Аллотропия
Аллотро́пия (от др.-греч. ἄλλος «другой» + др.-греч. τρόπος «поворот, свойство») — способность одного и того же химического элемента образовывать две и более формы простых веществ. Явление аллотропии вызвано либо различным состоянием молекул простого вещества (аллотропия состава), либо способом группировки атомов в молекулы или молекул в кристаллическую решётку (аллотропия формы).
Понятие аллотропии в 1841 году введено в науку Берцелиусом для обозначения разных форм существования элементов. Вместе с тем, он предполагал, по-видимому, применить его также и к изомерии более сложных соединений. В 1860 году после принятия гипотезы Авогадро стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, например: кислород (О2) имеет аллотропную форму озон (О3).[1]
Коротко об аллотропии
править
...мной даже предприняты были <...> более года тому назад, некоторые опыты, относящиеся к этому вопросу, а именно ― определение, при прочих равных условиях, атомного веса красного и белого фосфора[2] | |
| — Александр Бутлеров, «Заметка об атомных весах», октябрь 1882 |
Приняв понятие о соединении или связи <...>, мы должны допустить на основании фактов, что соединяться (быть связанными между собою) могут не только разнородные, но также и однородные атомы. Аллотропия (в сущности — полимерия) элементов служит одним из наиболее ясных доказательств необходимости такого допущения.[2] | |
| — Александр Бутлеров, Химическое строение и «теория замещения», 1885 |
Аллотропические видоизменения одного и того же вещества, вероятно, происходят вследствие того, что атомы входят в состав молекулы в различном числе или в различной группировке.[3] | |
| — Орест Хвольсон, «Курс физики». Том 1, 1897 |
| — Юлий Черкинский, «Неорганические полимеры», 1965 |
13 элементов, расположенных здесь <в центральной части таблицы>, могут образовывать и образуют гигантские цепи полимерных молекул. Еще недавно считалось, что этим замечательным свойством обладает только углерод, но оказалось, что гомоцепные полимеры (полимеры, молекулы которых составлены из атомов одного и того же элемента) образуют также кремний, бор, фосфор, сера, селен, германий, сурьма, мышьяк, теллур, висмут, олово и полоний.[4] | |
| — Юлий Черкинский, «Неорганические полимеры», 1965 |
| — Геннадий Диогенов, «Фосфор», 1968 |
| — Белла Скирстымонская, «Олово», 1970 |
Аллотропию обнаруживают все элементы, меняющие валентность при изменении температуры, например, железо, марганец, никель, олово и др. Каждое аллотропическое превращение происходит при определённой температуре.[7] | |
| — Шамиль Валитов и др., «Современные системные технологии в отраслях экономики», 2015 |
Свойство аллотропии (полиморфизма) широко используется в технологических процессах термической и механической обработки материалов...[7] | |
| — Шамиль Валитов и др., «Современные системные технологии в отраслях экономики», 2015 |
В научной и научно-популярной литературе
править
Я вполне согласен с мнением Д. И. Менделеева, выраженным в следующих словах: «закон сохранения веса можно рассматривать как частный случай закона сохранения силы или движений. Причину веса, очевидно, составляет особый род движения вещества, и нет никакой причины отрицать возможность превращения этих движений в химическую энергию или в какой бы то ни было другой вид движения» (См. мемуар «О периодическом законе»; начало 5-й главы) <...>. | |
| — Александр Бутлеров, «Заметка об атомных весах», октябрь 1882 |
Приняв понятие о соединении или связи <...>, мы должны допустить на основании фактов, что соединяться (быть связанными между собою) могут не только разнородные, но также и однородные атомы. Аллотропия (в сущности — полимерия) элементов служит одним из наиболее ясных доказательств необходимости такого допущения. Зная относительную весовую величину атомов, мы выражаем нашими формулами прежде всего величину частиц, натуру и количество находящихся в них атомов. Приходится, однако, идти и дальше. Опыт указывает, что частицы, состоящие из атомов, одинаковых по натуре и вошедших в соединение в одних и тех же относительных количествах, могут быть, тем не менее, совершенно различны.[2] | |
| — Александр Бутлеров, Химическое строение и «теория замещения», 1885 |
Аллотропические видоизменения одного и того же вещества, вероятно, происходят вследствие того, что атомы входят в состав молекулы в различном числе или в различной группировке. Кислород (O2) и озон (O3) представляют пример аллотропии, как результата полимеризации. Орлов полагает, что синяя сера тауже происходит вследствие полимеризации, и нечто подобное находит Schenk для красного фосфора, частица которого, по его мнению, имеет состав P8 или ещё более сложный.[3] | |
| — Орест Хвольсон, «Курс физики». Том 1, 1897 |
Центральная часть таблицы. Привычные, давно знакомые элементы. Все «вакантные» места давно заняты. Но почему сюда смотрят с особым вниманием многие ученые? Идет процесс переосмысливания химического существа известных элементов и их соединений. В его основе — коллективное открытие, значение которого мы пока еще не можем оценить по достоинству. Оно заключается в том, что 13 элементов, расположенных здесь, могут образовывать и образуют гигантские цепи полимерных молекул. Еще недавно считалось, что этим замечательным свойством обладает только углерод, но оказалось, что гомоцепные полимеры (полимеры, молекулы которых составлены из атомов одного и того же элемента) образуют также кремний, бор, фосфор, сера, селен, германий, сурьма, мышьяк, теллур, висмут, олово и полоний.[4] | |
| — Юлий Черкинский, «Неорганические полимеры», 1965 |
Разницей в молекулярном весе объясняется различие физических свойств у аллотропных модификаций <...> элементов. Так, существует высокомолекулярный и низкомолекулярный бор. Первый ― это мелкие кристаллы, по твердости почти не уступающие алмазу, второй ― мягкий зеленовато-бурый аморфный порошок. То же самое и у фосфора. Молекула белого или желтого фосфора ― мягкого, как воск, светящегося в темноте вещества ― построена всего из четырёх атомов, а красный фосфор ― это уже неорганический полимер. Известны высокомолекулярные и низкомолекулярные модификации серы, причем молекулярный вес полимерной эластичной серы достигает 1 500 000. Чистые кремний и углерод существуют только в форме полимеров. Алмаз, графит и карбин различаются молекулярным весом и строением молекулы. Алмаз — трехмерный, пространственный полимер, молекулы графита — плоские, а недавно синтезированный советскими учеными карбин — это неизвестный в природе линейный полимер углерода. Графит и аморфный углерод с точки зрения химии высокомолекулярных соединений идентичны. <...> среди гомоцепных неорганических полимеров встречаются очень важные и интересные вещества.[4] | |
| — Юлий Черкинский, «Неорганические полимеры», 1965 |
Аллотропия металлов (или полиморфизм) — их свойство перестраивать <кристаллическую> решетку при определенных температурах в процессе нагревания или охлаждения или действия давлением. Свойство аллотропии имеет большое практическое значение в технологических процессах термообработки металлов, назначение которых — получение необходимых физических и механических свойств — прочности и др. Аллотропию обнаруживают все элементы, меняющие валентность при изменении температуры, например, железо, марганец, никель, олово и др. Каждое аллотропическое превращение происходит при определённой температуре. Например, одно из превращений железа происходит при температуре 911°C, ниже которой атомы составляют решётку центрированного куба, а выше — решётку гранецентрированного куба. | |
| — Шамиль Валитов и др., «Современные системные технологии в отраслях экономики», 2015 |
В публицистике и документальной литературе
править
Вerzelius назвал аллотропией появление простого вещества (элемента) в нескольких состояниях, более или менее существенно отличающихся друг от друга по физическим свойствам. Алмаз, графит и обыкновенный уголь представляют три аллотропических видоизменения углерода. Изучению различных свойств и способов получения аллотропических состояний углерода посвящено обширное исследование Моissan’а.[3] | |
| — Орест Хвольсон, «Курс физики». Том 1, 1897 |
...вы чиркнули спичкой о шероховатую поверхность коробка. Что же при этом произошло? Прежде всего, воспламенился коробок. В состав коричневой намазки коробка входит красный фосфор. Правда, воспламенить его не так-то легко. Но под действием тепла (а оно возникает при трении) происходит аллотропное превращение: перестраивается кристаллическая решетка, и красный фосфор переходит в белый. Белый фосфор менее устойчив и более активен, чем красный, — он воспламеняется уже при 50°C. Кстати, поверхность коробка не зря делают шероховатой. Головка спички трется об отдельные выступы, энергия как бы концентрируется на них.[9] | |
| — Алексей Крылов, «Вы чиркнули спичкой...», 1967 |
Фосфор часто называют многоликим элементом. Действительно, в разных условиях он ведет себя по-разному, проявляя то окислительные, то восстановительные свойства. Многоликость фосфора проявляется и в его способности находиться в нескольких аллотропных модификациях. Пожалуй, самая известная модификация элемента № 15 ― мягкий как воск белый или жёлтый фосфор. Это её открыл Бранд, и благодаря ее свойствам элемент получил свое имя: по-гречески «фосфор» значит светящийся, светоносный. Молекула белого фосфора состоит из четырех атомов, построенных в форме тетраэдра. <...> При нагревании без доступа воздуха выше 250°C белый фосфор превращается в красный. Это уже полимер, но не очень упорядоченной структуры.[5] | |
| — Геннадий Диогенов, «Фосфор», 1968 |
Примерно в те же годы к известному русскому химику В. В. Марковникову обратились из интендантства с просьбой объяснить, что происходит с лужеными чайниками, которыми снабжали русскую армию. Чайник, который принесли в лабораторию в качестве наглядного примера, был покрыт серыми пятнами и наростами, которые осыпались даже при легком постукивании рукой. Анализ показал, что и пыль, и наросты состояли только из олова, без каких бы то ни было примесей. Что же происходило с металлом во всех этих случаях? Как и многие другие элементы, олово имеет несколько аллотропических модификаций, несколько состояний. (Слово «аллотропия» переводится с греческого как «другое свойство», «другой поворот».) При нормальной плюсовой температуре олово выглядит так, что никто не может усомниться в принадлежности его к классу металлов. Белый металл — пластичный, ковкий. Кристаллы белого олова (его называют еще бета-оловом) тетрагональны. <...> Но при температуре ниже 13,2°C «нормальное» состояние олова иное. Едва достигнут этот температурный порог, в кристаллической структуре оловянного слитка начинается перестройка. Белое олово превращается в порошкообразное серое, или альфа-олово, и чем ниже температура, тем больше скорость этого превращения. Максимума она достигает при минус 30°C.[6] | |
| — Белла Скирстымонская, «Олово», 1970 |
| — Андрей Костин, «Изобретатели терминов», 1976 |
Финансирование исследований производилось как по линии правительственных организаций и международных фондов, так и крупнейшими промышленными корпорациями. Такое внимание к одной из малых составляющих атмосферы понятно: эта аллотропная форма кислорода защищает от губительного действия ультрафиолетовой радиации Солнца все живые организмы, в том числе человека.[11] | |
| — Валерий Исидоров, «Озоновый кризис» и возможные экологические последствия его разрешения, 2000 |
Тем, кто химию изучал и знаком с таблицей Менделеева, известно, что «мышьяк» — название химического элемента. Им известно также, что в большинстве случаев название химического элемента совпадает с названием простого вещества этого химического элемента. Значит ли это, что в шоколад было подмешано простое вещество мышьяк (точнее, одна из его аллотропных модификаций)? Нет, ведь простое вещество мышьяк малотоксично. <...> Гуманные авторы историко-этимологического словаря высказывают робкое предположение, что название «мышьяк» пошло от серого цвета основной аллотропной модификации мышьяка.[12] | |
| — Елена Стрельникова, «Мышь, мышьяк и Калле-сыщик», 2011 |
Свойство аллотропии (полиморфизма) широко используется в технологических процессах термической и механической обработки материалов и определяет перспективность и широкие возможности современных технологий управления качеством конструкционных материалов и изделий промышленного производства.[7] | |
| — Шамиль Валитов и др., «Современные системные технологии в отраслях экономики», 2015 |
Оловянной чумой называют протекающий при низкой температуре (для чистого олова 13.2 °C, однако примеси в олове понижают её) процесс перехода одной аллотропной модификации олова в другую, которая выглядит как порошок. Появление порошкоообразной аллотропной модификации ускоряет трансформацию металлического олова, «заражая» его, поэтому этот процесс и назвали чумой.[13] | |
| — Аркадий Курамшин, «Элементы: замечательный сон профессора Менделеева», 2019 |
В беллетристике и художественной прозе
править— на последней парте место свободно, — резко велела химичка. — Садись. Не шептаться! Сегодня поговорим о причинах многообаразия химических веществ... Халвов! | |
| — Дарина Стрельченко, «Идеалы осыпаются на глазах», 2022 |
Источники
править- ↑ В начале XX века было признано, что различия в кристаллической структуре простых веществ (например, углерода или фосфора) также служат причиной аллотропии. В 1912 году Вильгельм Оствальд отметил, что аллотропия элементов является просто частным случаем полиморфизма кристаллов, и предложил отказаться от этого термина. Однако по настоящее время эти термины используются параллельно. Аллотропия относится только к простым веществам, независимо от их агрегатного состояния; полиморфизм — только к твёрдому состоянию независимо от того, простое это вещество или сложное. Таким образом, для простых твёрдых веществ два термина фактически совпадают (кристаллическая сера, фосфор, железо, олово и др.)
- ↑ 1 2 3 4 А. М. Бутлеров Сочинения в 3 томах. — М.: Издательство Академии Наук СССР, 1953-1958 гг.
- ↑ 1 2 3 Хвольсон О. Д. Курс физики. Том 1. Изд. 6-е, заново перераб. — Ленинград ; Москва : Гос. технико-теоретическое изд-во, 1933 г. — 641 с.
- ↑ 1 2 3 4 Ю. Черкинский, Неорганические полимеры. ― М.: «Химия и жизнь», №4, 1965 г.
- ↑ 1 2 Г. Диогенов. «Фосфор». — М.: «Химия и жизнь», № 2, 1968 г.
- ↑ 1 2 Б. И. Скирстымонская. Олово. — М.: «Химия и жизнь» № 5, 1970 г.
- ↑ 1 2 3 4 Валитов Ш. М., Азимов Ю. И., Павлова В. А.. Современные системные технологии в отраслях экономики. — М.: Проспект, 2021 г. — 504 с.
- ↑ При всей анекдотичности подобных опытов с точки зрения современной химии, в конце XIX века вопрос о разном атомном весе аллотропных форм углерода и фосфора был предметом развёрнутых научных дискуссий.
- ↑ Крылов А. Г. Вы чиркнули спичкой... — — М.: «Химия и жизнь», № 4, 1967 г.
- ↑ Андрей Костин. Изобретатели терминов. — М.: «Техника - молодежи», № 4, 1976 г.
- ↑ Валерий Исидоров. «Озоновый кризис» и возможные экологические последствия его разрешения. — М.: «Российский химический журнал», 2000 г.
- ↑ Е. Стрельникова. Мышь, мышьяк и Калле-сыщик. — М.: «Химия и жизнь», № 2, 2011 г.
- ↑ Аркадий Курамшин. Элементы: замечательный сон профессора Менделеева. — М.: АСТ, 2019 г.
- ↑ Дарина Стрельченко. Идеалы осыпаются на глазах. — б.м.: Литрес-издательские решения, 2023 г. — 250 с.
