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]
...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]
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]
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]:560
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.[5]
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»).[6]
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
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) <...>.
Или, наконец, дело заключается не в изменении веса <вещества>, а в изменении химического значения.
В самом деле, если решимся предположить, что атомный вес углерода может изменяться на время, напр., доходить до 11,8 (вместо 12) <как это считается обычно>, то все объясняется тотчас: вследствие увеличения на 1/60-ую химического значения углерода его прежнее весовое количество потребовало бы больше кислорода и дало бы больше углекислоты <...>, и если вычислить из количества такой углекислоты содержание угля, принимая за основание вычисления обыкновенный атомный вес (12), то вычисленная сумма составных частей вещества, очевидно, легко могла бы оказаться превышающею приблизительно на 1/100-ую взятую на деле навеску. Возможно ли такое предположение? Несмотря на классические исследования Стаса, нельзя, мне кажется, отвергать его возможность, и 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[8], о чем я имел случай заявить Обществу.[2]
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]
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]:560
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]
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]
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.
Температура, соответствующая какому-либо превравращению в металле, называется критической точкой.[7]
— Шамиль Валитов и др., «Современные системные технологии в отраслях экономики», 2015
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]:560
...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]
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]
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]
Одним из самых плодовитых на новые термины химиков считается знаменитый шведский ученый Берцелиус. Именно ему принадлежат такие распространенные термины, как катализ, изомерия, аллотропия и др.[10]
— 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]
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]
— на последней парте место свободно, — резко велела химичка. — Садись. Не шептаться! Сегодня поговорим о причинах многообаразия химических веществ... Халвов!
— Аллотропия, — выпалил Дима; Софа краем глаза заметила, как он вскочил из-за парты, едва не столкнув пенал.
— Егорова, что такое аллотропия?
Бледная рыжая Оля Егорова поднялась из-за парты и принялась не слишком связно рассказывать что-то насчёт кристаллов.
— Два, — холодно оборвала химичка. — Андронов, что такое аллотропия?
— Поднялся Андронов. Он отвечал более внятно, но Ираида была по-прежнему недовольна... <...>
Всё внутри сжалось в ожидании неминуемого.
— Кораблёва! Что такое аллотропия?
Коварная подлая баба.
Софка встала. Кристаллы. Серое и белое олово. Кристаллическая решётка. Молекулы.
Она могла бы про состав и способы растространения травки сейчас куда лучше, куда подробнее рассказать, чем про аллотропию. Но приходится говорить про аллотропию.
— Аллотропия — явление существования двух и более веществ одного и того же элемента.
— Двух и более простых веществ, — налегая на «простых», поправила Ираида. — Одного и того же химического элемента.[14]
— Дарина Стрельченко, «Идеалы осыпаются на глазах», 2022
↑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.)
↑ 1234А. М. Бутлеров Сочинения в 3 томах. — М.: Издательство Академии Наук СССР, 1953-1958 гг.
↑ 123Хвольсон О. Д. Курс физики. Том 1. Изд. 6-е, заново перераб. — Ленинград ; Москва : Гос. технико-теоретическое изд-во, 1933 г. — 641 с.
↑ 1234Ю. Черкинский, Неорганические полимеры. ― М.: «Химия и жизнь», №4, 1965 г.
↑ 12Г. Диогенов. «Фосфор». — М.: «Химия и жизнь», № 2, 1968 г.
↑ 1234Валитов 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.
