В природе встречаются такие химические элементы, которые могут существовать в форме различных простых веществ, свойства которых, как химические, так и физические различны, а также кардинально различны строения их кристаллических решеток. В химии это называется «Аллотропия».
Содержание:
Аллотропия, это
Понятия «Аллотропия» имеет древнегреческие корни: αλλος - другой, τροπος - свойство.
Термин вошел в обиход с 1841 благодаря шведскому ученому, И. Я. Берцелиусу, в целях обозначения различных форм проявления одного и того же химического элемента.
Аллотропия химических элементов может проявляться в виде:
- аллотропии состава, когда различно число атомов в молекуле,
- аллотропии формы, когда различны строения кристаллических решеток.
В современной химии термин «Аллотропия» используется для простых веществ, вне зависимости от их агрегатного состояния.
Для веществ с твёрдым агрегатным состоянием, независимо от того, это вещество простое или сложное, используется термин «Полиморфизм» (от греческого слова Διαφοροποιημένο - многообразный).
Аллотропные преобразования
Химические элементы, образующие различные простые вещества и встречающиеся в природе, называются аллотропными формами химического элемента.
Химические элементы, образующие различные простые вещества под воздействием изменения окружающих условий, например, температура и давление, называются аллотропными модификациями химического элемента.
Не все химические элементы обладают свойством аллотропии.
Установлено, что аллотропией обладают химические элементы с высокой степенью окисления и способностью атомов к образованию гомоцепных структур.
Поэтому аллотропные преобразования в основном наблюдаются у неметаллов (за исключением галогенов и инертных газов), а также у полуметаллов.
Аллотропные преобразования металлов в природе встречаются намного реже. Только 28 металлов при атмосферном давлении имеют аллотропные формы и 6 образуют аллотропные модификации при их технологической обработке.
Химия аллотропных переходов
Преобразования химического элемента происходят при химическом переходе его атомного или молекулярного состояния из одной формы в другую. Эти переходы могут происходить при изменении окружающих условий, например:
- при нормальном давлении и изменении температуры;
- при изменении давления при неизменной температуре;
- при одновременном изменении давления и температуры.
Эти преобразования могут носить обратимый (энантиотропный) характер или необратимый (монотропный).
Примеры преобразований:
энантиотропный переход — превращение ромбической серы (α-S) в моноклинную (β-S) при нормальном давлении и температуре 95,6 °C. При снижении температуры ниже 95,6 °С происходит обратный переход моноклинной формы в ромбическую.- монотропный переход — модификация белого фосфора P4 в чёрный фосфор при температуре 200 °C и давлении 1,25 ГПа. Возвращение температуры и давления к исходным условиям не приводит к обратному переходу.
У некоторых химических элементов аллотропные переходы могут чередоваться.
Примером является олово.
Белое олово (β-Sn) в обычных условиях пластичное, имеет тетрагональную кристаллическую решетку и устойчиво.
Белое олово при повышении температуры выше 173 °C, превращается в хрупкую форму (γ-Sn). Превращение происходит энантиотропно.
Белое олово при понижении температуры ниже 13.2 °C, превращается в серое олово (α-Sn) порошкообразное с кубической алмазоподобной решёткой. Превращение происходит монотропно.
Некоторые химические элементы и их модификации
Неметаллы
Углерод — является лидером по количеству аллотропных форм и модификаций с абсолютно различными свойствами, а также строению кристаллических решеток. Самые распространенные из алмаз и графит. Есть также углеродные нанотрубки, лонсдейлит, фуллерен, карбин и многие другие.- Сера — вторая по подверженности аллотропии среди неметаллов. Основные ее виды: ромбическая, моноклинная и пластическая. При нормальных условиях окружающей среды моноклинная и пластическая модификации серы переходят в ромбическую.
- Фосфор — имеет 11 аллотропных форм, различающихся числом атомов в молекуле, химическими связями и свойствами, из которых белый фосфор, красный фосфор и черный фосфор имеют устойчивые формы и встречаются в природе, остальные формы распадающиеся и в природе не встречаются.
- Селен — в свободном состоянии бывает в трех видах: красный цикло-Se8, гексагональный или серый селен Se и чёрный селен.
- Водород — бывает в виде o-H2 (орто-водород) и p-H2 (пара-водорода). Молекулы o-H2 и p-H2 отличаются построением ядерных спинов. У o-H2 они параллельные, у p-H2 антипараллельные.
- Кислород — модифицируется в два вещества: Кислород (O2) и Озон (O3).
Полуметаллы
- Бор — встречается в более, чем в 10 состояниях в аморфной и кристаллической формах. Физические свойства этих форм различны.
- Кремний — бывает в аморфной и кристаллической формах. У кристаллической модификации решётка атомная, алмазоподобная.
- Сурьма — имеет четыре металлические и три аморфные аллотропные модификации. Металлические формы существуют при разном давлении. Аморфные формы сурьмы: взрывчатая, чёрная и жёлтая.
- Мышьяк — встречается в трех аллотропных состояниях: в виде неметалла или жёлтый мышьяк, в виде полуметаллического полимера или серый мышьяк, в виде неметаллической молекулярной структуры или чёрный мышьяк.
Металлы
- Железо — бывает в виде четырех кристаллических модификаций:
α-Fe или феррит. Имеет решётку объемноцентрированную кубическую. Существует до температуры 769 °C. Обладает свойствами ферромагнентики;- β-Fe. Имеет решётку объемноцентрированную кубическую. Существует при температурах от 769 °C до 917 °C. Обладает магнитными свойствами парамагнетики;
- γ-Fe или аустенит. Имеет решётку гранецентрированную кубическую. Существует при температурах от 917 °C до 1394 °C;
- δ-Fe. Имеет решётку объемноцентрированную кубическую. Имеет устойчивость при температуре выше 1394 °C.
- Олово — имеет две аллотропные формы: серое олово (α-Sn) с алмазоподобной кристаллической решёткой в виде мелкокристаллического порошка и белое олово (β-Sn) в виде пластичного серебристого металла, а также одну аллотропическую модификацию гамма-олово (γ-Sn) с ромбической структурой. Оно высокотемпературное.
