Алотропска модификација

Алотропска модификација неког елемента је појава која се дешава када се неки елемент јавља у више облика који се разликују по броју атома у молекулу или структурној формули молекула.^[1]^[2] Алотропи су различите структурне модификације елемента: атоми елемента су међусобно повезани на различите начине.^[3] На пример, алотропи угљеника^[4] укључују дијамант^[5]^[6]^[7] (атоми угљеника су повезани заједно да формирају кубну решетку тетраедара), графит (атоми угљеника су повезани заједно у листове хексагоналнe решеткe), графен (појединачни листови графита) и фулерени (атоми угљеника су повезани заједно у сферне, цевасте или елипсоидне формације).

Термин алотропија се користи само за елементе, а не за једињења. Општији термин, који се користи за било које једињење, је полиморфизам, иако је његова употреба обично ограничена на чврсте материјале као што су кристали. Алотропија се односи само на различите облике елемента унутар исте физичке фазе (стање материје, као што је чврста, течна или гасна). Разлике између ових стања материје не представљају пример алотропије. Алотропи хемијских елемената се често називају полиморфима или фазама елемента.

За неке елементе, алотропи имају различите молекуларне формуле или различите кристалне структуре, као и разлику у физичкој фази; на пример, два алотропа кисеоника (диоксиген, O₂ и озон, O₃) могу постојати у чврстом, течном и гасовитом стању. Остали елементи не одржавају различите алотропе у различитим физичким фазама; на пример, фосфор има бројне чврсте алотропе, који се сви враћају у исти облик P₄ када се растопи у течно стање.

Историја

Прву идеју о алотропији предложио је 1841. године шведски научник Јакоб Берлиуз (1779—1848).^[8]^[9] Израз алотропија потиче од грчке речи allotropia, што значи различитост, променљивост.^[10] Након прихватања Авогадровог закона 1860. године било је јасно да елементи могу постојати као вишеатомни молекули, и два алотропа кисеоника су признати (О₂ и О₃).^[9] На почетку 20. века откривено је да и други елементи као што је угљеник имају алотропе због разлика у кристалној структури.

Године 1912. Оствалд, немачки хемичар, приметио је да је алотропија елемената само посебан случај полиморфизма тих супстанци, и одлучио да прекине употребу израза "алотропија" и уместо тога користи изразе "полиморф" и "полиморфизам". Иако су многи хемичари прихватили овај савет и понављали га другима, ИУПАЦ и већина књига о хемији и даље користи термин алотропије.^[11]^[9] Although many other chemists have repeated this advice, IUPAC and most chemistry texts still favour the usage of allotrope and allotropy for elements only.^[12]

Разлике између особина алотропа једног елемента

Алотропи су различите форме истог елемента и могу да искажу веома различите физичке особине и хемијске реакције и понашања. Разлика између алотропских форми базира се на истим силама које утичу и на друге структуре, на пример светло, притисак и температура. Стабилност неких алотропа зависи од услова средине. На пример, гвожђе се мења од ферита до аустенита изнад 906 °C. Калај у трансформацији прелази из металне форме у полу-проводник испод 13,2 °C. Пример различитог хемијског понашања алотропа су (ди)кисеоник(O₂) и озон (O₃). Озон је много јачи оксиданс од кисеоника.

Неметали

Кисеоник

Кисеоник има неколико алотропских модификација.

Дикисеоник О₂ - Безбојан гас који се налази у ваздуху
Озон О₃ - Плавичаст, формира озонски омотач
Тетракисеоник (или оксозон) О₄ - метастабилан
Октакисеоник О₈ - црвене боје, специфичне густине

Угљеник

Алотропске модификације угљеника се разликују по структури молекула и структури кристалне решетке.

Аморфни угљеник - атоми угљеника нису повезани у кристалну решетку.
Дијамант - веома чврст, једна од најтврђих супстанца у природи. Атоми угљеника су распоређени у тетраедар. Слабо проводи струју, међутим одлично проводи топлоту.
Графит - Црн и мекан, у чврстом агрегатном стању. Атоми угљеника су распоређени у равни, а затим се ти слојеви "пакују". Баш ова слојевитост узрокује мекоћу графита.
Фулерен - атоми угљеника распоређени су сферно, на пример букминстерфулерен (C₆₀).
Нанотубе (наноцев) - алотроп угљеника са цилиндричном структуром.

Фосфор

Бели фосфор P₄ - чврст, веома реактиван, беле боје
Црвени фосфор - настаје од белог фосфора, мање реактиван
Љубичаст и црни фосфор P_n

Сумпор

Постоји велики број алотропа сумпора, најпознатији су

Металоиди

Бор

Аморфни бор (B₁₂) - прах браон боје
α-ромобоедарски бор
β-ромобоедарски бор
γ-ромобоедарски бор
α-тетрагонални бор
β-тетрагонални бор
Суперпроводна фаза (под великим притиском)

Силицијум

Аморфни силицијум
Кристални силицијум (Структура кубичног дијаманта)

Арсен

Жути арсен (Аs₄) - молекуларни неметални арсеник, са истом структуром као и бели фосфор
Сиви арсен - металоид, полимерни Аs
Црни арсен - молекуларни неметални арсеник, са истом структуром као црвени фосфор

Германијум

α-германијум - полуметал, иста структура као дијамант
β-германијум - металан, иста структура као β-калај

Антимон

плаво-бели антимон - металоид, стабилна форма, иста структура као и сиви арсеник
жути антимон - неметалан
црни антимон - неметалан
експлозивни антимон

Полонијум

α-полонијум - металан, кубична структура
β-полонијум - ромбоедарска структура

Наноалотропи

Концепт наноалотропије је предложио 2017. године професор Рафал Клајн из Одељења органске хемије при Вајцмановом научном институту.^[13] Наноалотропи, или алотропи наноматеријала, су нанопорозни материјали који имају исту хемијску композицију (нпр., Au), али се разликују по њиховој архитектури на наноскали (то јест, на скали од 10 до 100 пута димензије појединачних атома).^[14] Такви наноалотрипи могу да помогну при стварању ултра малих електронских уређаја и проналажењу других индустријских апликација.^[14] Различите архитектуре наночестица имају за последицу различита својства, као што је показано површински појачаном Рамановом спектроскопијом примењеном на неколико различитих наноалотропа злата.^[13] Такође је креирана двостепена метода за генерисање наноалотропа.^[14]

Референце

^ Allotrope in IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic/ version, http://goldbook.iupac.org/A00243.html. Accessed March 2007.
^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.
^ IUPAC. „Allotrope”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).
^ Hoffmann, R.; Kabanov, A.; Golov, A.; Proserpio, D. (2016). „Homo citans and carbon allotropes: For an ethics of citation”. Angewandte Chemie. 55 (37): 10962—10976. PMC 5113780  . PMID 27438532. doi:10.1002/anie.201600655.
^ Bundy, P.; Bassett, W. A.; Weathers, M. S.; Hemley, R. J.; Mao, H. K.; Goncharov, A. F. (1996). „The pressure-temperature phase and transformation diagram for carbon; updated through 1994”. Carbon. 34 (2): 141—153. doi:10.1016/0008-6223(96)00170-4.
^ Wang, C. X.; Yang, G. W. (2012). „Thermodynamic and kinetic approaches of diamond and related nanomaterials formed by laser ablation in liquid”. Ур.: Yang, Guowei. Laser ablation in liquids: principles and applications in the preparation of nanomaterials. Pan Stanford Pub. стр. 164—165. ISBN 978-981-4241-52-6.
^ Mary Anne White; et al. (24. 9. 2020). „The Relative Thermodynamic Stability of Diamond and Graphite”. Angewandte Chemie. 60 (3): 1546—1549. PMID 32970365. S2CID 221888151. doi:10.1002/anie.202009897.
^
See:
- Berzelius, Jac. (1841). Årsberättelse om Framstegen i Fysik och Kemi afgifven den 31 Mars 1840. Första delen. [Annual Report on Progress in Physics and Chemistry submitted March 31, 1840. First part.] (на језику: Swedish). Stockholm, Sweden: P.A. Norstedt & Söner. стр. 14. From p. 14: "Om det ock passar väl för att uttrycka förhållandet emellan myrsyrad ethyloxid och ättiksyrad methyloxid, så är det icke passande för de olika tillstånd hos de enkla kropparne, hvari dessa blifva af skiljaktiga egenskaper, och torde för dem böra ersättas af en bättre vald benämning, t. ex. Allotropi (af αλλότροπος, som betyder: af olika beskaffenhet) eller allotropiskt tillstånd." (If it [i.e., the word isomer] is also well suited to express the relation between formic acid ethyl oxide [i.e., ethyl formate] and acetic acid methyloxide [i.e., methyl acetate], then it [i.e., the word isomers] is not suitable for different conditions of simple substances, where these [substances] transform to have different properties, and [therefore the word isomers] should be replaced, in their case, by a better chosen name; for example, Allotropy (from αλλότροπος, which means: of different nature) or allotropic condition.)
- Republished in German: Berzelius, Jacob; Wöhler, F., trans. (1841). „Jahres-Bericht über die Fortschritte der physischen Wissenschaften” [Annual Report on Progress of the Physical Sciences]. Jahres Bericht Über die Fortschritte der Physischen Wissenschaften (на језику: German). Tübingen, (Germany): Laupp'schen Buchhandlung. 20: 13. From p. 13: "Wenn es sich auch noch gut eignet, um das Verhältniss zwischen ameisensaurem Äthyloxyd und essigsaurem Methyloxyd auszudrücken, so ist es nicht passend für ungleiche Zustände bei Körpern, in welchen diese verschiedene Eigenschaften annehmen, und dürfte für diese durch eine besser gewählte Benennung zu ersetzen sein, z. B. durch Allotropie (von αλλότροπος, welches bedeutet: von ungleicher Beschaffenheit), oder durch allotropischen Zustand." (Even if it [i.e., the word isomer] is still well suited to express the relation between ethyl formate and methyl acetate, then it is not appropriate for the distinct conditions in the case of substances where these [substances] assume different properties, and for these, [the word isomer] may be replaced with a better chosen designation, e.g., with Allotropy (from αλλότροπος, which means: of distinct character), or with allotropic condition.)
- Merriam-Webster online dictionary: Allotropy
^ ^а ^б ^в Jensen, W. B. (2006), „The Origin of the Term Allotrope”, J. Chem. Educ., 83 (6): 838—39, Bibcode:2006JChEd..83..838J, doi:10.1021/ed083p838 .
^ „allotropy”, A New English Dictionary on Historical Principles, 1, Oxford University Press, 1888, стр. 238
^ Ostwald, Wilhelm; Taylor, W.W., trans. (1912). Outlines of General Chemistry (3rd изд.). London, England: Macmillan and Co., Ltd. стр. 104. From p. 104: "Substances are known which exist not only in two, but even in three, four or five different solid forms; no limitation to the number is known to exist. Such substances are called polymorphous. The name allotropy is commonly employed in the same connexion, especially when the substance is an element. There is no real reason for making this distinction, and it is preferable to allow the second less common name to die out."
^ Jensen 2006, citing Addison, W. E. The Allotropy of the Elements (Elsevier 1964) that many have repeated this advice.
^ ^а ^б Udayabhaskararao, Thumu; Altantzis, Thomas; Houben, Lothar; Coronado-Puchau, Marc; Langer, Judith; Popovitz-Biro, Ronit; Liz-Marzán, Luis M.; Vuković, Lela; Král, Petr (27. 10. 2017). „Tunable porous nanoallotropes prepared by post-assembly etching of binary nanoparticle superlattices”. Science (на језику: енглески). 358 (6362): 514—518. Bibcode:2017Sci...358..514U. ISSN 0036-8075. PMID 29074773. S2CID 4771315. doi:10.1126/science.aan6046.
^ ^а ^б ^в „Materials That Don't Exist in Nature Might Lead to New Fabrication Techniques”. israelbds.org (на језику: енглески). Архивирано из оригинала 09. 12. 2017. г. Приступљено 8. 12. 2017.

Литература

Addison, W. E. (1964). The Allotropy of the Elements. London, U.K.: Oldbourne Press.
Aldersey-Williams, Hugh (1995). The Most Beautiful Molecule. An Adventure in Chemistry. London, U.K.: Aurum Press.
Baggott, Jim (1994). Perfect Symmetry: The Accidental Discovery of Buckminsterfullerene. Oxford, U.K.: Oxford University Press.
Bailar, John C., Jr.; Emeléus, Harry J.; Nyholm, Ronald; Trotman-Dickenson, Aubrey F., eds. (1973). Comprehensive Inorganic Chemistry. Oxford, U.K.: Pergamon Press.
Cotton, F. Albert, and Wilkinson, Geoffrey (1999). Advanced Inorganic Chemistry , 6th edition. New York: Wiley-Interscience.
Donohue, Jerry (1974). The Structure of the Elements. New York: Wiley-Interscience.
Emsley, John (1991). The Elements. Oxford, U.K.: Clarendon Press.
Emsley, John (2000). The Shocking History of Phosphorus. A Biography of the Devil's Element. London, U.K.: Macmillan.
Greenwood, Norman N., and Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements , 2nd edition. Boston: Butterworth-Heinemann, 1997.
Housecroft, Catherine E., and Constable, Edwin C. (2002). Chemistry. An Introduction to Organic, Inorganic and Physical Chemistry. 2nd edition. Harlow, U.K.: Prentice Hall.
Lee, John D. (1991). Concise Inorganic Chemistry , 4th edition. London, U.K.: Chapman and Hall.
Taylor, Roger, ed. (1995). The Chemistry of Fullerenes. River Edge, NJ: World Scientific.

Спољашње везе

„Untitled”. Архивирано из оригинала 31. 1. 2008. г. Приступљено 6. 1. 2017.
Allotropes – Chemistry Encyclopedia

[1] Allotrope in IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic/ version, http://goldbook.iupac.org/A00243.html. Accessed March 2007.

[Housecroft3rd-2] Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.

[3] IUPAC. „Allotrope”. Kompendijum hemijske terminologije (Internet izdanje).

[SACADA-4] Hoffmann, R.; Kabanov, A.; Golov, A.; Proserpio, D. (2016). „Homo citans and carbon allotropes: For an ethics of citation”. Angewandte Chemie. 55 (37): 10962—10976. PMC 5113780  . PMID 27438532. doi:10.1002/anie.201600655.

[Bundy-5] Bundy, P.; Bassett, W. A.; Weathers, M. S.; Hemley, R. J.; Mao, H. K.; Goncharov, A. F. (1996). „The pressure-temperature phase and transformation diagram for carbon; updated through 1994”. Carbon. 34 (2): 141—153. doi:10.1016/0008-6223(96)00170-4.

[6] Wang, C. X.; Yang, G. W. (2012). „Thermodynamic and kinetic approaches of diamond and related nanomaterials formed by laser ablation in liquid”. Ур.: Yang, Guowei. Laser ablation in liquids: principles and applications in the preparation of nanomaterials. Pan Stanford Pub. стр. 164—165. ISBN 978-981-4241-52-6.

[7] Mary Anne White; et al. (24. 9. 2020). „The Relative Thermodynamic Stability of Diamond and Graphite”. Angewandte Chemie. 60 (3): 1546—1549. PMID 32970365. S2CID 221888151. doi:10.1002/anie.202009897.

[8] See:
Berzelius, Jac. (1841). Årsberättelse om Framstegen i Fysik och Kemi afgifven den 31 Mars 1840. Första delen. [Annual Report on Progress in Physics and Chemistry submitted March 31, 1840. First part.] (на језику: Swedish). Stockholm, Sweden: P.A. Norstedt & Söner. стр. 14. From p. 14: "Om det ock passar väl för att uttrycka förhållandet emellan myrsyrad ethyloxid och ättiksyrad methyloxid, så är det icke passande för de olika tillstånd hos de enkla kropparne, hvari dessa blifva af skiljaktiga egenskaper, och torde för dem böra ersättas af en bättre vald benämning, t. ex. Allotropi (af αλλότροπος, som betyder: af olika beskaffenhet) eller allotropiskt tillstånd." (If it [i.e., the word isomer] is also well suited to express the relation between formic acid ethyl oxide [i.e., ethyl formate] and acetic acid methyloxide [i.e., methyl acetate], then it [i.e., the word isomers] is not suitable for different conditions of simple substances, where these [substances] transform to have different properties, and [therefore the word isomers] should be replaced, in their case, by a better chosen name; for example, Allotropy (from αλλότροπος, which means: of different nature) or allotropic condition.)

Republished in German: Berzelius, Jacob; Wöhler, F., trans. (1841). „Jahres-Bericht über die Fortschritte der physischen Wissenschaften” [Annual Report on Progress of the Physical Sciences]. Jahres Bericht Über die Fortschritte der Physischen Wissenschaften (на језику: German). Tübingen, (Germany): Laupp'schen Buchhandlung. 20: 13. From p. 13: "Wenn es sich auch noch gut eignet, um das Verhältniss zwischen ameisensaurem Äthyloxyd und essigsaurem Methyloxyd auszudrücken, so ist es nicht passend für ungleiche Zustände bei Körpern, in welchen diese verschiedene Eigenschaften annehmen, und dürfte für diese durch eine besser gewählte Benennung zu ersetzen sein, z. B. durch Allotropie (von αλλότροπος, welches bedeutet: von ungleicher Beschaffenheit), oder durch allotropischen Zustand." (Even if it [i.e., the word isomer] is still well suited to express the relation between ethyl formate and methyl acetate, then it is not appropriate for the distinct conditions in the case of substances where these [substances] assume different properties, and for these, [the word isomer] may be replaced with a better chosen designation, e.g., with Allotropy (from αλλότροπος, which means: of distinct character), or with allotropic condition.)

Merriam-Webster online dictionary: Allotropy

[9] Berzelius, Jac. (1841). Årsberättelse om Framstegen i Fysik och Kemi afgifven den 31 Mars 1840. Första delen. [Annual Report on Progress in Physics and Chemistry submitted March 31, 1840. First part.] (на језику: Swedish). Stockholm, Sweden: P.A. Norstedt & Söner. стр. 14. From p. 14: "Om det ock passar väl för att uttrycka förhållandet emellan myrsyrad ethyloxid och ättiksyrad methyloxid, så är det icke passande för de olika tillstånd hos de enkla kropparne, hvari dessa blifva af skiljaktiga egenskaper, och torde för dem böra ersättas af en bättre vald benämning, t. ex. Allotropi (af αλλότροπος, som betyder: af olika beskaffenhet) eller allotropiskt tillstånd." (If it [i.e., the word isomer] is also well suited to express the relation between formic acid ethyl oxide [i.e., ethyl formate] and acetic acid methyloxide [i.e., methyl acetate], then it [i.e., the word isomers] is not suitable for different conditions of simple substances, where these [substances] transform to have different properties, and [therefore the word isomers] should be replaced, in their case, by a better chosen name; for example, Allotropy (from αλλότροπος, which means: of different nature) or allotropic condition.)

[10] Republished in German: Berzelius, Jacob; Wöhler, F., trans. (1841). „Jahres-Bericht über die Fortschritte der physischen Wissenschaften” [Annual Report on Progress of the Physical Sciences]. Jahres Bericht Über die Fortschritte der Physischen Wissenschaften (на језику: German). Tübingen, (Germany): Laupp'schen Buchhandlung. 20: 13. From p. 13: "Wenn es sich auch noch gut eignet, um das Verhältniss zwischen ameisensaurem Äthyloxyd und essigsaurem Methyloxyd auszudrücken, so ist es nicht passend für ungleiche Zustände bei Körpern, in welchen diese verschiedene Eigenschaften annehmen, und dürfte für diese durch eine besser gewählte Benennung zu ersetzen sein, z. B. durch Allotropie (von αλλότροπος, welches bedeutet: von ungleicher Beschaffenheit), oder durch allotropischen Zustand." (Even if it [i.e., the word isomer] is still well suited to express the relation between ethyl formate and methyl acetate, then it is not appropriate for the distinct conditions in the case of substances where these [substances] assume different properties, and for these, [the word isomer] may be replaced with a better chosen designation, e.g., with Allotropy (from αλλότροπος, which means: of distinct character), or with allotropic condition.)

[11] Merriam-Webster online dictionary: Allotropy

[Jensen-9] а ^б ^в Jensen, W. B. (2006), „The Origin of the Term Allotrope”, J. Chem. Educ., 83 (6): 838—39, Bibcode:2006JChEd..83..838J, doi:10.1021/ed083p838 .

[10] „allotropy”, A New English Dictionary on Historical Principles, 1, Oxford University Press, 1888, стр. 238

[11] Ostwald, Wilhelm; Taylor, W.W., trans. (1912). Outlines of General Chemistry (3rd изд.). London, England: Macmillan and Co., Ltd. стр. 104. From p. 104: "Substances are known which exist not only in two, but even in three, four or five different solid forms; no limitation to the number is known to exist. Such substances are called polymorphous. The name allotropy is commonly employed in the same connexion, especially when the substance is an element. There is no real reason for making this distinction, and it is preferable to allow the second less common name to die out."

[12] Jensen 2006, citing Addison, W. E. The Allotropy of the Elements (Elsevier 1964) that many have repeated this advice.

[:0-13] а ^б Udayabhaskararao, Thumu; Altantzis, Thomas; Houben, Lothar; Coronado-Puchau, Marc; Langer, Judith; Popovitz-Biro, Ronit; Liz-Marzán, Luis M.; Vuković, Lela; Král, Petr (27. 10. 2017). „Tunable porous nanoallotropes prepared by post-assembly etching of binary nanoparticle superlattices”. Science (на језику: енглески). 358 (6362): 514—518. Bibcode:2017Sci...358..514U. ISSN 0036-8075. PMID 29074773. S2CID 4771315. doi:10.1126/science.aan6046.

[:1-14] а ^б ^в „Materials That Don't Exist in Nature Might Lead to New Fabrication Techniques”. israelbds.org (на језику: енглески). Архивирано из оригинала 09. 12. 2017. г. Приступљено 8. 12. 2017.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]