Аллотропия химических элементов¶
Аллотропия — свойство химических элементов существовать в виде нескольких простых веществ, различающихся по строению кристаллической решётки или молекулярной структуре, а также по физическим и химическим свойствам. Различные формы одного элемента называются аллотропными модификациями. Явление аллотропии впервые было описано в 1840-х годах шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом, который ввёл сам термин (от греч. ἄλλος — «другой» и τρόπος — «образ, способ»).
Аллотропные модификации одного элемента состоят из одинаковых атомов, но различаются способом их соединения. Так, алмаз, графит и графен — модификации углерода; озон и кислород — модификации кислорода; белый, красный, чёрный и жёлтый фосфор — модификации фосфора. Модификации могут существовать одновременно при определённых условиях или переходить друг в друга.
¶Классификация
Аллотропные модификации делятся на две основные группы:
- Молекулярные модификации — атомы объединены в дискретные молекулы, различающиеся числом атомов в молекуле. Примеры: O₂ и O₃, S₂, S₄, S₆, S₈.
- Немолекулярные (массивные) модификации — атомы образуют непрерывные кристаллические решётки или слоистые структуры. Примеры: алмаз, графит, графен, белый и красный фосфор.
По характеру кристаллической решётки немолекулярные модификации подразделяются на аллотропные формы с различными типами кристаллических решёток (тетрагональной, гексагональной, кубической и др.).
¶Аллотропия удельных элементов
¶Углерод
Наиболее известный пример аллотропии — углерод. Основные модификации:
| Модификация | Строение | Свойства |
|---|---|---|
| Алмаз | Тетраэдрическая решётка, sp³-гибридизация | Твёрдость 10 по шкале Мооса, диэлектрик |
| Графит | Слоистая структура, sp²-гибридизация | Мягкий, токопроводящий |
| Фуллерены | Замкнутые молекулы C₆₀, C₇₀ и др. | Полупроводниковые свойства |
| Графен | Слой углеродных атомов в гексагональной решётке | Рекордная электропроводность и прочность |
| Карбин | Цепочечная структура sp-гибридизации | Линейные цепи атомов |
Алмаз и графит при обычных условиях термодинамически нестабильны относительно друг друга: графит является более стабильной формой, но переход алмаза в графит при нормальных условиях практически не идёт из-за высокого энергетического барьера.
¶Кислород
Кислород образует две основные аллотропные модификации: молекулярный кислород O₂ (диоксиген) и озон O₃. Озон обладает сильными окислительными свойствами и образуется в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения. Существование O₄ как устойчивой модификации не подтверждено.
¶Фосфор
Фосфор образует несколько аллотропных форм: белый (тетраэдрические молекулы P₄), красный (полимерная цепочечная структура), чёрный (наиболее термодинамически стабильная форма, аналогичная по строению графиту) и фиолетовый фосфор. Белый фосфор токсичен и самовоспламеняется на воздухе.
¶Сера
Сера образует молекулы различного состава — S₂, S₃, S₄, S₆, S₇, S₈. Наиболее устойчива молекула S₈ в виде кольца. При нагревании сера образует длинные цепи, что объясняет её аномальную вязкость.
¶Другие элементы
Аллотропия характерна для многих элементов: олово (серое α-олово с кубической решёткой и белое β-олово с тетрагональной), кремний, бор, селен, мышьяк, азот (N₂ и N₃), хлор (Cl₂ и Cl₃), теллур, сурьма, висмут и др. У олова известен «оловянный мор» — превращение белого олова в серое при низких температурах.
¶Аллотропные переходы
Переход одной аллотропной модификации в другую называется аллотропным переходом. Он может быть:
- Первого рода — сопровождается поглощением или выделением теплоты (эндотермический или экзотермический) и скачком объёма. Пример: переход белого олова в серое.
- Второго рода — происходит непрерывно, без теплоты и скачка объёма. Пример: переход графита в графен.
Аллотропные переходы изучаются методами термодинамики и фазовых диаграмм. Температура и давление, при которых модификации находятся в равновесии, определяются диаграммой фазового равновесия.
¶Значение
Аллотропия имеет большое практическое значение. Алмаз используется в качестве абразива и в ювелирном деле, графит — как токопроводящий материал и для производства карандашей, графен — в перспективной электронике. Озон применяется для стерилизации воды и воздуха. Аллотропные переходы учитываются при хранении и транспортировке материалов (например, предотвращение «оловянного мора»).
Источники:
- Глинка Н. Л. «Общая химия»
- Стадников Г. Н. «Курс общей химии»
- Хомченко Г. П. «Химия для поступающих в вузы»
- Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
- Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева