Причините за разнообразието от органични съединения е способността на въглеродните атоми да образуват различни вериги и цикли, свързващи се помежду си. Това е феноменът на изомерията. И каква е причината за разнообразието от прости неорганични вещества? Оказва се, че на този въпрос може да се отговори, като се има предвид какво е алотропия. Именно с този природен феномен в света на химичните елементи се свързва съществуването на различни форми на прости съединения.
Какво е алотропия?
Можете да отговорите на този въпрос по следния начин. Това е феноменът на съществуването на един и същ химичен елемент под формата на няколко прости вещества. Тоест, ако в периодичната таблица има 118 клетки, това не означава, че в природата има същия брой атоми. Всеки от елементите (почти всички) има една или повече разновидности или алотропни модификации.
Как се различават тези вещества? Има две основни причини за това явление:
- различен брой атоми в молекула (алотропия на състава);
- неравна структура на кристалната решетка (алотропия на формата).
Често тази концепция се свързва с термина полиморфизъм. Между тях обаче има разлика. Какво е алотропия? Това са модификации на химичен елемент в различни прости вещества,без значение в какво състояние на материята се намира. Докато полиморфизмът е концепция, приложима само за твърди кристални вещества.
Различните алотропни модификации на съединения обикновено се означават с латински букви преди името им. Алфа винаги се поставя пред формата, която има най-ниска точка на топене, точка на кипене. Допълнителни по азбучен ред и съответно нарастващи индикатори.
Въпреки факта, че химичният елемент в основата на простите вещества е един и същ, свойствата на модификациите се различават значително един от друг, както физически, така и химически. Най-лесният начин за образуване на алотропни форми:
- неметали (с изключение на халогени и инертни газове);
- полуметали.
Алотропията на металите е най-малко проучена, тъй като те образуват такива модификации неохотно и не всички. Общо днес са известни повече от 400 различни форми на прости вещества. Колкото повече степени на окисление са характерни за даден елемент, толкова по-голям е броят на известните за него алотропни модификации.
Въглеродни модификации
Алотропията на въглерода е най-често срещаният и поразителен пример, илюстриращ разглеждания феномен. В крайна сметка, този елемент е способен да образува няколко вида съединения, които се различават по структурата на кристалната решетка. В същото време получените прости вещества са толкова полярни в своите свойства, че човек може само да бъде изненадан от решенията на природата.
И така, алотропията на въглерода включва следните модификации.
- Каква е алотропията на въглерода може да се види в следващата му форма, която е коренно различна от предишната. Това е графит. Много мека субстанция, която лесно може да се отлепи и да остави характерна следа върху хартията. Поради това се използва за производството на моливи за прости моливи. Структурата на тази форма е с шестоъгълни слоеве. Връзките между слоевете са слаби, лесно се разкъсват, плътността на веществото е ниска. Графитът се използва за производството на синтетични диаманти, като твърда смазка, за производството на електроди, като пълнител в пластмаси, а също и в ядрени реактори.
- Фулерените са друго доказателство, че съществува алотропия. Химията на тези съединения е подобна на тази на ароматните въглеводороди. В края на краищата тяхната структура е представена от изпъкнали затворени полиедри, напомнящи футболна топка. Фулерените се използват в технологиите като полупроводници, за производството на свръхпроводящи съединения, като фоторезист и т.н.
- Лонсдейлит и церафит са още две кристални алотропни модификации на въглерода. Те бяха отворени сравнително наскоро. Свойствата са много подобни на диаманта, при липса на примеси те дори могат да бъдат няколко пъти по-твърди.
- Въглища и сажди - аморфна алотропия на веществата. Използва се като гориво, смазочни материали, филтри и др. По съдържание в природата, най-често срещаната от всички модификации на въглерода.
Диамант
Най-твърдото вещество, известно днес, оценено на 10 по скалата на Моос. кристална формавъглерод, чиято структура има формата на тетраедрични образувания, правилно свързани помежду си в мрежа.
Диамантът е в състояние да разсейва светлината много добре, което позволява да се използва като бижу (диамант). Поради изключителната си твърдост се използва за рязане и заваряване, пробиване, полиране и шлайфане. Към днешна дата е установено производството на изкуствени диаманти, използвани в индустрията.
Други разновидности
Има и още няколко разновидности на този елемент:
- нанотръби;
- нанопяни;
- astrolenes;
- нановлакна;
- стъклен въглерод;
- графени;
- карабина;
- nanobuds.
Непотвърдени, но предполагаеми форми на съществуване на прости въглеродни съединения: хаоит, метален въглерод и дивъглерод.
Алотропия на кислород
Този неметал образува две прости вещества:
- кислород газ (при нормални условия), чиято формула е O2;
- газообразен озон, емпиричното отражение на състава на който е O3.
Очевидно основната причина за съществуването на модификации тук е съставът на молекулата. Обикновеният кислород е основата на живота на всички живи същества (с изключение на анаеробните бактерии). Той е активен участник в газообмена, източник на енергия за всички жизнени процеси. В химично отношение той е окислител, с помощта на който се осъществяват много реакции.
Озонът се образува в природата илиспециални лабораторни инсталации - озонатори от атмосферен кислород под въздействието на силен разряд на електричество. При естествени условия това е мълния. В ниски дифузни концентрации има приятна миризма на свежест (след гръмотевична буря винаги се усеща във въздуха). Той е много силен окислител, белина, химически активен.
Промени във фосфора
Алотропията на кислорода е подобна на тази на фосфора. Освен това има около 11 различни модификации, различаващи се по броя на атомите в молекулата, а оттам и по химичната връзка и свойствата. Има три стабилни форми и останалите, които практически не се срещат в природата и се разлагат.
- Бял фосфор. Формулата му е Р4. Вещество, което наподобява мек парафин, бяло или леко жълтеникаво на цвят. Лесно се топи в отровен газ.
- Червеният фосфор е пастообразна маса с неприятна миризма. Формулата е R . Това е полимерна структура.
- Черният фосфор е мазна на допир маса, която е черна на цвят и напълно неразтворима във вода.
Модификации на метали
Каква е алотропията на металите, можете да научите от примера на желязото. Съществува като:
- алфа-;
- бета;
- gamma-;
- сигма форми.
Всеки се различава от предишния по структурата на кристалната решетка и съответно по свойствата. Например, алфа-формата е феромагнитна, докато бета-формата е парамагнитна.
Общо взето, от всички известни метали, алотропните модификации образуват само 27 химическиартикули.
Алотропия на калай
Интересно, защото алфа формата е сив прах, който съществува само при ниски температури. Бета формата, от друга страна, е метална, сребристо бяла, мека и ковка. Съществува при високи температури - до 161 оС. Една форма лесно се променя в друга в естествени условия, ако има разлика в градусите.
