Что такое аллотропия? Аллотропия углерода, химия

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 неорганических веществ? 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 строение кристаллической решетки (аллотропия формы).

Часто это понятие сопряжено с термином полиморфизм. Однако между ними есть отличие. Что такое аллотропия? Это 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 кристаллических веществ.

Различные аллотропные модификации 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.

1. 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.
2. 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 футбольный мяч. Применяются фуллерены в технике как полупроводник, для производства сверхпроводящих соединений, как фоторезист и прочее.
3. 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.
4. 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 искусственных алмазов, 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 О₂;
• газообразный озон, эмпирическое отражение состава которого О₃.

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.

1. Белый фосфор. Формула его Р₄. Вещество, напоминающее мягкий парафин белого или слегка желтоватого цвета. Легко плавится, переходя в ядовитый газ.
2. Красный фосфор - пастообразная масса, имеющая неприятный запах. Формула - Р_n. Это полимерная структура.
3. 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 ^оС. Одна форма легко переходит в другую в естественных условиях, если будет градусный перепад.