Allotropai yra cheminio elemento formos, kurios skiriasi molekuliniu lygiu arba tuo, kaip atomai yra išdėstyti į molekules. Daug elementų yra skirtinguose alotropuose, tarp jų anglis, deguonis, fosforas ir siera. Šios skirtingos formos gali labai skirtis savo fizinėmis savybėmis, tokiomis kaip spalva, kietumas ir elektrinis laidumas, ir cheminiu reaktyvumu. Yra įvairių būdų, kaip vienas allotropas gali būti paverstas kitu, įskaitant kaitinimą ir aušinimą, aukštą slėgį ar net šviesos poveikį. Alotropo nereikėtų painioti su izotopu, kuris skiriasi atominiu, o ne molekuliniu lygiu.
Yra dviejų tipų allotropai. Esant tam tikroms sąlygoms, tokioms kaip skirtinga temperatūra ar slėgis, enantiotropinis tipas gali grįžtamai pasikeisti į kitą alotropą. Pavyzdžiui, yra alavo elemento forma, kuri yra stabili žemesnėje nei 55.4 °F (13 °C) temperatūroje, ir kita, kuri stabili aukštesnėje nei ši temperatūra – galima paversti vieną į kitą ir atgal pakeliant arba nuleidžiant. temperatūra. Monotropinis reiškia, kad viena forma yra stabiliausia ir negali būti lengvai konvertuojama į kitą formą ir iš jos; kai kurie pavyzdžiai yra anglies grafito forma ir labiausiai paplitusi deguonies forma (O2), o ne mažiau stabilus ozonas (O3).
Anglis
Anglis yra elementas, turintis daugiausiai alotropų, nors 2013 m. tikslus skaičius nėra aiškus, nes kai kurie buvo ginčijami. Įvairios priimtos formos kardinaliai skiriasi viena nuo kitos – nuo minkštos iki kietos, nepermatomos iki skaidrios, abrazyvinės iki lygios ir pasižymi daugybe kitų variantų bei kontrastų. Šio elemento gebėjimas įgauti daugybę skirtingų formų kyla iš to, kad anglies atomas gali sudaryti keturias pavienes jungtis su kitais atomais. Jis taip pat gali sudaryti dvigubas, o kartais ir trigubas ryšius. Tai leidžia daug įvairių tipų molekulinių ir kristalinių struktūrų.
Amorfinė anglis yra labiausiai paplitusi forma ir beveik visiems pažįstama kaip anglis, anglis ir suodžiai. Šis juodas, nepermatomas alotropas yra nekristalinis, o atomai nesudaro jokių taisyklingų struktūrų. Iš tikrųjų anglis yra gana nešvari forma, nes 10% ar daugiau sudaro kiti elementai.
Grafitas yra medžiaga, kuri sudaro pieštukų „šviną“. Jį sudaro anglies atomų lakštai, išdėstyti į sujungtus dvimačius šešiakampius. Lapai lengvai nuslysta vienas nuo kito, todėl jį galima naudoti rašant ant popieriaus. Nors anglis yra nemetalas, šis alotropas atrodo šiek tiek metalinis ir laidi elektrai.
Deimantas yra kristalinė anglies rūšis, kurioje kiekvienas atomas turi keturias pavienes jungtis, jungiančias jį su kitais atomais, sudarydamos susietas tetraedras. Jis natūraliai susidaro giliai Žemėje, esant aukštai temperatūrai ir labai aukštam slėgiui. Nors deimantai yra itin kieti, dėl savo sandaros ir atomus laikančių ryšių stiprumo, deimantai nėra amžini: struktūra nėra visiškai stabili esant normaliam slėgiui ir temperatūrai, o į grafitą virsta labai lėtai. Tačiau pokytis yra toks lėtas, kad žmogaus laiko skalėje jis nėra pastebimas. Deimantai taip pat gali būti sukurti dirbtinai iš grafito esant aukštai temperatūrai ir slėgiui.
Kitas kristalinis alotropas yra mineralas lonsdaleitas. Jis primena deimantą ir, kaip manoma, nedideliais kiekiais susidaro veikiant meteoritams. Sukurtas slėgis paverčia grafitą į trimatę formą, kuri išlaiko šešiakampę struktūrą, todėl susidaro kieta kristalinė medžiaga.
Tarp žaviausių anglies formų yra fullerenai. Tai tuščiavidurės, trimatės struktūros su sienelėmis, sudarytomis iš atomų išdėstymo į šešiakampius, penkiakampius ir kartais kitokias formas. Vienas iš geriausiai žinomų yra „buckyball“ arba, tiksliau, buckminsterfullerenas: 60 anglies atomų, kurie sudaro tuščiavidurę sferą, taip pat žinomą kaip C60. Galimos ir didesnės sferos, kuriose yra didesnis anglies atomų skaičius. Buckyballs gali būti gaminamas, bet taip pat atsiranda natūraliai, ir buvo rastas Žemėje suodžiais ir kosmose.
Nanovamzdeliai yra dar viena gerai žinoma fullereno forma. Jie susideda iš mažyčių cilindrų, kurių sienelių struktūra panaši į buckyballs. Jie gali būti iki kelių milimetrų ilgio ir gali būti atviri arba uždaryti. Nanovamzdeliai pasižymi itin dideliu stiprumo ir svorio santykiu, be to, yra geri elektros laidininkai; manoma, kad jie gali turėti daug svarbių technologinių pritaikymų, ypač nanotechnologijų pasaulyje.
Anglies nanoputos yra sintetinis alotropas, sudarytas iš atomų, sujungtų į tinklą panašia struktūra. Tai viena lengviausių žinomų medžiagų, dėl itin mažo tankio ir tik kelis kartus sunkesnė už orą. Neįprastai jis yra feromagnetinis – traukia magnetai – ir taip pat yra puslaidininkis.
Deguonis
Deguonis ore, kuriuo žmonės kvėpuoja, susideda iš molekulių, kuriose yra du deguonies atomai – O2. Šio elemento atomai gali sudaryti pavienius ryšius su kitais dviem atomais arba dvigubą ryšį vienas su kitu. Įprasta deguonies forma turi dvigubą ryšį tarp dviejų atomų, tačiau ji taip pat gali egzistuoti molekulėje, kurioje yra trys atomai, kurių kiekvienas yra sujungtas pavieniais ryšiais su dviem kitais. Ši forma žinoma kaip ozonas (O3).
Ozonas yra mažiau stabilus ir daug reaktyvesnis nei O2, o gryna forma jis kelia rimtą gaisro pavojų. Jis taip pat toksiškas, nes įkvėptas pažeidžia plaučius. Ozonas gali susidaryti reaguojant į dujas, kurias gamina variklio išmetamosios dujos, veikiant saulės šviesai, ir gali tapti rimtu teršalu miesto vietovėse. Jis taip pat susidaro viršutiniuose atmosferos sluoksniuose, sąveikaujant O2 ir saulės ultravioletinei šviesai, sudarydamas „ozono sluoksnį“, apsaugantį gyvybę Žemės paviršiuje nuo žalingiausių ultravioletinių spindulių formų.
Fosforas
Tai dar vienas elementas su keliais stipriai kontrastuojančiais alotropais. Kai jis pirmą kartą išskiriamas iš jo junginių, jis atrodo kaip baltas fosforas. Ši forma sudaryta iš keturių atomų tetraedrų; jis yra labai reaktyvus, labai toksiškas ir kambario temperatūroje šviečia tamsoje dėl lėtos reakcijos su deguonimi ore. Kaitinant jį kurį laiką sandariame inde, jis gali virsti raudonuoju fosforu – daug mažiau reaktyvia, netoksiška forma, kurioje tetraedrai susijungia į grandines. Trečią formą, juodąjį fosforą, galima gauti kaitinant baltąją formą aukštu slėgiu – jo atomai yra išdėstyti šešiakampiuose, kurie sudaro lakštus, panašiai kaip grafitas.