Kas ir allotrops?

Allotropi ir ķīmisko elementu formas, kas atšķiras molekulārā līmenī vai tajā, kā atomi tiek sakārtoti molekulās. Dažādos alotropos sastopami daudzi elementi, tostarp ogleklis, skābeklis, fosfors un sērs. Šīs dažādās formas var ievērojami atšķirties pēc to fizikālajām īpašībām, piemēram, krāsas, cietības un elektriskās vadītspējas, kā arī pēc to ķīmiskās reaktivitātes. Ir dažādi veidi, kā vienu allotropu var pārveidot par citu, tostarp karsējot un atdzesējot, augstu spiedienu vai pat pakļaušanu gaismas iedarbībai. Allotropu nevajadzētu sajaukt ar izotopu, kas atšķiras atomu, nevis molekulārā līmenī.

Ir divu veidu allotropi. Enantiotropais tips noteiktos apstākļos, piemēram, atšķirīgā temperatūrā vai spiedienā, var tikt atgriezeniski pārveidots par citu allotropu. Piemēram, ir elementa skārda forma, kas ir stabila zem 55.4 ° F (13 ° C), un cita, kas ir stabila virs šīs temperatūras — ir iespējams pārveidot vienu par otru un atkal atpakaļ, paceļot vai nolaižot. temperatūra. Monotropisks nozīmē, ka viena forma ir visstabilākā un to nevar viegli pārvērst citā formā un no tās. daži piemēri ir oglekļa grafīta forma un visizplatītākā skābekļa forma (O2), pretstatā mazāk stabilam ozonam (O3).

Ogleklis
Ogleklis ir elements ar vislielāko alotropu skaitu, lai gan 2013. gadā precīzs skaits nav skaidrs, jo daži ir apstrīdēti. Dažādās pieņemtās formas radikāli atšķiras viena no otras, sākot no mīkstas līdz cietai, necaurspīdīgas līdz caurspīdīgai, abrazīvām līdz gludām, un tām ir daudz citu variāciju un kontrastu. Šī elementa spēja iegūt tik dažādas formas izriet no fakta, ka oglekļa atoms var veidot četras atsevišķas saites ar citiem atomiem. Tas var arī veidot dubultās un dažkārt trīskāršas saites. Tas pieļauj lielu iespējamo molekulāro un kristālisko struktūru veidu dažādību.

Amorfais ogleklis ir visizplatītākais veids, un tas ir pazīstams gandrīz ikvienam kā ogles, kokogles un sodrēji. Šis melnais, necaurspīdīgais allotrops ir nekristālisks, un atomi neveido regulāras struktūras. Akmeņogles patiesībā ir diezgan netīra forma, jo 10% vai vairāk sastāv no citiem elementiem.

Grafīts ir materiāls, kas veido “svinu” zīmuļos. Tas sastāv no oglekļa atomu loksnēm, kas sakārtotas savienotos divdimensiju sešstūros. Lapas viegli noslīd viena no otras, tāpēc tās var izmantot rakstīšanai uz papīra. Lai gan ogleklis ir nemetāls, šim allotropam ir nedaudz metālisks izskats un tas vada elektrību.

Dimants ir kristālisks oglekļa veids, kurā katram atomam ir četras atsevišķas saites, kas to savieno ar citiem atomiem, veidojot saistītus tetraedrus. Tas dabiski veidojas dziļi Zemē augstā temperatūrā un ļoti augstā spiedienā. Lai gan dimanti ir ārkārtīgi cieti, pateicoties struktūrai un saišu stiprumam, kas satur atomus kopā, dimanti nav mūžīgi: struktūra nav pilnībā stabila normālā spiedienā un temperatūrā, un tā ļoti lēni pārvēršas grafītā. Tomēr izmaiņas ir tik lēnas, ka cilvēka laika skalā tās nav pamanāmas. Dimantus var radīt arī mākslīgi no grafīta augstā temperatūrā un spiedienā.
Vēl viens kristālisks allotrops ir minerāls lonsdaleīts. Tas atgādina dimantu un tiek uzskatīts, ka nelielos daudzumos tas ir radies meteorītu ietekmē. Radītais spiediens pārvērš grafītu trīsdimensiju formā, kas saglabā sešstūra struktūru, veidojot cietu, kristālisku materiālu.

Viens no aizraujošākajiem oglekļa veidiem ir fullerēni. Tās ir dobas, trīsdimensiju struktūras ar sienām, kas sastāv no atomu izkārtojumiem sešstūros, piecstūros un dažreiz citās formās. Viens no pazīstamākajiem ir “bukibumba” vai, pareizāk sakot, buckminsterfullerēns: 60 oglekļa atomi, kas veido dobu sfēru, kas pazīstama arī kā C60. Iespējamas arī lielākas sfēras ar lielāku oglekļa atomu skaitu. Buckyballs var ražot, bet arī sastopami dabā, un tie ir atrasti uz Zemes sodrējos un kosmosā.
Nanocaurules ir vēl viens labi zināms fullerēna veids. Tie sastāv no maziem cilindriem, kuru sienām ir līdzīga struktūra kā bumbiņu bumbiņām. Tie var būt līdz pat vairākiem milimetriem gari un var būt atvērti vai aizvērti galos. Nanocaurulēm ir ārkārtīgi augsta stiprības un svara attiecība, un tās ir arī labi elektrības vadītāji; tiek uzskatīts, ka tiem var būt daudz svarīgu tehnoloģisku pielietojumu, īpaši nanotehnoloģiju pasaulē.

Oglekļa nanoputas ir sintētisks allotrops, kas sastāv no atomiem, kas savienoti tīmeklī līdzīgā struktūrā. Tas ir viens no vieglākajiem zināmajiem materiāliem, pateicoties tā ārkārtīgi zemajam blīvumam, un tas ir tikai dažas reizes smagāks par gaisu. Neparasti tas ir feromagnētisks — pievelk magnētus — un ir arī pusvadītājs.
Skābeklis
Skābeklis gaisā, ko cilvēki elpo, sastāv no molekulām, kas satur divus skābekļa atomus — O2. Šī elementa atomi var veidot vienotas saites ar diviem citiem atomiem vai dubultsaiti ar otru. Parastajai skābekļa formai starp diviem atomiem ir dubultsaite, taču tā var pastāvēt arī molekulā, kas satur trīs atomus, no kuriem katru savieno atsevišķas saites ar divām citām. Šo formu sauc par ozonu (O3).
Ozons ir mazāk stabils un daudz reaktīvāks nekā O2, un tīrā veidā tas ir nopietns ugunsgrēka risks. Tas ir arī toksisks, jo ieelpojot sabojā plaušas. Ozons var veidoties gāzu reakcijās, ko rada motora izplūdes gāzes saules gaismas ietekmē, un tas var kļūt par nopietnu piesārņotāju pilsētu teritorijās. To ražo arī atmosfēras augšējos slāņos, mijiedarbojoties O2 un Saules ultravioletajai gaismai, veidojot “ozona slāni”, kas pasargā dzīvību uz Zemes virsmas no visbīstamākajām ultravioletās gaismas formām.
Fosfors
Šis ir vēl viens elements ar vairākiem spēcīgi kontrastējošiem allotropiem. Kad to pirmo reizi izolē no tā savienojumiem, tas parādās kā baltais fosfors. Šī forma ir veidota no četru atomu tetraedriem; tas ir ļoti reaģējošs, ļoti toksisks un istabas temperatūrā mirdz tumsā, jo lēni reaģē ar skābekli gaisā. Karsējot to kādu laiku noslēgtā traukā, to var pārvērst par sarkano fosforu, daudz mazāk reaģējošu, netoksisku formu, kurā tetraedri ir savienoti kopā ķēdēs. Trešo formu, melno fosforu, var iegūt, karsējot balto formu augstā spiedienā — tā atomi ir sakārtoti sešstūros, kas veido loksnes, līdzīgi kā grafīts.