Alotropia

Alotropia - występowanie odmian tego samego pierwiastka różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Odmiany alotropowe pierwiastka mogą różnić się między sobą strukturą krystaliczną lub liczbą atomów w cząsteczce.

Alotropia węgla
Odmiany alotropowe węgla: grafit, diament, grafen, fulereny, lonsdaleit i inne.

Grafit.

Ciemnoszary, nieprzezroczysty,  topi się w bardzo wysokiej temperaturze (3500-4000 st.C).
Ma strukturę warstwową, wiązania między warstwami są słabe i mogą się przesuwać - grafit jest miękki, śliski, może się ścierać.
Wewnątrz warstwy są wiązania kowalencyjne typu σ, między warstwami są słabe, zdelokalizowane wiązania typu π. Dzięki tej delokalizacji  grafit przewodzi prąd elektryczny.

Zastosowanie:  tygle ogniotrwałe, klocki hamulcowe, elektrody, suche smary, pręty spowalniające w reaktorach jądrowych.

Diament.

Nie przewodzi prądu elektrycznego, dobrze przewodzi ciepło, bardzo twardy, posiada połysk, jest przezroczysty.

Atomy w diamencie są równomiernie rozłożone, mocne wiązania typu sigma mają taką samą długość - każdy atom połączony jest z 4 innymi atomami. Kryształ ma kształt czworościanu foremnego.

Zastosowanie: noże do cięcia szkła, wiertła, w jubilerstwie (brylanty)

Fulereny.

Odkryte przez prof. H.Kroto i R.Smalley (nagroda Nobla 1996 r.)
Czarne ciało stałe, metaliczny połysk, własności półprzewodnikowe.

Składają się z atomów węgla połączonych w kształt zamkniętej, pustej w środku bryły. W przeciwieństwie do diamentu i grafitu nie występują w formie atomowej - mają strukturę cząsteczki. Najbardziej trwałe odmiany to C32, C44, C50, C58, C60, C70, C540, C960. Najbardziej stabilnym jest C60.
Wszystkie wiązania między atomami są identyczne i wykazują hybrydyzację sp². Tworzą 5- lub 6-atomowe pierścienie sprzężone w trójwymiarową strukturę.
Do cząsteczek można przyłączać różne inne atomy (na zewnątrz i wewnątrz cząsteczki) a także wymieniać atomy węgla na inne. Wówczas zmieniają się właściwości umożliwiając nowe praktyczne zastosowania.

Zastosowanie: 
w medycynie: nowe czynniki kontrastujące w tomografii, promieniotwórcze wskaźniki, preparaty farmaceutyczne
w optyce i elektronice: materiały fotoczułe, fotoprzewodzące, zamiennik krzemu
stabilizatory paliw w lotnictwie
tworzywa o unikalnych właściwościach: materiały kompozytowe, dodatek do aluminium i polietylenu, produkcja diamentu i węgla amorficznego

Grafen 
Odkryty przez A.Geima i K.Novoselowa (nagroda Nobla 2010 r.)

Grafen to jednowarstwowy kryształ grafitu: tworzy pierścienie 6-członowe o grubości 1 atomu. Może być zwinięty, zrolowany (nanorurki), ułożony w stosy.
− dobry przewodnik ciepła i elektyczności
− jest prawie całkowicie przezroczysty
- duża wytrzymałość mechaniczna i termiczna
- mocniejszy od stali i jednocześnie elastyczny

Zastosowanie:  wyświetlacze dotykowe, baterie słoneczne, dodatek wzmacniający tworzywa sztuczne. Obecne badania kierują się w stronę wykorzystania grafenu jako półprzewodników i innych elementów w elektronice.

(N) Inne pierwiastki występujące w odmianach alotropowych

Alotropia tlenu

Tlen (ditlen) O2  - gaz, bezbarwny, bez zapachu, temp. wrzenia -183oC. 2 niesparowane elektrony w cząsteczce powodują zwiększoną aktywność tlenu.

Ozon (tritlen) O₃ - gaz, bladoniebieski, charakterystyczny zapach, powstaje w górnych warstwach atmosfery pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, temp.wrzenia -112,4 st.C.
Ozon powstaje podczas naświetlania tlenu promieniowaniem UV i podczas wyładowań elektrycznych wg mechanizmu:
1) O₂ → 2O              2) O + O₂ → O₃

Jest bardzo reaktywny chemicznie, łatwo się rozkłada, jest silnym utleniaczem.
O₃ → O₂ + O

Model cząsteczki ozonu można przedstawić za pomocą dwóch struktur rezonansowych:

Zastosowanie ozonu. Ozon jest silną substancją bakteriobójczą, więc stosuje się go głównie w celu dezynfekcji wody pitnej i powietrza (usuwa bakterie, roztocza, zapachy).

Znaczenie ozonu w środowisku. Ozon w górnych partiach atmosfery pochłania promieniowanie ultrafioletowe, którego nadmiar jest szkodliwy dla życia.  

 Alotropia siarki

Siarka rombowa - występuje w przyrodzie,  żółte, trwałe w temp. pokojowej kryształy.

Siarka jednoskośna - odmiana nietrwała, powstaje po ogrzaniu siarki do temp. ok. 96 st.C.

Obie odmiany zbudowane są z 8-atomowych pierścieni.

Przemiany siarki przy podwyższaniu temperatury: 
siarka rombowa (temp.95,6^oC)  → siarka jednoskośna (temp.118,9^oC)  → siarka stopiona

Siarka plastyczna - bezpostaciowa, brunatna, plastyczna masa, która powstaje z szybko ochłodzonej ciekłej siarki. Jest formą niestabilną i w tem. 20^oC powoli krystalizuje.

Kwiat siarczany - żółty proszek powstały w wyniku szybko schłodzonych par siarki.

Alotropia fosforu.

Fosfor biały - łatwo łączy się z tlenem (przechowuje się go pod wodą)

Fosfor czerwony − mniej reaktywny, nie jest toksyczny, nie rozpuszcza się w rozpuszczalnikach

Odmiany alotropowe fosforu różnią się strukturą cząsteczki.

Fosfor biały przechodzi w fosfor czerwony, przy czym wydziela się światło

Inne odmiany fosforu: fioletowy, czarny.

Przekaż darowiznę
Załóż konto | Zaloguj się