Аллотропия
Аллотропия или аллотропизм (от древнегреческого ἄλλος (аллос) «другой» и τρόπος (тропос) «способ, форма») — свойство некоторых химических элементов существовать в двух или более различных формах, в одном и том же физическом состоянии , известное как аллотропы. элементов. Аллотропы — это различные структурные модификации элемента: атомы элемента связаны друг с другом по-разному. [1] Например, аллотропы углерода включают алмаз (атомы углерода связаны вместе, образуя кубическую решетку из тетраэдров ), графит (атомы углерода связаны между собой в листы гексагональной решетки ), графен (отдельные листы графита) и фуллерены (атомы углерода связаны между собой в сферические, трубчатые или эллипсоидные 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 пределах одной и той же физической фазы (состояния вещества, например, твердого тела , жидкости или газа ). 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 разницу в физической фазе; например, два аллотропа кислорода ( дикислород O 2 и озон O 3 ) могут существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Другие элементы не имеют различных аллотропов в разных физических фазах; например, фосфор имеет множество твердых аллотропов , которые все возвращаются в одну и ту же форму P 4 при плавлении в жидкое состояние.
История
[ редактировать ]Концепция аллотропии была первоначально предложена в 1840 году шведским учёным бароном Йёнсом Якобом Берцелиусом (1779–1848). [2] [3] Термин происходит от греческого άλλοτροπἱα (аллотропия) «изменчивость, изменчивость». [4] После принятия гипотезы Авогадро в 1860 году стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, и были признаны две аллотропы кислорода — O 2 и O 3 . [3] В начале 20 века было признано, что другие случаи, такие как углерод, возникли из-за различий в кристаллической структуре.
К 1912 году Оствальд отметил, что аллотропия элементов является лишь частным случаем явления полиморфизма, известного для соединений, и предложил отказаться от терминов аллотропия и аллотропия и заменить их полиморфизмом и полиморфизмом. [5] [3] Хотя многие другие химики повторяли этот совет, ИЮПАК и большинство текстов по химии по-прежнему отдают предпочтение использованию аллотропов и аллотропий только для элементов. [6]
Различия в свойствах аллотропов элемента
[ редактировать ]Аллотропы представляют собой разные структурные формы одного и того же элемента и могут проявлять совершенно разные физические свойства и химическое поведение. Изменение между аллотропными формами запускается теми же силами, которые влияют на другие структуры, то есть давлением , светом и температурой . Следовательно, стабильность конкретных аллотропов зависит от конкретных условий. Например, железо переходит от объемноцентрированной кубической структуры ( феррит ) к гранецентрированной кубической структуре ( аустенит ) при температуре выше 906 °C, а олово претерпевает модификацию, известную как оловянный вредитель, из металлической формы в полуметаллическую форму при температуре ниже 13,2 °C. 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
[ редактировать ]Обычно элементы, способные иметь переменное координационное число и/или степень окисления, имеют тенденцию проявлять большее количество аллотропных форм. Еще одним фактором, способствующим этому, является способность элемента объединяться .
Примеры аллотропов включают:
Неметаллы
[ редактировать ]Элемент | Аллотропы |
---|---|
Углерод |
|
Азот |
|
Фосфор |
|
Кислород |
|
сера |
|
Селен |
|
Спиновые изомеры водорода |
|
Металлоиды
[ редактировать ]Элемент | Аллотропы |
---|---|
Бор |
|
Кремний |
|
германий |
|
Мышьяк |
|
Сурьма |
|
Теллур |
|
Металлы
[ редактировать ]Среди металлических элементов, встречающихся 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. Некоторыми фазовыми переходами между аллотропными формами технологически значимых металлов являются переходы Ti при 882 °С, Fe при 912 °С и 1394 °С, Co при 422 °С, Zr при 863 °С, Sn при 13 °С и U при 668 °С и 776 °С.
Элемент | Название(а) фазы | Космическая группа | Символ Пирсона | Тип структуры | Описание |
---|---|---|---|---|---|
Литий | α-Лий | Р 3 м | HR9 | α-См | Формируется ниже 70 К. [9] |
β-Li | мне 3 метра | cI2 | В | Стабилен при комнатной температуре и давлении. | |
FM 3 м | cF4 | С | Образуется выше 7ГПа | ||
Р 3 м | чР1 | α-Hg | Образовалась промежуточная фаза ~40 ГПа. [10] | ||
я 4 3д | cI16 | Образуется выше 40 ГПа. [10] | |||
oC88 | Формируется от 60 до 70 ГПа. [11] | ||||
оС40 | Формируется от 70 до 95 ГПа. [11] | ||||
oC24 | Образуется выше 95 ГПа. [11] | ||||
Бериллий | а-быть | P6 3 /ммц | HP2 | мг | Стабилен при комнатной температуре и давлении. |
β-Be | мне 3 метра | cI2 | В | Образуется выше 1255 °С. | |
Натрий | α-Na | Р 3 м | HR9 | α-См | Формируется ниже 20 К. |
β-Na | мне 3 метра | cI2 | В | Стабилен при комнатной температуре и давлении. | |
FM 3 м | cF4 | С | Образуется при комнатной температуре выше 65 ГПа. [12] | ||
я 4 3д | cI16 | Образуется при комнатной температуре 108ГПа. [13] | |||
Пнма | оП8 | МнП | Образуется при комнатной температуре, 119ГПа. [14] | ||
tI19* | Структура «хозяин-гость», которая формируется выше между 125 и 180 ГПа. [11] | ||||
HP4 | Образуется выше 180 ГПа. [11] | ||||
Магний | P6 3 /ммц | HP2 | мг | Стабилен при комнатной температуре и давлении. | |
мне 3 метра | cI2 | В | Образуется выше 50 ГПа. [15] | ||
Алюминий | α-Al | FM 3 м | cF4 | С | Стабилен при комнатной температуре и давлении. |
β-Al | P6 3 /ммц | HP2 | мг | Образуется выше 20,5 ГПа. | |
Калий | мне 3 метра | cI2 | В | Стабилен при комнатной температуре и давлении. | |
FM 3 м | cF4 | С | Образуется выше 11,7 ГПа. [11] | ||
I4/мкм | tI19* | Структура «гость-хозяин», формирующаяся при давлении около 20 ГПа. [11] | |||
P6 3 /ммц | HP4 | Как | Образуется выше 25 ГПа. [11] | ||
Пнма | оП8 | МнП | Формируется выше 58ГПа. [11] | ||
I4 1 / драм | tI4 | Образуется выше 112 ГПа. [11] | |||
смка | oC16 | Формы выше 112 ГПа. [11] | |||
Железо | α-Fe, феррит | мне 3 метра | cI2 | Телоцентрированная кубическая | Стабилен при комнатной температуре и давлении. Ферромагнитный при Т<770°С, парамагнитный при Т=770–912°С. |
γ-железо, аустенит | FM 3 м | cF4 | Гранецентрированный кубический | Стабилен от 912 до 1394 °C. | |
d-железо | мне 3 метра | cI2 | Телоцентрированная кубическая | Стабилен при температуре 1394–1538 °C, структура такая же, как у α-Fe. | |
электронное железо, гексаферрум | P6 3 /ммц | HP2 | Шестиугольные плотноупакованные | Стабилен при высоких давлениях. | |
Кобальт [16] | α-Кобальт | шестиугольный плотно упакованный | Образуется при температуре ниже 450 °C. | ||
β-кобальт | гранецентрированный кубический | Образуется выше 450°С. | |||
электронный Кобальт | П4 1 32 | примитивный кубический | Образуется в результате термического разложения [Co 2 CO 8 ]. Наноаллотроп. | ||
Рубидий | α-Rb | мне 3 метра | cI2 | В | Стабилен при комнатной температуре и давлении. |
cF4 | Образуется выше 7 ГПа. [11] | ||||
оС52 | Образуется выше 13 ГПа. [11] | ||||
tI19* | Образуется выше 17 ГПа. [11] | ||||
tI4 | Образуется выше 20 ГПа. [11] | ||||
oC16 | Образуется выше 48 ГПа. [11] | ||||
Полагать | α-олово, серое олово , оловянный вредитель | Фд 3 м | cF8 | округ Колумбия | Стабилен при температуре ниже 13,2 °C. |
β-олово, белое олово | I4 1 / драм | tI4 | β-Sn | Стабилен при комнатной температуре и давлении. | |
γ-олово, ромбическое олово | I4/ммм | tI2 | В | Образуется выше 10 ГПа. [17] | |
γ'-Sn | ммм | ofI2 | MoPtМоПт2 | Образуется выше 30 ГПа. [17] | |
σ-Sn, γ"-Sn | мне 3 метра | cI2 | В | Образуется выше 41 ГПа. [17] Формируется при очень высоком давлении. [18] | |
δ-Sn | P6 3 /ммц | HP2 | мг | Образуется выше 157 ГПа. [17] | |
Станы | |||||
Полоний | α-Полоний | простой кубический | |||
β-Полоний | ромбоэдрический |
Самая стабильная конюшня в стандартных условиях.
Структуры стабильны при температуре ниже комнатной.
Структуры стабильны при температуре выше комнатной.
Структуры устойчивы при давлении выше атмосферного.
Лантаниды и актиниды
[ редактировать ]- 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. Плотность их варьируется в соотношении 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 являются аллотропными.
- Прометий , америций , берклий и калифорний имеют по три аллотропа каждый. [19]
Наноаллотропы
[ редактировать ]В 2017 году была предложена концепция наноаллотропии. [20] Наноаллотропы или аллотропы наноматериалов — это нанопористые материалы, которые имеют одинаковый химический состав (например, Au), но различаются по своей архитектуре на наноуровне (то есть в масштабе, в 10–100 раз превышающем размеры отдельных атомов). [21] Такие наноаллотропы могут помочь в создании сверхмалых электронных устройств и найти другие промышленные применения. [21] Различные наноразмерные архитектуры приводят к различным свойствам, как было продемонстрировано на примере поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния света, выполненного на нескольких различных наноаллотропах золота. [20] Также был создан двухэтапный метод генерации наноаллотропов. [21]
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Аллотроп ». дои : 10.1351/goldbook.A00243
- ^ См.:
- Берцелиус, Як. (1841). Годовой отчет о прогрессе в физике и химии, представленный 31 марта 1840 г. Первая часть [ Годовой отчет о прогрессе в физике и химии, представленный 31 марта 1840 г. Первая часть. ] (на шведском языке). Стокгольм, Швеция: PA Norstedt & Söner. стр. 14. Из стр. 14: «Если оно подходит и для выражения связи между муравьиным этилоксидом и уксуснокислым метилоксидом, то оно не годится для различных состояний простых тел, в которых они приобретают разные свойства, и следует ли их заменить более подходящим термином, например, «аллотропия» ( αλλότροπος , что означает: другой природы) или «аллотропное состояние» . (Если оно [т.е. слово « изомер ] также хорошо подходит для выражения связи между этилоксидом муравьиной кислоты [т.е. этилформиатом] и метилоксидом уксусной кислоты [т.е. метилацетатом], то оно [т.е. слово « изомеры »] не подходит для разных условий простых веществ, когда эти [вещества] преобразуются, приобретая разные свойства, и [поэтому слово изомеры ] следует заменить в их случае более подходящим названием; например, Аллотропия (от αλλότροπος , что означает: разной природы) или аллотропное состояние .)
- Переиздано на немецком языке: Берцелиус, Джейкоб; Вёлер, Ф. (1841). «Ежегодный отчет о прогрессе физических наук » . Годовой отчет о прогрессе физических наук (на немецком языке). 20 . Тюбинген, (Германия): Laupp'schen Buchhandlung: 13. Со стр. 13: «Хотя он хорошо подходит для выражения соотношения между этилмуравьиной кислотой и метилацетатом, он не подходит для неравных условий в телах, в которых они приобретают разные свойства, и для этого следует использовать более подходящее название, которое следует заменить , например, аллотропией (от αλλότροπος , что означает: неравной природы) или аллотропным состоянием ». (Даже если оно [т. е. слово « изомер ] по-прежнему хорошо подходит для выражения связи между этилформиатом и метилацетатом, то оно не подходит для отдельных условий в случае веществ, где эти [вещества] приобретают разные свойства, и для них [слово изомер ] можно заменить на более подходящее обозначение, например, на Аллотропия (от αλλότροπος , что означает: отличающийся характер) или на аллотропное состояние .)
- Онлайн-словарь Мерриама-Вебстера: Аллотропия
- ^ Jump up to: а б с Дженсен, ВБ (2006), «Происхождение термина аллотроп», J. Chem. Образование. , 83 (6): 838–39, Бибкод : 2006JChEd..83..838J , doi : 10.1021/ed083p838 .
- ^ «аллотропия», Новый английский словарь по историческим принципам , том. 1, Издательство Оксфордского университета, 1888, с. 238 .
- ^ Оствальд, Вильгельм; Тейлор, WW (1912). Очерки общей химии (3-е изд.). Лондон, Англия: Macmillan and Co., Ltd., с. 104. Со с. 104: «Известны вещества, которые существуют не только в двух, но даже в трех, четырех или пяти различных твердых формах; никакого ограничения числа, как известно, не существует. Такие вещества называются полиморфными. связи, особенно когда вещество является элементом. Нет никакой реальной причины для проведения этого различия, и предпочтительно позволить второму, менее распространенному названию, вымереть».
- ^ Дженсен 2006, цитируя Аддисона, WE «Аллотропия элементов» (Elsevier 1964), что многие повторили этот совет.
- ^ Вернер Гейзенберг - Факты Nobelprize.org
- ^ Радж, Г. Продвинутая неорганическая химия, том 1 . Кришна Пракашан. п. 1327. ИСБН 9788187224037 . Проверено 6 января 2017 г.
- ^ Оверхаузер, AW (2 июля 1984 г.). «Кристаллическая структура лития при 4,2 К». Письма о физических отзывах . 53 (1). Американское физическое общество (APS): 64–65. Бибкод : 1984PhRvL..53...64O . дои : 10.1103/physrevlett.53.64 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Jump up to: а б Ханфланд, М.; Сяссен, К.; Кристенсен, штат Невада; Новиков, Д.Л. (2000). «Новые фазы высокого давления лития». Природа . 408 (6809). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 174–178. Бибкод : 2000Natur.408..174H . дои : 10.1038/35041515 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 11089965 . S2CID 4303422 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п Дегтярева, В.Ф. (2014). «Калий под давлением: электронное происхождение сложных структур». Науки о твердом теле . 36 : 62–72. arXiv : 1310.4718 . Бибкод : 2014SSSci..36...62D . doi : 10.1016/j.solidstatesciences.2014.07.008 .
- ^ Ханфланд, М.; Лоа, И.; Сьяссен, К. (13 мая 2002 г.). «Натрий под давлением: структурный переход ОЦК в ГЦК и соотношение давления и объема до 100 ГПа». Физический обзор B . 65 (18). Американское физическое общество (APS): 184109. Бибкод : 2002PhRvB..65r4109H . дои : 10.1103/physrevb.65.184109 . ISSN 0163-1829 .
- ^ МакМахон, Мичиган; Грегорианц, Э.; Лундегор, LF; Лоа, И.; Гийом, К.; Нельмес, Р.Дж.; Клеппе, АК; Амбоаж, М.; Вильгельм, Х.; Джефкоат, AP (18 октября 2007 г.). «Структура натрия выше 100 ГПа по данным монокристаллической рентгеновской дифракции» . Труды Национальной академии наук . 104 (44): 17297–17299. Бибкод : 2007PNAS..10417297M . дои : 10.1073/pnas.0709309104 . ISSN 0027-8424 . ПМК 2077250 . ПМИД 17947379 .
- ^ Грегорианц, Э.; Лундегор, LF; МакМахон, Мичиган; Гийом, К.; Нельмес, Р.Дж.; Мезуар, М. (23 мая 2008 г.). «Структурное разнообразие натрия». Наука . 320 (5879). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 1054–1057. Бибкод : 2008Sci...320.1054G . дои : 10.1126/science.1155715 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 18497293 . S2CID 29596632 .
- ^ Олейник, Х.; Хользапфель, ВБ (1 апреля 1985 г.). «Структурный фазовый переход при высоком давлении в Mg». Физический обзор B . 31 (7). Американское физическое общество (APS): 4682–4683. Бибкод : 1985PhRvB..31.4682O . дои : 10.1103/physrevb.31.4682 . ISSN 0163-1829 . ПМИД 9936412 .
- ^ де ла Пенья О'Ши, Виктор Антонио; Морейра, Иберио де PR; Рольдан, Альберто; Иллас, Франческ (8 июля 2010 г.). «Электронная и магнитная структура объемного кобальта: α, β и ε-фазы из расчетов теории функционала плотности». Журнал химической физики . 133 (2): 024701. дои : 10.1063/1.3458691 . ПМИД 20632764 .
- ^ Jump up to: а б с д Деффренн, Гийом; Фор, Филипп; Боттен, Франсуа; Жубер, Жан-Марк; Удо, Бенуа (2022). «Олово (Sn) при высоком давлении: обзор, дифракция рентгеновских лучей, расчеты методом DFT и энергетическое моделирование Гиббса». Журнал сплавов и соединений . 919 : 165675. arXiv : 2203.16240 . дои : 10.1016/j.jallcom.2022.165675 .
- ^ Молодец, А.М.; Набатов, С.С. (2000). «Термодинамические потенциалы, диаграмма состояния и фазовые переходы олова при ударном сжатии». Высокая температура . 38 (5): 715–721. дои : 10.1007/BF02755923 . S2CID 120417927 .
- ^ Бенедикт, У.; Хайре, Р.Г.; Петерсон-младший; Ити, JP (1985). «Делокализация 5f-электронов в металлическом кюрии под высоким давлением». Физический журнал F: Физика металлов . 15 (2): Л29–Л35. Бибкод : 1985JPhF...15L..29B . дои : 10.1088/0305-4608/15/2/002 .
- ^ Jump up to: а б Удаябхаскарарао, Туму; Альтанцис, Томас; Хубен, Лотар; Коронадо-Пухау, Марк; Лангер, Джудит; Поповиц-Биро, Ронит; Лиз-Марсан, Луис М.; Вукович, Лела; Крал, Петр (27 октября 2017 г.). «Перестраиваемые пористые наноаллотропы, полученные путем травления бинарных сверхрешеток наночастиц после сборки» . Наука . 358 (6362): 514–518. Бибкод : 2017Sci...358..514U . дои : 10.1126/science.aan6046 . hdl : 10067/1472420151162165141 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 29074773 .
- ^ Jump up to: а б с «Материалы, которых не существует в природе, могут привести к появлению новых технологий производства» . israelbds.org . Архивировано из оригинала 9 декабря 2017 г. Проверено 8 декабря 2017 г.
Ссылки
[ редактировать ]- Чисхолм, Хью , изд. (1911). . Британская энциклопедия (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Найджел Банс и Джим Хант. «Уголок науки: аллотропы» . Архивировано из оригинала 31 января 2008 года . Проверено 6 января 2017 г.
- Аллотропы - Химическая энциклопедия