allotropi - Allotropy

Elmas ve grafit , karbonun iki allotropudur: aynı elementin kristal yapıda farklılık gösteren saf formları.

Allotropi veya allotropism (gelen eski Yunanca ἄλλος (allos)  'diğer' ve τρόπος (Tropos)  'şekilde, form') bir özelliğidir kimyasal elementlerin aynı fiziksel olarak, iki ya da daha fazla farklı formlarda var olduğu durum olarak bilinen, elementlerin allotropları . Allotroplar, bir elementin farklı yapısal modifikasyonlarıdır; atomlar elemanının edilir bağlanmış farklı bir şekilde bir araya. Örneğin, karbonun allotropları arasında elmas (karbon atomları dört yüzlü bir kafes düzeninde birbirine bağlanır ), grafit (karbon atomları altıgen bir kafes tabakalarında birbirine bağlanır ), grafen (tek grafit tabakaları) ve fullerenler ( karbon atomları küresel, boru şeklinde veya elipsoidal oluşumlarda birbirine bağlanır).

Allotropi terimi , bileşikler için değil, sadece elementler için kullanılır . Herhangi bir bileşik için kullanılan daha genel terim, kullanımı genellikle kristaller gibi katı malzemelerle sınırlı olmasına rağmen , polimorfizmdir . Allotropi, yalnızca aynı fiziksel faz içindeki bir elementin farklı formlarını ifade eder ( katı , sıvı veya gaz gibi maddenin durumu ). Maddenin bu halleri arasındaki farklılıklar tek başına allotropi örnekleri oluşturmaz. Kimyasal elementlerin allotropları sıklıkla polimorflar veya elementin fazları olarak adlandırılır .

Bazı elementler için, allotropların farklı moleküler formülleri veya farklı kristal yapıları ve ayrıca fiziksel faz farkı vardır; örneğin oksijenin iki allotropu ( dioksijen , O 2 ve ozon , O 3 ) hem katı, hem sıvı hem de gaz halinde mevcut olabilir. Diğer elementler, farklı fiziksel fazlarda farklı allotropları korumaz; Örneğin, fosfor sahip çok sayıda katı allotropes aynı P bütün geri dönme eğilimi, 4 şeklinde sıvı hale gelene kadar eritilir.

Tarih

Allotropi kavramı ilk olarak 1840 yılında İsveçli bilim adamı Baron Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) tarafından önerildi . Terim, Yunanca άλλοτροπἱα (allotropia)  'değişkenlik, değişebilirlik' kelimesinden türetilmiştir . 1860 yılında Avogadro'nun hipotezinin kabul edilmesinden sonra, elementlerin çok atomlu moleküller olarak var olabileceği anlaşıldı ve oksijenin iki allotropu O 2 ve O 3 olarak kabul edildi . 20. yüzyılın başlarında, karbon gibi diğer durumların kristal yapıdaki farklılıklardan kaynaklandığı kabul edildi.

1912'de Ostwald , elementlerin allotropisinin, bileşikler için bilinen polimorfizm olgusunun sadece özel bir durumu olduğunu kaydetti ve allotrop ve allotropi terimlerinin terk edilmesini ve polimorf ve polimorfizm ile değiştirilmesini önerdi. Diğer birçok kimyager bu tavsiyeyi tekrarlamış olsa da, IUPAC ve çoğu kimya metni hala allotrop ve allotropinin sadece elementler için kullanılmasını desteklemektedir.

Bir elementin allotroplarının özelliklerindeki farklılıklar

Allotroplar, aynı elementin farklı yapısal formlarıdır ve oldukça farklı fiziksel özellikler ve kimyasal davranışlar sergileyebilir. Allotropik formlar arasındaki değişim, basınç , ışık ve sıcaklık gibi diğer yapıları etkileyen aynı kuvvetler tarafından tetiklenir . Bu nedenle, belirli allotropların kararlılığı belirli koşullara bağlıdır. Örneğin, demir , bir gelen değişiklikler hacim merkezli kübik yapısı ( ferrit a) yüzey merkezli kübik yapısı ( ostenit 906 ° C üzerinde) ve kalay maruz olarak bilinen bir modifikasyon kalay haşereye bir mesafede , metalik bir form yarı iletken 13.2 aşağıdaki formu ° C (55.8 °F). Farklı kimyasal davranışlara sahip allotroplara bir örnek olarak ozon (O 3 ), dioksijenden (O 2 ) çok daha güçlü bir oksitleyici ajandır .

allotropların listesi

Tipik olarak, değişken koordinasyon sayısına ve/veya oksidasyon durumlarına sahip olan elementler, daha fazla sayıda allotropik form sergileme eğilimindedir. Katkıda bulunan diğer bir faktör, bir elementin katatet etme yeteneğidir .

Allotrop örnekleri şunları içerir:

metal olmayanlar

eleman allotroplar
Karbon
  • Elmas - karbon atomları dört yüzlü bir kafes içinde düzenlenmiş son derece sert, şeffaf bir kristal. Zayıf bir elektrik iletkeni. Mükemmel bir termal iletken.
  • Lonsdaleite – altıgen elmas olarak da adlandırılır.
  • Grafen – diğer allotropların, nanotüplerin, odun kömürünün ve fullerenlerin temel yapısal elemanıdır.
  • Q-karbon – elmaslardan daha sert ve daha parlak olan ferromanyetik, sert ve parlak kristal yapı.
  • Grafit – yumuşak, siyah, pul pul bir katı, orta düzeyde bir elektrik iletkeni. C atomları, daha sonra tabakalar halinde katmanlanan düz altıgen kafeslere ( grafen ) bağlanır .
  • Doğrusal asetilenik karbon (Carbyne)
  • amorf karbon
  • Buckminsterfullerene dahil olmak üzere Fullerenler , C 60 gibi "buckyballs" .
  • Karbon nanotüpler - silindirik bir nano yapıya sahip karbon allotropları.
  • Schwarzitler
  • siklokarbon
  • camsı karbon
Fosfor
Oksijen
Kükürt
  • Cyclo-Pentasülfür, Cyclo-S 5
  • Siklo-Heksasülfür, Siklo-S 6
  • Cyclo-Heptasulfur, Cyclo-S 7
  • Cyclo-Octasulfur, Cyclo-S 8
Selenyum
  • "Kırmızı selenyum" siklo-Se 8
  • Gri selenyum, polimerik Se
  • Siyah selenyum, 1000 atom uzunluğunda düzensiz polimerik halkalar
  • Monoklinik selenyum, koyu kırmızı şeffaf kristaller

metaloidler

eleman allotroplar
Bor
  • Amorf bor – kahverengi toz – B 12 düzenli icosahedra
  • α-eşkenar dörtgen bor
  • β-eşkenar dörtgen bor
  • γ-ortorombik bor
  • α-tetragonal bor
  • β-tetragonal bor
  • Yüksek basınçlı süper iletken faz
Silikon
Germanyum
  • α-germanyum – yarı metalik, elmasla aynı yapıya sahip
  • β-germanyum – metalik, beta-kalay ile aynı yapıya sahip
  • Germanene – Tokalı düzlemsel Germanyum, grafene benzer
Arsenik
  • Sarı arsenik – moleküler metalik olmayan As 4 , beyaz fosforla aynı yapıya sahip
  • Gri arsenik, polimerik As (metaloid)
  • Siyah arsenik – moleküler ve metalik olmayan, kırmızı fosforla aynı yapıya sahip
Antimon
  • mavi-beyaz antimon - gri arsenik ile aynı yapıya sahip kararlı form (metaloid)
  • sarı antimon (metalik olmayan)
  • siyah antimon (metalik olmayan)
  • patlayıcı antimon
Tellür
  • amorf tellür - gri-siyah veya kahverengi toz
  • kristal tellür – altıgen kristal yapı (metaloid)

metaller

Doğada önemli miktarlarda (56'dan U'ya kadar, Tc ve Pm olmadan) oluşan metalik elementlerin neredeyse yarısı (27) ortam basıncında allotropiktir: 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 ve U. Teknolojik olarak ilgili metallerin allotropik formları arasındaki bazı faz geçişleri Ti'ninkilerdir. 882 °C'de, Fe 912 °C ve 1394 °C'de, Co 422 °C'de, Zr 863 °C'de, Sn 13 °C'de ve U 668 °C ve 776 °C'de.

eleman Faz adları Uzay grubu Pearson sembolü Yapı türü Açıklama
Lityum R 3 m hR9 α- Samaryum yapısı 70 K'nin altındaki formlar.
Im 3 m cI2 Gövde merkezli kübik Oda sıcaklığında ve basıncında kararlıdır.
cF4 Yüz merkezli kübik 7GPa'nın üzerindeki formlar
hR1 ~40GPa bir ara faz oluştu.
cI16 40GPa'nın üzerindeki formlar.
Berilyum P6 3 /mm hP2 Altıgen yakın paketlenmiş Oda sıcaklığında ve basıncında kararlıdır.
Im 3 m cI2 Gövde merkezli kübik 1255 °C'nin üzerinde formlar.
Sodyum R 3 m hR9 α- Samaryum yapısı 20 K'nin altındaki formlar.
Im 3 m cI2 Gövde merkezli kübik Oda sıcaklığında ve basıncında kararlıdır.
Fm 3 m cF4 Yüz merkezli kübik 65 GPa'nın üzerindeki oda sıcaklığında oluşur.
ben 4 3d cI16 Oda sıcaklığında, 108GPa'da oluşur.
Pnma oP8 Oda sıcaklığında, 119GPa'da oluşur.
Magnezyum P6 3 /mm hP2 altıgen yakın paketlenmiş Oda sıcaklığında ve basıncında kararlıdır.
Im 3 m cI2 Gövde merkezli kübik 50 GPa'nın üzerindeki formlar.
Teneke α-kalay, gri kalay , kalay haşere Fd 3 m cF8 elmas kübik 13.2 °C'nin altında kararlıdır.
β-kalay, beyaz kalay I4 1 / amd tI4 β-Kalay yapısı Oda sıcaklığında ve basıncında kararlıdır.
γ-kalay, eşkenar dörtgen kalay 4/mmmm Vücut merkezli tetragonal
σ-Sn Gövde merkezli kübik Çok yüksek basınçta oluşur.
Stanene
Demir α-Fe, ferrit Im 3 m cI2 Gövde merkezli kübik Oda sıcaklığında ve basıncında kararlıdır. T<770 °C'de ferromanyetik , T =770–912 °C'den itibaren paramanyetik .
y-demir, östenit Fm 3 m cF4 Yüz merkezli kübik 912 ila 1.394 °C arasında stabildir.
δ-demir Im 3 m cI2 Gövde merkezli kübik 1.394 – 1.538 °C arasında kararlı, α-Fe ile aynı yapı.
ε-demir, Heksaferrum P6 3 /mm hP2 Altıgen kapalı Yüksek basınçlarda kararlıdır.
Kobalt α-Kobalt basit kübik 417 °C'nin üzerinde formlar.
β-Kobalt altıgen yakın paketlenmiş 417 °C'nin altında formlar.
Polonyum α-Polonyum basit kübik
β-Polonyum eşkenar dörtgen

Lantanitler ve aktinitler

Aktinit elementlerinin faz diyagramı.

nanoallotroplar

2017 yılında nanoallotropi kavramı Weizmann Bilim Enstitüsü Organik Kimya Bölümü'nden Prof. Rafal Klajn tarafından önerildi . Nanoallotroplar veya nanomalzemelerin allotropları, aynı kimyasal bileşime (örneğin, Au) sahip olan ancak nano ölçekte mimarileri bakımından farklılık gösteren (yani, bireysel atomların boyutlarının 10 ila 100 katı bir ölçekte) nanogözenekli malzemelerdir. Bu tür nanoallotroplar, ultra küçük elektronik cihazlar oluşturmaya ve diğer endüstriyel uygulamaları bulmaya yardımcı olabilir. Farklı nano ölçekli mimariler , birkaç farklı altın nanoallotropu üzerinde gerçekleştirilen yüzeyle güçlendirilmiş Raman saçılması için gösterildiği gibi, farklı özelliklere dönüşür. Nanoallotropların üretilmesi için iki aşamalı bir yöntem de oluşturuldu.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

Dış bağlantılar