Аллотропия - Allotropy

Не путать с Аллотрофия.

Алмаз и графит представляют собой два аллотропа углерода: чистые формы одного и того же элемента, которые различаются по кристаллической структуре.

Аллотропия или же аллотропизм (из Древнегреческий ἄλλος (аллос) "другое" и τρόπος (тропос) 'манера, форма') является свойством некоторых химические элементы существовать в двух или более разных формах, в одном и том же физическом государственный, известный как аллотропы элементов. Аллотропы - это различные структурные модификации элемента;^[1] то атомы элемента являются связанный вместе по-разному. Например, аллотропы углерода включают алмаз (атомы углерода связаны вместе в четырехгранный решетчатая конструкция), графит (атомы углерода связаны в листы шестиугольная решетка ), графен (отдельные листы графита) и фуллерены (атомы углерода связаны вместе в сферические, трубчатые или эллипсоидальные образования). Период, термин аллотропия используется только для элементов, а не для соединения. Более общий термин, используемый для любого кристаллического материала, - полиморфизм. Аллотропия относится только к разным формам элемента внутри одного и того же фаза (то есть: твердый, жидкость или же газ состояния); 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 аллотропы кислорода (дикислород, O₂, и озон, O₃) могут существовать как в твердом, так и в жидком и газообразном состояниях. Другие элементы не поддерживают отчетливых аллотропов в разных фазах; Например, фосфор имеет многочисленные твердые аллотропы, которые все возвращаются к одному и тому же P₄ форма при плавлении до жидкого состояния.

История

Концепция аллотропии была первоначально предложена в 1841 году шведским ученым бароном. Йенс Якоб Берцелиус (1779–1848).^[2] Термин происходит от Греческий άλλοτροπἱα (аллотропия) «изменчивость, изменчивость».^[3] После принятия Гипотеза Авогадро в 1860 году стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, и два аллотропа кислорода были признаны как O₂ и O₃.^[2] В начале 20 века было признано, что другие случаи, такие как углерод, связаны с различиями в кристаллической структуре.

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

Различия в свойствах аллотропов элементов

Аллотропы - это разные структурные формы одного и того же элемента, которые могут проявлять совершенно разные физические свойства и химическое поведение. Переход между аллотропными формами вызывается теми же силами, которые влияют на другие структуры, т. Е. давление, свет, и температура. Следовательно, стабильность конкретных аллотропов зависит от конкретных условий. Например, утюг изменения от объемно-центрированный кубический структура (феррит ) к гранецентрированная кубическая структура (аустенит ) выше 906 ° C, и банка подвергается модификации, известной как оловянный вредитель из металлический форма в полупроводник ниже 13,2 ° C (55,8 ° F). В качестве примера аллотропов, имеющих различное химическое поведение, озон (O₃) является гораздо более сильным окислителем, чем дикислород (O₂).

Список аллотропов

Обычно элементы, допускающие переменную координационный номер и / или состояния окисления имеют тенденцию проявлять большее количество аллотропных форм. Другой способствующий фактор - способность элемента к родственный.

Примеры аллотропов включают:

Неметаллы

Элемент	Аллотропы
Углерод	Алмаз - чрезвычайно твердый, прозрачный кристалл с атомами углерода, расположенными в тетраэдрической решетке. Плохой электрический провод. Отличный теплопроводник. Лонсдейлит - также называется шестиугольным алмазом. Графен - является основным структурным элементом других аллотропов, нанотрубок, древесного угля и фуллеренов. Q-углерод - ферромагнитная, прочная и блестящая кристаллическая структура, которая тверже и ярче алмазов.[сомнительный ] Графитовый - мягкий, черный, чешуйчатый твердый, умеренный электрический проводник. Атомы C связаны в плоские гексагональные решетки (графен ), которые затем складываются в листы. Линейный ацетиленовый углерод (Карбин) Аморфный углерод Фуллерены, включая Бакминстерфуллерен, также известные как "бакиболлы", такие как C60. Углеродные нанотрубки - аллотропы углерода с цилиндрической наноструктурой. шварциты Циклокарбон Стекловидный углерод
Фосфор	Белый фосфор - твердое кристаллическое вещество тетрафосфора (P4) молекулы Красный фосфор – аморфный полимерный твердый Алый фосфор Фиолетовый фосфор с моноклинический кристаллическая структура Черный фосфор - полупроводник, аналог графита Дифосфор - газообразная форма, состоящая из P2 молекулы, стабильные между 1200 ° C и 2000 ° C; создано например путем диссоциации P4 молекул белого фосфора около 827 ° C
Кислород	Диоксид, O2 - бесцветный (бледно-голубая жидкость и твердое вещество) Озон, O3 - синий Тетраоксиген, O4 – метастабильный Октаоксиген, O8 - красный
Сера	Цикло-пентасера, Цикло-С5 Циклогексасера, Цикло-С6 Цикло-гептасера, Цикло-С7 Цикло-октасера, Цикло-С8
Селен	«Красный селен», цикло-Се8 Серый селен, полимерный Se Черный селен, полимерные кольца неправильной формы длиной до 1000 атомов Моноклинный селен, темно-красные прозрачные кристаллы

Металлоиды

Элемент	Аллотропы
Бор	Аморфный бор - коричневый порошок - Б12 правильные икосаэдры α-ромбоэдрический бор β-ромбоэдрический бор γ-орторомбический бор α-тетрагональный бор β-тетрагональный бор Сверхпроводящая фаза высокого давления
Кремний	Аморфный кремний кристаллический кремний, алмаз кубический структура Силицен, изогнутый плоский однослойный кремний, похожий на графен
Мышьяк	Желтый мышьяк - неметаллический молекулярный As4, с той же структурой, что и белый фосфорус 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), с такой же структурой, как 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

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 значимых металлов находятся 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 ° С.

Элемент	Название (а) фазы	Космическая группа	Символ Пирсона	Тип структуры	Описание
Литий		р3м	hR9	α-Самарий структура	Образуется ниже 70 К.[6]
		Я3м	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		P63/ mmc	hP2	Гексагональный плотно упакованный	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
		Я3м	cI2	Тело центрированный кубический	Образуется при температуре выше 1255 ° C.
Натрий		р3м	hR9	α-Самарий структура	Образуется ниже 20 К.
		Я3м	cI2	Тело центрированный кубический	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
		FM3м	cF4	Гранецентрированный кубический	Образуется при комнатной температуре выше 65 ГПа.[7]
		я43D	cI16		Формируется при комнатной температуре 108ГПа.[8]
		ПНМА	oP8		Формируется при комнатной температуре, 119ГПа.[9]
Магний		P63/ mmc	hP2	гексагональный плотно упакованный	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
		Я3м	cI2	Тело центрированный кубический	Образуется выше 50 ГПа.[10]
Банка	α-олово, серая олово, оловянный вредитель	Fd3м	cF8	Алмазный кубический	Стабилен ниже 13,2 ° C.
	β-олово, белая жесть	I41/ 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	Я3м	cI2	Телоцентрированный кубический	Стабилен при комнатной температуре и давлении. Ферромагнетик при Т <770 ° С, парамагнитный от Т = 770–912 ° С.
	γ-железо, аустенит	FM3м	cF4	Гранецентрированная кубическая	Стабилен при 912–1394 ° C.
	δ-железо	Я3м	cI2	Телоцентрированный кубический	Стабилен при температуре 1394–1538 ° C, структура такая же, как у α-Fe.
	ε-железо, Гексаферрум	P63/ mmc	hP2	Гексагональный плотно упакованный	Устойчив при высоких давлениях.
Кобальт	α-кобальт			простой кубический	Образуется при температуре выше 417 ° C.
	β-кобальт			гексагональный плотно упакованный	Образуется при температуре ниже 417 ° C.
Полоний	α-полоний			простой кубический
	β-полоний			ромбоэдрический

Лантаноиды и актиниды

Фазовая диаграмма актинидных элементов.

• Церий, самарий, диспрозий и иттербий есть три аллотропа.
• Празеодим, неодим, гадолиний и тербий есть два аллотропа.
• Плутоний имеет шесть отдельных твердых аллотропов под «нормальным» давлением. 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.^[12]

Наноаллотропы

В 2017 году концепция наноаллотропии была предложена профессором Рафалом Клайном из отдела органической химии Институт науки 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 преобразуются в разные свойства, как было продемонстрировано для комбинационное рассеяние света с усилением поверхности выполнено на нескольких различных наналлотропах золота.^[13] Также был создан двухэтапный метод создания наноаллотропов.^[14]

Смотрите также

• Изомер
• Полиморфизм (материаловедение)
• Сверхплотный углеродный аллотроп

Примечания

1. ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "Аллотроп ". Дои:10.1351 / goldbook.A00243
2. Дженсен, В. Б. (2006), "Происхождение термина" аллотроп ", J. Chem. Educ., 83 (6): 838–39, Bibcode:2006JChEd..83..838J, Дои:10.1021 / ed083p838.
3. "аллотропия", Новый английский словарь по историческим принципам, 1, Oxford University Press, 1888, стр. 238.
4. Jensen 2006, цитируя Addison, W. E. The Allotropy of the Elements (Elsevier 1964), что многие повторяли этот совет.
5. Радж, Г. Продвинутая неорганическая химия Том-1. Кришна Пракашан. п. 1327. ISBN  9788187224037. Получено 6 января, 2017.
6. Оверхаузер, А. В. (1984-07-02). «Кристаллическая структура лития при 4,2 К». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 53 (1): 64–65. Bibcode:1984ПхРвЛ..53 ... 64О. Дои: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». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 65 (18): 184109. Bibcode:2002PhRvB..65r4109H. Дои:10.1103 / Physrevb.65.184109. ISSN  0163-1829.
8. McMahon, M. I .; Gregoryanz, E .; Lundegaard, L. F .; Loa, I .; Guillaume, C .; Nelmes, R.J .; Kleppe, A.K .; Амбоаж, М .; Wilhelm, H .; Джефкоат, А. П. (2007-10-18). «Структура натрия выше 100 ГПа по данным дифракции рентгеновских лучей на монокристалле». Труды Национальной академии наук. 104 (44): 17297–17299. Bibcode:2007ПНАС..10417297М. Дои:10.1073 / pnas.0709309104. ISSN  0027-8424. ЧВК  2077250. PMID  17947379.
9. Gregoryanz, E .; Lundegaard, L. F .; McMahon, M. I .; Guillaume, C .; Nelmes, R.J .; Мезуар, М. (23 мая 2008 г.). «Структурное разнообразие натрия». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 320 (5879): 1054–1057. Bibcode:2008Sci ... 320.1054G. Дои:10.1126 / science.1155715. ISSN  0036-8075. PMID  18497293. S2CID  29596632.
10. Олижнык, Х .; Хольцапфель, В. Б. (1 апреля 1985 г.). «Структурный фазовый переход при высоком давлении в Mg». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 31 (7): 4682–4683. Bibcode:1985PhRvB..31.4682O. Дои:10.1103 / Physrevb.31.4682. ISSN  0163-1829. PMID  9936412.
11. Молодец, А. М .; Набатов, С. С. (2000). «Термодинамические потенциалы, диаграмма состояния и фазовые переходы олова при ударном сжатии». Высокая температура. 38 (5): 715–721. Дои:10.1007 / BF02755923. S2CID  120417927.
12. Benedict, U .; Haire, R.G .; Peterson, J. R .; Ити, Дж. П. (1985). «Делокализация 5f-электронов в металлическом кюрии под высоким давлением». Журнал физики F: физика металлов. 15 (2): L29 – L35. Bibcode:1985JPhF ... 15L..29B. Дои:10.1088/0305-4608/15/2/002.
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:2017Научный ... 358..514U. Дои:10.1126 / science.aan6046. ISSN  0036-8075. PMID  29074773.
14. «Материалы, которых нет в природе, могут привести к новым методам изготовления». israelbds.org. Архивировано из оригинал на 2017-12-09. Получено 2017-12-08.

Рекомендации

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

внешняя ссылка

• Найджел Банс и Джим Хант. "Научный уголок: аллотропы". Архивировано 31 января 2008 года.. Получено 6 января, 2017.
• Аллотропы - химическая энциклопедия