Введение
Свойство некоторых химических элементов существовать в двух или более различных формах.
Аллотропия или аллотропизм – это свойство некоторых химических элементов существовать в двух или более различных формах в одном и том же физическом состоянии, известных как аллотропные модификации элемента. Аллотропы представляют собой различные структурные модификации элемента: атомы элемента связаны друг с другом различными способами. Например, аллотропные модификации углерода включают алмаз (атомы углерода связаны друг с другом, образуя кубическую решетку тетраэдров), графит (атомы углерода связаны друг с другом в слоях, образующих гексагональную решетку), графен (одиночные слои графита) и фуллерены (атомы углерода связаны друг с другом в сферические, трубчатые или эллипсоидальные структуры). Термин аллотропия используется только для элементов, но не для соединений. Более общий термин, применяемый к любым соединениям, – полиморфизм, хотя его использование обычно ограничивается твердыми материалами, такими как кристаллы. Аллотропия относится только к различным формам элемента в пределах одной физической фазы (состояния вещества, например, твердого, жидкого или газообразного). Различия между этими состояниями вещества сами по себе не являются примерами аллотропии. Аллотропные модификации химических элементов часто называют полиморфами или фазами элемента. Для некоторых элементов аллотропы имеют различные молекулярные формулы или различные кристаллические структуры, а также отличаются физической фазой; например, два аллотропа кислорода (диоксиген, O2, и озон, O3) могут существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Другие элементы не сохраняют различные аллотропные модификации в различных физических фазах; например, фосфор имеет множество твердых аллотропов, которые все превращаются в одну и ту же форму P4 при плавлении в жидкое состояние.
История
Понятие аллотропии было первоначально предложено в 1840 году шведским ученым бароном Йонсом Якобом Берзелиусом (1779–1848). Термин происходит от… После принятия гипотезы Авогадро в 1860 году стало понятно, что элементы могут существовать в виде полиатомных молекул, и два аллотропа кислорода были определены как O2 и O3.
Различия в свойствах аллотропов элемента
Аллотропы — это различные структурные формы одного и того же элемента, которые могут проявлять существенно отличающиеся физические свойства и химическое поведение. Переход между аллотропными формами вызывается теми же факторами, что влияют и на другие структуры, то есть давлением, светом и температурой. Следовательно, стабильность конкретного аллотропа зависит от определенных условий. Например, железо изменяет свою структуру от объемноцентрированной кубической (феррит) к гранецентрированной кубической (аустенит) при температуре выше 906 °C, а олово претерпевает модификацию, известную как «оловнянная чума», переходя от металлической формы к полуметаллической ниже 13,2 °C (55,8 °F). В качестве примера аллотропов, демонстрирующих различное химическое поведение, можно привести озон (O3), который является гораздо более сильным окислителем, чем диоксиген (O2).
Наноаллотропы
В 2017 году была предложена концепция наноаллотропии. Наноаллотропы, или аллотропы наноматериалов, – это нанопористые материалы с одинаковым химическим составом (например, Au), но различающиеся архитектурой в наномасштабе (то есть в масштабе, в 10–100 раз превышающем размеры отдельных атомов). Такие наноаллотропы могут способствовать созданию ультрамалых электронных устройств и найти другие промышленные применения. Различные наноархитектуры обуславливают различные свойства, что было продемонстрировано на примере поверхностно-усиленного рассеяния Рамана, проведенного на нескольких различных наноаллотропах золота. Также был разработан двухстадийный метод получения наноаллотропов.