Аллотропные модификации металлов таблица

Аллотропия

Изучение простых веществ и их свойств чрезвычайно важно для неорганической химии и закладывает основу для ее изучения. Кардинальная особенность простых веществ заключается в том, что при рассмотрении их свойств не нужно учитывать изменения их состава, поскольку он всегда один и тот же. Но и у простых веществ необходимо уделить особое внимание явлению аллотропии. Это позволит выявлять зависимость свойств веществ от их химического строения.

Аллотропия (от греческого «tropos» — признак) — это процесс, при котором один химический элемент может трансформироваться в два или больше простых веществ. К примеру, атомы кислорода могут преобразоваться в два других различных вещества – кислород и озон, а сера – кристаллическую и пластическую серу. Вещества, которые образовались из атомов одно химического элемента, называют аллотропными модификациями этого элемента. Аллотропия вызвана разнящимся набором молекул в простом веществе или разным местонахождением частиц в кристаллической решётке этого вещества.

В 1841 году явление аллотропии стало известно науке благодаря ученому Йенсу Якобу Берцелиусу, позднее тщательные и долгие исследования этого явления были проделаны А. Шреттером. В 1860 году, вскоре после того как был открыт закон Авогадро, по которому в веществах одного объема, где установлены равные температуры и давление, существует равное количество молекул, ученые поняли, что элементы имеют возможность находиться в форме молекул со множеством атомов. К примеру, О₂ — кислород и О₃ — озон. В самом начале двадцатого века стало понятно, что отличия в кристаллической конструкции простых веществ — это еще одна причина аллотропии.

Аллотропные модификации

На сегодняшний день насчитывается больше четырехсот аллотропных модификаций простых веществ. К примеру, алмаз и графит – это аллотропные модификации углерода, хотя эти вещества внешне совершенно непохожи. У графита структура гексагональная слоистая, а у алмаза выглядит как правильно соединенная с друг другом сетка тетраэдрических образований.

Иногда это явление объединяют с полиморфизмом. Это возможность веществ твердого агрегатного состояния находится в двух или больше видоизменениях с различной кристаллическим построением и свойствами при одинаковом химическом составе. Но аллотропия имеет отношение лишь к простым веществам, вне зависимости от их агрегатного состояния, а полиморфизм — к любому твердому вещество, без указания на то, простое оно или сложное.Несмотря на количество аллотропных модификаций у химического элемента, самым стойким и не разрушающимся оказывается, в большинстве, только одно. Вот примеры одних из самых распространенных примеров аллотропии веществ: углерод может образовать множество аллотропных модификаций — алмаз, графит, карбин и т.д. Кремний образует два аллотропных видоизменения: аморфный и кристаллический кремний.

Аллотропные формы углерода: a) лонсдейлит; б) алмаз;
в) графит; г) аморфный углерод; д) C60 (фуллерен); е) графен;
ж) однослойная нанотрубка

Разнообразие сложных веществ наблюдается из-за их разного количественного состава. Его можно определить по набору электронов, находящихся на электронном уровне атома и количественное содержание протонов и нейтронов в ядре. Но было обнаружено, что химические элементы могут образовывать различные вариации, у которых у ядер один и тот же заряд, но при этом у них разные массы. Такие разновидности атомов называются изотопами. Явления аллотропии и изотопии являются подтверждениями многообразия неорганических веществ.

Источник

Аллотропия простых веществ и химия аллотропных модификаций

В природе встречаются такие химические элементы, которые могут существовать в форме различных простых веществ, свойства которых, как химические, так и физические различны, а также кардинально различны строения их кристаллических решеток. В химии это называется «Аллотропия».

Аллотропия, это

Понятия «Аллотропия» имеет древнегреческие корни: αλλος — другой, τροπος — свойство.

Термин вошел в обиход с 1841 благодаря шведскому ученому, И. Я. Берцелиусу, в целях обозначения различных форм проявления одного и того же химического элемента.

Аллотропия химических элементов может проявляться в виде:

• аллотропии состава, когда различно число атомов в молекуле,
• аллотропии формы, когда различны строения кристаллических решеток.

В современной химии термин «Аллотропия» используется для простых веществ, вне зависимости от их агрегатного состояния.

Для веществ с твёрдым агрегатным состоянием, независимо от того, это вещество простое или сложное, используется термин «Полиморфизм» (от греческого слова Διαφοροποιημένο — многообразный).

Аллотропные преобразования

Химические элементы, образующие различные простые вещества и встречающиеся в природе, называются аллотропными формами химического элемента.

Химические элементы, образующие различные простые вещества под воздействием изменения окружающих условий, например, температура и давление, называются аллотропными модификациями химического элемента.

Не все химические элементы обладают свойством аллотропии.

Установлено, что аллотропией обладают химические элементы с высокой степенью окисления и способностью атомов к образованию гомоцепных структур.

Поэтому аллотропные преобразования в основном наблюдаются у неметаллов (за исключением галогенов и инертных газов), а также у полуметаллов.

Аллотропные преобразования металлов в природе встречаются намного реже. Только 28 металлов при атмосферном давлении имеют аллотропные формы и 6 образуют аллотропные модификации при их технологической обработке.

Химия аллотропных переходов

Преобразования химического элемента происходят при химическом переходе его атомного или молекулярного состояния из одной формы в другую. Эти переходы могут происходить при изменении окружающих условий, например:

• при нормальном давлении и изменении температуры;
• при изменении давления при неизменной температуре;
• при одновременном изменении давления и температуры.

Эти преобразования могут носить обратимый (энантиотропный) характер или необратимый (монотропный).

Примеры преобразований:

• энантиотропный переход — превращение ромбической серы (α-S) в моноклинную (β-S) при нормальном давлении и температуре 95,6 °C. При снижении температуры ниже 95,6 °С происходит обратный переход моноклинной формы в ромбическую.
• монотропный переход — модификация белого фосфора P4 в чёрный фосфор при температуре 200 °C и давлении 1,25 ГПа. Возвращение температуры и давления к исходным условиям не приводит к обратному переходу.

У некоторых химических элементов аллотропные переходы могут чередоваться.

Примером является олово.

Белое олово (β-Sn) в обычных условиях пластичное, имеет тетрагональную кристаллическую решетку и устойчиво.

Белое олово при повышении температуры выше 173 °C, превращается в хрупкую форму (γ-Sn). Превращение происходит энантиотропно.

Белое олово при понижении температуры ниже 13.2 °C, превращается в серое олово (α-Sn) порошкообразное с кубической алмазоподобной решёткой. Превращение происходит монотропно.

Некоторые химические элементы и их модификации

Неметаллы

• Углерод — является лидером по количеству аллотропных форм и модификаций с абсолютно различными свойствами, а также строению кристаллических решеток. Самые распространенные из алмаз и графит. Есть также углеродные нанотрубки, лонсдейлит, фуллерен, карбин и многие другие.
• Сера — вторая по подверженности аллотропии среди неметаллов. Основные ее виды: ромбическая, моноклинная и пластическая. При нормальных условиях окружающей среды моноклинная и пластическая модификации серы переходят в ромбическую.
• Фосфор — имеет 11 аллотропных форм, различающихся числом атомов в молекуле, химическими связями и свойствами, из которых белый фосфор, красный фосфор и черный фосфор имеют устойчивые формы и встречаются в природе, остальные формы распадающиеся и в природе не встречаются.
• Селен — в свободном состоянии бывает в трех видах: красный цикло-Se8, гексагональный или серый селен Se и чёрный селен.
• Водород — бывает в виде o-H2 (орто-водород) и p-H2 (пара-водорода). Молекулы o-H2 и p-H2 отличаются построением ядерных спинов. У o-H2 они параллельные, у p-H2 антипараллельные.
• Кислород — модифицируется в два вещества: Кислород (O2) и Озон (O3).

Полуметаллы

• Бор — встречается в более, чем в 10 состояниях в аморфной и кристаллической формах. Физические свойства этих форм различны.
• Кремний — бывает в аморфной и кристаллической формах. У кристаллической модификации решётка атомная, алмазоподобная.
• Сурьма — имеет четыре металлические и три аморфные аллотропные модификации. Металлические формы существуют при разном давлении. Аморфные формы сурьмы: взрывчатая, чёрная и жёлтая.
• Мышьяк — встречается в трех аллотропных состояниях: в виде неметалла или жёлтый мышьяк, в виде полуметаллического полимера или серый мышьяк, в виде неметаллической молекулярной структуры или чёрный мышьяк.

Металлы

• Железо — бывает в виде четырех кристаллических модификаций:
  • α-Fe или феррит. Имеет решётку объемноцентрированную кубическую. Существует до температуры 769 °C. Обладает свойствами ферромагнентики;
  • β-Fe. Имеет решётку объемноцентрированную кубическую. Существует при температурах от 769 °C до 917 °C. Обладает магнитными свойствами парамагнетики;
  • γ-Fe или аустенит. Имеет решётку гранецентрированную кубическую. Существует при температурах от 917 °C до 1394 °C;
  • δ-Fe. Имеет решётку объемноцентрированную кубическую. Имеет устойчивость при температуре выше 1394 °C.
• Олово — имеет две аллотропные формы: серое олово (α-Sn) с алмазоподобной кристаллической решёткой в виде мелкокристаллического порошка и белое олово (β-Sn) в виде пластичного серебристого металла, а также одну аллотропическую модификацию гамма-олово (γ-Sn) с ромбической структурой. Оно высокотемпературное.

Видео

Источник

Аллотропия — Allotropy

Аллотропия или аллотропизм (от древнегреческого ἄλλος (аллос) «другой» и τρόπος (тропос) «манера, форма») — это свойство некоторых химических элементов существовать в двух или более различных формах в одном и том же физическом состоянии , известном как аллотропы элементов. Аллотропы — это различные структурные модификации элемента; что атомы этого элемента соединены друг с другом различным образом. Например, аллотропы углерода включают алмаз (атомы углерода связаны вместе в виде тетраэдрической решетки), графит (атомы углерода связаны вместе в листы гексагональной решетки ), графен (отдельные листы графита) и фуллерены ( атомы углерода связаны вместе в сферические, трубчатые или эллипсоидальные образования).

Термин аллотропия используется только для элементов, а не для соединений . Более общий термин, используемый для любого соединения, — это полиморфизм , хотя его использование обычно ограничивается твердыми материалами, такими как кристаллы. Аллотропия относится только к различным формам элемента в одной и той же физической фазе (состояние вещества, например твердое , жидкое или газообразное ). Различия между этими состояниями материи сами по себе не могут служить примерами аллотропии. Аллотропы химических элементов часто называют полиморфами или фазами элемента.

Для некоторых элементов аллотропы имеют разные молекулярные формулы или разные кристаллические структуры, а также различие в физических фазах; например, два аллотропа кислорода ( дикислород , O ₂ , и озон , O ₃ ) могут оба существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Другие элементы не поддерживают отдельные аллотропы в разных физических фазах; например, фосфор имеет множество твердых аллотропов , которые все превращаются в одну и ту же форму P ₄ при плавлении до жидкого состояния.

СОДЕРЖАНИЕ

История

Концепция аллотропии была первоначально предложена в 1840 году шведским ученым бароном Йенсом Якобом Берцелиусом (1779–1848). Термин происходит от греческого άλλοτροπἱα (аллотропия) «изменчивость, изменчивость». После принятия гипотезы Авогадро в 1860 году стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, и два аллотропа кислорода были признаны как O ₂ и O ₃ . В начале 20 века было признано, что другие случаи, такие как углерод, были вызваны различиями в кристаллической структуре.

К 1912 году Оствальд отметил, что аллотропия элементов — это просто частный случай явления полиморфизма, известного для соединений, и предложил отказаться от терминов аллотропия и аллотропия и заменить их на полиморф и полиморфизм. Хотя многие другие химики повторяли этот совет, ИЮПАК и большинство текстов по химии по-прежнему отдают предпочтение использованию аллотропа и аллотропии только для элементов.

Различия в свойствах аллотропов элементов

Аллотропы — это разные структурные формы одного и того же элемента, которые могут проявлять совершенно разные физические свойства и химическое поведение. Смена аллотропных форм вызывается теми же силами, которые влияют на другие структуры, то есть давлением , светом и температурой . Следовательно, стабильность конкретных аллотропов зависит от конкретных условий. Например, железо при температуре выше 906 ° C превращается из объемноцентрированной кубической структуры ( феррит ) в гранецентрированную кубическую структуру ( аустенит ), а олово претерпевает изменение, известное как оловянный вредитель, из металлической формы в полупроводниковую форму ниже 13,2 °. С (55,8 ° F). В качестве примера аллотропов, имеющих различное химическое поведение, озон (O ₃ ) является гораздо более сильным окислителем, чем дикислород (O ₂ ).

Список аллотропов

Обычно элементы, обладающие переменным координационным числом и / или степенями окисления, имеют тенденцию проявлять большее количество аллотропных форм. Еще один способствующий фактор — это способность элемента катетеризоваться .

Примеры аллотропов включают:

Неметаллы

Элемент	Аллотропы
Углерод	Алмаз — чрезвычайно твердый прозрачный кристалл, атомы углерода которого расположены в тетраэдрической решетке. Плохой электрический провод. Отличный теплопроводник. Лонсдейлит — также называют гексагональным алмазом. Графен — основной структурный элемент других аллотропов, нанотрубок, угля и фуллеренов. Q-углерод — ферромагнитная, прочная и блестящая кристаллическая структура, которая тверже и ярче, чем алмазы. Графит — мягкое, черное, чешуйчатое твердое тело, умеренный электрический проводник. Атомы C связаны в плоские гексагональные решетки ( графен ), которые затем накладываются слоями. Линейный ацетиленовый углерод (Карбин) Аморфный углерод Фуллерены , включая бакминстерфуллерен , также известные как «бакиболлы», такие как C 60 . Углеродные нанотрубки — аллотропы углерода с цилиндрической наноструктурой. Шварциты Циклокарбон Стекловидный углерод
Фосфор	Белый фосфор — твердое кристаллическое вещество из молекул тетрафосфора (P 4 ). Красный фосфор — аморфноеполимерное твердое вещество Алый фосфор Фиолетовый фосфор с моноклинной кристаллической структурой Черный фосфор — полупроводник, аналог графита Дифосфор — газообразная форма, состоящая из молекул P 2 , стабильная при температуре от 1200 ° C до 2000 ° C; создается, например, при диссоциации молекул белого фосфора P 4 при температуре около 827 ° C
Кислород	Кислород , O 2 — бесцветный (жидкий и твердый бледно-голубой цвет) Озон , О 3 — синий Тетраоксиген , O 4 — метастабильный Octaoxygen , O 8 — красный
Сера	Цикло-пентасера, Цикло-С 5 Циклогексасера, Цикло-С 6 Цикло-гептасера, Цикло-С 7 Цикло-октасера, Цикло-S 8
Селен	«Красный селен», цикло-Се 8 Серый селен, полимерный Se Черный селен, полимерные кольца неправильной формы длиной до 1000 атомов Моноклинный селен, темно-красные прозрачные кристаллы

Металлоиды

Элемент	Аллотропы
Бор	Аморфный бор — коричневый порошок — правильные икосаэдры B 12 α-ромбоэдрический бор β-ромбоэдрический бор γ-орторомбический бор α-тетрагональный бор β-тетрагональный бор Сверхпроводящая фаза высокого давления
Кремний	Аморфный кремний кристаллический кремний, кубическая структура алмаза Силицен, изогнутый плоский однослойный кремний, похожий на графен
Германий	α-германий — полуметаллический, с той же структурой, что и алмаз β-германий — металлический, с той же структурой, что и бета-олово Германен — ​​плоский германий с пряжкой, похожий на графен
Мышьяк	Желтый мышьяк — неметаллический молекулярный As 4 , имеющий ту же структуру, что и белый фосфор Серый мышьяк, полимерный As (металлоид) Черный мышьяк — молекулярный и неметаллический, имеет ту же структуру, что и красный фосфор.
Сурьма	сине-белая сурьма — стабильная форма (металлоид), имеющая ту же структуру, что и серый мышьяк желтая сурьма (неметалл) черная сурьма (неметаллик) взрывоопасная сурьма
Теллур	аморфный теллур — серо-черный или коричневый порошок кристаллический теллур — гексагональная кристаллическая структура (металлоид)

Металлы

Среди металлических элементов, которые встречаются в природе в значительных количествах (от 56 до U, без Tc и Pm), почти половина (27) являются аллотропными при атмосферном давлении: Li, Be, Na, Ca, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa и U. Некоторые фазовые переходы между аллотропными формами технологически важных металлов — это переходы 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.

Элемент	Название фазы	Космическая группа	Символ Пирсона	Тип структуры	Описание
Литий	R 3 м	hR9	α- структура самария	Образуется ниже 70 К.
	Я 3 м	cI2	Телоцентрированный кубический	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
	cF4	Гранецентрированный кубический	Формы выше 7ГПа
	hR1	Промежуточная фаза образовывала 40 ГПа.
	cI16	Формы выше 40ГПа.
Бериллий	P6 3 / mmc	hP2	Гексагональный плотно упакованный	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
	Я 3 м	cI2	Тело центрированный кубический	Образуется при температуре выше 1255 ° C.
Натрий	R 3 м	hR9	α- структура самария	Образуется ниже 20 К.
	Я 3 м	cI2	Тело центрированный кубический	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
	FM 3 м	cF4	Гранецентрированный кубический	Образуется при комнатной температуре выше 65 ГПа.
	Я 4 3d	cI16	Формируется при комнатной температуре 108ГПа.
	ПНМА	oP8	Формируется при комнатной температуре, 119ГПа.
Магний	P6 3 / mmc	hP2	гексагональный плотно упакованный	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
	Я 3 м	cI2	Тело центрированный кубический	Образуется выше 50 ГПа.
Банка	α-олово, серая олово , оловянный вредитель	Ж / д 3 м	cF8	Алмазный кубический	Стабилен ниже 13,2 ° C.
	β-олово, белое олово	I4 1 / драм	tI4	β-оловянная структура	Стабилен при комнатной температуре и давлении.
	γ-олово, ромбическое олово	I4 / ммм	Телоцентрированный тетрагональный
	σ-Sn	Телоцентрированный кубический	Образуется при очень высоком давлении.
	Станене
Железо	α-Fe, феррит	Я 3 м	cI2	Телоцентрированный кубический	Стабилен при комнатной температуре и давлении. Ферромагнитный при T 3 м	cF4	Гранецентрированная кубическая	Стабильно от 912 до 1394 ° C.
	δ-железо	Я 3 м	cI2	Телоцентрированный кубический	Стабилен при температуре от 1394 до 1538 ° C, структура такая же, как у α-Fe.
	ε-железо, гексаферрум	P6 3 / mmc	hP2	Гексагональный плотно упакованный	Стабилен при высоких давлениях.
	Кобальт	α-кобальт	простой кубический	Образуется при температуре выше 417 ° C.
β-кобальт		гексагональный плотно упакованный	Образуется при температуре ниже 417 ° C.
Полоний	α-полоний	простой кубический
	β-полоний	ромбоэдрический

Лантаноиды и актиниды

• Церий , самарий , диспрозий и иттербий имеют три аллотропа.
• Празеодим , неодим , гадолиний и тербий имеют два аллотропа.
• Плутоний имеет шесть различных твердых аллотропов при «нормальном» давлении. Их плотность варьируется в пределах примерно 4: 3, что значительно усложняет все виды работ с металлом (особенно литье, механическую обработку и хранение). Седьмой аллотроп плутония существует при очень высоких давлениях. Трансурановые металлы Np, Am и Cm также аллотропны.
• Прометий , америций , берклий и калифорний имеют по три аллотропа каждый.

Наноаллотропы

В 2017 году концепция наноаллотропии была предложена профессором Рафалом Клайном из отдела органической химии Научного института Вейцмана . Наноаллотропы или аллотропы наноматериалов — это нанопористые материалы, которые имеют одинаковый химический состав (например, Au), но различаются по своей архитектуре в наномасштабе (то есть в масштабе, в 10-100 раз превышающем размеры отдельных атомов). Такие наноаллотропы могут помочь в создании сверхмалых электронных устройств и найти другие промышленные применения. Различные наноразмерные архитектуры отражаются в разных свойствах, как было продемонстрировано для поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния света, выполненного на нескольких различных наноаллотропах золота. Также был создан двухэтапный метод создания наналлотропов.

Источник