Alotropia

Alotropia (gr Allos drugiej i tropos sposób) jest w chemii , w mineralogii i inżynierii materiałowej , Wydział pewnych prostych organów występują w kilku postaciach krystaliczną lub cząsteczkowa innego. Jest to równoważne z polimorfizmem w organach związków pod względem różnych postaciach krystalicznych (organizacja tych samych atomów, w różnych odmianach krystalicznych), lub izomerii w zakresie różnych form molekularnych (organizacja tych samych atomów, w innej cząsteczce). Na przykład węgiel amorficzny, grafit , diament , lonsdaleit , chaoit , fulleren i nanopianka są odmianami alotropowymi węgla w tym sensie, że są różnymi formami krystalicznymi pojedynczego ciała odpowiadającego pierwiastkowi chemicznemu węgiel. Tlenu i trioxygen (lub ozon są) również prosty korpus alotropowa odpowiadający pierwiastek chemiczny tlenu , ale tym razem w tym sensie, że są one różne formy molekularne.

Pojęcie alotropii odnosi się tylko do różnych form pierwiastka chemicznego w tej samej fazie lub stanie skupienia ( ciało stałe , ciecz , gaz ). Przemiany fazowe pierwiastka nie są z definicji związane ze zmianą formy alotropowej (np. Ciekły tlen i tlen gazowy nie są formami alotropowymi). W przypadku niektórych pierwiastków formy alotropowe mogą występować w różnych fazach; na przykład dwie alotropowe formy tlenu, ditlenu i ozonu, mogą występować w fazie stałej, ciekłej i gazowej.

Pojęcie alotropii zostało opracowane przez szwedzkiego chemika Jönsa Jacoba Berzeliusa .

Różnice we właściwościach fizycznych form alotropowych

W postaciach alotropowych pierwiastka chemicznego często mają właściwości fizyczne (twardość, kolor, temperaturę topnienia , przewodność elektryczną , przewodność cieplna ) i różną reaktywność chemiczną, chociaż są wykonane z identycznych węgla. Na przykład dwutlenek węgla nie jest bardzo reaktywny (i nietoksyczny) w warunkach, w których ozon jest bardzo reaktywny (i toksyczny).

Przemiany formy alotropowej z jednego pierwiastka w inny są często wywoływane przez zmiany ciśnienia , temperatury lub nawet przez reakcję chemiczną, a niektóre formy są stabilne tylko w określonych warunkach temperatury i ciśnienia; na przykład :

żelazo istnieje w postaci alfa poniżej 912 ° C , w postaci y pomiędzy 912 i 1394 ° C i pod hemibursztynianu formy powyżej;
Z drugiej strony, przejścia z ditlenku ozon jest reakcja fotochemiczna, który odbywa się w górnych warstwach atmosfery, gdy promienie UV są obecne wystarczająco energiczne do wytwarzania atomów O z O 2 cząsteczki..

Przykłady form alotropowych

Zazwyczaj pierwiastki zdolne do tworzenia różnej liczby wiązań chemicznych i te, które mają zdolność łączenia, mają zwykle największą liczbę form alotropowych. Jest to przypadek z siarki , które przed ostatnim odkryciem Spośród wielu postaciach alotropowych węgla, która odbyła się rekord cząsteczkowej (S 8 S 2 , itd. ) I krystalograficznej (S α S β , odmiany alotropowe ) . itp .). Zjawisko alotropii jest zwykle bardziej widoczne w przypadku niemetali, ponieważ może być zarówno krystaliczne, jak i molekularne. Ten ostatni przypadek nie jest możliwy w przypadku metali.

Węgiel

Dwie najczęstsze formy alotropowe:

diament jest bardzo trudne przezroczysty postać krystaliczna z każdym atomem węgla otoczony przez cztery pojedyncze wiązania w układzie czworościan . Jest izolatorem elektrycznym, ale doskonałym przewodnikiem ciepła ;

grafit jest miękki czarne ciało stałe, co średnio energii elektrycznej. Atomy węgla, połączone wiązaniem kowalencyjnym z trzema sąsiadami, tworzą dwuwymiarową heksagonalną sieć zwaną grafenem . Stos tych warstw stanowi grafit.

Jak również inne rzadsze formy:

lonsdaleit nazywany jest sześciokątny kształt diamentu;
chaoit jest allotrope formowania pod wysokim ciśnieniem;
że fulereny (w tym „wzoru” oznacza C 60 );
że nanorurki .

Fosfor

Fosfor czerwony - polimerowe ciało stałe
Fosfor biały - krystaliczna substancja stała
Fosfor czarny - półprzewodnik , wykazujący podobieństwa do grafitu.

Tlen

Ditlen , O 2 - bezbarwny.
Ozon , O 3 - niebieski, pozyskiwany fotochemicznie z ditlenu.

Tetratlen O 4 - czerwony i octaoxygène O 8 - czerwony, czasami określane jako odmian alotropowych tlenu są zespoły cząsteczek tlenu. Nie stanowią odmiany alotropowej.

Siarka

Przypadek siarki jest najbardziej złożony, ponieważ z jednej strony łatwość, z jaką siarka jest łączona, pozwala jej istnieć w wielu różnych cząsteczkach o wzorach S n i cyklo-S n . Z drugiej strony te różne cząsteczki krystalizują w różnych odmianach krystalicznych.

α-cyklo-S 8 (ciało stałe) jest forma molekularna bardziej stabilny 95,3 ° C . Składa się z cyklu ośmiu atomów siarki, a te cykliczne cząsteczki są ułożone w pewien układ krystalograficzny ( oznaczony jako α ).
β-cyklo-S 8 (ciało stałe) jest najbardziej stabilną formą cząsteczkową między 95,3 ° C a temperaturą topnienia (między 112,8 a 115,1 ° C , w zależności od proporcji każdej aktualnie występującej odmiany alotropowej).
γ-cyklo-S 8 , kształt perłowy, zaobserwowano już w 1890 roku, przez powolne chłodzenie siarki podgrzaniu powyżej 150 ° C .
ε S cyklo- 6 , forma romboedrycznej zaobserwowano już w 1891 roku jest tworzony przez poddanie reakcji roztworu tiosiarczanu z kwasu solnego, nasyconego w 0 ° C .
S n ( n = 2-5) są nietrwałymi cząsteczkami, w zwykłych warunkach, a S 2(odpowiednik O 2) jest stabilną formą w fazie gazowej w wysokiej temperaturze.
cyclo-S n (dla kilku innych wartości n : 6, 7, 10, 12, 18; 20).
S μ również zauważył polimeryczny S ∞ , wyglądający jak guma.
Odmiany zwane catena-S n (łańcuchowe, niecykliczne) mogą być syntetyzowane „na żądanie”.

To wyliczenie, jakkolwiek długie, ukrywa złożoność trzech możliwych konformacji jednostek S 3znalezione w łańcuchach siarkowych: cis , d- trans i l- trans (patrz rysunek obok).

Alotropia i diagram fazowy

Wykres fazowy czystych pokazuje ciała, oprócz stanów stałych, ciekłych i gazowych różnych odmian alotropowych temperatury i ciśnienia strefach, w których są one stabilne. Tak jest w przypadku przedstawionego obok uproszczonego diagramu stanu siarki.

Uwagi i odniesienia

(fr) Ten artykuł jest częściowo lub w całości zaczerpnięty z artykułu Wikipedii w języku angielskim zatytułowanego „ Allotropy ” ( zobacz listę autorów ) .

Jöns Jacob Berzelius , Progress of Chemistry , 1840, t. 5 , s. 2 .
(w) " allotropes " Compendium of Chemical Terminologia [ " Złota Book "], IUPAC 1997, poprawione w wersji on-line (2006-), 2 th ed.
(w), Greenwood NN i Eanrshaw A (2003), Chemistry of pierwiastków , 2 th ed. , Elsevier, s. 652 .