Alotropie (chimie)

Diamant (stânga) și grafit, două dintre stările alotropice ale carbonului. Sub modelele structurilor cristaline aferente.

Alotropia (din grecescul allos , altul și tropos , cale), este un nume aplicat de Jöns Jacob Berzelius proprietății de a exista în diferite forme, prezentat de unele substanțe simple (adică substanțe ale căror atomi sunt de același element chimic ). Diferitele forme sunt cunoscute sub numele de alotropi . ^[1]

Câteva exemple clasice de substanțe simple care au forme alotrope sunt:

fosfor (sub formele „roșu”, „ alb ”, „violet” etc.);
oxigen (O ₂ și ozon O ₃ );
carbon (sub formele de grafit , diamant , grafen , fulleren , nanotub și alte alotropi de carbon ).

Termenul "alotropi" poate fi, de asemenea, utilizat pentru a se referi la formele moleculare dintr-o substanță simplă (ca în cazul unui gaz diatomic), chiar dacă există o singură formă suplimentară.

Alotropia și stările materiei

Alotropia se referă în mod specific la structura legăturii chimice existente între atomi de același tip și nu trebuie confundată cu existența unor stări fizice diferite, cum ar fi pentru apa care poate exista ca gaz ( vapori ), lichid (apă), sau solid ( gheață ).

Aceste faze de apă nu sunt forme alotrope, deoarece sunt produse de modificările legăturilor fizice existente între diferitele molecule de apă, mai degrabă decât de modificările legăturii chimice a moleculelor în sine. Fiecare alotrop al unui element poate exista în diferite faze solide, lichide sau gazoase.

Alotropie și polimorfism

În mod obișnuit, alotropia se referă la substanțe simple în stare solidă, în timp ce polimorfismul se poate referi și mai generic la compuși în stare solidă care pot avea mai multe forme cristaline.

Exemple

Unele exemple de alotropi sunt date de cele două forme alotrope de carbonat de calciu , calcit și aragonit , sau de sulf , sau de gheață însăși, care în condiții de diferite temperaturi și presiuni își modifică structura în funcție de diferitele sale alotrope, de obicei indicate cu numere Romani ; până acum se cunosc aproape o duzină.

Alotropii de carbon

În cazul alotropilor de carbon, anumite caracteristici fizice pot diferi drastic de la un alotrop la altul. În diamant fiecare atom este conectat la alți 4 atomi conform unei rețele de tetraedru (un atom în centru, legat de cei 4 atomi din vârfurile tetraedrului).

În caz contrar, în grafit fiecare atom este ferm legat de alți trei atomi formând foi hexagonale . Aceste foi hexagonale sunt stivuite cu alte foi cu care sunt lipite slab, justificând astfel duritatea Mohs foarte scăzută (valoarea 1, comparativ cu 10 pentru diamant).

Structura fulerenei (un alotrop de carbon găsit în funingine ) seamănă cu cea a grafitului, cu diferența că atomii, în loc să fie organizați în hexagoane regulate, sunt organizate pentru a forma hexagoni și pentagoni în așa fel încât foile de fuleren pot fi „rulate” pe ele însele pentru a forma sferoide , asemănătoare mingilor de fotbal cu cusături.

Alotropii de carbon diferă nu numai prin caracteristicile fizice, ci și prin reactivitatea chimică: grafitul poate fi oxidat de acidul azotic , formând compuși legați de benzen , în timp ce diamantul nu produce niciun compus similar.

Enantiotropie și monotropie

Transformarea care stă la baza alotropiei poate fi reversibilă, adică fenomenul poate apărea spontan în ambele direcții sau ireversibil, adică fenomenul poate apărea spontan doar către o direcție specifică.

În cazul unui fenomen reversibil, termenul de enantiotropie este folosit pentru a descrie tranziția în forme cristaline care pot fi interconvertite spontan prin variația temperaturii în anumite condiții de presiune constantă. De exemplu, prin încălzirea sulfului α la o temperatură de 95,6 ° C , la o presiune constantă de 1 atm , este posibil să se obțină transformarea în forma caracteristică a sulfului β. Reversibil, prin răcirea sulfului β până la valoarea de 95,6 ° C, întotdeauna la presiune atmosferică constantă, este posibil să recâștigăm forma α a elementului. Este necesar să se lucreze cu gradienți de temperatură mici pentru a evita formarea de alotropi instabili.

Dacă, pe de altă parte, transformarea este capabilă să evolueze spontan doar într-o direcție specifică, atunci vom vorbi de monotropie și în acest caz nu va fi posibilă reformarea alotropului de pornire. Un exemplu clasic de transformare monotropă este reprezentat de transformarea diamantului ⇒ grafit: prin încălzirea diamantului sub vid la o temperatură de 1 800 ° C, se realizează transformarea ireversibilă în grafit; procesul invers nu are loc spontan și a fost reprodus (după mult efort) numai în laborator în condiții de presiune și temperatură ridicate.

Lista alotropilor obișnuiți

Element	Alotropii
Carbon	diamant - cristal transparent, foarte dur cu atomi de carbon dispuși într-un tetraedru. Nu conduce electricitatea, ci conduce căldura. lonsdaleit - cunoscut și sub numele de diamant hexagonal. grafit - un solid moale de culoare neagră, bun conductor electric. Atomii de carbon sunt dispuși în hexagoane, în planuri orizontale. fulerene - cu o formă de sferă, ca C ₆₀ . nanotuburi - de formă cilindrică grafen - sunt constituenții grafitului. Au o structură plană formată din celule hexagonale penta-grafen ^[2] - o structură bidimensională deocamdată doar teoretizată, în care atomii de carbon sunt dispuși în pentagoni
Fosfor	Fosfor alb - solid cristalin (P ₄ ) Fosforul roșu - solid polimeric, este format din mulți fosfor albi legați într-un lanț lung. Fosforul negru - semiconductor, analog grafitului, este cea mai stabilă structură.
Oxigen	O ₂ - gaz incolor ozon , O ₃ - de culoare albastră, fundamental în atmosferă tetraoxigen , O ₄ - metastabil oxigen solid , O ₈ - de culoare roșie
Sulf	Sulful amorf - un solid polimeric Sulful rombic - cristale foarte mari compuse din molecule S ₈ Sulf monoclinic - mici cristale în formă de ac Alte molecule precum S ₇ și S ₁₂