Что такое аллотропия. Аллотропия

В начале XX века было признано, что различия в кристаллической структуре простых веществ (например, углерода или фосфора) также являются причиной аллотропии. В 1912 году В. Оствальд отметил, что аллотропия элементов является просто частным случаем полиморфизма кристаллов , и предложил отказаться от этого термина. Однако по настоящее время эти термины используются параллельно. Аллотропия относится только к простым веществам, независимо от их агрегатного состояния; полиморфизм - только к твёрдому состоянию независимо от того, простое это вещество или сложное. Таким образом, эти термины совпадают для простых твёрдых веществ (кристаллическая сера, фосфор, железо и др.) .

Примеры аллотропии

В настоящее время известно более 400 разновидностей простых веществ. Способность элемента к образованию аллотропных форм обусловлена строением атома, которое определяет тип химической связи, строение молекул и кристаллов.

Как правило, большее число аллотропных форм образуют элементы, имеющие переменные значения координационного числа или степени окисления (олово, фосфор). Другим важным фактором является катенация - способность атомов элемента образовывать гомоцепные структуры (например, сера). Склонность к аллотропии более выражена у неметаллов , за исключением галогенов , благородных газов , и полуметаллов .

Принято обозначать различные аллотропические формы одного и того же элемента строчными буквами греческого алфавита; причём форму, существующую при самых низких температурах, обозначают буквой α, следующую - β и т. д.

Неметаллы

Элемент	Аллотропные модификации
Водород :	Водород может существовать в виде орто - и пара -водорода. В молекуле орто-водорода o -H 2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины параллельны, а у пара-водорода p -H 2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - антипараллельны.
Углерод :
Фосфор :	Известно 11 аллотропных модификаций фосфора. Основные модификации: белый , красный и чёрный фосфор . Белый фосфор ядовит, светится в темноте, способен самовоспламеняться, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте, сам по себе не воспламеняется.
Кислород :	Две аллотропные модификации: О 2 - кислород и О 3 - озон . Кислород бесцветен, не имеет запаха; озон имеет выраженный запах, имеет бледно-фиолетовый цвет, он более бактерициден.
Сера :	Большое число аллотропных модификаций, второе место после углерода. Основные модификации: ромбическая, моноклинная и пластическая сера.
Селен :	Красный цикло-Se 8 , серый полимер Se и чёрный селен.

Полуметаллы

Элемент	Аллотропные модификации
Бор :	Бор существует в аморфном и кристаллическом видах. Аморфный бор - порошок бурого цвета. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический бор. Кристаллический бор - вещество чёрного цвета. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, которые кристаллизуются в ромбической и тетрагональной сингониях. Наиболее устойчивая модификация - β-ромбический бор - состоит из икосаэдров B 12 , которые образуют слои, объединенные в бесконечную структуру.
Кремний :	Различают две основные аллотропные модификации кремния - аморфную и кристаллическую. Решётка кристаллической модификации кремния - атомная, алмазоподобная. Также выделяют поликристаллический и монокристаллический кремний.
Мышьяк :	Три основные аллотропные модификации: жёлтый мышьяк (неметалл, состоящий из молекул As 4 - структура, аналогичная белому фосфору), серый мышьяк (полуметаллический полимер), чёрный мышьяк (неметаллическая молекулярная структура, аналогичная красному фосфору).
Германий :	Две аллотропные модификации: α-Ge - полуметалл с алмазоподобной кристаллической решёткой и β-Ge - с металлической структурой, аналогичной β-Sn.
Сурьма :	Известны четыре металлических аллотропных модификаций сурьмы, существующих при различных давлениях, и три аморфные модификации (взрывчатая, чёрная и жёлтая сурьма), из которых наиболее устойчива металлическая форма серебристо-белого цвета с синеватым оттенком
Полоний :	Полоний существует в двух аллотропных металлических модификациях. Кристаллы одной из них - низкотемпературной - имеют кубическую решетку (α-Po), а другой - высокотемпературной - ромбическую (β-Po). Фазовый переход из одной формы в другую происходит при 36 °C, однако при обычных условиях полоний находится в высокотемпературной форме вследствие разогрева собственным радиоактивным излучением.

Металлы

Среди металлов, которые встречаются в природе в больших количествах (до U, без Tc и Pm), 28 имеют аллотропные формы при атмосферном давлении: Li, Be, Na, Ca, Sc, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa, U. Также важны аллотропные формы ряда металлов, образующиеся при их технологической обработке: 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	Аллотропные модификации
Олово :	Олово существует в трех аллотропных модификациях. Серое олово (α-Sn) мелкокристаллический порошок, полупроводник, имеющий алмазоподобную кристаллическую решётку, существует при температуре ниже 13,2 °С. Белое олово (β-Sn) - пластичный серебристый металл, устойчивый в интервале температур 13,2-161 °С. Высокотемпературное гамма-олово (γ-Sn), имеющее ромбическую структуру, отличается высокой плотностью и хрупкостью, устойчиво между 161 и 232 °С (температура плавления чистого олова).
Железо :	Для железа известны четыре кристаллические модификации: до 769 °C (точка Кюри) существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика ; в температурном интервале 769-917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика ; в температурном интервале 917-1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой; выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой
Лантаноиды :	Церий, самарий, диспрозий и иттербий имеют по три аллотропических модификации; празеодим, неодим, гадолиний и тербий - по две.
Актиниды :	Для всех актиноидов, кроме актиния, характерен полиморфизм. Кристаллические структуры протактиния, урана, нептуния и плутония по своей сложности не имеют аналогов среди лантаноидов и более похожи на структуры 3d-переходных металлов. Плутоний имеет семь полиморфных модификаций (в том числе, при обычном давлении - 6), а уран, прометий, нептуний, америций, берклий и калифорний - три. Лёгкие актиниды в точке плавления имеют объёмно-центрированную решётку, а начиная с плутония - гранецентрированную.

Энантиотропные и монотропные переходы

Переход одной аллотропной модификации в другую происходит при изменении температуры или давления (или одновременном воздействии обоих факторов) и связан со скачкообразным изменением свойств вещества. Этот процесс бывает обратимым (энантиотропным ) и необратимым (монотропным ).

Примером энантиотропного перехода может служить превращение ромбической серы в моноклинную α-S (ромб.) ↔ β-S (монокл.) при 95,6 °C. При обычной температуре стабильной является ромбическая модификация серы, которая при нагревании до 95,6 °С при нормальном давлении переходит в моноклинную форму. Последняя при охлаждении ниже 95,6 °С вновь переходит в ромбическую форму. Таким образом, переход одной формы серы в другую происходит при одной и той же температуре, и сами формы называются энантиотропными.

К монотропному переходу относится превращение белого фосфора P 4 под давлением 1,25 ГПа и температуре 200 °C в более стабильную модификацию - чёрный фосфор. При возвращении к обычным условиям обратный переход не происходит. Переход из нестабильной формы в стабильную в принципе возможен при любой температуре, а обратный - нет, то есть определенная точка перехода отсутствует. Ещё один пример - превращение графита в алмаз при давлении 6 ГПа и температуре 1500 °C в присутствии катализатора (никель, хром, железо и другие металлы), то есть при условиях термодинамической устойчивости алмаза. Тогда как алмаз легко и быстро переходит в графит при температурах выше 1000 °С. В обоих случаях давление способствует превращению, поскольку образуется вещества с более высокой плотностью, чем исходные.

Три известные модификации олова переходят друг в друга различным образом. При обычных условиях устойчиво β-Sn (пластичное белое олово) с тетрагональной кристаллической решеткой . Выше 173 °С β-Sn энантиотропно превращается в хрупкую модификацию γ-Sn, а ниже 13,2 °C β-Sn переходит монотропно в порошкообразное α-Sn (серое олово) с кубической решёткой типа алмаза . Этот полиморфный переход происходит с малой скоростью, но резко ускоряется в контакте с серым оловом - плотные куски белого олова рассыпаются в пыль («оловянная чума »). Обратный процесс возможен только путём переплавки.

Напишите отзыв о статье "Аллотропия"

Примечания

См. также

Литература

Эддисон У. Аллотропия химических элементов. - М.: Мир, 1966. - 207 с.

Ссылки

Аллотропия // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.

Отрывок, характеризующий Аллотропия

Я спросила у Стелы, как его зовут, и давно ли она его создала.
– Ой, я ещё даже и не придумала, как звать! А появился он прямо сейчас! Правда он тебе нравится? – весело щебетала девчушка, и я чувствовала, что ей было приятно видеть меня снова.
– Это тебе! – вдруг сказала она. – Он будет с тобой жить.
Дракончик смешно вытянул свою шипастую мордочку, видимо решив посмотреть, нет ли у меня чего интересненького... И неожиданно лизнул меня прямо в нос! Стелла визжала от восторга и явно была очень довольна своим произведением.
– Ну, ладно, – согласилась я, – пока я здесь, он может быть со мной.
– Ты разве его не заберёшь с собой? – удивилась Стелла.
И тут я поняла, что она, видимо, совершенно не знает, что мы «разные», и что в том же самом мире уже не живём. Вероятнее всего, бабушка, чтобы её пожалеть, не рассказала девчушке всей правды, и та искренне думала, что это точно такой же мир, в котором она раньше жила, с разницей лишь в том, что теперь свой мир она ещё могла создавать сама...
Я совершенно точно знала, что не хочу быть тем, кто расскажет этой маленькой доверчивой девочке, какой по-настоящему является её сегодняшняя жизнь. Она была довольна и счастлива в этой «своей» фантастической реальности, и я мысленно себе поклялась, что ни за что и никогда не буду тем, кто разрушит этот её сказочный мир. Я только не могла понять, как же объяснила бабушка внезапное исчезновение всей её семьи и вообще всё то, в чём она сейчас жила?..
– Видишь ли, – с небольшой заминкой, улыбнувшись сказала я, – там где я живу драконы не очень-то популярны....
– Так его же никто не увидит! – весело прощебетала малышка.
У меня прямо-таки гора свалилась с плеч!.. Я ненавидела лгать или выкручиваться, и уж особенно перед таким чистым маленьким человечком, каким была Стелла. Оказалось – она прекрасно всё понимала и каким-то образом ухитрялась совмещать в себе радость творения и грусть от потери своих родных.
– А я наконец-то нашла себе здесь друга! – победоносно заявила малышка.
– Да ну?.. А ты меня с ним когда-нибудь познакомишь? – удивилась я.
Она забавно кивнула своей пушистой рыжей головкой и лукаво прищурилась.
– Хочешь прямо сейчас? – я чувствовала, что она буквально «ёрзает» на месте, не в состоянии более сдерживать своё нетерпение.
– А ты уверена, что он захочет придти? – насторожилась я.
Не потому, что я кого-то боялась или стеснялась, просто у меня не было привычки беспокоить людей без особо важного на то повода, и я не была уверена, что именно сейчас этот повод является серьёзным... Но Стелла была видимо, в этом абсолютно уверена, потому, что буквально через какую-то долю секунды рядом с нами появился человек.
Это был очень грустный рыцарь... Да, да, именно рыцарь!.. И меня очень удивило, что даже в этом, «другом» мире, где он мог «надеть» на себя любую энергетическую «одежду», он всё ещё не расставался со своим суровым рыцарским обличием, в котором он себя всё ещё, видимо, очень хорошо помнил... И я почему-то подумала, что у него должны были на это быть какие-то очень серьёзные причины, если даже через столько лет он не захотел с этим обликом расставаться.
Обычно, когда люди умирают, в первое время после своей смерти их сущности всегда выглядят именно так, как они выглядели в момент своей физической смерти. Видимо, огромнейший шок и дикий страх перед неизвестным достаточно велики, чтобы не добавлять к этому какой-либо ещё дополнительный стресс. Когда же время проходит (обычно через год), сущности старых и пожилых людей понемногу начинают выглядеть молодыми и становятся точно такими же, какими они были в лучшие годы своей юности. Ну, а безвременно умершие малыши резко «взрослеют», как бы «догоняя» свои недожитые годы, и становятся чем-то похожими на свои сущности, какими они были когда вошли в тела этих несчастных, слишком рано погибших, или от какой-то болезни безвременно умерших детей, с той лишь разницей, что некоторые из них чуть «прибавляют» в развитии, если при их коротко прожитых в физическом теле годах им достаточно повезло... И уже намного позже, каждая сущность меняется, в зависимости от того, как она дальше в «новом» мире живёт.
А живущие на ментальном уровне земли высокие сущности, в отличие от всех остальных, даже в состоянии сами себе, по собственному желанию, создавать «лицо» и «одежду», так как, прожив очень долгое время (чем выше развитие сущности, тем реже она повторно воплощается в физическое тело) и достаточно освоившись в том «другом», поначалу незнакомом им мире, они уже сами бывают в состоянии многое творить и создавать.
Почему малышка Стелла выбрала своим другом именно этого взрослого и чем-то глубоко раненого человека, для меня по сей день так и осталось неразгаданной загадкой. Но так как девчушка выглядела абсолютно довольной и счастливой таким «приобретением», то мне оставалось только полностью довериться безошибочной интуиции этой маленькой, лукавой волшебницы...
Как оказалось, его звали Гарольд. Последний раз он жил в своём физическом земном теле более тысячи лет назад и видимо обладал очень высокой сущностью, но я сердцем чувствовала, что воспоминания о промежутке его жизни в этом, последнем, воплощении были чем-то очень для него болезненными, так как именно оттуда Гарольд вынес эту глубокую и скорбную, столько лет его сопровождающую печаль...
– Вот! Он очень хороший и ты с ним тоже подружишься! – счастливо произнесла Стелла, не обращая внимания, что её новый друг тоже находится здесь и прекрасно нас слышит.
Ей, наверняка, не казалось, что говорить о нём в его же присутствии может быть не очень-то правильно... Она просто-напросто была очень счастлива, что наконец-то у неё появился друг, и этим счастьем со мной открыто и с удовольствием делилась.
Она вообще была неправдоподобно счастливым ребёнком! Как у нас говорилось – «счастливой по натуре». Ни до Стеллы, ни после неё, мне никогда не приходилось встречать никого, хотя бы чуточку похожего на эту «солнечную», милую девчушку. Казалось, никакая беда, никакое несчастье не могло выбить её из этой её необычайной «счастливой колеи»... И не потому, что она не понимала или не чувствовала человеческую боль или несчастье – напротив, я даже была уверена, что она чувствует это намного глубже всех остальных. Просто она была как бы создана из клеток радости и света, и защищена какой-то странной, очень «положительной» защитой, которая не позволяла ни горю, ни печали проникнуть в глубину её маленького и очень доброго сердечка, чтобы разрушить его так привычной всем нам каждодневной лавиной негативных эмоций и раненных болью чувств.... Стелла сама БЫЛА СЧАСТЬЕМ и щедро, как солнышко, дарила его всем вокруг.
– Я нашла его таким грустным!.. А теперь он уже намного лучше, правда, Гарольд? – обращаясь к нам обоим одновременно, счастливо продолжала Стелла.
– Мне очень приятно познакомиться с вами, – всё ещё чувствуя себя чуточку скованно, сказала я. – Это наверное очень сложно находиться так долго между мирами?..
– Это такой же мир как все, – пожав плечами, спокойно ответил рыцарь. – Только почти пустой...
– Как – пустой? – удивилась я.
Тут же вмешалась Стелла... Было видно, что ей не терпится поскорее мне «всё-всё» рассказать, и она уже просто подпрыгивала на месте от сжигавшего её нетерпения.
– Он просто никак не мог найти здесь своих близких, но я ему помогла! – радостно выпалила малышка.
Гарольд ласково улыбнулся этому дивному, «искрящемуся» счастьем человечку и кивнул головой, как бы подтверждая её слова:
– Это правда. Я искал их целую вечность, а оказалось, надо было всего-навсего открыть правильную «дверь». Вот она мне и помогла.
Я уставилась на Стеллу, ожидая объяснений. Эта девочка, сама того не понимая, всё больше и больше продолжала меня удивлять.
– Ну, да, – чуть сконфужено произнесла Стелла. – Он рассказал мне свою историю, и я увидела, что их здесь просто нет. Вот я их и поискала...
Естественно, из такого объяснения я ничего толком не поняла, но переспрашивать было стыдно, и я решила подождать, что же она скажет дальше. Но, к сожалению или к счастью, от этой смышлёной малышки не так-то просто было что-то утаить... Хитро глянув на меня своими огромными глазами, она тут же предложила:
– А хочешь – покажу?
Я только утвердительно кивнула, боясь спугнуть, так как опять ожидала от неё чего-то очередного «потрясающе-невероятного»... Её «цветастая реальность» куда-то в очередной раз исчезла, и появился необычный пейзаж...
Судя по всему, это была какая-то очень жаркая, возможно восточная, страна, так как всё кругом буквально слепило ярким, бело-оранжевым светом, который обычно появлялся только лишь при очень сильно раскалённом, сухом воздухе. Земля, сколько захватывал глаз, была выжженной и бесцветной, и, кроме в голубой дымке видневшихся далёких гор, ничто не разнообразило этот скупо-однообразный, плоский и «голый» пейзаж... Чуть дальше виднелся небольшой, древний белокаменный город, который по всей окружности был обнесён полуразрушенной каменной стеной. Наверняка, уже давным-давно никто на этот город не нападал, и местные жители не очень-то беспокоились о «подновлении» обороны, или хотя бы «постаревшей» окружающей городской стены.
Внутри по городу бежали узенькие змееподобные улочки, соединяясь в одну-единственную пошире, с выделявшимися на ней необычными маленькими «замками», которые скорее походили на миниатюрные белые крепости, окружённые такими же миниатюрными садами, каждый из которых стыдливо скрывался от чужих глаз за высокой каменной стеной. Зелени в городе практически не было, от чего залитые солнцем белые камни буквально «плавились» от испепеляющей жары. Злое, полуденное солнце яростно обрушивало всю мощь своих обжигающих лучей на незащищённые, пыльные улицы, которые, уже задыхаясь, жалобно прислушивались к малейшему дуновению, так и не появлявшегося, свежего ветерка. Раскалённый зноем воздух «колыхался» горячими волнами, превращая этот необычный городок в настоящую душную печь. Казалось, это был самый жаркий день самого жаркого на земле лета.....
Вся эта картинка была очень реальной, такой же реальной, какими когда-то были мои любимые сказки, в которые я, так же, как здесь, «проваливалась с головой», не слыша и не видя ничего вокруг...
Вдруг из «общей картинки» выделилась маленькая, но очень «домашняя» крепость, которая, если бы не две смешные квадратные башенки, походила бы более на большой и довольно уютный дом.
На ступеньках, под большим оливковым деревом, играл маленький белокурый мальчонка лет четырёх-пяти. А за ним, под старой яблоней собирала упавшие яблоки полная, приятная женщина, похожая на милую, заботливую, добродушную няню.
На дворе появилась очень красивая, светловолосая молодая дама и... мой новый знакомый – рыцарь Гарольд.

Различных по строению и свойствам - так называемых аллотропных (или аллотропических) модификаций или форм.

Явление аллотропии обусловлено либо различным составом молекул простого вещества (аллотропия состава ), либо способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке (аллотропия формы ).

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Понятие аллотропии введено в науку Й. Берцелиусом в 1841 году для обозначения разных форм существования элементов; одновременно он предполагал, по-видимому, применить его и к изомерии соединений . После принятия гипотезы А. Авогадро в 1860 году стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, например, О 2 - кислород и О 3 - озон .

Примеры аллотропии

Неметаллы

Элемент	Аллотропные модификации
Водород :	Водород может существовать в виде орто - и пара -водорода. В молекуле орто-водорода o -H 2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины параллельны, а у пара-водорода p -H 2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - антипараллельны.
Углерод :
Фосфор :	Известно 11 аллотропных модификаций фосфора. Основные модификации: белый , красный и чёрный фосфор . Белый фосфор ядовит, светится в темноте, способен самовоспламеняться, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте, сам по себе не воспламеняется.
Кислород :	Две аллотропные модификации: О 2 - кислород и О 3 - озон . Кислород бесцветен, не имеет запаха; озон имеет выраженный запах, имеет бледно-фиолетовый цвет, он более бактерициден.
Сера :	Большое число аллотропных модификаций, второе место после углерода. Основные модификации: ромбическая, моноклинная и пластическая сера.
Селен :	Красный цикло-Se 8 , серый полимер Se и чёрный селен.

Полуметаллы

Элемент	Аллотропные модификации
Бор :	Бор существует в аморфном и кристаллическом видах. Аморфный бор - порошок бурого цвета. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический бор. Кристаллический бор - вещество чёрного цвета. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, которые кристаллизуются в ромбической и тетрагональной сингониях. Наиболее устойчивая модификация - β-ромбический бор - состоит из икосаэдров B 12 , которые образуют слои, объединенные в бесконечную структуру.
Кремний :	Различают две основные аллотропные модификации кремния - аморфную и кристаллическую. Решётка кристаллической модификации кремния - атомная, алмазоподобная. Также выделяют поликристаллический и монокристаллический кремний.
Мышьяк :	Три основные аллотропные модификации: жёлтый мышьяк (неметалл, состоящий из молекул As 4 - структура, аналогичная белому фосфору), серый мышьяк (полуметаллический полимер), чёрный мышьяк (неметаллическая молекулярная структура, аналогичная красному фосфору).
Германий :	Две аллотропные модификации: α-Ge - полуметалл с алмазоподобной кристаллической решёткой и β-Ge - с металлической структурой, аналогичной β-Sn.
Сурьма :	Известны четыре металлических аллотропных модификаций сурьмы, существующих при различных давлениях, и три аморфные модификации (взрывчатая, чёрная и жёлтая сурьма), из которых наиболее устойчива металлическая форма серебристо-белого цвета с синеватым оттенком
Полоний :	Полоний существует в двух аллотропных металлических модификациях. Кристаллы одной из них - низкотемпературной - имеют кубическую решетку (α-Po), а другой - высокотемпературной - ромбическую (β-Po). Фазовый переход из одной формы в другую происходит при 36 °C, однако при обычных условиях полоний находится в высокотемпературной форме вследствие разогрева собственным радиоактивным излучением.

Металлы

Элемент	Аллотропные модификации
Олово :	Олово существует в трех аллотропных модификациях. Серое олово (α-Sn) мелкокристаллический порошок, полупроводник, имеющий алмазоподобную кристаллическую решётку, существует при температуре ниже 13,2 °С. Белое олово (β-Sn) - пластичный серебристый металл, устойчивый в интервале температур 13,2-161 °С. Высокотемпературное гамма-олово (γ-Sn), имеющее ромбическую структуру, отличается высокой плотностью и хрупкостью, устойчиво между 161 и 232 °С (температура плавления чистого олова).
Железо :	Для железа известны четыре кристаллические модификации: до 769 °C (точка Кюри) существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика ; в температурном интервале 769-917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика ; в температурном интервале 917-1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой; выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой
Лантаноиды :	Церий, самарий, диспрозий и иттербий имеют по три аллотропических модификации; празеодим, неодим, гадолиний и тербий - по две.
Актиноиды :	Для всех актиноидов, кроме актиния, характерен полиморфизм. Кристаллические структуры протактиния, урана, нептуния и плутония по своей сложности не имеют аналогов среди лантаноидов и более похожи на структуры 3d-переходных металлов. Плутоний имеет семь полиморфных модификаций (в том числе, при обычном давлении - 6), а уран, прометий, нептуний, америций, берклий и калифорний - три. Лёгкие актиноиды в точке плавления имеют объёмно-центрированную решётку, а начиная с плутония - гранецентрированную.

Энантиотропные и монотропные переходы

Три известные модификации олова оловянная чума »). Обратный процесс возможен только путём переплавки.

Причины многообразия органических соединений - способность атомов углерода образовывать различные цепи и циклы, соединяясь между собой. То есть явление изомерии. А в чем причина многообразия простых Оказывается, на этот вопрос можно ответить, рассмотрев, что такое аллотропия. Именно с этим природным явлением в мире химических элементов связывают существование разных форм простых соединений.

Что такое аллотропия?

Ответить на этот вопрос можно так. Это явление существования одного и того же химического элемента в виде нескольких простых веществ. То есть если ячеек в таблице Менделеева 118, то это не означает, что и в природе атомов столько же. Каждый из элементов (почти все) имеют по одной или несколько разновидностей, или аллотропных модификаций.

Чем же различаются такие вещества? Причин у рассматриваемого явления основных две:

различное число атомов в молекуле (аллотропия состава);
неодинаковое решетки (аллотропия формы).

Часто это понятие сопряжено с термином полиморфизм. Однако между ними есть отличие. Что такое видоизменения химического элемента в разные простые вещества, независимо от того, в каком агрегатном состоянии оно находится. В то время как полиморфизм - это понятие, применимое лишь для твердых

Различные соединений принято обозначать латинскими буквами перед их названием. Альфа всегда ставится перед той формой, которая имеет минимальную температуру плавления, кипения. Дальше по алфавиту и увеличению показателей соответственно.

Несмотря на то что химический элемент в основе простых веществ один и тот же, свойства модификаций значительно отличаются друг от друга, причем как физические, так и химические. Проще всего формируют аллотропные формы:

неметаллы (кроме галогенов и инертных газов);
полуметаллы.

Меньше всего изучена аллотропия металлов, так как они подобные модификации образуют неохотно и не все. Всего на сегодняшний день известно более 400 различных форм простых веществ. Чем больше степеней окисления характерно для элемента, тем выше количество известных для него аллотропных видоизменений.

Видоизменения углерода

Аллотропия углерода - это самый распространенный и яркий пример, иллюстрирующий рассматриваемое явление. Ведь именно этот элемент способен формировать несколько разновидностей соединений, различающихся строением кристаллической решетки. При этом образующиеся простые вещества настолько полярны по своим свойствам, что остается только удивляться решениям природы.

Итак, аллотропия углерода включает в себя следующие модификации.

Что такое аллотропия углерода, можно проследить и на следующей его форме, которая кардинально отличается от предыдущей. Это графит. Очень мягкое вещество, способное легко отслаиваться и оставлять характерный след на бумаге. Поэтому его используют для изготовления грифелей простых карандашей. Структура данной формы - гексагональная слоистая. Связи между прослойками слабые, легко рвутся, плотность вещества низкая. Используется графит для получения синтетических алмазов, как твердый смазочный материал, для изготовления электродов, как наполнитель пластмасс, а также в ядерных реакторах.
Фуллерены - еще одно доказательство того, что существует аллотропия. Химия этих соединений схожа с таковой у ароматических углеводородов. Ведь структура их представлена выпуклыми замкнутыми многогранниками, напоминающими Применяются фуллерены в технике как полупроводник, для производства сверхпроводящих соединений, как фоторезист и прочее.
Лонсдейлит и церафит - еще две кристаллические аллотропные модификации углерода. Открыты были сравнительно недавно. По свойствам очень схожи с алмазом, при отсутствии примесей способны быть даже в несколько раз тверже.
Уголь и сажа - аморфная аллотропия веществ. Используются в качестве топлива, смазочных материалов, в фильтрах и так далее. По содержанию в природе самые распространенные из всех модификаций углерода.

Алмаз

Самое твердое из всех известных на сегодня веществ, оценивающееся в 10 баллов по шкале Мооса. Кристаллическая форма углерода, структура которой имеет вид правильно соединенных между собой в сеть тетраэдрических образований.

Алмаз способен очень хорошо рассеивать свет, что позволяет использовать его в качестве ювелирного украшения (бриллианты). Благодаря своей чрезвычайной твердости, используется для резки и сварки, бурения, полировки и шлифования. На сегодняшний день налажено производство используемых в промышленности.

Другие разновидности

Также существует еще несколько разновидностей данного элемента:

нанотрубки;
нанопены;
астролены;
нановолокна;
стеклоуглерод;
графены;
карбин;
нанопочки.

Неподтвержденные, но предполагаемые формы существования простых соединений углерода: чаоит, металлический углерод и диуглерод.

Аллотропия кислорода

Данный неметалл образует два простых вещества:

газ кислород (при обычных условиях), формула которого О 2 ;
газообразный озон, эмпирическое отражение состава которого О 3 .

Очевидно, что здесь самая главная причина существования модификаций - состав молекулы. Обычный кислород - основа жизни всех живых существ (за исключением анаэробных бактерий). Он является активным участником газообмена, источником энергии для всех процессов жизнедеятельности. В химическом отношении - окислитель, при помощи которого осуществляется множество реакций.

Озон же образуется в природе или специальных лабораторных установках озонаторах из кислорода воздуха под действием сильного разряда электричества. В естественных условиях - это молния. В низких рассеянных концентрациях имеет приятный запах свежести (после грозы всегда ощущается в воздухе). Является очень сильным окислителем, отбеливателем, химически активен.

Видоизменения фосфора

Аллотропия кислорода схожа с таковой и у фосфора. Он также имеет около 11 различных модификаций, различающихся числом атомов в молекуле, а значит, химической связью и свойствами. Выделяют три устойчивые формы и остальные, в природе практически не встречающиеся и распадающиеся.

Белый фосфор. Формула его Р 4 . Вещество, напоминающее мягкий парафин белого или слегка желтоватого цвета. Легко плавится, переходя в ядовитый газ.
Красный фосфор - пастообразная масса, имеющая неприятный запах. Формула - Р n . Это полимерная структура.
Черный фосфор - жирная на ощупь масса, которая имеет черный цвет и совершенно не растворяется в воде.

Видоизменения металлов

Что такое аллотропия металлов, можно узнать на примере железа. Оно существует в виде:

альфа-;
бета-;
гамма-;
сигма-формы.

Каждая отличается от предыдущей строением кристаллической решетки и, соответственно, свойствами. Например, альфа-форма - ферромагнетична, а бета -парамагнетик.

Вообще, из всех известных металлов аллотропные модификации образуют всего 27 химических элементов.

Аллотропия олова

Интересна тем, что альфа-форма - это серый порошок, который существует лишь при низких температурах. Бета-форма, напротив, металл, серебристо-белый, мягкий и пластичный. Существует при высоких показателях температур - до 161 о С. Одна форма легко переходит в другую в естественных условиях, если будет градусный перепад.

аллотропия это, аллотропия деген не
Аллотро́пия (от др.-греч. αλλος - «другой», τροπος - «поворот, свойство») - существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам - так называемых аллотропных (или аллотропических) модификаций или форм.

Явление аллотропии обусловлено либо различным составом молекул простого вещества (аллотропия состава), либо способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке (аллотропия формы).

1 История
2 Примеры аллотропии
- 2.1 Неметаллы
- 2.2 Полуметаллы
- 2.3 Металлы
3 Энантиотропные и монотропные переходы
4 Примечания
5 См. также
6 Литература
7 Ссылки

История

Понятие аллотропии введено в науку Й. Берцелиусом в 1841 году для обозначения разных форм существования элементов; одновременно он предполагал, по-видимому, применить его и к изомерии соединений. После принятия гипотезы А. Авогадро в 1860 году стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, например, О2 - кислород и О3 - озон.

В начале XX века было признано, что различия в кристаллической структуре простых веществ (например, углерода или фосфора) также являются причиной аллотропии. 1912 году В. Оствальд отметил, что аллотропия элементов является просто частным случаем полиморфизма кристаллов, и предложил от него отказаться. Однако, по настоящее время они используются параллельно. Аллотропия относится только к простым веществам, независимо от их агрегатного состояния; полиморфизм - только к твёрдому состоянию независимо от того, простое это вещество или сложное. Таким образом, эти термины совпадают для простых твёрдых веществ (кристаллическая сера, фосфор, железо и др.).

Примеры аллотропии

Аллотропные модификации фосфора (белый, красный, жёлтый, чёрный фосфор)

Как правило, большее число аллотропных форм образуют элементы, имеющие переменные значения координационного числа или степени окисления (олово, фосфор). Другим важным фактором является катенация - способность атомов элемента образовывать гомоцепные структуры (например, сера). Склонность к аллотропии более выражена у неметаллов, за исключением галогенов и благородных газов, и полуметаллов.

Неметаллы

Элемент	Аллотропные модификации
Водород:	Водород может существовать в виде орто- и пара-водорода. молекуле орто-водорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины параллельны, а у пара-водорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - антипараллельны.
Углерод:	Множество модификаций: алмаз, графит, фуллерен, карбин, графен, углеродные нанотрубки, лонсдейлит и др. Точное число модификаций указать затруднительно вследствие разнообразия форм связывания атомов углерода между собой. Наиболее многочисленны молекулярные структуры фуллеренов и нанотрубок.
Фосфор:	Известно 11 аллотропных модификаций фосфора. Основные модификации: белый, красный и чёрный фосфор. Белый фосфор ядовит, светится в темноте, способен самовоспламеняться, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте, сам по себе не воспламеняется.
Кислород:	Две аллотропные модификации: О2 - кислород и О3 - озон. Кислород бесцветен, не имеет запаха; озон имеет выраженный запах, имеет бледно-фиолетовый цвет, он более бактерициден.
Сера:	Большое число аллотропных модификаций, второе место после углерода. Основные модификации: ромбическая, моноклинная и пластическая сера.
Селен:	Красный цикло-Se8, серый полимер Se и чёрный селен.

Полуметаллы

Элемент	Аллотропные модификации
Бор:	Бор существует в аморфном и кристаллическом видах. Аморфный бор - порошок бурого цвета. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический бор. Кристаллический бор - вещество чёрного цвета. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, которые кристаллизуются в ромбической и тетрагональной сингониях. Наиболее устойчивая модификация - β-ромбический бор - состоит из икосаэдров B12, которые образуют слои, объединенные в бесконечную структуру.
Кремний:	Различают две основные аллотропные модификации кремния - аморфную и кристаллическую. Решётка кристаллической модификации кремния - атомная, алмазоподобная. Также выделяют поликристаллический и монокристаллический кремний.
Мышьяк:	Три основные аллотропные модификации: жёлтый мышьяк (неметалл, состоящий из молекул As4 - структура, аналогичная белому фосфору), серый мышьяк (полуметаллический полимер), чёрный мышьяк (неметаллическая молекулярная структура, аналогичная красному фосфору).
Германий:	Две аллотропные модификации: α-Ge - полуметалл с алмазоподобной кристаллической решёткой и β-Ge - с металлической структурой, аналогичной β-Sn.
Сурьма:	Известны четыре металлических аллотропных модификаций сурьмы, существующих при различных давлениях, и три аморфные модификации (взрывчатая, чёрная и жёлтая сурьма), из которых наиболее устойчива металлическая форма серебристо-белого цвета с синеватым оттенком
Полоний:	Полоний существует в двух аллотропных металлических модификациях. Кристаллы одной из них - низкотемпературной - имеют кубическую решетку (α-Po), а другой - высокотемпературной - ромбическую (β-Po). Фазовый переход из одной формы в другую происходит при 36 °C, однако при обычных условиях полоний находится в высокотемпературной форме вследствие разогрева собственным радиоактивным излучением.

Металлы

Элемент	Аллотропные модификации
Олово:	Олово существует в трех аллотропных модификациях. Серое олово (α-Sn) мелкокристаллический порошок, полупроводник, имеющий алмазоподобную кристаллическую решётку, существует при температуре ниже 13,2 °С. Белое олово (β-Sn) - пластичный серебристый металл, устойчивый в интервале температур 13,2-161 °С. Высокотемпературное гамма-олово (γ-Sn), имеющее ромбическую структуру, отличается высокой плотностью и хрупкостью, устойчиво между 161 и 232 °С (температура плавления чистого олова).
Железо:	Для железа известны четыре кристаллические модификации: до 769 °C (точка Кюри) существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика; в температурном интервале 769-917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика; в температурном интервале 917-1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой; выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой
Лантаноиды:	Церий, самарий, тербий, диспрозий и иттербий имеют по три аллотропических модификации; празеодим, неодим, гадолиний и тербий - по две.
Актиниды:	Для всех актиноидов, кроме актиния, характерен полиморфизм. Кристаллические структуры протактиния, урана, нептуния и плутония по своей сложности не имеют аналогов среди лантаноидов и более похожи на структуры 3d-переходных металлов. Плутоний имеет семь полиморфных модификаций (в том числе, при обычном давлении - 6), а уран, прометий, нептуний, америций, берклий и калифорний - три. Лёгкие актиниды в точке плавления имеют объёмно-центрированную решётку, а начиная с плутония - гранецентрированную.

Энантиотропные и монотропные переходы

Серое и белое олово

Переход одной аллотропной модификации в другую происходит при изменении температуры или давления (или одновременном воздействии обоих факторов) и связан со скачкообразным изменением свойств вещества. Этот процесс бывает обратимым (энантиотропным) и необратимым (монотропным).

К монотропному переходу относится превращение белого фосфора P4 под давлением 1,25 ГПа и температуре 200 °C в более стабильную модификацию - чёрный фосфор. При возвращении к обычным условиям обратный переход не происходит. Переход из нестабильной формы в стабильную в принципе возможен при любой температуре, а обратный - нет, то есть определенная точка перехода отсутствует. Ещё один пример - превращение графита в алмаз при давлении 6 ГПа и температуре 1500 °C в присутствии катализатора (никель, хром, железо и другие металлы), то есть при условиях термодинамической устойчивости алмаза. Тогда как алмаз легко и быстро переходит в графит при температурах выше 1000 °С. обоих случаях давление способствует превращению, поскольку образуется вещества с более высокой плотностью, чем исходные.

Три известные модификации олова переходят друг в друга различным образом. При обычных условиях устойчиво β-Sn (пластичное белое олово) с тетрагональной кристаллической решеткой. Выше 173 °С β-Sn энантиотропно превращается в хрупкую модификацию γ-Sn, а ниже 13,2 °C β-Sn переходит монотропно в порошкообразное α-Sn (серое олово) с кубической решёткой типа алмаза. Этот полиморфный переход происходит с малой скоростью, но резко ускоряется в контакте с серым оловом - плотные куски белого олова рассыпаются в пыль («оловянная чума»). Обратный процесс возможен только путем переплавки.

Примечания

Угай Я. А. Общая и неорганическая химия: Учеб. для студентов вузов, обучающихся по направлению и спец. «Химия». - М.: Высш. шк., 1997. - 524 с.: ил.
Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). - Москва: Советская энциклопедия, 1992. - Т. 3. - С. 382. - 639 с. - 50 000 экз. - ISBN 5-85270-039-8

См. также

Изомерия
Полиморфизм кристаллов
Кристаллическая решётка

Литература

Эддисон У. Аллотропия химических элементов. - М.: Мир, 1966. - 207 с.

Ссылки

Аллотропия // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб., 1890-1907.

аллотропия деген не, аллотропия кислорода, аллотропия серы, аллотропия углерода, аллотропия фосфора, аллотропия это

Аллотропия Информацию О

Аллотропией , или полиморфизмом , называется способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а следовательно, и свойства при различных температурах.

Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называется аллотропическим (полиморфным) превращением. Аллотропические формы обозначают начальными буквами греческого алфавита: альфа α, бета β, гамма γ, дельта δ и т. д., начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.

На рис. 14 приведена кривая охлаждения железа, характеризующая аллотропические превращения. Железо имеет объемно центрированную кубическую решетку до температуры 911 °С и в интервале 1392–1539 °С (Fe α), а от температуры 911 до 1392 °С имеет гранецентрированную кубическую решетку Fe γ . Высокотемпературная α-модификация (от 1392 до 1539 °С) иногда обозначается Feδ (δ – железо). При температуре 768 °С происходит изменение магнитных свойств: ниже 768 °С железо магнитно, выше 768 °С железо немагнитно.

Характерным примером является аллотропия олова. При температуре ниже 18 °С устойчива модификация α-олова (Sn α), называемая серым оловом, а выше 18 °С – модификация β-олова (Sn β), называемая белым оловом.

Решетка белого олова более компактна, чем серого олова, и превращение Sn β Sn α идет со значительным увеличением объема. Поэтому при образовании на белом олове бугорка серого олова последнее, вследствие больших объемных изменений, рассыпается в порошок. Это явление получило название «оловянной чумы», превращение необратимо.

В процессе аллотропического превращения выделяется скрытая теплота кристаллизации (если превращение идет при охлаждении); на кривой охлаждения аллотропическое превращение отмечается горизонтальным участком. Аллотропические превращения имеют многие металлы, например, железо, марганец, олово, титан и др.

Максимального значения скорость аллотропического превращения Sn β Sn α достигает при переохлаждении примерно до температуры – 30 °С. Поэтому опасность «оловянной чумы» особенно велика при хранении олова в зимнее время в холодном помещении.

2.3. Основные сведения о сплавах

Должны знать, что металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Обычным способом приготовления сплавов является сплавление, но иногда применяют спекание, электролиз или возгонку.

В большинстве случаев входящие в сплав элементы в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге, т. е. представляют собой жидкий раствор, в котором атомы различных элементов более или менее равномерно перемешаны друг с другом (рис. 15, а). В твердом виде сплавы способны образовывать твердые растворы, химические соединения и механические смеси (рис. 15, б, в, г).

Твердый раствор. Во многих сплавах при переходе в твердое состояние (при кристаллизации) сохраняется однородность распределения атомов различных элементов и, следовательно, сохраняется и растворимость. Образовавшийся в этом случае кристалл (зерно) называется твердым раствором.

Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет собой совершенно однородные и одинаковые по составу зерна и похожа на структуру чистого металла (рис. 15, б). Твердый раствор, как и чистый металл, имеет одну кристаллическую решетку. Различие состоит только в том, что в кристаллической решетке чистого металла все узлы заняты атомами одного элемента, а в твердом растворе - атомами различных элементов, образующих этот твердый раствор.

Растворимость в твердом состоянии может быть неограниченной и ограниченной. Растворимость твердого раствора, полученного при любом количественном соотношении элементов, называется неограниченной. Растворимость твердого раствора, полученного при определенном количественном соотношении элементов, называется ограниченной.

По расположению атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

В твердом растворе замещения атомы растворенного элемента занимают узлы атомов элемента растворителя, т. е. расположены в узлах общей кристаллической решетки (рис. 16, а ).

В твердом растворе внедрения атомы растворенного элемента располагаются внутри кристаллической решетки элемента растворителя между атомами металла-растворителя (рис. 16, б).

При образовании твердых растворов свойства сплавов изменяются плавно и отличаются от свойств элементов, из которых они состоят.

Химическое соединение. Особый характер металлической связи в сплавах приводит к образованию особого вида химических соединений. В отличие от обычных химических соединений многие металлические соединения имеют переменный состав, который может изменяться в широких пределах. Характерной особенностью металлического химического соединения является образование кристаллической решетки (см. рис. 13, б ), отличной от решеток образующих элементов, и существенное изменение всех свойств.

Иногда в металлических сплавах образуются также химические соединения с нормальной валентностью, например, оксиды, сульфиды, а также соединения металлов с резко отличным электронным строением атомов (Mg 2 Sn, Mg 2 Pb и др.).

Механическая смесь. Если элементы, входящие в состав сплава, не растворяются друг в друге в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения, то при этих условиях из атомов каждого элемента образуется отдельная кристаллическая решетка, и кристаллы (зерна) элементов, входящие в сплав, образуют механическую смесь (рис. 15,г ). При образовании механической смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, свойства сплава получаются средними между свойствами элементов, которые его образуют.

Механические смеси образуются также в случаях, когда элементы обладают ограниченной растворимостью, а также когда образуют химическое соединение. Если в сплаве количество элементов превышает их предельную растворимость, то возникает механическая смесь двух насыщенных твердых растворов. При наличии в сплаве химического соединения образуется механическая смесь из зерен твердого раствора и химического соединения и т. д.

При изучении процессов, происходящих в металлах и сплавах при их превращениях, и описании их строения в металловедении пользуются следующими понятиями: «фаза», «структура», «система», «компонент».

Фазой называются однородные составные части системы (металла или сплава), имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение, свойства и одинаковое агрегатное состояние.

Например, жидкий металл является однофазной системой; смесь жидкого металла и твердых кристалликов – двухфазной системой, так как свойства жидкого металла значительно отличаются от свойств твердых кристалликов. Фазами могут быть отдельные металлы, их химические соединения, а также растворы на основе металлов.

Под структурой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения соответствующих фаз в металлах и сплавах.

Структурными составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями. Структурные составляющие могут состоять из одной, двух или более фаз. Одна из важнейших задач металловедения – определение взаимосвязи между составом, структурой и свойствами.

Системой называется совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температура, давление). Система, может быть, простой, если она состоит из одного элемента, и сложной, если она состоит из нескольких элементов.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы) или устойчивые химические соединения.