4 / ммм		Телоцентрированный тетрагональный
	σ-Sn			Телоцентрированный кубический	Образуется при очень высоком давлении. ^[11]
	Станене
Утюг	α-Fe, феррит	Я 3 м	cI2	Телоцентрированный кубический	Стабилен при комнатной температуре и давлении. Ферромагнитный при T <770 ° C, парамагнитный при T = 770–912 ° C.
	γ-железо, аустенит	FM 3 м	cF4	Гранецентрированная кубическая	Стабилен при 912–1394 ° C.
	δ-железо	Я 3 м	cI2	Телоцентрированный кубический	Стабилен при температуре от 1394 до 1538 ° C, структура такая же, как у α-Fe.
	ε-железо, гексаферрум	P6 ₃ / mmc	hP2	Гексагональный плотно упакованный	Стабилен при высоких давлениях.
Кобальт	α-кобальт			простой кубический	Образуется при температуре выше 417 ° C.
Кобальт	β-кобальт			гексагональный плотно упакованный	Образуется при температуре ниже 417 ° C.
Полоний	α-полоний			простой кубический
Полоний	β-полоний			ромбоэдрический

Лантаноиды и актиниды [ править ]

Фазовая диаграмма актинидных элементов.

Церий , самарий , диспрозий и иттербий имеют три аллотропа.
Празеодим , неодим , гадолиний и тербий имеют два аллотропа.
Плутоний имеет шесть различных твердых аллотропов при "нормальном" давлении. Их плотность варьируется в пределах примерно 4: 3, что значительно усложняет все виды работ с металлом (особенно литье, механическую обработку и хранение). Седьмой аллотроп плутония существует при очень высоких давлениях. Трансурановые металлы Np, Am и Cm также аллотропны.
Прометий , америций , берклий и калифорний имеют по три аллотропа каждый. ^[12]

Наноаллотропы [ править ]

В 2017 году концепция наноаллотропии была предложена профессором Рафалом Клайном из отдела органической химии Научного института Вейцмана . ^[13] Наноаллотропы или аллотропы наноматериалов - это нанопористые материалы, которые имеют одинаковый химический состав (например, Au), но различаются по своей архитектуре в наномасштабе (то есть в масштабе, в 10-100 раз превышающем размеры отдельных атомов). . ^[14] Такие наноаллотропы могут помочь в создании сверхмалых электронных устройств и найти другие промышленные применения. ^[14] Различные наноразмерные архитектуры отражаются в разных свойствах, как было продемонстрировано для поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния света, выполненного на нескольких различных наналлотропах золота.^[13] Также был создан двухэтапный метод создания наноаллотропов. ^[14]

См. Также [ править ]

Изомер
Полиморфизм (материаловедение)
Сверхплотный углеродный аллотроп

Заметки [ править ]

^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Аллотроп ». DOI : 10,1351 / goldbook.A00243
^ a b c Дженсен, WB (2006), "Происхождение термина" аллотроп ", J. Chem. Educ. , 83 (6): 838-39, Bibcode : 2006JChEd..83..838J , DOI : 10.1021 / ed083p838.
^ "аллотропия", Новый английский словарь по историческим принципам , 1 , Oxford University Press, 1888, стр. 238.
^ Jensen 2006, цитируя Addison, WE The Allotropy of the Elements (Elsevier 1964), многие повторяли этот совет.
Перейти ↑ Raj, G. Advanced Inorganic Chemistry Vol-1 . Кришна Пракашан. п. 1327. ISBN 9788187224037. Проверено 6 января 2017 года .
^ Оверхаузер, AW (1984-07-02). «Кристаллическая структура лития при 4,2 К». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 53 (1): 64–65. Bibcode : 1984PhRvL..53 ... 64o . DOI : 10.1103 / physrevlett.53.64 . ISSN 0031-9007 .
^ Hanfland, M .; Loa, I .; Сьяссен, К. (13 мая 2002 г.). «Натрий под давлением: структурный переход от ОЦК к ГЦК и отношение давления к объему до 100 ГПа». Physical Review B . Американское физическое общество (APS). 65 (18): 184109. Bibcode : 2002PhRvB..65r4109H . DOI : 10.1103 / Physrevb.65.184109 . ISSN 0163-1829 .
^ МакМахон, Мичиган; Gregoryanz, E .; Lundegaard, LF; Loa, I .; Guillaume, C .; Nelmes, RJ; Клеппе, АК; Амбоаж, М .; Wilhelm, H .; Джефкоат, AP (2007-10-18). «Структура натрия выше 100 ГПа по данным дифракции рентгеновских лучей на монокристалле» . Труды Национальной академии наук . 104 (44): 17297–17299. Bibcode : 2007PNAS..10417297M . DOI : 10.1073 / pnas.0709309104 . ISSN 0027-8424 . PMC 2077250 . PMID 17947379 .
^ Gregoryanz, E .; Lundegaard, LF; МакМахон, Мичиган; Guillaume, C .; Nelmes, RJ; Мезуар, М. (23 мая 2008 г.). «Структурное разнообразие натрия». Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 320 (5879): 1054–1057. Bibcode : 2008Sci ... 320.1054G . DOI : 10.1126 / science.1155715 . ISSN 0036-8075 . PMID 18497293 . S2CID 29596632 .
^ Olijnyk, H .; Хольцапфель, ВБ (1 апреля 1985 г.). «Структурный фазовый переход при высоком давлении в Mg». Physical Review B . Американское физическое общество (APS). 31 (7): 4682–4683. Bibcode : 1985PhRvB..31.4682O . DOI : 10.1103 / Physrevb.31.4682 . ISSN 0163-1829 . PMID 9936412 .
^ Молодец, AM; Набатов, С.С. (2000). «Термодинамические потенциалы, диаграмма состояния и фазовые переходы олова при ударном сжатии». Высокая температура . 38 (5): 715–721. DOI : 10.1007 / BF02755923 . S2CID 120417927 .
^ Бенедикт, U .; Haire, RG; Петерсон-младший; Ити, JP (1985). «Делокализация 5f-электронов в металлическом кюрии под высоким давлением». Журнал физики F: Физика металлов . 15 (2): L29 – L35. Bibcode : 1985JPhF ... 15L..29B . DOI : 10.1088 / 0305-4608 / 15/2/002 .
^ a b Удайабхаскарарао, Туму; Альтанцис, Томас; Хубен, Лотар; Коронадо-Пухау, Марк; Лангер, Юдифь; Поповиц-Биро, Ронит; Лиз-Марзан, Луис М .; Вукович, Лела; Крал, Петр (27.10.2017). «Настраиваемые пористые наночастицы, полученные травлением бинарных сверхрешеток наночастиц после сборки» . Наука . 358 (6362): 514–518. Bibcode : 2017Sci ... 358..514U . DOI : 10.1126 / science.aan6046 . ISSN 0036-8075 . PMID 29074773 .
^ a b c «Материалы, которые не существуют в природе, могут привести к новым технологиям изготовления» . israelbds.org . Архивировано из оригинала на 2017-12-09 . Проверено 8 декабря 2017 .

Ссылки [ править ]

Чисхолм, Хью, изд. (1911). «Аллотропия» . Британская энциклопедия (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме аллотропии .

Найджел Банс и Джим Хант. «Уголок науки: аллотропы» . Архивировано 31 января 2008 года . Проверено 6 января 2017 года .CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
Аллотропы - химическая энциклопедия

[1] ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « Аллотроп ». DOI : 10,1351 / goldbook.A00243

[Jensen-2] Дженсен, WB (2006), "Происхождение термина" аллотроп ", J. Chem. Educ. , 83 (6): 838-39, Bibcode : 2006JChEd..83..838J , DOI : 10.1021 / ed083p838.

[3] "аллотропия", Новый английский словарь по историческим принципам , 1 , Oxford University Press, 1888, стр. 238.

[4] Jensen 2006, цитируя Addison, WE The Allotropy of the Elements (Elsevier 1964), многие повторяли этот совет.

[google-5] Перейти ↑ Raj, G. Advanced Inorganic Chemistry Vol-1 . Кришна Пракашан. п. 1327. ISBN 9788187224037. Проверено 6 января 2017 года .

[6] Оверхаузер, AW (1984-07-02). «Кристаллическая структура лития при 4,2 К». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 53 (1): 64–65. Bibcode : 1984PhRvL..53 ... 64o . DOI : 10.1103 / physrevlett.53.64 . ISSN 0031-9007 .

[7] Hanfland, M .; Loa, I .; Сьяссен, К. (13 мая 2002 г.). «Натрий под давлением: структурный переход от ОЦК к ГЦК и отношение давления к объему до 100 ГПа». Physical Review B . Американское физическое общество (APS). 65 (18): 184109. Bibcode : 2002PhRvB..65r4109H . DOI : 10.1103 / Physrevb.65.184109 . ISSN 0163-1829 .

[8] МакМахон, Мичиган; Gregoryanz, E .; Lundegaard, LF; Loa, I .; Guillaume, C .; Nelmes, RJ; Клеппе, АК; Амбоаж, М .; Wilhelm, H .; Джефкоат, AP (2007-10-18). «Структура натрия выше 100 ГПа по данным дифракции рентгеновских лучей на монокристалле» . Труды Национальной академии наук . 104 (44): 17297–17299. Bibcode : 2007PNAS..10417297M . DOI : 10.1073 / pnas.0709309104 . ISSN 0027-8424 . PMC 2077250 . PMID 17947379 .

[9] Gregoryanz, E .; Lundegaard, LF; МакМахон, Мичиган; Guillaume, C .; Nelmes, RJ; Мезуар, М. (23 мая 2008 г.). «Структурное разнообразие натрия». Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 320 (5879): 1054–1057. Bibcode : 2008Sci ... 320.1054G . DOI : 10.1126 / science.1155715 . ISSN 0036-8075 . PMID 18497293 . S2CID 29596632 .

[10] Olijnyk, H .; Хольцапфель, ВБ (1 апреля 1985 г.). «Структурный фазовый переход при высоком давлении в Mg». Physical Review B . Американское физическое общество (APS). 31 (7): 4682–4683. Bibcode : 1985PhRvB..31.4682O . DOI : 10.1103 / Physrevb.31.4682 . ISSN 0163-1829 . PMID 9936412 .

[11] Молодец, AM; Набатов, С.С. (2000). «Термодинамические потенциалы, диаграмма состояния и фазовые переходы олова при ударном сжатии». Высокая температура . 38 (5): 715–721. DOI : 10.1007 / BF02755923 . S2CID 120417927 .

[12] Бенедикт, U .; Haire, RG; Петерсон-младший; Ити, JP (1985). «Делокализация 5f-электронов в металлическом кюрии под высоким давлением». Журнал физики F: Физика металлов . 15 (2): L29 – L35. Bibcode : 1985JPhF ... 15L..29B . DOI : 10.1088 / 0305-4608 / 15/2/002 .

[:0-13] Удайабхаскарарао, Туму; Альтанцис, Томас; Хубен, Лотар; Коронадо-Пухау, Марк; Лангер, Юдифь; Поповиц-Биро, Ронит; Лиз-Марзан, Луис М .; Вукович, Лела; Крал, Петр (27.10.2017). «Настраиваемые пористые наночастицы, полученные травлением бинарных сверхрешеток наночастиц после сборки» . Наука . 358 (6362): 514–518. Bibcode : 2017Sci ... 358..514U . DOI : 10.1126 / science.aan6046 . ISSN 0036-8075 . PMID 29074773 .

[:1-14] «Материалы, которые не существуют в природе, могут привести к новым технологиям изготовления» . israelbds.org . Архивировано из оригинала на 2017-12-09 . Проверено 8 декабря 2017 .

[1]