Аллотропия химических элементов подробное описание. Аллотропия
Аллотропия - это способность некоторых химических элементов существовать в виде двух или нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам. Еще в XVIII в. был установлен удивительный факт: и алмаз, и самый обычный уголь при сгорании образуют углекислый газ - и ничего более. Следовательно, алмаз и уголь состоят из одного и того же элемента - углерода. Ученые знали также, что сера может существовать в разных кристаллических состояниях. Позже удалось обнаружить два «фосфора» - белый и красный. Все эти примеры обобщил в 1841 г. шведский химик Й. Берцелиус и предложил для этого явления название «аллотропия» (от греческих слов, означающих «другой» и «направление»).
В настоящее время известно более 400 аллотропических разновидностей простых веществ. Что же лежит в основе аллотропии? Единой причины, обусловливающей существование аллотропических видоизменений, нет. Например, в молекулах таких модификаций могут содержаться разные количества атомов, как у кислорода и озона и . Подобное различие характерно и для молекул двух разновидностей жидкой серы: и , но здесь есть и другая разница. В молекуле атомы серы образуют восьмичленное кольцо, тогда как молекулы - это линейные цепочки из шести атомов серы. Наиболее известным примером аллотропических видоизменений служат алмаз, графит и карбин (см. Углерод). Карбин был впервые получен в 1961 г. советскими учеными. Он представляет собой своеобразный линейный полимер углерода. Раньше ошибочно считали аллотропической разновидностью углерода сажу, однако ее кристаллическое строение оказалось подобным графиту.
Наряду с аллотропией известно явление полиморфзма - способности одного и того же простого вещества существовать в разных кристаллических формах.
Строением кристаллов различаются, например, ромбическая и моноклинная сера, белое и серое олово.
Известное явление «оловянной чумы» - это не что иное, как переход белого олова в серое при низких температурах.
Три кристаллические модификации известны у железа, их принято обозначать греческими буквами и .
Но больше всего аллотропических модификаций - шесть - образует плутоний. Эти разновидности имеют разные кристаллические решетки и последовательно переходят одна в другую при повышении температуры от 0° до 640° С (при этой температуре плутоний плавится).
Строение кристалла алмаза (вверху), графита (в центре) и карбина (внизу). В кристалле алмаза все атомы углерода соединены между собой очень прочными связями и образуют в пространстве непрерывный трехмерный каркас. В графите атомы углерода располагаются параллельными слоями; при этом атомы внутри слоя связаны между собой прочнее, чем один слой с другим. В кристаллах карбина длинные цепочки атомов уложены параллельно друг другу.
I
свойство некоторых химических простых тел (элементов) являться в двух или нескольких столь различных видоизменениях, что их можно принять за совершенно различные тела, если бы тождество их химической природы не было твердо установлено химическими превращениями. Аллотропические видоизменения, или модификации, известны для многих элементов. Хороший пример тому представляет углерод, являющийся или в виде алмаза, или в виде графита, или, наконец, в виде аморфного угля. Такие же видоизменения бывают у бора и кремния. Бесцветный, легко воспламеняющийся фосфор, нагретый в безвоздушном пространстве, точно так же превращается в красное аллотропическое видоизменение, не воспламеняющееся на воздухе и не имеющее ядовитых свойств, в такой сильной степени свойственных обыкновенному (желт.) фосфору. Понятие А. введено в науку Берцелиусом ("Jahresb.", 1841, стр. 13. "L. A.", 49, 247 ; ср. Изомерия) для обозначения изомерных видоизменений элементов; одновременно он предполагал, по-видимому, применить его и к изомерии соединений, если судить по словам: "Может быть несколько причин того, что мы называем изомерией, а именно: 1) А., если... пример двух железных колчеданов обусловлен содержанием в одном S α , а в другом S β [Знаками α и β Берцелиус отличил аллотропические видоизменения серы.]; 2) различное относительное положение атомов в соединении... и 3) в некоторых случаях и А., и неодинаковое положение атомов". В настоящее время понятие А. большею частью прилагается к "изомерии" элементов; иногда, впрочем, говорят и об А. соединений, подразумевая при этом так называемую "физическую" изомерию, и наконец, только в самое последнее время в "твердых растворах" мы тоже возвратились к взгляду Берцелиуса и объясняем "изомерию", напр. стали (при различных условиях закалки), предсуществованием в ней аллотропических форм железа. Число известных случаев А. громадно. Между элементами они главным образом наблюдены для металлоидов. Только для галоидов (F, Cl, Br и J) их неизвестно, если не принимать, однако, взгляда Лемана (см. ниже). Для металлоидов VI вертикальной группы периодической системы Менделеева известны явления А.: для кислорода (озон - см.), серы (см.) и селена (см.), но не теллура. Об А. металлоидов V группы см. Азот и Фосфор; для мышьяка известны теперь тоже три аллотропич. формы, а именно: 1) желтый прозрачный мышьяк, кристаллизующийся в правильной системе (в ромбических додекаэдрах), растворимый порядочно в сероуглероде и хуже в бензоле, глицерине и жирных маслах, быстро переходящий на свету и при нагревании во 2-е видоизменение (Schuller; Retgers, "Z. an. Gh.", 1894; Mc. Leod, "Chem. News", 70 и Linck, "Berl. Ber.", 1899); 2) мышьяк, кристаллизующийся в гексагональных ромбоэдрах, просвечивающий, отвечающий красному фосфору, и 3) мышьяк, тоже кристаллизующийся в гексагональных ромбоэдрах, но не просвечивающий, с металлическим серебристо-белым блеском, отвечающий металлическому фосфору (см. Retgers, "Z. an. Ch.", 1893 и XX, 287); для сурьмы аллотропич. форм неизвестно, и так назыв. "взрывчатая", или аморфная, сурьма оказывается содержащей значительный количества треххлористой сурьмы (E. Cohen u. W. E. Ringer, "Z. ph. Ch.", 1904). В IV группе аллотропические формы известны для углерода (см.), кремния (см.) и в III для бора (см.). Случаев А. металлов известно пока мало; наиболее изучены аллотропические формы олова (см.) и железа (см.; ср. Retgers, "Zeit. ph. Ch.", 1894), но имеются еще указания на полиморфизм цинка, иридия, палладия, серебра (?) и золота (?) (Arzruni, "Beziehungen zw. Krystallform u. ch. Zusammensetzung", 3 ч. 1-го т. Graham-Otto"s "Ausführl. Lehrb. d. Ch.", стр. 36 ; ср. еще M. И. Коновалов, "О видоизменениях (А.) простых тел или элементов", "Речи и отчеты Моск. Сельскохоз. Инст." за 1899 г. и E. Petersen, "Zeitsch. ph. Ch.", 1891). - Что касается А. химически сложных тел, то вопрос и для них сводится обыкновенно на явления полиморфизма (см.), так как химических различий в большинстве случаев для них не известно ["Диморфные вещества, по моему мнению, - говорит Пастер, - изомерные вещества с очень мало различным расположением молекул; потому и химические свойства их мало изменены".]. Более известные случаи полиморфизма неорганических веществ указаны в ст. Полиморфизм; из органических веществ полиморфизм наблюден на бензофеноне, уксуснокислом изогидробензоине (Цинке), дибромопропионовой кисл. (Толленс), толилфенилкетоне (фан Дорп, Цинке), метахлорнитробензоле, хлординитробензоле (1, 3, 4) (Лаубенгеймер), бромистом углероде (Леман) и мн. других (список у Arzruni. 1. с., 55-58; более новые данные у Tammann"a, "Kristallisieren u. Schmelzen", Лпц., 1903). Никакой связи между полиморфизмом и составом пока не удалось установить, что, вероятно, находит объяснение в отрывочности имеющихся наблюдений (систематичны только работы Тамманна). Что касается общих условий полиморфизма (аллотропии), то достаточно указать, что явление это связано с твердым (кристаллическим) состоянием материи и неизвестно для аморфного (жидкого), и что потому пары (?), растворы и жидкости (?), полученные плавлением аллотропных форм, тождественны; что из двух аллотропных форм одна обыкновенно находится в малоустойчивом состоянии по отношению к другой (метастабильное состояние Оствальда; оно может быть довольно постоянным благодаря пассивным сопротивлениям); только при температуре (и давлении) точки перехода обе формы одинаково устойчивы, но возможность осуществления этой последней (точки перехода) зависит от того, имеется ли случай "энантио"- или "монотропии" (см.). Исчерпывается ли возможное разнообразие только этими двумя типами, нельзя еще считать окончательно установленным, судя по многим опытным данным (ср. Энолизация); возможно, однако, что усложнение (сравнительно с теорией) кажущееся, обусловленное медленностью превращений (W. Bancroft, "Journ. Ph. Ch.", 1898; P. Duhem, "Zeitschr. ph. Ch.", 1897). В заключение замечу, что факторами, вызывающими то или другое аллотропическое превращение, являются, при данной природе превращающегося тела, изменения температуры и давления; все такие превращения подчинены правилу фаз (см.), и, смотря по тому, имеем ли мы дело с ин- или унивариантными системами, мы можем отождествить наблюдаемые явления или с плавлением системы из одного слагаемого (конденсированные системы фан"т Гоффа, системы инвариантные), или с испарением однородной жидкости в замкнутом пространстве (при сосуществовании жидкости и пара - система унивариантная). Едва ли есть потому необходимость, как это делает Леман (Lehmaon, "Molekularphysik", I, 605-703), предполагать, что "твердое и жидкое состояние (одного и того же тела) представляют химически различные тела", что "в сущности, плавление представляет химическое разложение, а застывание - обратное образование" первоначального твердого тела, что "ни одно тело не обладает более, чем одним агрегатным состоянием, а так называемые три агрегатных состояния одного тела фактически суть три химически различных тела, хотя порядка не атомных, а молекулярных изомеров". Взгляд Лемана имеет, однако, сторонников между минералогами и изложен у Браунса ("Химическая минералогия", пер. Белянкина. под ред. Левинсона-Лессинга, 175-180 ; его критику см. К. Schaum, "Die Arten der Isomerie", Марбург, 4-13 ). Научно-технический энциклопедический словарь Словарь металлургических терминов 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.) . 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. Водород может существовать в виде орто - и пара -водорода. В молекуле орто-водорода o
-H 2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины параллельны, а у пара-водорода p
-H 2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - антипараллельны. Известно 11 аллотропных модификаций фосфора.
Основные модификации: белый , красный и чёрный фосфор . Белый фосфор ядовит, светится в темноте, способен самовоспламеняться, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте, сам по себе не воспламеняется. Две аллотропные модификации: О 2 - кислород и О 3 - озон .
Кислород бесцветен, не имеет запаха; озон имеет выраженный запах, имеет бледно-фиолетовый цвет, он более бактерициден. Большое число аллотропных модификаций, второе место после углерода.
Основные модификации: ромбическая, моноклинная и пластическая сера. Красный цикло-Se 8 , серый полимер Se и чёрный селен. 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 B 12 , которые образуют слои, объединенные в бесконечную структуру. Различают две основные аллотропные модификации кремния - аморфную и кристаллическую. Решётка кристаллической модификации кремния - атомная, алмазоподобная. Также выделяют поликристаллический и монокристаллический кремний. Три основные аллотропные модификации: жёлтый мышьяк (неметалл, состоящий из молекул As 4 - структура, аналогичная белому фосфору), серый мышьяк (полуметаллический полимер), чёрный мышьяк (неметаллическая молекулярная структура, аналогичная красному фосфору). Две аллотропные модификации: α-Ge - полуметалл с алмазоподобной кристаллической решёткой и β-Ge - с металлической структурой, аналогичной β-Sn. 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 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. 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. 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). 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 Церий, самарий, диспрозий и иттербий имеют по три аллотропических модификации; празеодим, неодим, гадолиний и тербий - по две. 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 актиниды в точке плавления имеют объёмно-центрированную решётку, а начиная с плутония - гранецентрированную. 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 P 4 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 белое олово) с тетрагональной кристаллической решеткой . 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. 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, О 2 - кислород и О 3 - 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 от него отказаться. Однако, по настоящее время они 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.) . Аллотропные модификации фосфора (белый, красный, жёлтый, черный 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 и 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. Водород может существовать в виде орто - и пара -водорода. В молекуле орто-водорода o
-H 2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины параллельны, а у пара-водорода p
-H 2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - антипараллельны. Известно 11 аллотропных модификаций фосфора. Основные модификации: белый , красный и чёрный фосфор. Белый фосфор ядовит, светится в темноте, способен самовоспламеняться, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте, сам по себе не воспламеняется. Две аллотропные модификации: О 2 - кислород и О 3 - озон . Кислород бесцветен, не имеет запаха; озон имеет выраженный запах, имеет бледно-фиолетовый цвет, он более бактерициден. Большое число аллотропных модификаций, второе место после углерода. Основные модификации: ромбическая, моноклинная и пластическая сера. Красный цикло-Se 8 , серый полимер Se и чёрный селен. Бор существует в аморфном и кристаллическом видах. Аморфный бор – порошок бурого цвета. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический бор. Кристаллический бор – вещество черного цвета. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, которые кристаллизуются в ромбической и тетрагональной сингониях. Наиболее устойчивая модификация – β-ромбический бор – состоит из икосаэдров B 12 , которые образуют слои, объединенные в бесконечную структуру. Различают две основные аллотропные модификации кремния - аморфную и кристаллическую. Решётка кристаллической модификации кремния - атомная, алмазоподобная. Также выделяют поликристаллический и монокристаллический кремний. Три основные аллотропные модификации: жёлтый мышьяк (неметалл, состоящий из молекул As 4 - структура, аналогичная белому фосфору), серый мышьяк (полуметаллический полимер), чёрный мышьяк (неметаллическая молекулярная структура, аналогичная красному фосфору). Две аллотропные модификации: α-Ge - полуметалл с алмазоподобной кристаллической решёткой и β-Ge - с металлической структурой, аналогичной β-Sn. 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 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. 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. Серое и белое олово 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 нормальной давлении переходит в моноклинную форму. Последняя при охлаждении ниже 95,6 °С вновь переходит в ромбическую форму. К монотропному переходу относится превращение белого фосфора P 4 под давление 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. Еще один пример - превращение графита в алмаз при давлении 6 ГПа и температуре 1500 °C в присутствии катализатора (никель, хром, железо и другие металлы). В обоих случаях давление способствует превращению, поскольку образуется вещества с более высокой плотностью, чем исходные.
аллотропия это, аллотропия деген не
Явление аллотропии обусловлено либо различным составом молекул простого вещества (аллотропия состава), либо способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке (аллотропия формы). 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. 1912 году В. Оствальд отметил, что аллотропия элементов является просто частным случаем полиморфизма кристаллов, и предложил от него отказаться. Однако, по настоящее время они 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.). 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 и 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. Водород может существовать в виде орто- и пара-водорода. 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. 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. Известно 11 аллотропных модификаций фосфора. Основные модификации: белый, красный и чёрный фосфор. Белый фосфор ядовит, светится в темноте, способен самовоспламеняться, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте, сам по себе не воспламеняется. Две аллотропные модификации: О2 - кислород и О3 - озон. Кислород бесцветен, не имеет запаха; озон имеет выраженный запах, имеет бледно-фиолетовый цвет, он более бактерициден. Большое число аллотропных модификаций, второе место после углерода. Основные модификации: ромбическая, моноклинная и пластическая сера. Красный цикло-Se8, серый полимер Se и чёрный селен. 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. Различают две основные аллотропные модификации кремния - аморфную и кристаллическую. Решётка кристаллической модификации кремния - атомная, алмазоподобная. Также выделяют поликристаллический и монокристаллический кремний. 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). Две аллотропные модификации: α-Ge - полуметалл с алмазоподобной кристаллической решёткой и β-Ge - с металлической структурой, аналогичной β-Sn. 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 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. 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. 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). 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 Церий, самарий, тербий, диспрозий и иттербий имеют по три аллотропических модификации; празеодим, неодим, гадолиний и тербий - по две. 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 актиниды в точке плавления имеют объёмно-центрированную решётку, а начиная с плутония - гранецентрированную. 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. 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 белое олово) с тетрагональной кристаллической решеткой. 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 путем переплавки. аллотропия деген не, аллотропия кислорода, аллотропия серы, аллотропия углерода, аллотропия фосфора, аллотропия этоПримеры аллотропии
Неметаллы
Элемент
Аллотропные модификации
Водород :
Углерод :
Фосфор :
Кислород :
Сера :
Селен :
Полуметаллы
Элемент
Аллотропные модификации
Бор :
Кремний :
Мышьяк :
Германий :
Сурьма :
Полоний :
Металлы
Элемент
Аллотропные модификации
Олово :
Железо :
Лантаноиды :
Актиниды :
Энантиотропные и монотропные переходы
Напишите отзыв о статье "Аллотропия"
Примечания
См. также
Литература
Ссылки
Отрывок, характеризующий Аллотропия
Я спросила у Стелы, как его зовут, и давно ли она его создала.
– Ой, я ещё даже и не придумала, как звать! А появился он прямо сейчас! Правда он тебе нравится? – весело щебетала девчушка, и я чувствовала, что ей было приятно видеть меня снова.
– Это тебе! – вдруг сказала она. – Он будет с тобой жить.
Дракончик смешно вытянул свою шипастую мордочку, видимо решив посмотреть, нет ли у меня чего интересненького... И неожиданно лизнул меня прямо в нос! Стелла визжала от восторга и явно была очень довольна своим произведением.
– Ну, ладно, – согласилась я, – пока я здесь, он может быть со мной.
– Ты разве его не заберёшь с собой? – удивилась Стелла.
И тут я поняла, что она, видимо, совершенно не знает, что мы «разные», и что в том же самом мире уже не живём. Вероятнее всего, бабушка, чтобы её пожалеть, не рассказала девчушке всей правды, и та искренне думала, что это точно такой же мир, в котором она раньше жила, с разницей лишь в том, что теперь свой мир она ещё могла создавать сама...
Я совершенно точно знала, что не хочу быть тем, кто расскажет этой маленькой доверчивой девочке, какой по-настоящему является её сегодняшняя жизнь. Она была довольна и счастлива в этой «своей» фантастической реальности, и я мысленно себе поклялась, что ни за что и никогда не буду тем, кто разрушит этот её сказочный мир. Я только не могла понять, как же объяснила бабушка внезапное исчезновение всей её семьи и вообще всё то, в чём она сейчас жила?..
– Видишь ли, – с небольшой заминкой, улыбнувшись сказала я, – там где я живу драконы не очень-то популярны....
– Так его же никто не увидит! – весело прощебетала малышка.
У меня прямо-таки гора свалилась с плеч!.. Я ненавидела лгать или выкручиваться, и уж особенно перед таким чистым маленьким человечком, каким была Стелла. Оказалось – она прекрасно всё понимала и каким-то образом ухитрялась совмещать в себе радость творения и грусть от потери своих родных.
– А я наконец-то нашла себе здесь друга! – победоносно заявила малышка.
– Да ну?.. А ты меня с ним когда-нибудь познакомишь? – удивилась я.
Она забавно кивнула своей пушистой рыжей головкой и лукаво прищурилась.
– Хочешь прямо сейчас? – я чувствовала, что она буквально «ёрзает» на месте, не в состоянии более сдерживать своё нетерпение.
– А ты уверена, что он захочет придти? – насторожилась я.
Не потому, что я кого-то боялась или стеснялась, просто у меня не было привычки беспокоить людей без особо важного на то повода, и я не была уверена, что именно сейчас этот повод является серьёзным... Но Стелла была видимо, в этом абсолютно уверена, потому, что буквально через какую-то долю секунды рядом с нами появился человек.
Это был очень грустный рыцарь... Да, да, именно рыцарь!.. И меня очень удивило, что даже в этом, «другом» мире, где он мог «надеть» на себя любую энергетическую «одежду», он всё ещё не расставался со своим суровым рыцарским обличием, в котором он себя всё ещё, видимо, очень хорошо помнил... И я почему-то подумала, что у него должны были на это быть какие-то очень серьёзные причины, если даже через столько лет он не захотел с этим обликом расставаться.
Обычно, когда люди умирают, в первое время после своей смерти их сущности всегда выглядят именно так, как они выглядели в момент своей физической смерти. Видимо, огромнейший шок и дикий страх перед неизвестным достаточно велики, чтобы не добавлять к этому какой-либо ещё дополнительный стресс. Когда же время проходит (обычно через год), сущности старых и пожилых людей понемногу начинают выглядеть молодыми и становятся точно такими же, какими они были в лучшие годы своей юности. Ну, а безвременно умершие малыши резко «взрослеют», как бы «догоняя» свои недожитые годы, и становятся чем-то похожими на свои сущности, какими они были когда вошли в тела этих несчастных, слишком рано погибших, или от какой-то болезни безвременно умерших детей, с той лишь разницей, что некоторые из них чуть «прибавляют» в развитии, если при их коротко прожитых в физическом теле годах им достаточно повезло... И уже намного позже, каждая сущность меняется, в зависимости от того, как она дальше в «новом» мире живёт.
А живущие на ментальном уровне земли высокие сущности, в отличие от всех остальных, даже в состоянии сами себе, по собственному желанию, создавать «лицо» и «одежду», так как, прожив очень долгое время (чем выше развитие сущности, тем реже она повторно воплощается в физическое тело) и достаточно освоившись в том «другом», поначалу незнакомом им мире, они уже сами бывают в состоянии многое творить и создавать.
Почему малышка Стелла выбрала своим другом именно этого взрослого и чем-то глубоко раненого человека, для меня по сей день так и осталось неразгаданной загадкой. Но так как девчушка выглядела абсолютно довольной и счастливой таким «приобретением», то мне оставалось только полностью довериться безошибочной интуиции этой маленькой, лукавой волшебницы...
Как оказалось, его звали Гарольд. Последний раз он жил в своём физическом земном теле более тысячи лет назад и видимо обладал очень высокой сущностью, но я сердцем чувствовала, что воспоминания о промежутке его жизни в этом, последнем, воплощении были чем-то очень для него болезненными, так как именно оттуда Гарольд вынес эту глубокую и скорбную, столько лет его сопровождающую печаль...
– Вот! Он очень хороший и ты с ним тоже подружишься! – счастливо произнесла Стелла, не обращая внимания, что её новый друг тоже находится здесь и прекрасно нас слышит.
Ей, наверняка, не казалось, что говорить о нём в его же присутствии может быть не очень-то правильно... Она просто-напросто была очень счастлива, что наконец-то у неё появился друг, и этим счастьем со мной открыто и с удовольствием делилась.
Она вообще была неправдоподобно счастливым ребёнком! Как у нас говорилось – «счастливой по натуре». Ни до Стеллы, ни после неё, мне никогда не приходилось встречать никого, хотя бы чуточку похожего на эту «солнечную», милую девчушку. Казалось, никакая беда, никакое несчастье не могло выбить её из этой её необычайной «счастливой колеи»... И не потому, что она не понимала или не чувствовала человеческую боль или несчастье – напротив, я даже была уверена, что она чувствует это намного глубже всех остальных. Просто она была как бы создана из клеток радости и света, и защищена какой-то странной, очень «положительной» защитой, которая не позволяла ни горю, ни печали проникнуть в глубину её маленького и очень доброго сердечка, чтобы разрушить его так привычной всем нам каждодневной лавиной негативных эмоций и раненных болью чувств.... Стелла сама БЫЛА СЧАСТЬЕМ и щедро, как солнышко, дарила его всем вокруг.
– Я нашла его таким грустным!.. А теперь он уже намного лучше, правда, Гарольд? – обращаясь к нам обоим одновременно, счастливо продолжала Стелла.
– Мне очень приятно познакомиться с вами, – всё ещё чувствуя себя чуточку скованно, сказала я. – Это наверное очень сложно находиться так долго между мирами?..
– Это такой же мир как все, – пожав плечами, спокойно ответил рыцарь. – Только почти пустой...
– Как – пустой? – удивилась я.
Тут же вмешалась Стелла... Было видно, что ей не терпится поскорее мне «всё-всё» рассказать, и она уже просто подпрыгивала на месте от сжигавшего её нетерпения.
– Он просто никак не мог найти здесь своих близких, но я ему помогла! – радостно выпалила малышка.
Гарольд ласково улыбнулся этому дивному, «искрящемуся» счастьем человечку и кивнул головой, как бы подтверждая её слова:
– Это правда. Я искал их целую вечность, а оказалось, надо было всего-навсего открыть правильную «дверь». Вот она мне и помогла.
Я уставилась на Стеллу, ожидая объяснений. Эта девочка, сама того не понимая, всё больше и больше продолжала меня удивлять.
– Ну, да, – чуть сконфужено произнесла Стелла. – Он рассказал мне свою историю, и я увидела, что их здесь просто нет. Вот я их и поискала...
Естественно, из такого объяснения я ничего толком не поняла, но переспрашивать было стыдно, и я решила подождать, что же она скажет дальше. Но, к сожалению или к счастью, от этой смышлёной малышки не так-то просто было что-то утаить... Хитро глянув на меня своими огромными глазами, она тут же предложила:
– А хочешь – покажу?
Я только утвердительно кивнула, боясь спугнуть, так как опять ожидала от неё чего-то очередного «потрясающе-невероятного»... Её «цветастая реальность» куда-то в очередной раз исчезла, и появился необычный пейзаж...
Судя по всему, это была какая-то очень жаркая, возможно восточная, страна, так как всё кругом буквально слепило ярким, бело-оранжевым светом, который обычно появлялся только лишь при очень сильно раскалённом, сухом воздухе. Земля, сколько захватывал глаз, была выжженной и бесцветной, и, кроме в голубой дымке видневшихся далёких гор, ничто не разнообразило этот скупо-однообразный, плоский и «голый» пейзаж... Чуть дальше виднелся небольшой, древний белокаменный город, который по всей окружности был обнесён полуразрушенной каменной стеной. Наверняка, уже давным-давно никто на этот город не нападал, и местные жители не очень-то беспокоились о «подновлении» обороны, или хотя бы «постаревшей» окружающей городской стены.
Внутри по городу бежали узенькие змееподобные улочки, соединяясь в одну-единственную пошире, с выделявшимися на ней необычными маленькими «замками», которые скорее походили на миниатюрные белые крепости, окружённые такими же миниатюрными садами, каждый из которых стыдливо скрывался от чужих глаз за высокой каменной стеной. Зелени в городе практически не было, от чего залитые солнцем белые камни буквально «плавились» от испепеляющей жары. Злое, полуденное солнце яростно обрушивало всю мощь своих обжигающих лучей на незащищённые, пыльные улицы, которые, уже задыхаясь, жалобно прислушивались к малейшему дуновению, так и не появлявшегося, свежего ветерка. Раскалённый зноем воздух «колыхался» горячими волнами, превращая этот необычный городок в настоящую душную печь. Казалось, это был самый жаркий день самого жаркого на земле лета.....
Вся эта картинка была очень реальной, такой же реальной, какими когда-то были мои любимые сказки, в которые я, так же, как здесь, «проваливалась с головой», не слыша и не видя ничего вокруг...
Вдруг из «общей картинки» выделилась маленькая, но очень «домашняя» крепость, которая, если бы не две смешные квадратные башенки, походила бы более на большой и довольно уютный дом.
На ступеньках, под большим оливковым деревом, играл маленький белокурый мальчонка лет четырёх-пяти. А за ним, под старой яблоней собирала упавшие яблоки полная, приятная женщина, похожая на милую, заботливую, добродушную няню.
На дворе появилась очень красивая, светловолосая молодая дама и... мой новый знакомый – рыцарь Гарольд.
История
Примеры аллотропии
Неметаллы
Элемент
Аллотропные модификации
Водород :
Углерод :
Фосфор :
Кислород :
Сера :
Селен :
Полуметаллы
Элемент
Аллотропные модификации
Бор :
Кремний :
Мышьяк :
Германий :
Сурьма :
Полоний :
Металлы
Энантиотропные и монотропные переходы
Аллотро́пия
(от др.-греч. αλλος - «другой», τροπος - «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.
История
Примеры аллотропии
Аллотропные модификации фосфора (белый, красный, жёлтый, чёрный фосфор)
Неметаллы
Элемент
Аллотропные модификации
Водород:
Углерод:
Фосфор:
Кислород:
Сера:
Селен:
Полуметаллы
Элемент
Аллотропные модификации
Бор:
Кремний:
Мышьяк:
Германий:
Сурьма:
Полоний:
Металлы
Элемент
Аллотропные модификации
Олово:
Железо:
Лантаноиды:
Актиниды:
Энантиотропные и монотропные переходы
Серое и белое олово
Примечания
См. также
Литература
Ссылки
Аллотропия Информацию О
Профессор зубов как идеолог новой власовщины Действия России в деле с возвращением Крыма он сравнивает с захватом гитлеровцами европейских государств, угрожая ей за это разгромом
Education in Great Britain - Образование в Великобритании (5), устная тема по английскому языку с переводом
Иван петрович павлов, открытия