Аллотропия алюминия. Энантиотропные и монотропные переходы. Что такое аллотропия

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образовании «Оренбургский государственный педагогический университет»

Институт естествознания и экономики

Кафедра химии и методика преподавания химии

по дисциплине: Основы общей химии

АЛЛОТРОПНЫЕ МОДИФИКАЦИИ

Выполнил:

Тукаева Г.Р.

Оренбург

Введение

1 Аллотропные модификации

1 Аллотропия углерода

1.1.1 Свойства алмаза

1.2 Графит

1.2.1 Свойства графита

1 Аллотропия состава

1.1 Кислород

Заключение

Введение

Аллотропия - это существование по крайней мере двух форм одного и того же элемента в твердом кристаллическом состоянии, которые отличаются пространственным расположением атомов. Поскольку взаимные превращения аллотропных форм связаны с изменением уравнения состояния вещества, его энергии, термин аллотропия следует использовать исключительно в термодинамическом смысле. Понятие полиморфизма имеет в большей мере кристаллографическое значение, так как включает структурные и морфологические изменения. А частный случай одномерного полиморфизма, который характерен для некоторых плотноупакованных и слоистых структур, представляет собой политипизм. Это способность вещества кристаллизоваться в виде нескольких модификаций, каждая из которых при двух идентичных параметрах элементарной ячейки отличается лишь третьим, зависимым чаще всего от расстояния между соседними слоями.

Политипизм нередко проявляется в структурах, эквивалентных кубической и гексагональной плотной упаковке атомов. В политипных модификациях ближайшее атомное окружение одинаково, а различия обусловлены характером вторых (или даже более удаленных) координационных сфер. Поэтому величины энергии их кристаллических решеток почти равны и, следовательно, очень похожи их физические свойства.

1 Явление аллотропии

Сочетание атомов одного и того же элемента - есть простое вещество. В зависимости от типа химической связи, между атомами простые вещества могут быть металлами и неметаллами. Для металлов характерна металлическая связь, а для неметаллов - ковалентная. Резкого различия между металлическими и неметаллическими простыми веществами нет. К металлам примыкают металлоподобные простые вещества, а к неметаллам - неметаллоподобные.

Один и тот же элемент может образовывать несколько разных типов простых веществ, называемых аллотропными модификациями. Известно свыше 400 разновидностей простых веществ. Явление аллотропии может быть обусловлено либо различным составом молекул простого вещества данного элемента (аллотропия состава), либо способом размещения молекул и атомов в кристаллах (аллотропия формы). Способность элемента к образованию соответствующих аллотропных модификаций обусловлена строением атома, которое определяет тип химической связи, строение молекул, строение кристаллов.

Как правило, большее число аллотропных форм образуют элементы, которые имеют переменные значения координационного числа или степени окисления (олово, фосфор). Также другим важным фактором является катенация - способность атомов элемента образовывать гомоцепные структуры (например, сера). Склонность к аллотропии более выражена у неметаллов, за исключением галогенов и благородных газов, а также полуметаллов.

Принято обозначать различные аллотропические формы одного и того же элемента строчными буквами греческого алфавита; а форму, существующую при самых низких температурах - буквой ?, следующую - ? и т. д.

2 История аллотропной модификации

Понятие аллотропии введено в науку Й. Берцелиусом в 1841 году для обозначения различных форм существования элементов. Одновременно он предполагал применить его и к изомерии соединений. После принятия гипотезы А. Авогадро в 1860 году, стало понятно, что элементы могут существовать в виде многоатомных молекул (например, О2 - кислород, О3 - озон. В начале ХХ века было признано, что различия в кристаллической структуре простых веществ также являются причиной аллотропии. В 1912 году В. Оствальд отметил, что аллотропия элементов является просто частным случаем полиморфизма кристаллов, после чего предложил от него отказаться. Аллотропия относится только к простым веществам, независимо от их агрегатного состояния. Полиморфизм - только к твердому состоянию независимо от того, простое это вещество или сложное.

3 Переход аллотропной модификации

Переход одной аллотропной модификации в другую происходит при изменении температуры или давления (или же при одновременном воздействии обоих факторов) и связан со скачкообразным изменением свойств вещества. Этот процесс бывает обратимым (энантиотропным) и необратимым (монотропным).

Примером энантиотропного перехода может служить превращение ромбической серы в моноклинную ?-S (ромб.) ? ?-S (монокл.) при 95,6 °C. При обычной температуре стабильной является ромбическая модификация серы, которая при нагревании до 95,6 °С при нормальной давлении переходит в моноклинную форму. Последняя при охлаждении ниже 95,6 °С вновь переходит в ромбическую форму. Таким образом, переход одной формы серы в другую происходит при одной и той же температуре, и сами формы называются энантиотропными.

К монотропному переходу относится превращение белого фосфора P4 под давлением 1,25 ГПа и температуре 200 °C в более стабильную модификацию - чёрный фосфор. При возвращении к обычным условиям обратный переход не происходит. Переход из нестабильной формы в стабильную в принципе возможен при любой температуре, а обратный - нет, то есть определенная точка перехода отсутствует. Еще один пример - превращение графита в алмаз при давлении 6 ГПа и температуре 1500 °C в присутствии катализатора (никель, хром, железо и другие металлы), то есть при условиях термодинамической устойчивости алмаза. Тогда как алмаз легко и быстро переходит в графит при температурах выше 1000 °С. В обоих случаях давление способствует превращению, поскольку образуется вещества с более высокой плотностью, чем исходные.

Три известные модификации олова переходят друг в друга различным образом. При обычных условиях устойчиво ?-Sn (плаcтичное белое олово) с тетрагональной кристаллической решеткой . Выше 173 °С ?-Sn энантиотропно превращается в хрупкую модификацию ?-Sn, а ниже 13,2 °C ?-Sn переходит монотропно в порошкообразное ?-Sn (серое олово) с кубической решёткой типа алмаза. Этот полиморфный переход происходит с малой скоростью, но резко ускоряется в контакте с серым оловом - плотные куски белого олова рассыпаются в пыль («оловянная чума»). Обратный процесс возможен только путем переплавки.

1 Аллотропия углерода

В свободном состоянии углерод известен в виде алмаза, кристаллизующего в кубической системе, а также графита, принадлежащего к гексагональной системе. Такие его формы, как древесный уголь, кокс, сажа - имеют неупорядоченную структуру. Синтетически получены карбин и поликумилен - разновидности углерода, состоящие из линейных цепных полимеров типа...-С=С-С=С-... или...=С=С=С=.... Карбин обладает полупроводниковыми свойствами. При сильном нагревании и без доступа воздуха он превращается в графит.

Алмаз - бесцветное, прозрачное вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Он кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке. При этом одна половина атомов располагается в вершинах и центрах граней одного куба, а другая - в вершинах и центрах граней другого, смещенного относительно в первом в направлении его пространственной диагонали. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp^3 гибридизации, образуют трехмерную тетраэдрическую сетку, в которой они связаны друг с другом ковалентными связями. Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм.

Из всех простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема, атомы углерода "упакованы" в алмазе очень плотно. С этим, а также с большой прочностью связи в углеродных тетраэдрах связано тем, что по твердости алмаз превосходит все известные вещества. Поэтому его широко применяют в промышленности; почти 80 % добываемых алмазов используются для технических целей. Его используют для обработки различных твердых материалов и для бурения горных пород. Будучи весьма твердым, алмаз в то же время очень хрупок. Получающийся при измельчении алмаза порошок служит для шлифовки драгоценных камней и самим алмазов. Должным образом, отшлифованные прозрачные алмазы называются бриллиантами.

Ввиду большой ценности алмазов было предпринято много попыток получить их искусственными путями из графита. Однако долгое время эти попытки кончались неудачей. Только в 1955 г., применив очень высокое давление (порядка 1010 Па) и длительный нагрев при температуре около 3000 °С, американским и одновременно шведским ученым удалось получить синтетические алмазы. В Советском Союзе также был разработан метод получения синтетических алмазов, а в 1961 г. начато их промышленное производство. Кроме того, в 1969 г, в СССР синтезированы нитевидные кристаллы алмаза, причем их получают при обычном давлении. Нитевидные кристаллы, или "усы", имеют структуру практически лишенную дефектов, и обладают очень высокой прочностью. При прокаливании алмаза в кислороде, он сгорает, образуя диоксид углерода. Если сильно нагреть алмаз без доступа воздуха, то он превращается в графит.

1.1.1 Свойства алмазов

Физико-механические свойства.

Важное значение имеет очень низкий коэффициент трения алмаза по металлу на воздухе - всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие пленки не образуется коэффициент трения возрастает и достигает 0,5-0,55. Низкий коэффициент трения обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание, которая превышает износостойкость корунда в 90 раз, а других абразивных материалов - в сотни и тысячи раз. В результате, например, при шлифовании изделий из твердых сплавов алмазного порошка расходуется в 600-3000 раз меньше,чем любого другого абразива.

Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению со всеми известными в природе материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия.

Термические свойства.

Температура плавления алмаза составляет 3700-4000 С.На воздухе алмаз сгорает при 850-1000 С, а в струе чистого кислорода горит слабо голубым пламенем при 720-800 С, полностью превращаясь в конечном счете в углекислый газ. При нагреве до 2000-3000 С без доступа воздуха алмаз переходит в графит.

Рассматриваемый минерал обладает исключительно высокой теплопроводностью,что обусловливает быстрый отвод тепла возникающего в процессе обработки деталей инструментом, изготовленным из него. Кроме того, для алмаза характерен низкий температурный коэффициент линейного расширения (ниже, чем у твердых сплавов и стали). Это свойство алмаза учитывается при вставке его в оправу из разных металлов и других материалов.

Оптические свойства.

Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в желтом цвете равен примерно 2,417,а для различных цветов спектра он варьирует от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать белый цвет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063. Как показатели преломления, так и дисперсия алмаза намного превышают аналогичные свойства всех других природных прозрачных веществ, что и обусловливает в сочетании с твердостью непревзойденные качества алмазов как драгоценных камней. Высокое преломление в совокупности с чрезвычайно сильной дисперсией вызывает характерный блеск отполированного алмаза, названный алмазным.

Одним из важнейших свойств алмазов является люминесценция. Под действием видимого света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать - светиться различными цветами. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из природы.

Электрические и магнитные свойства.

Алмаз относится к изоляторам: его удельное электрическое сопротивление очень велико. Некоторые кристаллы, однако, имеют низкое удельное сопротивление и обладают свойствами полупроводников. Эти алмазы, как правило, голубого цвета. Очень высоко ценятся и исключительно редки. Алмаз относится к немагнитным минералам, но некоторые их разновидности имеют слабые парамагнитные свойства, которые в основном связаны с присутствием примеси азота. Иногда магнитные свойства придают алмазам и механические включения в них магнитных минералов- магнетита и ильменита. Это необходимо учитывать при извлечении алмазов из породы, так как при магнитной сепарации <магнитные> алмазы будут попадать в магнитную фракцию и могут быть пропущены.

Алмаз - минерал весьма устойчивый. Он не поддается воздействию самых сильных кислот и их смесей (соляной, серной, азотной, плавиковой, <царской водки>), даже доведенных до температуры кипения. Не реагирует он и со щелочами. В то же время алмаз легко окисляется и сгорает в смеси соды с расплавленной натриевой или калиевой селитрой. Расплавленные карбонаты щелочей при 1000-1200 С также окисляют алмаз. При нагревании до 800 С в присутствии железа или сплавов на его основе алмаз растворяется, поэтому алмазные резцы не применяются при обработке стали и чугуна.

Алмаз с чистой поверхностью гидрофобен, т.е. не смачивается водой. Из - за этого свойства он может проникать сквозь влажные слои гравийно-песчаных отложений и концентрироваться вместе с минералами значительно большей плотности гранатами, ильменитами. После называют минералами - спутниками алмаза: они помогают геологам отыскивать алмазные месторождения.

В то же время алмазы способны прилипать к некоторым видам жиров, на чем основаны некоторые способы извлечения алмазов из раздробленной алмазоносной породы.

1.2 Графит

Графит представляет собой темно серые кристаллы со слабым металлическим блеском. Он имеет слоистую решетку. Все атомы углерода находятся здесь в состоянии sр^2-гибридизации: каждый из них образует три ковалентные ?-связи с соседними атомами, причем углы между направленными связей равны 120 °. В результате возникает плоская сетка, которая состоит из правильных шестиугольников, в вершинах которых находятся ядра атомов углерода; расстояние между соседними ядрами составляет примерно 0,1415 нм.

В образовании ?-связей участвуют три электрона каждого атома углерода. Четвертый электрон внешнего слоя занимает 2р-орбиталь, которая не участвует в гибридизации. Такие нeгибридные электронные облака атомов углерода ориентированы перпендикулярно плоскости слоя и при перекрывании друг с другом, образуют делокализованные л-связи.

Соседние слои атомов углерода в кристалле графита находятся на довольно большом расстоянии друг от друга (0,335 нм); это указывает на малую прочность связи между атомами углерода, расположенными в разных слоях. Соседние слои связаны между собой в основном силами Ван-дер-Ваальса, но частично связь имеет металлический характер, т.е. обусловлена «обобществлением» электронов всеми атомами кристалла. Этим объясняется сравнительно высокая электрическая проводимость и теплопроводность графита не только в направлении слоев, но и в перпендикулярном к ним направлении.

Рассмотренная структура графита обусловливает сильную анизотропию его свойств. Так, теплопроводность графита в направлении плоскости слоев равна 4,0 Дж/(смсК), а в перпендикулярном направлении составляет 0,79 Дж/(см. с. К). Электрическое сопротивление графита в направлении слоев в 104 раз меньше, чем в перпендикулярном направлении.

Отдельные слои атомов в кристалле графита, связанные между собой сравнительно слабо, легко отделяются друг от друга. Этим объясняется малая механическая прочность графита. Если провести куском графита по бумаге, то мельчайшие кристаллики графита, имеющие вид чешуек, прилипают к бумаге, оставляя на ней серую черту. На этoм основано применение графита для изготовления карандашей.

На воздухе графит не загорается даже при сильном, но легко сгорает в чистом кислороде, превращаясь в диоксид углерода.

Благодаря электрической проводимости графит применяется для изготовления электродов. Из смеси графита с глиной делают огнеупорные тигли для плавления металлов. Смешанный с маслом графит служит прекрасным смазочным средством, гак как чешуйки его, заполняя неровности материала, создают гладкую поверхность, облегчающую скольжение. Графит применяют также в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.

Кроме природного, в промышленности находит применение искусственный графит. Его получают главным образом из лучших сортов каменного угля. Превращение происходит при температурах около 3000 °С в электрических печах без доступа воздуха. На основе естественного n, особенно, искусственного графита изготовляют материалы, применяемые в химической промышленности. Благодаря их высокой химической стойкости они используются для футеровки, изготовления труб и др.

Графит термодинамически устойчив в широком интервале температур и давлений, в частности при обычных условиях. В связи с этим при расчетах термодинамических величин в качестве стандартного состояния углерода принимается графит. Алмаз термодинамически устойчив лишь при высоких давлениях (выше 10° Па). Однако скорость превращения алмаза в графит становится заметной лишь при температурах выше 1000 °С; при 1750 °С превращение алмаза в графит происходит быстро.

"Аморфный" углерод (уголь). При нагревании углеродсодержащих соединений без доступа воздуха из них выделяется черная масса, называемая "аморфным" углеродом или просто углем. Такой углерод состоит из мельчайших кристалликов с разупорядоченной структурой графита. Уголь растворяется во многих расплавленных металлах, например в железе, никеле, платине. Плотность угля колеблется от 1,8 до 2,1 г/см^3.

Угли существенно различаются по своим свойствам в зависимости от вещества, из которого они получены и способа получения. Кроме того, очи всегда содержат примеси, сильно влияющие на их свойства. Важнейшие технические сорта угля: кокс, древесный уголь, костяной уголь и сажа.

Кокс получается при сухой перегонке каменного угля. Применяется он главным образом в металлургии при выплавке металлов из руд.

Древесный уголь получается при нагревании дерева без доступа воздуха. При этом улавливают цепные продукты сухой перегонки - метиловый спирт, уксусную кислоту и др. Древесный уголь применяется в металлургической промышленности, в кузнечном деле.

Благодаря пористому строению, древесный уголь обладает высокой адсорбционной способностью.

Чтобы наблюдать адсорбцию газов углем, произведем следующим опыт. Наполним аммиаком стеклянный цилиндр и опустим открытый конец его в чашку с ртутью. Затем, прокалив на горелке кусочек древесного угля, погрузим его в ртуть н подведем под отверстие цилиндра с аммиаком. Уголь всплывает на поверхность ртути в цилиндре, и ртуть сейчас же начинает подниматься вверх вследствие поглощения аммиака углем.

Особенно хорошо поглощают газы активные угли. Они применяются для поглощения паров летучих жидкостей из воздуха и газовых смесей, в противогазах, а также в качестве катализатора в некоторых химических производствах.

Уголь обладает способностью адсорбировать не только газы, но и растворенные вещества. Это его свойство открыл в конце XVIII века русский академик Т.Е. Ловиц.

Костяной уголь получается путем обугливания обезжиренных костей. Он содержит от 7 до 11 % углерода, около 80 % фосфата кальция и другие соли. Костяной уголь отличается очень большой поглотительной способностью, особенно по отношению к органическим красителям, и служит для удаления из растворов различных красящих веществ.

Сажа представляет собой наиболее чистый "аморфный» углерод. В промышленности ее получают термическим разложением метана, а также сжиганием при недостаточном доступе воздуха смолы, скипидара и других богатых углеродом веществ. Сажа применяется в качестве черной краски (тушь, типографская краска), а также в производстве резины как ее составная часть.

1.2.1 Свойства графита

Монокристаллы графита диамагнитны, магнитная восприимчивость велика в направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, и незначительна в параллельном направлении. Знак коэффициента Холла меняется с положительного на отрицательный при 2100 °С.

Прочностные свойства графита изменяются с увеличением температуры. Для большинства искусственных графитов предел прочности при растяжении с повышением температуры возрастает в 1,5-2,5 раза, достигая максимума при 2400-2800 °С; предел прочности при сжатии увеличивается в 1,3-1,6 раза в интервале 2200-2300 °С; модули упругости и сдвига возрастают в 1,3-1,6 раза в интервале 1600-2200 °С. С повышением температуры до 3000 °С и выше прочностные свойства довольно резко снижаются и при 3200 °С приближаются к свойствам при 20 °С. В интервале 20-2000 °С графит хрупок. В диапазоне 2200-2600 °С наблюдается большая остаточная деформация, достигающая 0,35-1,5% в зависимости от вида графита. Наиболее высокие прочностные свойства имеет рекристаллизованный графит.

Хорошие антифрикционные свойства графит обусловлены легкостью скольжения одного углеродного слоя относительно другого под действием малых сдвиговых напряжений в направлении базисных плоскостей. Коэффициент трения по металлам (для рабочих скоростей до 10 м/с) составляют 0,03-0,05. Для пирографита под действием напряжений в направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, он составляет 0,4-0,5; пирографит может быть использован в качестве фрикционного материала.

После облучения графит нейтронами его физические свойства изменяются: удельное электрическое сопротивление увеличивается, а прочность, модуль упругости, твердость, теплопроводность уменьшаются на порядок. После отжига при 1000-2000 °С свойства восстанавливаются до прежних значений. Графит обладает низким сечением захвата тепловых нейтронов.аллотропный модификация алмаз графит

Характерная особенность искусственно полученного графита - его пористость, оказывающая существенное влияние практически на все свойства графита. Объем пор от 2-3% для пирографита до 80-85% для других видов графита. Для описания зависимости предела прочности при сжатии, модуля упругости, теплопроводности, удельного электрического сопротивления от пористости применяют эмпирическое выражение:

где Pi, иPio - свойства соответственно пористого и непористого графита,

a - общая пористость,

e - параметр для i-того свойства.

Графит весьма инертен при нормальных условиях. Окисляется кислородом воздуха до углекислого газа выше 400 °С. Температура начала реакций тем выше, чем совершеннее кристаллическая структура графита. Окисление ускоряется в присутствии Fe, V, Na, Си и других металлов, замедляется в присутствии С12, соединений фосфора и бора. С молекулярным азотом графит практически не реагирует, с атомарным при обычной температуре образует цианоген C2N2 в присутствии Н2 при 800 °С - HCN. В условиях тлеющего разряда графит с N2 дает парацианоген (CN)X, где *>2. С оксидами азота выше 400 °С образует С02) СО и N2, с Н2 при 300-1000 °С - СН4. Галогены внедряются в кристаллическую решетку графит, давая соединения включения.

С большинством металлов и их оксидов, а также со многими неметаллами графит дает карбиды. Со всеми щелочными металлами, некоторыми галогенидами, оксифторидами, галогеноксидами, оксидами и сульфидами металлов образует соединения включения, с нитридами металлов выше 1000 °С - твердые растворы нитридов и карбидов, с боридами и карбидами - эвтектические смеси с температурами плавления 1800-3200 °С. графит стоек к действию кислот, растворов солей, расплавов фторидов, сульфидов, теллуридов, органических соединений, жидких углеводородов и др., реагирует с растворами щелочей, жидкими окислителями и рядом хлор- и фторорганических соединений.

Наиболее химически и термически стоек пирографит. Он практически непроницаем для газов и жидкостей, при 600 °С его стойкость к окислению во много раз выше, чем у других графитов. В инертной среде пирографит работоспособен при 2000 оС длительного времени.

1 Аллотропия состава

1.1 Кислород

Кислород - это бесцветный газ, без вкуса и запаха, немного тяжелее воздуха, малорастворим в воде.

Молекула кислорода образована двумя атомами кислорода. Атомные орбитали, занятые валентными электронами в атоме кислорода, те же, то и в атоме азота. Следовательно, при их линейной комбинации получим аналогичные молекулярные орбитали, отличающиеся только количеством электронов. Кратность связи в молекуле кислорода равна двум, следовательно прочность связи маленькая. Энергия разрыва связи в молекуле кислорода равна 494 кДж/моль, а длина связи возрастает до 121 пм.

Кислород применяют в металлургии для интенсификации доменных и сталеплавильных процессов, при выплавке цветных металлов в шахтных печах, как окислитель во многих химических производствах, для резки и сварки металлов, для жизнеобеспечения экипажей подводных лодок и космических кораблей, на больших высотах и в подводном плавании, в медицине (кислородные, водяные и воздушные ванны, кислородные подушки). Жидкий кислород используют в качестве окислителя ракетного топлива, а также окислителя водорода в топливных элементах.

Нахождение в природе.

Кислород на Земле - самый распространенный элемент. Его содержание в атмосфере составляет 20,95% по объему и 23,15% по массе. В гидросфере и литосфере содержание связанного кислорода составляет соответственно 85,82 и 47,0% по массе или 58% по числу атомов. Известно около 14700 минералов, содержащих связанный кислород. Свободный кислород атмосферы - это результат деятельности зеленых растений, поставляющих его в результате реакции фотосинтеза.

Кислород входит в состав белков, жиров и углеводов, т.е. веществ, образующих живые организмы.

Природный кислород представляет собой смесь трех изотопов с массовыми числами 16, 17 и 18. Соотношение составляет 99,759: 0,037: 0,204.

Озон - аллотропная модификация кислорода. Молекула озона содержит три атома кислорода, соединенных последовательно друг с другом. Благодаря полярности молекулы и большому количеству электронов, чем в молекуле кислорода, озон имеет более высокие температуры плавления и кипения, чем дикислород (-192,7 и -111,9 соответственно).

Жидкий озон имеет фиолетовую окраску, а твердый - черную. Газообразный озон бесцветен, но с резким запахом. Растворимость озона в воде выше, чем кислорода. Прочность связи в молекуле озона ниже, чем в молекуле кислорода.

В природе образование озона происходит на высоте 25-30 км при поглощении ультрафиолетового излучения. Таким образом, образуется озоновый щит Земли, который защищают ее от жесткого УФ - излучения Солнца. Для сохранения озонового слоя международной конвенцией было запрещено применение фреонов в аэрозольных баллончиках.

Озон применяют для обеззараживания воды и воздуха, отбеливания тканей, дезодорирования продуктов питания.

Заключение

Явление аллотропии играет очень важную роль в жизни человечества. Графит используют в металлургии для изготовления правильных тиглей и лодочек, труб, испарителей, кристаллизаторов, футеровочных плит, чехлов для термопар, в качестве противопригарной «присыпки» и смазки литейных форм. Он также служит для изготовления электродов и нагревательных элементов электрических печей, скользящих контактов для электрических машин. Анодов и сеток в ртутных выпрямителях, самосмазывающихся подшипников скольжения, втулок для поршневых штоков, уплотнительных колец для насосов и компрессоров, как смазка для нагретых частей машин и установок. Его используют в атомной технике в виде блоков, втулок, колец в реакторах, как замедлитель тепловых нейтронов и конструкционный материал (для этих целей применяют чистый графит с содержанием примесей не более 10-2% по массе), в ракетной технике для изготовления сопел ракетных двигателей, деталей внешней и внутренней теплозащиты и другие, в химическом машиностроении - для изготовления теплообменников, трубопроводов, запорной арматуры, деталей центробежных насосов и др. для работы с активными средами. Графит используют также как наполнитель пластмасс, компонент составов для изготовления стержней для карандашей, при получении алмазов. Пирографит наносится в виде покрытия на частицы ядерного топлива.

Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений и большое валютное значение. Прозрачные бесцветные или красиво окрашенные кристаллы алмаза, пригодные для огранки, являются драгоценными камнями 1-го класса, так же как сапфир, рубин, изумруд, александрит, эвклаз. Ювелиры разделяют алмазы почти на 1000 сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличия трещин, минеральных включений и некоторых других признаков.

С конца XIX века алмазы начинают применяться на производстве. В настоящее время экономический потенциал наиболее развитых государств в значительной мере связывается с использованием ими алмазов. Достаточно напомнить, что по оценкам западных экономистов промышленный потенциал США в случае отказа от импорта алмазов упадет в 2-3 раза. Применение алмазного инструмента существенно повышает чистоту обработки деталей, а производительность труда возрастает при этом в среднем на 50 %.

Совершенно незаменимы алмазы при вытачивании опорных рубиновых камней, используемых в часовых и многих других точных механизмах, а также при правке шлифовальных кругов.

Практически все современные отрасли промышленности, в первую очередь электротехническая, радиоэлектронная и приборостроительная, в огромных количествах используют тонкую проволоку, изготавливаемую из различных металлов. При этом предъявляются строгие требования к круговой форме и неизменности диаметра поперечного сечения проволоки при высокой чистоте поверхности. Такая проволока из твердых металлов и сплавов может быть изготовлена лишь с помощью алмазных фильер. Фильеры представляют собой пластинчатые алмазы с просверленными в них тончайшими (от 0.5 до 0.001 мм) отверстиями.

Широкое применение в промышленности находят и алмазные порошки. Их получают путем дробления низкосортных природных алмазов, а также изготавливают на специальных предприятиях по производству синтетических алмазов. Алмазные порошки используются в дисковых алмазных пилах, мелкоалмазных буровых коронках, специальных напильниках и в качестве абразива. Только с применением алмазных порошков удалось создать уникальные сверла, которые обеспечивают получение глубоких тонких отверстий в твердых и хрупких материалах. Такие сверла (алмазные жала) позволяют высверливать, например, в стекле отверстия диаметром 2 мм и длиной до 850 мм!

Алмазные порошки находят применение на гранильных фабриках, где все самоцветы, и в том числе алмазы, подвергаются шлифовке и огранке, благодаря чему невзрачные до этого камни становятся таинственно светящимися и ослепительно сверкающими драгоценностями, к неповторимой красоте которых никто не остается равнодушным.

С 50-х годов внимание ученых и конструкторов начинают привлекать другие физические свойства алмаза. Известно, что, попадая в кристалл, быстрые заряженные частицы выбивают электроны из его атомов, т.е. ионизируют вещество. В алмазе под действием заряженной частицы происходит световая вспышка и возникает импульс тока. Эти свойства позволяют использовать алмазы в качестве детекторов ядерного излучения. Свечение алмазов и возникновение импульсов электрического тока при облучении позволяет применять их в счетчиках быстрых частиц. Алмаз в качестве такого счетчика обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с газовыми и другими кристаллическими приборами.

Кристаллы алмаза, применимые в качестве счетчиков, крайне редки, поэтому цена их значительно выше, чем у равных по величине ювелирных камней. Некоторые кристаллы алмаза являются полупроводниками p- типа в широком диапазоне температур и давлений.

Использование алмазов в полупроводниковых и некоторых оптических приборах, а также в счетчиках ядерного излучения весьма перспективно, поскольку такие приборы способны работать в самых различных условиях, включая области низких и высоких температур, сильные электромагнитные и гравитационные поля, агрессивные среды и т.п. Следовательно, основанные на алмазах приборы могут оказаться незаменимыми при космических исследованиях, а также при изучении глубинного строения нашей планеты.

Список использованной литературы

1.Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. Учебное пособие для вузов. - М.: Химия, 1981.

2.Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Учеб. для вузов. - 4-е изд., испр. - М.: Высш. шк., изд. центр «Академия», 2001. - 743.

Эддисон У. Аллотропия химических элементов. М., 1966.

Глинка Н.Л. Общая химия. Учебное пособие для вузов. - М.: Химия 1988.

Петров М.М., Михилев Л.А., Кукушкин Ю.Н. Неорганическая химия. Учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. 1981.

Николаев Л.А. Общая и неорганическая химия. М.: Просвещение, 1974.

Сладков А.М., Кудрявцев Ю.П. Алмаз, графит, карбин - аллотропные формы углерода // Природа. 1969.№5. С.37-44.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Применительно к металлографии аллотропия - это существование одного вещества в нескольких кристаллических формах (аллотропия формы). Явление аллотропии обусловлено способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке.

Различные кристаллические формы одного вещества называются аллотропическими модификациями , которые обозначаются греческими буквами:  и т.д. Аллотропическая форма, существующая при самой низкой температуре, обозначается  потом следует модификация  и т.д.

Явление аллотропии изучено достаточно хорошо. А вот продемонстрировать его не всегда удается. Причина тому - существование аллотропических форм существенно выше или ниже комнатной температуры, когда наличие той или иной формы можно определить только в лабораторных условиях, а зафиксировать структуру - и того реже.
Наиболее известные примеры аллотропных веществ - это железо, углерод, олово.Об аллотропии железа пишут много. Аллотропические формы железа (α- ,  - и  -) различаются типом кристаллической решетки (рис. 1): объемноцентрированная у α-модификации и гранецентрированная у  -модификации.  -железо - это высокотемпературная модификация, также имеющая объемноцентрированную кубическую решетку. Для практических целей она существенного значения не имеет, поэтому о ней упоминают редко. Она оказывает определенное влияние на строение некоторых марок литых сталей и их последующую термическую обработку. Потом мы напишем немного и об этом. Строго говоря, выделяют еще  - модификацию. Это немагнитное α - железо, которое существует в интервале 911-768 о С.

Рисунок 1. Кривая охлаждения железа

Поскольку температуры перехода одной аллотропической формы в другую лежат в области высоких температур, понятно, что существование  - железа при комнатной температуре возможно с помощью некоторых ухищрений. Фактически, мы видим при комнатной температуре не непосредственно  - железо , а твердый раствор легирующих элементов в  - железе - аустенит. Почему? Потому что некоторые легирующие элементы снижают температуру существования  - железа до комнатной и ниже. В сущности, уже углерод при содержании 0,8% снижает температуру перехода Fe   Fe  почти на 200 градусов - с 911 о С до 727 о С. Ну, а если добавлять еще легирующие….. . Дело удается, и мы имеем структуру аустенита при комнатной температуре. Ну, а α-железо существует при комнатной температуре и чтобы увидеть его, дополнительного легирования не надо. В металловедении мы чаще всего имеем дело не с чистым α-железом, а с твердым раствором на его основе- ферритом.
Существование аллотропии железа позволило создать современные технологии термической обработки стали.
Здесь нас интересует структура, присущая разным аллотропическим формам. Структуры α-железа (феррит) и  - железа (аустенит) надежно различаются микроскопически (рис. 2). Зерна феррита имеют округлую или полиэдрическую форму (рис.2а), аустенита - угловатую, многоугольную. В аустените, как правило, чаще наблюдаются двойники (рис.2б). Из представленных на рис.2 фотографий видно, что феррит не очень устойчив химически - зерна феррита окрасились при травлении. Аустенит более устойчив. Кстати - нержавеющие стали имеют аустенитную структуру.

Рисунок 2. Структура феррита (а) и аустенита (б).

Еще большим разнообразием форм обладает углерод. Долгое время считалось, что он обладает двумя аллотропными модификациями, графитом и алмазом, но с середины двадцатого века разнообразие различных модификаций стало стремительно увеличиваться. В шестидесятых годах ХХ века открыт карбин, в 1985 году были открыты различные фуллерены, а не-сколько позже - нанотрубки, нанопена и др. Примерно в это же время были обнаружены фрагменты графита атомарной толщины, которые предложили назвать графеном. Его можно представить в виде атомарного слоя графита. С начала 2000-годов графен стал одним из самых интенсивно ис-следуемых физических объектов. Аллотропия углерода - это также аллотропия формы. В справочной литературе выделяют много аллотропных форм углерода, но здесь приведены только две из них - графит и алмаз . Тем более, что для целей материаловедения это как-то ближе. В особенности графит, который доступен в свободном виде по банальным карандашам, а также алмаз, прекрасный и не всегда доступный… Когда-то предполагали, что углерод в виде алмаза может присутствовать в сталях и чугунах, но не нашли. Придется удовольствоваться графитом.
Кристаллические решетки графита и алмаза различаются существенно. У графита - гексагональная, у алмаза - гранецентрированная кубическая.
Микроскопически графит прекрасно наблюдается в чугуне, особенно без травления на фоне блестящей металлической матрицы, и может принимать различные формы - глобулярную, пластинчатую, хлопьевидную, вермикулярную. Форма графита зависит от состава и способа получения чугуна. Если повезет, то можно увидеть сферокристалл графита (рис. 3, а). Ну, а если не повезет, то «куском» (рис.3, б). В принципе, структура у такого куска будет принципиально такая же, как и у компактного графита различных марок (рис. 4,5) - кристаллы, хаотично ориентированные. Для рассмотрения такого графита в микроскопе также желательно сделать шлиф. В данном случае образцы были пришлифованы на шкурке и стекловолокне.

Рисунок 3. Графит в высокопрочном чугуне

Рисунок 4. Структура электродного графита.

Рисунок 5. Образцы и

Современные технологии позволяют получать графит в различных «ипостасях», например графитовая бумага. (Бумага - потому что состоит из тонких слоев. Но не для письма!)

а
б	в

Рисунок 6. Образец графитовой бумаги (а) и его поверхность при различных увеличениях (б,в).

Существует графитовое (углеродное) волокно (рис. 7,а), которое является армирующим компонентом композиционных материалов (рис.7,б). Металлография позволяет рассмотреть углеродное волокно - армирующий компонент алюминиевого сплава (рис. 8).

Рисунок 8. Углеродное волокно в составе алюминиевого сплава

Другой популярной в описаниях аллотропной формой углерода является алмаз. Под микроскопом грани ювелирного алмаза можно рассмотреть в темном поле (рис. 9). Цвет здесь определяется настройками видеокамеры.

Рисунок 10. Алмазный порошок: а - светлое поле, б - темное поле; х200.

(этот материал будет продолжен)

Существует более 400 аллотропических разновидностей простых веществ. Однако точная причина, объясняющая такого рода видоизменения, до сих пор не выявлена. В молекулах подобных модификаций, как правило, разное количество атомов и строение кристаллических решеток, вследствие чего и отличаются этих веществ. Найдены аллотропные модификации мышьяка, стронция, сурьмы, при высоких температурах - железа и многих других элементов. Склонность к аллотропии ярче проявляется у неметаллов. Исключение составляют галогены и благородные газы, и полуметаллы.

Аллотропные модификации

Фосфор. Изучены 11 аллотропных модификаций фосфора, в том числе белого, красного и черного. Все они различаются по физическим свойствам. Белый фосфор светится в темноте и может самовоспламеняться, в то время как красный не воспламеняется, не обладает свечением и не ядовит.
- Углерод. Издавна установлен факт, что алмаз и уголь при сгорании образуют углекислый газ. Отсюда следует, что в их состав входит один и тот же элемент - углерод. У углерода существует много форм связывания атомов между собой, поэтому невозможно точно сказать о числе его модификаций. К наиболее известным относятся - графит, алмаз, карбин, лонсдейлит, фуллерены углеродные.
- Сера. Аналогичное отличие характеризует молекулы двух разновидностей серы. Разница между молекулами серы заключается в том, что атомы восьмивалентной серы образуют восьмичленное кольцо, а молекулы шестивалентной выстраиваются в линейные цепочки из шести атомов серы. При нормальных условиях все модификации серы переходят в ромбическую.
- Кислород. У кислорода существуют две аллотропные модификации: кислород и озон. Кислород не имеет цвета и запаха. Озон обладает специфическим запахом, бледно-фиолетовым цветом и является бактерицидным веществом.
- Бор. У бора более 10 аллотропных модификаций. Существует аморфный бор в виде бурого порошка и черный кристаллический. Физические свойства этих веществ различны. Так реакционная способность аморфного бора гораздо выше, чем кристаллического.
- Кремний. Две стержневые модификации кремния – это аморфная и кристаллическая. Существует поликристаллический и монокристаллический кремний. Различие их заключается в строении кристаллических решеток.
- Сурьма. Изучены четыре металлические и три аморфные аллотропные модификации сурьмы: взрывчатая, чёрная и жёлтая. Металлические модификации существуют при разном давлении. Из

Содержание статьи

АЛЛОТРОПИЯ, существование химических элементов в двух или более молекулярных либо кристаллических формах. Например, аллотропами являются обычный кислород O 2 и озон O 3 ; в этом случае аллотропия обусловлена образованием молекул с разным числом атомов. Чаще всего аллотропия связана с образованием кристаллов различных модификаций. Углерод существует в двух четко различающихся кристаллических аллотропных формах: в виде алмаза и графита. Раньше полагали, что т.н. аморфные формы углерода, древесный уголь и сажа, – тоже его аллотропные модификации, но оказалось, что они имеют такое же кристаллическое строение, что и графит. Сера встречается в двух кристаллических модификациях: ромбической (a -S) и моноклинной (b -S); известны по крайней мере три ее некристаллические формы: l -S, m -S и фиолетовая. Для фосфора хорошо изучены белая и красная модификации, описан также черный фосфор; при температуре ниже –77° С существует еще одна разновидность белого фосфора. Обнаружены аллотропные модификации As, Sn, Sb, Se, а при высоких температурах – железа и многих других элементов.

Энантиотропные и монотропные формы.

Кристаллические модификации химического элемента могут переходить одна в другую по-разному, что можно проиллюстрировать на примерах серы и фосфора. При обычной температуре стабильной является ромбическая модификация серы, которая при нагревании до 95,6° С и давлении 1 атм переходит в моноклинную форму. Последняя при охлаждении ниже 95,6° С вновь переходит в ромбическую форму. Таким образом, переход одной формы серы в другую происходит при одной и той же температуре, и сами формы называются энантиотропными. Другая картина наблюдается для фосфора. Белая его форма может превращаться в красную почти при любой температуре. При температурах ниже 200° С процесс протекает очень медленно, но его можно ускорить с помощью катализатора, например иода. Обратный же переход красного фосфора в белый невозможен без образования промежуточной газовой фазы. Красная форма стабильна во всем диапазоне температур, где она находится в твердом состоянии, тогда как белая нестабильна при любой температуре (метастабильна). Переход из нестабильной формы в стабильную в принципе возможен при любой температуре, а обратный – нет, т.е. определенная точка перехода отсутствует. Здесь мы имеем дело с монотропными модификациями элемента. Две известные модификации олова энантиотропны. Модификации углерода – графит и алмаз – монотропны, причем стабильной является форма графита. Красная и белая формы фосфора монотропны, а две белые его модификации энантиотропны, температура перехода равна –77° С при давлении 1 атм.

Аллотропия

АЛЛОТРОПИ́Я -и; ж. [от греч. allos - другой и tropos - поворот, направление]. Существование одного и того же химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам.

◁ Аллотропи́ческий, -ая, -ое. Графит и алмаз являются аллотропическими видоизменениями углерода.

аллотро́пия

(от алло... и греч. trópos - поворот, свойство), существование химических элементов в виде двух или более простых веществ. Может быть обусловлена образованием молекул с различным числом атомов (например, кислород О 2 и озон О 3) либо кристаллов различных модификаций (например, алмаз и графит, состоящие из атомов углерода). В последнем примере аллотропия - частный случай полиморфизма.

АЛЛОТРОПИЯ

АЛЛОТРО́ПИЯ (от алло... и греч. tropos - поворот, свойство), существование химических элементов в виде двух или более кристаллических фаз (см. ФАЗА) . Аллотропия - частный случай полиморфизма (см. ПОЛИМОРФИЗМ (в минералогии)) . В понятие аллотропия включают также существование некристаллических фаз, таких, как кислород и озон, орто- и параводород.
Большинство простых веществ существуют в нескольких аллотропных модификациях. Например, для чистого железа при атмосферном давлении известны три модификации:
a-железо « b-железо « d-железо
ОЦК 910 о С ГЦК 1400 о С ОЦК
Общеизвестен пример существования двух модификаций олова: серое a-олово - полупроводник со структурой алмаза и белое b-олово - типичный металл.
Каждая полиморфная (аллотропная) модификация вещества стабильна лишь в своей области температур и давлений, но и в метастабильном, неустойчивом состоянии она может существовать достаточно долго. Полиморфизм олова является здесь хорошим примером. Белое олово может переохлаждаться ниже температуры перехода, равной 13,2 °С, и существовать в виде белого металла достаточно долго. Однако его состояние при температуре менее 13,2 °С неустойчиво, поэтому сотрясение, механическое повреждение, внесение стабильной затравки вызывает резкий скачкообразный переход, получивший название «оловянной чумы». Переход из b- в a-модификацию происходит с изменением типа связи от металлической к ковалентной и сопровождается резким изменением объема. Коэффициент линейного расширения у серого олова в четыре раза больше, чем у белого, поэтому белое олово, переходя в серое, рассыпается в порошок.
Углерод существует в двух четко различающихся кристаллических аллотропных формах: в виде алмаза (см. АЛМАЗ (минерал)) и графита (см. ГРАФИТ) . Раньше полагали, что так называемые аморфные формы углерода, древесный уголь и сажа, - тоже его аллотропные модификации, но оказалось, что они имеют такое же кристаллическое строение, что и графит. Полиморфное превращение кристаллов углерода - пример монотропного, т. е. необратимого, перехода. При температурах выше 1000 °С алмаз легко и быстро переходит в графит. В противоположность этому превратить графит в алмаз удается лишь при температурах более 3000 °С и давлениях до 100 Мпа, т. е. при условиях термодинамической устойчивости алмаза. Аналогичная картина наблюдается для фосфора (см. ФОСФОР) . Белая его форма может превращаться в красную почти при любой температуре. При температурах ниже 200 °С процесс протекает очень медленно, но его можно ускорить с помощью катализатора, например йода. Обратный же переход красного фосфора в белый невозможен без образования промежуточной газовой фазы. Красная форма стабильна во всем диапазоне температур, где она находится в твердом состоянии, тогда как белая нестабильна при любой температуре (метастабильна). Переход из нестабильной формы в стабильную в принципе возможен при любой температуре, а обратный - нет, т. е. определенная точка перехода отсутствует. Здесь мы тоже имеем дело с монотропными модификациями элемента.
В случае серы при обычной температуре стабильной является ромбическая модификация серы, которая при нагревании до 95,6 °С и давлении 1 атм переходит в моноклинную форму. Последняя при охлаждении ниже 95,6 °С вновь переходит в ромбическую форму. Таким образом, переход одной формы серы в другую происходит при одной и той же температуре, и сами формы называются энантиотропными. Две известные модификации олова энантиотропны.

Энциклопедический словарь . 2009 .

• аллополиплоидия
• аллохория

Смотреть что такое "аллотропия" в других словарях:

аллотропия - аллотропия … Орфографический словарь-справочник

АЛЛОТРОПИЯ - (от греч. allos иной, и trepein обращать). Свойство некоторых химических веществ принимать различные формы, вместе с различными свойствами; напр., углерод, являющийся в виде алмаза, графита, угля. Словарь иностранных слов, вошедших в состав… … Словарь иностранных слов русского языка

АЛЛОТРОПИЯ - (от алло... и греч. tropos поворот свойство), существование химических элементов в виде двух или более простых веществ. Может быть обусловлена образованием молекул с различным числом атомов (напр., кислород O2 и озон O3) либо кристаллов различных … Большой Энциклопедический словарь

АЛЛОТРОПИЯ - АЛЛОТРОПИЯ, свойство некоторых химических элементов, позволяющее им существовать в двух или более различных физических формах. Каждая форма (называемая аллотропом) может иметь различные химические свойства, но способна превратиться и в другой… … Научно-технический энциклопедический словарь

АЛЛОТРОПИЯ - полиморфизм элементов (углерод, сера и др.). Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия

АЛЛОТРОПИЯ - (от греч. allos иной и tropos образ), свойство некоторых хим. элементов существовать в нескольких видоизменениях, различных по физ. и хим. свойствам. Причины А.: полимерия (см.) различное число атомов в молекуле (напр., у О, S, Р), различное… … Большая медицинская энциклопедия

аллотропия - Существование одного и того же химич. элемента в виде двух или нескольких простых вещ в, разных по строению и свойствам, т.н. аллотропич. модификаций. А. м. б. результатом образования разных кристаллич. форм (напр., фа фит и алмаз, a Fe и y Fe)… … Справочник технического переводчика

АЛЛОТРОПИЯ - свойство некоторых хим. элементов в свободном виде существовать в нескольких видоизменениях (модификациях), различных по строению кристаллической решетки, физ. и хим. свойствам, напр. углерод существует в виде угля, графита и алмаза … Большая политехническая энциклопедия