Что такое аллотропия и какие элементы ее имеют?

Аллотропия — это явление существования одного химического элемента в виде двух или более простых веществ, различных по строению, свойствам и цвету[^1^][1]. Аллотропия была открыта шведским ученым Йенсом Берцелиусом в 1841 году[^2^][2]. Аллотропия может быть обусловлена различным составом молекул простого вещества (аллотропия состава) или разным способом размещения атомов или молекул в кристаллической решетке (аллотропия формы)[^3^][3].

Аллотропия имеет большое значение для понимания химической природы элементов и их свойств. Аллотропные формы одного и того же элемента могут иметь совершенно разные физические и химические характеристики. Например, алмаз и графит — это аллотропные формы углерода, но алмаз является самым твердым веществом, а графит — мягким и смазывающим. Кислород и озон — это аллотропные формы кислорода, но озон имеет сильное окислительное действие, а кислород — слабое.

В этой статье мы рассмотрим причины аллотропии и примеры аллотропных форм разных элементов. Мы также узнаем, какие факторы влияют на переход одной аллотропной формы в другую и как это можно использовать в науке и технике.

Содержание
  1. 2. Причины аллотропии
  2. Идея 1: Уникальные Физические Свойства
  3. Идея 2: Влияние Давления и Температуры
  4. Идея 3: Биологическая Роль
  5. Идея 4: Технологическое Применение
  6. Идея 5: Изучение Новых Форм
  7. Различие в составе молекул
  8. Пять удивительных фактов об аллотропии
  9. Разные кристаллические решетки
  10. Дополнительные факторы вызывающие аллотропию
  11. Интересные факты об аллотропии
  12. 1. Какой элемент имеет наибольшее количество аллотропных форм?
  13. 2. Какой элемент образует аллотропную форму, называемую бакминстерфуллерен?
  14. 3. Какой элемент образует аллотропную форму, называемую астатин?
  15. 4. Какой элемент образует аллотропную форму, называемую озон?
  16. 5. Какой элемент образует аллотропную форму, называемую фосфорен?
  17. 6. Какой элемент образует аллотропную форму, называемую альфа-железо?
Читайте также:  Как повлияют на нас сегодняшние вспышки на солнце?

2. Причины аллотропии

Аллотропия — явление существования одного химического элемента в виде двух или более простых веществ, различных по строению и свойствам. Аллотропия может быть обусловлена разными факторами, такими как:

  • Различие в составе молекул простого вещества (аллотропия состава). Например, кислород может существовать в виде диоксида кислорода (О 2 ) и озона (О 3 ), которые имеют разный брой атомов в молекуле и разные химические и физические свойства.
  • Различие в способе размещения атомов или молекул в кристаллической решетке (аллотропия формы). Например, углерод может существовать в виде алмаза, графита, графена и фуллеренов, которые имеют разную кристаллическую структуру и разные свойства.
  • Дополнительные факторы, влияющие на строение и свойства простых веществ, такие как температура, давление, электрическое поле, магнитное поле и т.д. Например, при повышении температуры белый фосфор переходит в красный фосфор, а при дальнейшем нагревании — в чёрный фосфор, которые отличаются по строению и свойствам.

Способность элемента к образованию аллотропных форм зависит от строения 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 (например, 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. [^1^][1] [^2^][2]

Идея 1: Уникальные Физические Свойства

Аллотропия создает различные физические свойства у элементов. Например, углерод может проявляться в виде алмаза, одного из самых твердых материалов, или графита, отличающегося проводимостью. Эти различия обусловлены структурными особенностями кристаллических решеток.

Идея 2: Влияние Давления и Температуры

Давление и температура сильно влияют на формирование аллотропии. Например, графит при высоком давлении и температуре может превращаться в алмаз. Эти условия меняют расположение атомов в кристаллической решетке, создавая разные структуры элемента.

Читайте также:  Все о значке среднего значения: определение, примеры, способы ввода

Идея 3: Биологическая Роль

Аллотропия имеет важное значение в биологии. Например, кислород встречается в двух аллотропических формах: O2, который необходим для дыхания, и O3, известного как озон, который играет роль защиты от ультрафиолетовых лучей в стратосфере.

Идея 4: Технологическое Применение

Аллотропия активно используется в различных технологиях. Например, графен, одна из аллотропических форм углерода, обладает уникальными свойствами, которые находят применение в электронике, медицине и других областях.

Идея 5: Изучение Новых Форм

Ученые постоянно открывают новые аллотропические формы элементов. Например, последние исследования указывают на существование необычных форм углерода, таких как фуллерены и углеродные нанотрубки, обладающих уникальными свойствами и областями применения.

Различие в составе молекул

Аллотропия возникает из-за различий в организации атомов или молекул у вещества, что приводит к разным формам или структурам.

Примеры:

  • Углерод: Графит и алмаз — аллотропы углерода. Они различаются в организации своих молекул. В графите атомы углерода связаны в слоях, между которыми есть слабые силы, позволяющие слоям скользить друг относительно друга. Алмаз же имеет каждый атом углерода связан с четырьмя другими в трехмерной решетке, делая его одним из самых твердых материалов на земле.
  • Фосфор: Белый и красный фосфор — это различные аллотропы фосфора. Белый фосфор образует молекулы из четырех атомов, которые соединяются в гексагональную решетку. Красный фосфор обладает другой кристаллической структурой, где молекулы соединены в цепочки.

Эти различия в структуре молекул приводят к разным физическим свойствам аллотропов, таким как твердость, проводимость и другие характеристики.

Пять удивительных фактов об аллотропии

Аллотропия — это явление, когда один и тот же химический элемент может существовать в разных формах с разными свойствами. Например, углерод может быть алмазом, графитом, графеном или фуллереном. Вот пять интересных фактов об аллотропии, которые вы, возможно, не знали:

  • Аллотропия была впервые предложена шведским ученым Йонсом Якобом Берцелиусом в 1841 году[^1^][1]. Он ввел этот термин для обозначения разных форм существования элементов, таких как кислород и озон.
  • Самый аллотропный элемент — это фосфор. Он имеет более 10 аллотропных форм, включая белый, красный, желтый и черный фосфор[^2^][2]. Белый фосфор — это самая нестабильная и опасная форма, которая легко воспламеняется на воздухе и является сильным ядом.
  • Аллотропия может быть вызвана разными факторами, такими как температура, давление, свет, электричество или магнитное поле. Например, при нагревании сера переходит из одной кристаллической формы в другую, меняя цвет и твердость. При охлаждении она может образовывать разные формы, в том числе пластичную серу, которая состоит из длинных цепочек атомов[^3^][3].
  • Аллотропия может иметь большое значение для науки и технологии. Например, алмазы используются в ювелирном деле, а также в промышленности как абразивы и резцы. Графит применяется в качестве смазки, электрода и материала для карандашей. Графен — это двумерная форма углерода, которая обладает уникальными свойствами, такими как высокая прочность, проводимость и гибкость. Фуллерены — это молекулы углерода в форме шаров или трубок, которые имеют потенциал для создания новых материалов и лекарств.
  • Аллотропия может быть также связана с жизнью на Земле. Например, кислород существует в двух формах: О2 и О3. Молекулярный кислород О2 необходим для дыхания живых организмов, а озон О3 образует озоновый слой в атмосфере, который защищает Землю от ультрафиолетового излучения.

Разные кристаллические решетки

Аллотропия формы — это явление, когда один и тот же элемент может иметь разные типы кристаллической решетки. Кристаллическая решетка — это геометрический образ, который показывает, как атомы или молекулы расположены в пространстве. В зависимости от симметрии, кристаллические решетки делятся на семь кристаллических систем и шесть сингоний. Кроме того, в кристаллической решетке могут быть дополнительные трансляции, называемые решетками Браве. Всего существует 14 типов решеток Браве, которые образуют 230 пространственных групп[^1^][1].

Для металлов характерны металлические кристаллические решетки, в которых атомы связаны металлической связью. Металлическая связь — это связь, при которой валентные электроны свободно перемещаются по всему объему кристалла, образуя электронное облако. Это обеспечивает высокую электропроводность, теплопроводность и пластичность металлов. Существуют три основных типа металлических кристаллических решеток: кубическая гранецентрированная, кубическая объемноцентрированная и гексагональная плотнейшая. Они отличаются количеством атомов в элементарной ячейке, их расположением и плотностью упаковки[^2^][2].

Кубическая гранецентрированная решетка (FCC) состоит из восьми атомов, расположенных в вершинах куба и шести атомов, расположенных в центрах граней куба. Элементарная ячейка такой решетки содержит четыре атома. Плотность упаковки такой решетки равна 0,74, что означает, что 74% объема ячейки занимают атомы, а остальное — пустоты. Примеры металлов с такой решеткой: алюминий, медь, золото, серебро[^2^][2].

Кубическая объемноцентрированная решетка (BCC) состоит из восьми атомов, расположенных в вершинах куба и одного атома, расположенного в центре куба. Элементарная ячейка такой решетки содержит два атома. Плотность упаковки такой решетки равна 0,68, что означает, что 68% объема ячейки занимают атомы, а остальное — пустоты. Примеры металлов с такой решеткой: железо, хром, вольфрам, молибден[^2^][2].

Гексагональная плотнейшая решетка (HCP) состоит из двух слоев атомов, расположенных в виде шестиугольников, и одного слоя атомов, расположенных между ними. Элементарная ячейка такой решетки содержит шесть атомов. Плотность упаковки такой решетки равна 0,74, что означает, что 74% объема ячейки занимают атомы, а остальное — пустоты. Примеры металлов с такой решеткой: цинк, кадмий, магний, титан[^2^][2].

В таблице ниже приведены сравнительные характеристики трех типов металлических кристаллических решеток:

Тип решетки Количество атомов в ячейке Плотность упаковки Примеры металлов
FCC 4 0,74 Алюминий, медь, золото, серебро
BCC 2 0,68 Железо, хром, вольфрам, молибден
HCP 6 0,74 Цинк, кадмий, магний, титан

Источники:

  • [^1^][1] Кристаллическая решётка — Википедия
  • [^2^][2] Какой тип кристаллической решетки характерен для металлов

Дополнительные факторы вызывающие аллотропию

В дополнение к различиям в составе молекул и кристаллическим решеткам, существуют дополнительные факторы, способствующие проявлению аллотропии в химических элементах. Рассмотрим некоторые из них:

  • Давление и температура: Изменения в давлении и температуре могут вызывать переходы между разными аллотропическими формами. Например, графит может превращаться в алмаз при высоком давлении и температуре.
  • Катализаторы: Наличие катализаторов может значительно влиять на аллотропные превращения. Они могут ускорять или замедлять реакции, приводя к формированию различных структур элементов.
  • Излучение: Воздействие различных видов излучения, таких как ультрафиолетовое или рентгеновское излучение, также может вызывать изменения в структуре элементов, приводя к аллотропии.

Понимание этих дополнительных факторов помогает расширить наше представление о многообразии форм, которые могут принимать химические элементы в зависимости от внешних условий.

Интересные факты об аллотропии

1. Какой элемент имеет наибольшее количество аллотропных форм?

Самым аллотропным элементом является сера , которая имеет более 30 различных аллотропных форм. Среди них самыми известными являются ромбическая и моноклинная сера, а также пластическая сера, которая образуется при растворении серы в жидком сероводороде или при нагревании и охлаждении её. [^1^][1]

2. Какой элемент образует аллотропную форму, называемую бакминстерфуллерен?

Бакминстерфуллерен (или просто фуллерен) — это аллотропная форма углерода , в которой атомы углерода образуют сферические, трубчатые или эллипсоидальные структуры, состоящие из пяти- и шестиугольников. Фуллерены были открыты в 1985 году и названы в честь американского архитектора и изобретателя Ричарда Бакминстера Фуллера, который занимался построением геодезических куполов. [^2^][2]

3. Какой элемент образует аллотропную форму, называемую астатин?

Астатин — это аллотропная форма селена , в которой атомы селена образуют однослойную плоскую решетку, аналогичную графену. Астатин был предсказан теоретически в 2013 году и экспериментально подтвержден в 2017 году. Астатин является полупроводником с очень высокой подвижностью носителей заряда и может использоваться в электронике и оптоэлектронике. [^3^][3]

4. Какой элемент образует аллотропную форму, называемую озон?

Озон — это аллотропная форма кислорода , в которой три атома кислорода связаны в молекулу с угловой формой. Озон образуется в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетового излучения и является важным компонентом озонового слоя, который защищает Землю от солнечной радиации. Однако озон также является сильным окислителем и может вызывать раздражение дыхательных путей и глаз у человека.

5. Какой элемент образует аллотропную форму, называемую фосфорен?

Фосфорен — это аллотропная форма фосфора , в которой атомы фосфора образуют двухслойную гексагональную решетку, похожую на графит. Фосфорен был синтезирован в 2014 году и обладает рядом уникальных свойств, таких как высокая термостабильность, полупроводниковый характер, сверхпроводимость при низких температурах и возможность изменять свою толщину и форму под действием электрического поля.

6. Какой элемент образует аллотропную форму, называемую альфа-железо?

Альфа-железо — это аллотропная форма железа , в которой атомы железа образуют кубическую решетку с центрированием в гранях. Альфа-железо существует при температурах ниже 912 °C и является магнитным материалом. При повышении температуры альфа-железо переходит в бета-железо, которое имеет ту же решетку, но не магнитно, а затем в гамма-железо, которое имеет кубическую решетку с центрированием в теле.

Оцените статью
Поделиться с друзьями
Библиомир