Аллотропия

Явление аллотропии в химии, химические предпосылки для аллотропных модификаций и их примеры

Аллотропия

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».

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.

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.

Источник: https://LivePosts.ru/articles/other-at/allotropiya-prostyh-veshhestv-i-himiya-allotropnyh-modifikatsij

Щербаков Г. | Аллотропия и аллотропные видоизменения веществ. 8 класс | Журнал «Химия» № 7/2008

Аллотропия

Тип урока. Изучение нового материала и обобщение полученных знаний.

Цели. Повторить особенности строения атомов металлов и неметаллов; металлическую и ковалентную неполярную связь; положение металлов и неметаллов в периодической системе; на примере конкретных простых веществ изучить и закрепить понятие аллотропии.

Задачи. Закрепить у учащихся представление о простом веществе; развивать дальнейший интерес к изучаемому предмету; включить элементы опережающего обучения как базу для более легкого последующего усвоения знаний о строении и свойствах аллотропных модификаций.

План урока

1. Повторение основных признаков простого вещества на примере металлов и неметаллов.

2. Разъяснение представления о разновидностях одного и того же простого вещества, т.е. о понятии аллотропии и аллотропных видоизменениях.

3. Составление опорного конспекта (обобщающей схемы) и закрепление изученного материала.

4. Домашнее задание.

5. Заключительное слово учителя. Оценка работы учащихся за урок.

ХОД УРОКА

Повторение (фронтальная беседа)

1) Вспомните, почему металлы легко отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы?

2) Почему неметаллы легко принимают электроны и превращаются в отрицательно заряженные ионы?

3) Какие вещества называют простыми, а какие сложными?

4) Какие виды химической связи характерны для металлов и неметаллов? Приведите примеры.

Проверка домашнего задания. Учащиеся работают с тетрадью у доски – два человека рассчитывают молекулярную массу для: а) Cl2 и Fе; б) F2 и Al; называют тип химической связи, характерной для данных простых веществ.

Новый материал: разъяснение понятия «аллотропия»

Учитель.Простых веществ существует больше, чем химических элементов, т.к. для некоторых элементов характерно явление аллотропии.

Что же такое аллотропия? Так называют явление образования одним и тем же химическим элементом двух или более простых веществ. А каждое из этих простых веществ называют аллотропным видоизменением, или модификацией.

Аллотропия более характерна для неметаллов, однако это явление встречается и среди металлов. Давайте более подробно остановимся на характеристиках некоторых аллотропных модификаций.

Учитель за 3–4 недели до урока помещает кусочек чистого олова в морозильную камеру.

За 2–3 дня до проведения урока в морозильную камеру помещается второй кусочек олова (эти пробы не должны касаться друг друга).

На уроке учитель демонстрирует вначале первую пробу олова: она покрыта серым, сыпучим, сшелушивающимся веществом – это серое олово. Затем демонстрирует второй образец: блестящий – белоеолово. Но стоит этим двум образцам коснуться друг друга, как на втором образце появляются серые пятна.

Учитель. Это явление называют «оловянной чумой». Оно было одной из причин гибели экспедиции Р.Скотта к Южному полюсу, который потерял на оставленных им для возвращения базах все горючее, т. к. оно хранилось в банках, запаянных оловом (схема 1) (см. с. 48).

Аллотропия наблюдается у кислорода, углерода, серы, фосфора и ряда других элементов. Ребята, давайте вспомним химическую формулу кислорода, которым мы дышим (записывает ее на доске). Знаете ли вы, что элемент кислород образует еще одно простое газообразное вещество – озон, химическая формула которого O3?

В чем разница между этими веществами и будут ли они отличаться по свойствам друг от друга (схема 2)?

Составление опорного конспекта

Ученик.Состав этих веществ различен, поэтому по свойствам они должны отличаться.

Учитель.Попробуйте проанализировать понятие «аллотропия» и сделайте вывод.

Ученик. Способность атомов одного химического элемента образовывать несколько простых веществ называется аллотропией, а эти простые вещества – аллотропными видоизменениями, или модификациями.

Учитель. Давайте рассмотрим вопрос относительности деления простых веществ на металлы и неметаллы. Например, белое олово – типичный металл, а серое олово по свойствам ближе к неметаллам.

Раз возможен переход одного простого вещества в другое простое вещество, причем оба имеют в своей основе атомы одного и того же элемента, то делаем вывод, что деление на металлы и неметаллы относительно.

Домашнее задание. Параграфы 13, 14 (аллотропия) по учебнику О.С.Габриеляна «Химия. 8 класс»; выполнить задания из рабочей тетради по химии (с. 36–41).

Учитель подводит итог урока: объявляет оценки, отмечает активных на уроке, акцентирует внимание учащихся, что на следующем уроке будет проведена самостоятельная работа по теме «Простые вещества».

Г.В.ЩЕРБАКОВ, учитель химии

(г. Мыски, Кемеровская обл.)

Источник: https://him.1sep.ru/article.php?ID=200800709

Что такое аллотропия

Аллотропия

Явление аллотропии подразумевает возможность создания из одного и того же элемента определенного количества различных веществ.

Например, кислород и озон в своем составе содержат только лишь оксиген. Вопрос о том, как это вообще возможно, на протяжении длительного периода времени интересовал многих людей.

На сегодняшний момент ученые легко могут объяснить все особенности этого процесса.

Определение понятия

Под аллотропией подразумевается существование нескольких простых веществ, в основе которых присутствует один и тот же единственный химический элемент. Впервые такое явление описал известный шведский химик и минеролог Йенс Берцелиус.

Аллотропия по своей сути имеет довольно много общего с кристаллическим полиморфизмом. В связи с этим у ученых на протяжении длительного периода времена существовали достаточно серьезные споры. Это связанно с тем, что часть специалистов считали, что аллотропия и кристаллический полиморфизм – это одно и то же явление.

В настоящее же время от этой теории большинство ученых отошло. Мировое научное сообщество пришло к выводу о том, что кристаллический полиморфизм может касаться только лишь твердых тел, тогда как аллотропия – газов и жидкостей.

Причины возникновения аллотропии

Далеко не все элементы способны образовывать несколько разных простых веществ. Такая способность напрямую зависит от структуры молекул. Чаще всего подобное явление наблюдается у элементов, которые имеют переменные окислительные степени. Это касается таких групп, как:

  • неметаллы;
  • полуметаллы;
  • благородные газы;
  • галогены.

Причины аллотропии могут быть нескольких типов. К наиболее вероятным из них ученые относят такие факторы, как:

  1. Различное количество атомов, необходимых для образования одной молекулы.
  2. Отличающийся порядок сопряжения атомов в одну молекулу.
  3. Параллели между спинами электронов.
  4. Разновидность кристаллической решетки.

Для того чтобы наглядно понять, каким образом может существовать явление аллотропии, необходимо рассмотреть несколько наиболее примечательных примеров, широко встречающихся в природе.

Кислород и озон

Аллотропия кислорода и озона – это вариант того, как различное количество атомов может существенно влиять не только на физические, но и на химические свойства простых веществ. Для того чтобы понять это, необходимо разобраться в особенностях каждого из этих газов:

  1. Кислород. Он не имеет вкуса и запаха. Масса этого газа в 1,5 раза легче массы озона. Кислород неплохо растворяется в воде. Чем ниже температура окружающей среды, тем быстрее происходит этот процесс. Используется данный газ для осуществления дыхания живыми организмами. Вследствие этого кислород считается жизненно важным химическим веществом для жизнедеятельности на планете.
  2. Озон. Это газообразное вещество имеет голубоватый цвет. Характерный запах озона легко можно почувствовать на улице после прошедшего дождя. В сравнении с кислородом этот газ более активный. Это связанно с тем, что при его распаде появляется молекула кислорода и один атом оксигена. Последний в свою очередь вступает в связь с другими атомами, образуя, таким образом, новые вещества.

Аллотропия оксигена была исследована из-за своего распространения одной из первых.

Алмаз и графит

Молекула углерода отличается тем, что она имеет постоянное количество атомов. При этом из последних могут образовываться самые разнообразные простые вещества. Это касается, к примеру, алмаза и графита. Их отличия заключаются в следующем:

  1. Алмаз. Это вещество признано учеными одним из наиболее твердых на Земле. Это связанно с тем, что атомы в нем имеют достаточно прочные ковалентные связи во всех направлениях кристаллической решетки. Таким образом, создается объемная система тетраэрдов.
  2. Графит. В этом веществе прочные связи в кристаллической решетке образовываются только лишь в горизонтальном направлении. Вследствие этого разломать стержень из графита вдоль очень сложно.

 Аллотропия алмаза и графита – один из примеров того, как из одного и того же химического элемента из-за разной кристаллической решетки образуются существенно отличающиеся друг от друга простые вещества.

Сера

Внутренняя структура молекул серы может быть различной. Вследствие этого происходит образование различных простых веществ, среди которых стоит выделить такие:

  1. Сера с ромбической структурой молекул. Она считается наиболее устойчивой. В ее состав входит 8 атомов, которые образовывают твердое вещество желтоватого оттенка. Оно неспособно растворяться в воде. К тому же, последняя его даже не смачивает. При этом показатели проводимости тепла и тока у такой серы находятся на низком уровне.
  2. Сера с моноклинной структурой. Ее атомы образовывают параллелепипеды со скошенными углами. Таким образом, создается вещество, похожее на иглу темно-желтого цвета.
  3. Сера с пластической структурой. Ее создают посредством расплавления других типов этого вещества и помещения их в воду. Таким образом, у них рушится структура, вследствие чего возникают полимерные цепи разной длины. Они в свою очередь создают резиноподобную пасту светло-коричневого оттенка.

Аллотропия серы – еще один пример влияния внутренней структуры молекул на создание разных по своим свойствам простых веществ.

Фосфор

На сегодняшний момент известно около 11 видов фосфора. Это обусловлено аллотропией, причина которой связана с кристаллической решеткой молекул этого химического элемента. Для того чтобы изменить внутреннее строение, необходимо создать определенные условия.

К примеру, белый фосфор может быть выделен посредством испарения мочи. Такое вещество будет очень активным, вследствие чего при повышении температурных показателей окружающей среды до 40 градусов по Цельсию оно воспламенится из-за реакции с кислородом.

Для получения красного фосфора достаточно всего лишь увеличить давление и температуру в атмосфере двуокиси углерода. Это вещество отличается средней активностью. Вследствие этого оно не светится в темноте. При нагревании красный фосфор преобразовывается в пар. Это можно наблюдать при зажигании спичек.

Аллотропия – это образование нескольких отличающихся друг от друга веществ из одного и того же химического элемента. Наблюдать такое явление можно преимущественно у неметаллов. Его основные причины заключаются, как в разном количестве атомов, что образовывают молекулу, так и в изменениях кристаллической решетки.

Источник: https://infonotes.ru/chto-takoe-allotropiya/

Аллотропия

Аллотропия
Алмаз и графит — аллотропические формы углерода, отличающиеся строением кристаллической решётки

Аллотро́пия (от др.-греч. ἄλλος «другой» + τρόπος «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).

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. 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.)[1].

Примеры аллотропии[ | ]

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

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[ | ]

ЭлементАллотропные модификации
Водород:Молекулярный водород может существовать в виде орто- и пара-водорода. В 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, диэлектрик, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте, сам по себе не воспламеняется, черный фосфор химически инертен, хорошо проводит электрический ток.
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[ | ]

ЭлементАллотропные 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[ | ]

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.

ЭлементАллотропные 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[ | ]

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 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. 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 ) с тетрагональной кристаллической решеткой[2].

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.

Примечания[ | ]

  1. ↑ Угай Я. А. Общая и неорганическая химия: Учеб. для студентов вузов, обучающихся по направлению и спец. «Химия». — М.: Высш. шк., 1997. — 524 с.: ил.
  2. ↑ 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[ | ]

Источник: https://encyclopaedia.bid/%D0%B2%D0%B8%D0%BA%D0%B8%D0%BF%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D1%8F/%D0%90%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%8F

Аллотропия – это… Понятие, причины и примеры аллотропии

Аллотропия

Химия изучает свойства и строение простых веществ. В большинстве своем они остаются неизменными в любых ситуациях. Однако есть ряд элементов, способных менять свои свойства в различных своих состояниях. Такое явление называется аллотропией. Знание о поведении элементов, подверженных аллотропии, расширяет понимание устройства мира и поведения в нем веществ и элементов.

Определение

Аллотропия – это возможность элемента трансформироваться в другой. В некоторых случаях даже в два или три. Если переводить название термина с греческого языка, то аллотропия – это “другое свойство”. То есть буквальный перевод раскрывает сущность явления.

Виды аллотропии

Аллотропия, свойственная некоторым веществам, условно делится на два вида – по составу и по строению. В первом случае различно число атомов в молекуле. Во втором – строение кристаллической решетки.

В химии аллотропия – это изменение вещества независимо от того, жидкое оно, твердое или газообразное. Единственное отступление от терминологии появляется в работе с твердыми веществами, их строение сложнее, для их трансформации используется слово “полиморфизм”, в переводе с греческого означающее “многообразный”.

Каким веществам свойственна аллотропия

Не все вещества способны преобразоваться из сложных в простые даже под действием температур или других воздействий.

Это может происходить только с теми из них, у которых есть способность к образованию гомоцепных структур или хорошо окисляющихся. Именно поэтому аллотропия веществ свойственна неметаллам.

Хотя справедливости ради следует сказать, что есть металлы, способные преобразовываться в простые элементы, но это, скорее, полуметаллы.

Примеры аллотропии

Для понимания процесса существует ряд примеров преобразования вещества, причем оно бывает обратимым и необратимым. То есть вещество может после воздействия на него температуры или давления вернуться к первоначальному состоянию.

Но бывает так, что оно остается в видоизмененном состоянии. Например, ромбическая сера – при нагревании ее до температуры 95,5 градуса по Цельсию она преобразуется в моноклинную форму.

При снижении температуры до 95,5 градуса наступает обратное преобразование – из моноклинной формы в ромбическую.

Другой пример аллотропии – это изменение белого фосфора в черный. В данном случае для проведения преобразования требуется температура в 200 градусов по Цельсию и давление в 1,25 г Па. При воздействии тех же температур и давления на преобразованный черный фосфор он не сможет вернуться к первоначальному состоянию.

Как уже упоминалось, явление аллотропии свойственно и некоторым металлам. Но из-за сложности их структуры переходы из одного в другое состояние могут чередоваться.

Например, в нормальных условиях белое олово является пластичным металлом, но при нагревании его при температуре 173 градуса по Цельсию оно перестраивает свою кристаллическую решетку до очень хрупкого состояния, а при снижении температуры до 13 градусов кристаллическая решетка принимает вид кубической алмазоподобной и делает вещество порошкообразным.

Модификации неметаллов

Самыми яркими и многообразными физическими свойствами аллотропии обладает углерод. Он способен перерождаться в самое большое количество аллотропных форм, причем с различными не только свойствами, но и строением кристаллической решетки.

Взять, например, графит и алмаз. Формы одного вещества, но с разными строениями кристаллических решеток – графит чуть плотнее порошка, а алмаз – самое крепкое вещество на земле.

И это уже не говоря об углеродных нанотрубках, лонсдейлите, фуллерене, карбине и других формах углерода.

Аллотропия характерна для серы. В нормальных условиях структура вещества моноклинная, а под воздействием температур может преобразоваться в пластическую и следом за этим в ромбовидную.

Фосфор способен изменяться в 11 форм. Причем 3 из них – белый, черный, красный – даже встречаются в природе, остальные можно получить искусственным путем. Отличается одна форма вещества от другой количеством атомов в молекуле. Различными цветами в химии представлен селен. Он также бывает серный, черный и красный.

Очень известная аллотропия – это кислород. Он видоизменяется до озона под действием температуры или электрического тока. Известный пример природного воздействия – молния. Во время разряда электрического поля кислород превращается в озон.

Модификации полуметаллов

Бор – это полуметалл, встречающийся в природе в аморфной и кристаллической форме. Но у него есть еще 10 известных науке форм.

Аморфным и кристаллическим бывает кремний. Сурьма в четырех формах по своей структуре представляется металлом, и в трех она аморфная, аллотропная.

Как и в случае с фосфором или селеном, мышьяк бывает серый или черный, в зависимости от формы – полимер или неметаллическая структура.

Модификации металлов

Самым широким спектром форм среди металлов обладает железо. В первом виде феррита, с характерной объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой, железо способно существовать в температурных пределах от 0 до 769 градусов по Цельсию. Имеет свойства ферромагнетиков.

Второй тип феррита существует при температурах в диапазоне 769-917 градусов по Цельсию. Отличается объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой. Магнетические свойства проявляет как парамагнетик.

Третий тип железа называется аустенит, характерен гранецентрированной кубической кристаллической решеткой. Способен существовать только при температурах от 917 до 1394 градусов по Цельсию. Магнитных свойств не имеет.

Четвертый тип железа возникает при температурах свыше 1397 градусов по Цельсию. Магнитных свойств не имеет, характерен объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой.

Другой металл, имеющий несколько типов преобразования, – это олово. В аллотропной форме может существовать в виде порошка с кристаллической решеткой, подобной алмазной. Это так называемое серое олово.

Есть и более привычная форма металла – белое олово. Оно встречается в виде пластичного метала серебряного цвета.

Третья форма характерна тугоплавкостью, так как обладает ромбической кристаллической решеткой, называется она гамма-оловом.

Заключение

Все металлы, полуметаллы и неметаллы различных аллотропных типов с характерным строением кристаллических решеток, массой, количеством и зарядом протонов и нейтронов могут встречаться в природе в чистом, натуральном виде или получаются только в лаборатории.

В обычных условиях они не сохраняют своей стабильности. Все это говорит о многообразии химических элементов и перспективах открытий новых доселе неизвестных науке форм и типов веществ. Такие исследования ведут к развитию всех отраслей жизнедеятельности человека.

Источник: https://www.navolne.life/post/allotropiya---eto-ponyatie-prichinyi-i-primeryi-allotropii

Аллотропия – это… Определение понятия и причины

Аллотропия

Из нашей статьи вы узнаете, что такое аллотропия. Это понятие широко распространено в природе. К примеру, кислород и озон – это вещества, состоящие только из химического элемента оксигена. Как это возможно? Давайте разбираться вместе.

Причины аллотропии

Образовывать несколько простых веществ могут не все химические элементы. Способность к аллотропии обусловлена строением атома. Чаще всего она встречается у элементов, имеющих переменное значение степени окисления. К ним относятся полу- и неметаллы, инертные газы и галогены.

Аллотропия может быть обусловлена несколькими причинами. К ним относится разное количество атомов, порядок их соединения в молекулу, параллельность спинов электронов, тип кристаллической решетки. Рассмотрим данные виды аллотропии на конкретных примерах.

Удивительные свойства углерода

А вот количество атомов в молекуле углерода всегда остается неизменным. При этом он образует абсолютно разные вещества. Самыми распространенными модификациями углерода являются алмаз и графит.

Первое вещество считается самым твердым на планете. Это свойство обусловлено тем, что атомы в алмазе связаны прочными ковалентными связями по всем направлениям.

В совокупности они образуют трехмерную сеть из тетраэдров.

У графита прочные связи формируются только между атомами, расположенными в горизонтальной плоскости. По этой причине разломать графитовый стержень вдоль практически невозможно. А вот связи, которые соединяют горизонтальные слои углерода между собой, очень слабые. Поэтому каждый раз, когда мы проводим простым карандашом по бумаге, на ней остается серый след. Это и есть слой углерода.

Причина модификаций серы также заключается в особенностях внутренней структуры молекул. Самой устойчивой формой является ромбическая. Кристаллы этого вида аллотропии серы называют ромбоидальными.

Каждый из них образован коронообразными молекулами, в состав каждой из которой входит 8 атомов. По физическим свойствам ромбическая сера является твердым веществом желтого цвета. Она не только не растворяется в воде, но даже не смачивается ею.

Показатели тепло- и электропроводности очень низкие.

Структура моноклинной серы представлена параллелепипедом со скошенными углами. Визуально это вещество напоминает иглы темно-желтого цвета. Если серу расплавить, а потом поместить в холодную воду, образуется ее новая модификация. Ее первоначальная структура разрушится до полимерных цепей разной длины. Так получают пластическую серу – резиноподобную массу коричневого цвета.

Модификации фосфора

Ученые насчитывают 11 видов фосфора. Его аллотропия была открыта практически случайно, как и само это вещество.

В поисках философского камня алхимик Бранд получил светящуюся сухую субстанцию в результате выпаривания мочи. Это был белый фосфор. Данное вещество характеризуется большой химической активностью.

Достаточно повышения температуры до 40 градусов, чтобы белый фосфор вступил в реакцию с кислородом и воспламенился.

Для фосфора причина аллотропии – это изменение в структуре кристаллической решетки. Изменить ее можно только при определенных условиях.

Так, увеличив давление и температуру в атмосфере углекислого газа, получают красный фосфор. Химически он менее активен, поэтому для него не характерно свечение. При нагревании он превращается в пар.

Мы наблюдаем это каждый раз, зажигая обычные спички. Терочная поверхность как раз содержит красный фосфор.

Итак, аллотропия – это существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Чаще всего встречается среди неметаллов. Основными причинами этого явления считаются разное количество атомов, образующих молекулу вещества, а также изменение конфигурации кристаллической решетки.

Источник: http://fb.ru/article/351131/allotropiya---eto-opredelenie-ponyatiya-i-prichinyi

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.