stringtranslate.com

Аллотропия

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

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, к аллотропам углерода относятся алмаз (атомы углерода связаны между собой, образуя кубическую решетку тетраэдров ), графит ( атомы углерода связаны между собой в листы гексагональной решетки ), графен (отдельные листы графита ) и фуллерены (атомы углерода связаны друг с другом 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 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

Концепция аллотропии была первоначально предложена в 1840 году шведским учёным бароном Йёнсом Якобом Берцелиусом (1779–1848). [2] [3] Этот 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 как O 2 и O 3 . [3] В начале 20-го века было признано, что другие случаи, такие как углерод, были вызваны различиями 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

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 ( феррита ) к гранецентрированной кубической структуре ( аустениту ) 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

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 в цепочки .

Примеры аллотропов включают:

Неметаллы

Металлоиды

Металлы

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.

 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

Фазовая диаграмма актинидных элементов.

Наноаллотропы

В 2017 году была предложена концепция наноаллотропии. [19] 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). . [20] Такие наноаллотропы могут помочь в создании сверхмалых электронных устройств и найти другие промышленные применения. [20] Различные наноразмерные архитектуры приводят к различным свойствам, как было продемонстрировано на примере поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния света , выполненного на нескольких различных наноаллотропах золота. [19] Также был создан двухэтапный метод генерации наноаллотропов. [20]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) «Аллотроп». дои : 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 просто непростая задача для сбора урожая из кроппарна, когда это может произойти с профессиональным егенскапером, а также с другими людьми. R dem Böra ersättas af en Bättre Vald benämning, например, 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 разных условий простых веществ, где эти [вещества] преобразуются, приобретая разные свойства, и [поэтому слово изомеры ] должно быть заменено в их случае более удачно выбранным названием; например, Аллотропия (от αλλότροπος , что означает: разной природы) или аллотропного состояния .)
    • Переиздано на немецком языке: Берцелиус, Якоб; Велер, Ф., пер. (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). Тюбинген (Германия): Laupp'schen Buchhandlung. 2013 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) Из стр. 13: «Если это sich auch noch Gut Eignet, 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 dürfte для того, чтобы получить наилучшее качество обслуживания ersetzen sein, z.b. durch Allotropie (von αλλότροπος , welches bedeutet: von ungleicher Beschaffenheit), oder durch allotropischen Zustand ». (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 более выбранным обозначением, например, аллотропией ( от αλλότροπος , что означает: отличающийся характер) или аллотропным состоянием .)
    • Онлайн-словарь Мерриама-Вебстера: Аллотропия
  3. ^ abc Jensen, WB (2006), «Происхождение термина «аллотроп», J. Chem. Образование. , 83 (6): 838–39, Бибкод : 2006JChEd..83..838J, doi : 10.1021/ed083p838.
  4. ^ «аллотропия», Новый английский словарь по историческим принципам , том. 1, Издательство Оксфордского университета, 1888, с. 238.
  5. ^ Оствальд, Вильгельм; Тейлор, WW, пер. (1912). Очерки общей химии (3-е изд.). Лондон, Англия: Macmillan and Co., Ltd., с. 104.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) Из стр. 104: «Известны вещества, которые существуют не только в двух, но даже в трех, четырех или пяти различных твердых формах; не известно, чтобы существовало ограничение их числа. Такие вещества называются полиморфными. связи, особенно когда субстанция является элементом. Нет никакой реальной причины для проведения этого различия, и предпочтительно позволить второму, менее распространенному имени, вымереть».
  6. ^ Дженсен 2006, цитируя Аддисона, WE «Аллотропия элементов» (Elsevier 1964), что многие повторили этот совет.
  7. ^ Радж, Г. Продвинутая неорганическая химия, том-1. Кришна Пракашан. п. 1327. ИСБН 9788187224037. Проверено 6 января 2017 г.
  8. ^ Оверхаузер, AW (2 июля 1984 г.). «Кристаллическая структура лития при 4,2 К». Письма о физических отзывах . Американское физическое общество (APS). 53 (1): 64–65. Бибкод : 1984PhRvL..53...64O. doi :10.1103/physrevlett.53.64. ISSN  0031-9007.
  9. ^ аб Ханфланд, М.; Сяссен, К.; Кристенсен, штат Невада; Новиков, Д.Л. (2000). «Новые фазы высокого давления лития». Природа . ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа». 408 (6809): 174–178. Бибкод : 2000Natur.408..174H. дои : 10.1038/35041515. ISSN  0028-0836. PMID  11089965. S2CID  4303422.
  10. ^ abcdefghijklmnop 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.
  11. ^ 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 . Американское физическое общество (APS). 65 (18): 184109. Бибкод : 2002PhRvB..65r4109H. doi : 10.1103/physrevb.65.184109. ISSN  0163-1829.
  12. ^ 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. 
  13. ^ Грегорианц, Э.; Лундегор, LF; МакМахон, Мичиган; Гийом, К.; Нельмес, Р.Дж.; Мезуар, М. (23 мая 2008 г.). «Структурное разнообразие натрия». Наука . Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS). 320 (5879): 1054–1057. Бибкод : 2008Sci...320.1054G. дои : 10.1126/science.1155715. ISSN  0036-8075. PMID  18497293. S2CID  29596632.
  14. ^ Олейник, Х.; Хользапфель, ВБ (1 апреля 1985 г.). «Структурный фазовый переход при высоком давлении в Mg». Физический обзор B . Американское физическое общество (APS). 31 (7): 4682–4683. Бибкод : 1985PhRvB..31.4682O. doi : 10.1103/physrevb.31.4682. ISSN  0163-1829. ПМИД  9936412.
  15. ^ 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.
  16. ^ abcd 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 . doi : 10.1016/j.jallcom.2022.165675.
  17. ^ 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.
  18. ^ Бенедикт, Ю.; 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.
  19. ^ аб 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.). «Настраиваемые 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.
  20. ^ abc «Материалы, которых не существует в природе, могут привести к созданию новых методов изготовления». israelbds.org . Архивировано из оригинала 9 декабря 2017 г. Проверено 8 декабря 2017 г.

Рекомендации

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме аллотропии .