stringtranslate.com

Аллотропия

Алмаз и графит — две аллотропные модификации углерода: чистые формы одного и того же элемента, различающиеся кристаллической структурой.

Аллотропия или аллотропизм (от др.-греч. ἄλλος (allos)  «другой» и τρόπος (tropos)  «образ, форма») — 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: атомы элемента связаны друг с другом различным образом. [1] Например, аллотропы углерода включают алмаз (атомы углерода связаны друг с другом, образуя кубическую решетку из тетраэдров ), графит (атомы углерода связаны друг с другом в листы гексагональной решетки ), графен (отдельные листы графита) и фуллерены (атомы углерода связаны друг с другом в сферические, трубчатые или эллипсоидальные образования).

Термин аллотропия используется только для элементов, а не для соединений . Более общий термин, используемый для любого соединения, — 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, такого как твердое тело , жидкость или газ ). Различия между этими состояниями вещества сами по себе не являются 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 поддерживают различные аллотропы в разных физических фазах; например, фосфор имеет многочисленные твердые аллотропы , которые все возвращаются в одну и ту же форму P 4 при плавлении в жидкое состояние.

История

Концепция аллотропии была первоначально предложена в 1840 году шведским ученым 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 аллотропные модификации кислорода: O 2 и O 3 . [3] В начале 20-го века было признано, что другие случаи, такие как углерод, обусловлены различиями в кристаллической структуре.

К 1912 году Оствальд отметил, что аллотропия элементов — это всего лишь частный случай явления полиморфизма, известного для соединений, и предложил отказаться от терминов аллотроп и аллотропия и заменить их на полиморф и полиморфизм. [5] [3] Хотя многие другие химики повторили этот совет, ИЮПАК и большинство текстов по химии по-прежнему отдают предпочтение использованию аллотропа и аллотропии только для элементов. [6]

Различия в свойствах аллотропных модификаций элемента

Аллотропы — это различные структурные формы одного и того же элемента, которые могут демонстрировать совершенно разные физические свойства и химическое поведение. Изменение между аллотропными формами вызывается теми же силами, которые влияют на другие структуры, т. е. давлением , светом и температурой . Поэтому стабильность конкретных аллотропов зависит от конкретных условий. Например, железо переходит из объемно-центрированной кубической структуры ( феррит ) в гранецентрированную кубическую структуру ( аустенит ) при температуре выше 906 °C, а олово претерпевает модификацию, известную как оловянная чума, из металлической формы в полуметаллическую ниже 13,2 °C (55,8 °F). В качестве примера аллотропов с различным химическим поведением можно привести озон (O 3 ), который является гораздо более сильным окислителем, чем молекулярный кислород (O 2 ).

Список аллотропов

Обычно элементы, способные к переменному числу координации и/или степени окисления, имеют тенденцию проявлять большее количество аллотропных форм. Другим способствующим фактором является способность элемента к катенации .

Примеры аллотропов включают в себя:

Неметаллы

Металлоиды

Металлы

Среди металлических элементов, которые встречаются в природе в значительных количествах (56 до U, без Tc и Pm), почти половина (27) являются аллотропными при давлении окружающей среды: 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 значимых 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.

 Наиболее стабильная структура в стандартных условиях.
 Структуры стабильны при температуре ниже комнатной.
 Структуры стабильны при температуре выше комнатной.
 Конструкции устойчивы при давлении выше атмосферного.

Лантаноиды и актиноиды

Фазовая диаграмма актинидных элементов.

Наноаллотропы

В 2017 году была предложена концепция наноаллотропии. [21] Наноаллотропы, или аллотропы наноматериалов , представляют собой нанопористые материалы, которые имеют одинаковый химический состав (например, Au), но различаются по своей архитектуре в наномасштабе (то есть в масштабе от 10 до 100 раз превышающем размеры отдельных атомов). [22] Такие наноаллотропы могут помочь в создании сверхмалых электронных устройств и найти другие промышленные применения. [22] Различные наномасштабные архитектуры приводят к различным свойствам, как было продемонстрировано для поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния, выполненного на нескольких различных наноаллотропах золота. [21] Также был создан двухэтапный метод создания наноаллотропов. [22]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «Аллотроп». doi :10.1351/goldbook.A00243
  2. ^ См.:
    • Берцелиус, Як. (1841). Årsberättelse om Framstegen i Fysik och Kemi afgifven den 31 марта 1840. Första delen [ Годовой отчет о прогрессе в физике и химии, представленный 31 марта 1840 года. Первая часть. ] (на шведском языке). Стокгольм, Швеция: PA Norstedt & Söner. п. 14. Из стр. 14: «Чтобы получить доступ к эмеллану мирсирад этилоксид и аттиксырад метилоксид, это непростая процедура для сбора урожая из кроппарна, когда это происходит с профессиональным скайпером и или они будут изменены в лучшем виде benämning, т. е. Allotropi (af αλλότροπος , som betyder: af olika beskaffenhet) или allotropiskttilstånd ». (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 подходят для различных состояний простых веществ, где эти [вещества] преобразуются, чтобы иметь различные свойства, и [поэтому слово изомеры ] должно быть заменено, в их случае, более подходящим названием; например, Аллотропия (от αλλότροπος , что означает: различной природы) или аллотропного состояния .)
    • Переиздано на немецком языке: Берцелиус, Якоб; Вёлер, Ф. (1841). «Jahres-Bericht über die Fortschritte der physchen Wissenschaften» [Ежегодный отчет о прогрессе физических наук]. Jahres Bericht Über die Fortschritte der Physischen Wissenschaften (на немецком языке). 20 . Тюбинген (Германия): Laupp'schen Buchhandlung: 13. Со стр. 13: «Если это так, но это не так, um das Verhältniss zwischen ameisensaurem Äthyloxyd und essigsaurem Mmethyloxyd auszudrücken, так что это ничто не проходит для ungleiche Zustände bei Körpern, в welchen diese verschiedene Eigenschaften annehmen, und e 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 ». (Даже если оно [то есть слово изомер ] все еще хорошо подходит для выражения связи между этилформиатом и метилацетатом, то оно не подходит для различных условий в случае веществ, где эти [вещества] принимают различные свойства, и для них [слово изомер ] можно заменить более подходящим обозначением, например, Аллотропией (от αλλότροπος , что означает: отличающийся характер) или аллотропным состоянием .)
    • Онлайн-словарь Merriam-Webster: Аллотропия
  3. ^ abc Jensen, WB (2006), "Происхождение термина аллотроп", J. Chem. Educ. , 83 (6): 838–39, Bibcode : 2006JChEd..83..838J, doi : 10.1021/ed083p838.
  4. ^ "аллотропия", Новый английский словарь исторических принципов , т. 1, Oxford University Press, 1888, стр. 238.
  5. ^ Оствальд, Вильгельм; Тейлор, WW (1912). Очерки общей химии (3-е изд.). Лондон, Англия: Macmillan and Co., Ltd. стр. 104. Со стр. 104: «Известны вещества, которые существуют не только в двух, но даже в трех, четырех или пяти различных твердых формах; никаких ограничений на число не известно. Такие вещества называются полиморфными. Название аллотропия обычно используется в той же связи, особенно когда вещество является элементом. Нет никаких реальных причин для проведения такого различия, и предпочтительнее позволить второму менее распространенному названию исчезнуть».
  6. ^ Йенсен 2006, ссылаясь на Эддисона, У. Э. Аллотропия элементов (Elsevier 1964), многие повторяли этот совет.
  7. ^ Вернер Гейзенберг – Факты Nobelprize.org
  8. ^ "Встречайте Q-кремний, новый магнитный материал для спинтронных квантовых компьютеров". New Atlas . 4 июля 2023 г.
  9. ^ Радж, Г. Продвинутая неорганическая химия, том-1. Кришна Пракашан. п. 1327. ИСБН 9788187224037. Получено 6 января 2017 г. .
  10. ^ Overhauser, AW (1984-07-02). "Кристаллическая структура лития при 4,2 К". Physical Review Letters . 53 (1). Американское физическое общество (APS): 64–65. Bibcode : 1984PhRvL..53...64O. doi : 10.1103/physrevlett.53.64. ISSN  0031-9007.
  11. ^ ab Hanfland, M.; Syassen, K.; Christensen, NE; Novikov, DL (2000). «Новые фазы лития высокого давления». Nature . 408 (6809). Springer Science and Business Media LLC: 174–178. Bibcode :2000Natur.408..174H. doi :10.1038/35041515. ISSN  0028-0836. PMID  11089965. S2CID  4303422.
  12. ^ abcdefghijklmnop Дегтярева, В. Ф. (2014). «Калий под давлением: электронное происхождение сложных структур». Solid State Sciences . 36 : 62–72. arXiv : 1310.4718 . Bibcode :2014SSSci..36...62D. doi :10.1016/j.solidstatesciences.2014.07.008.
  13. ^ Ханфланд, М.; Лоа, И.; Сьяссен, К. (2002-05-13). "Натрий под давлением: структурный переход из bcc в fcc и соотношение давления и объема до 100 ГПа". Physical Review B. 65 ( 18). Американское физическое общество (APS): 184109. Bibcode : 2002PhRvB..65r4109H. doi : 10.1103/physrevb.65.184109. ISSN  0163-1829.
  14. ^ McMahon, MI; Gregoryanz, E.; Lundegaard, LF; Loa, I.; Guillaume, C.; Nelmes, RJ; Kleppe, AK; Amboage, M.; Wilhelm, H.; Jephcoat, AP (2007-10-18). "Структура натрия выше 100 ГПа с помощью рентгеновской дифракции на одном кристалле". Труды Национальной академии наук . 104 (44): 17297–17299. Bibcode : 2007PNAS..10417297M. doi : 10.1073/pnas.0709309104 . ISSN  0027-8424. PMC 2077250. PMID 17947379  . 
  15. ^ Gregoryanz, E.; Lundegaard, LF; McMahon, MI; Guillaume, C.; Nelmes, RJ; Mezouar, M. (2008-05-23). ​​«Структурное разнообразие натрия». Science . 320 (5879). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 1054–1057. Bibcode :2008Sci...320.1054G. doi :10.1126/science.1155715. ISSN  0036-8075. PMID  18497293. S2CID  29596632.
  16. ^ Олийнык, Х.; Хольцапфель, В. Б. (1985-04-01). «Структурный фазовый переход высокого давления в Mg». Physical Review B. 31 ( 7). Американское физическое общество (APS): 4682–4683. Bibcode : 1985PhRvB..31.4682O. doi : 10.1103/physrevb.31.4682. ISSN  0163-1829. PMID  9936412.
  17. ^ 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.
  18. ^ abcd Деффренн, Гийом; Фор, Филипп; Боттен, Франсуа; Жубер, Жан-Марк; Удо, Бенуа (2022). «Олово (Sn) при высоком давлении: обзор, рентгеновская дифракция, расчеты DFT и моделирование энергии Гиббса». Журнал сплавов и соединений . 919 : 165675. arXiv : 2203.16240 . doi : 10.1016/j.jallcom.2022.165675.
  19. ^ Молодец, А.М.; Набатов, С.С. (2000). «Термодинамические потенциалы, диаграммы состояния и фазовые переходы олова при ударном сжатии». High Temperature . 38 (5): 715–721. doi :10.1007/BF02755923. S2CID  120417927.
  20. ^ Бенедикт, У.; Хейр, Р. Г.; Петерсон, Дж. Р.; Ити, Дж. П. (1985). «Делокализация 5f-электронов в металлическом кюрии под высоким давлением». Журнал физики F: Физика металлов . 15 (2): L29–L35. Bibcode : 1985JPhF...15L..29B. doi : 10.1088/0305-4608/15/2/002.
  21. ^ аб Удаябхаскарарао, Туму; Альтанцис, Томас; Хубен, Лотар; Коронадо-Пучау, 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. PMID  29074773.
  22. ^ abc "Материалы, которых не существует в природе, могут привести к появлению новых методов изготовления". israelbds.org . Архивировано из оригинала 2017-12-09 . Получено 2017-12-08 .

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Аллотропия .