Що таке аллотропия? Аллотропия вуглецю, хімія

Причини різноманіття органічних сполук - здатність атомів вуглецю утворювати різні ланцюга і цикли, з`єднуючись між собою. Тобто явище ізомерії. А в чому причина різноманіття простих неорганічних речовин? Виявляється, на це питання можна відповісти, розглянувши, що таке аллотропия. Саме з цим природним явищем у світі хімічних елементів пов`язують існування різних форм простих з`єднань.

Що таке аллотропия?

Відповісти на це питання можна так. Це явище існування одного і того ж хімічного елемента у вигляді кількох простих речовин. Тобто якщо осередків в таблиці Менделєєва 118, то це не означає, що і в природі атомів стільки ж. Кожен з елементів (майже всі) мають по одній або декілька різновидів, або аллотропних модифікацій.

Чим же розрізняються такі речовини? Причин у даного явища основні дві:

• різне число атомів у молекулі (аллотропия складу);
• неоднакову будову кристалічної решітки (аллотропия форми).

Часто це поняття пов`язане з терміном поліморфізм. Однак між ними є відмінність. Що таке аллотропия? Це видозміни хімічного елемента в різні прості речовини, незалежно від того, в якому агрегатному стані воно знаходиться. У той час як поліморфізм - це поняття, уживане лише для твердих кристалічних речовин.

Різні аллотропние модифікації сполук прийнято позначати латинськими літерами перед їх назвою. Альфа завжди ставиться перед тією формою, яка має мінімальну температуру плавлення, кипіння. Далі за алфавітом і збільшенню показників відповідно.

Незважаючи на те що хімічний елемент в основі простих речовин один і той же, властивості модифікацій значно відрізняються один від одного, причому як фізичні, так і хімічні. Найпростіше формують аллотропние форми:

• неметали (окрім галогенів і інертних газів);
• напівметали.

Найменше вивчена аллотропия металів, так як вони подібні модифікації утворюють неохоче і не все. Всього на сьогоднішній день відомо більше 400 різних форм простих речовин. Чим більше ступенів окислення характерно для елемента, тим вище кількість відомих для нього аллотропних видозмін.

Видозміни вуглецю

Аллотропия вуглецю - це найпоширеніший і яскравий приклад, який ілюструє розглядається явище. Адже саме цей елемент здатний формувати кілька різновидів сполук, розрізняються будовою кристалічної решітки. При цьому утворюються прості речовини настільки полярні за своїми властивостями, що залишається тільки дивуватися рішенням природи.

Отже, аллотропия вуглецю включає в себе наступні модифікації.

1. Що таке аллотропия вуглецю, можна простежити і на наступній його формі, яка кардинально відрізняється від попередньої. Це графіт. Дуже м`яке речовина, здатне легко відшаровуватися і залишати характерний слід на папері. Тому його використовують для виготовлення грифелей простих олівців. Структура даної форми - гексагональна шарувата. Зв`язки між прошарками слабкі, легко рвуться, щільність речовини низька. Використовується графіт для одержання синтетичних алмазів, як твердий мастильний матеріал, для виготовлення електродів, як наповнювач пластмас, а також в ядерних реакторах.
2. Фулерени - ще один доказ того, що існує аллотропия. Хімія цих сполук схожа з такою у ароматичних вуглеводнів. Адже структура їх представлена опуклими замкнутими многогранниками, що нагадують футбольний м`яч. Застосовуються фулерени в техніці як напівпровідник, для виробництва надпровідних сполук, як фоторезист та інше.
3. Лонсдейліт і церафіт - ще дві кристалічні аллотропние модифікації вуглецю. Відкриті були порівняно недавно. За властивостями дуже схожі з алмазом, за відсутності домішок здатні бути навіть у кілька разів твердіше.
4. Вугілля і сажа - аморфна аллотропия речовин. Використовуються в якості палива, мастильних матеріалів, у фільтрах і так далі. За змістом в природі найпоширеніші з усіх модифікацій вуглецю.

Алмаз

Найтвердіше з усіх відомих на сьогодні речовин, що оцінюється в 10 балів за шкалою Мооса. Кристалічна форма вуглецю, структура якої має вигляд правильно з`єднаних між собою в мережу тетраедричних утворень.

Алмаз здатний дуже добре розсіювати світло, що дозволяє використовувати його в якості ювелірної прикраси (діаманти). Завдяки своєї надзвичайної твердості, використовується для різання і зварювання, буріння, полірування й шліфування. На сьогоднішній день налагоджено виробництво штучних алмазів, використовуваних в промисловості.

Інші різновиди

Також існує ще кілька різновидів даного елемента:

• нанотрубки;
• нанопили;
• Астролого;
• нановолокна;
• скловуглець;
• графени;
• карбін;
• нанопочкі.

Непідтверджені, але передбачувані форми існування простих сполук вуглецю: чаоіт, металевий вуглець і діуглерод.

Аллотропия кисню

Даний неметалл утворює два простих речовини:

• газ кисень (при звичайних умовах), формула якого Про₂;
• газоподібний озон, емпіричне відображення складу якого Про₃.

Очевидно, що тут найголовніша причина існування модифікацій - складу молекули. Звичайний кисень - основа життя всіх живих істот (за винятком анаеробних бактерій). Він є активним учасником газообміну, джерелом енергії для всіх процесів життєдіяльності. У хімічному відношенні - окислювач, за допомогою якого здійснюється безліч реакцій.

Озон же утворюється в природі або спеціальних лабораторних установках озонаторах з кисню повітря під дією сильного розряду електрики. У природних умовах - це блискавка. У низьких розсіяних концентраціях має приємний запах свіжості (після грози завжди відчувається в повітрі). Є дуже сильним окислювачем, відбілювачем, хімічно активний.

Видозміни фосфору

Аллотропия кисню схожа з такою і у фосфору. Він також має близько 11 різних модифікацій, що розрізняються числом атомів у молекулі, а значить, хімічним зв`язком і властивостями. Виділяють три стійкі форми і інші, в природі практично не зустрічаються і розпадаються.

1. Білий фосфор. Формула його Р₄. Речовина, що нагадує м`який парафін білого або злегка жовтуватого кольору. Легко плавиться, переходячи в отруйний газ.
2. Червоний фосфор - пастообразная маса, що має неприємний запах. Формула - Р_n. Це полімерна структура.
3. Чорний фосфор - жирна на дотик маса, яка має чорний колір і абсолютно не розчиняється у воді.

Видозміни металів

Що таке аллотропия металів, можна дізнатися на прикладі заліза. Воно існує у вигляді:

• альфа-;
• бета-;
• гама-;
• сигма-форми.

Кожна відрізняється від попередньої будовою кристалічної решітки і, відповідно, властивостями. Наприклад, альфа-форма - ферромагнетічна, а бета -парамагнетік.

Взагалі, з усіх відомих металів аллотропние модифікації утворюють всього 27 хімічних елементів.

Аллотропия олова

Цікава тим, що альфа-форма - це сірий порошок, який існує лише при низьких температурах. Бета-форма, навпаки, метал, сріблясто-білий, м`який і пластичний. Існує при високих показниках температур - до 161 ^проС. Одна форма легко переходить в іншу в природних умовах, якщо буде градусний перепад.