Zjawiska zarówno alotropii pierwiastków, jak i polimorfizmu czy izomorfizmu bezpośrednio związane są z budową substancji chemicznych. Można powiedzieć, że w pewnym sensie zależą od struktur krystalograficznych.

bg‑red

Pojęcie izomorfizmu

Różne substancje o bardzo podobnej lub identycznej postaci krystalicznej, o tym samym typie wzoru chemicznego, wykazujące takie same lub bardzo zbliżone rozmiary komórki elementarnej, noszą nazwę substancji izomorficznychizomorfizmsubstancji izomorficznych. Zjawisko izomorfizmu polega na tym, że z roztworu lub stopu, zawierającego dwie izomorficzne ze sobą substancje, wydzielają się w czasie krystalizacji kryształy homogeniczne, które składają się z tych obydwu substancji. Skład takich kryształów zależy od składu roztworu, z jakiego krystalizowały. Cechą charakterystyczną substancji izomorficznych jest zdolność do tworzenia roztworów stałych, czyli kryształów mieszanych, poprzez poddanie ich krystalizacji.

Przykładem mogą być związki KBr KCl . Mają identyczne sieci przestrzenne, a promienie ich jonów: Cl- (167 pm) i  Br (182 pm) niezbyt różnią się od siebie. Tworzenie kryształów mieszanych polega na tym, że atomy czy jony, wykazujące taki sam ładunek oraz zbliżone wymiary, mogą się wzajemnie zastępować w sieci przestrzennej.

W przypadkach KCl NaCl lub NaCl NaI nie występuje zjawisko izomorfizmu, ponieważ promienie jonowe wykazują zbyt duże różnice, by jony te mogły się zastępować w sieci przestrzennej kryształu mieszanego. W przyrodzie w postaci roztworów stałych mieszanych występuje większość minerałów. Na zdjęciu poniżej przedstawiono kryształ chlorku potasu ( KCl ).

R5iTpBM1QAlER
Kryształ chlorku potasu, KCl. Preparaty chlorku potasu są używane jako leki w niedoborze jonów potasu
Źródło: Eligiusz Szełęg, dostępny w internecie: www.scholaris.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑red

Pojęcie polimorfizmu

Inne zjawisko zachodzi, gdy jedna i ta sama substancja, w zależności od warunków, występuje w dwóch lub więcej odmianach. Odmiany te różnią się postacią krystaliczną i strukturą sieci przestrzennej. Mówimy wtedy o polimorfizmiepolimorfizmpolimorfizmie. Substancje te różnią się właściwościami fizycznymi, a czasami również chemicznymi. Typowym przykładem polimorfizmu jest występowanie węglanu wapnia CaCO 3 w przyrodzie w postaci kalcytu (struktura trygonalna) i aragonitu (struktura rombowa). Przykładem kalcytu są stalaktyty jaskiniowe, które zostały przedstawione na zdjęciu poniżej.

R1KhNcdE7A0xt1
Stalaktyty kalcytowe. Jaskinia w Parku Narodowym Carlsbad Caverns (ang. Carlsbad Caverns National Park), położonego w południowo-wschodniej części stanu Nowy Meksyk w Stanach Zjednoczonych
Źródło: www.pixabay.com, domena publiczna.

Minerały te różnią się również twardością. Drugi przykład polimorfizmu to dwie odmiany siarczku cynku ZnS. Odmiana tworząca minerał wurcyt krystalizuje w układzie heksagonalnym, a odmiana tworząca minerał zwany blendą cynkową (sfaleryt) – w układzie regularnym. Substancje polimorficzne nie są różnymi stanami skupienia, ale są różnymi fazami materii. Przejścia z jednej odmiany do drugiej są przemianami fazowymi pierwszego rzędu. Nie zachodzą one jednak w ściśle określonych temperaturach, lecz są zależne od termicznej historii próbek. Skutkiem tego, dany związek może występować w dwóch różnych odmianach polimorficznych w tej samej temperaturze.

bg‑red

Pojęcie alotropii

RDyCCrRcn8wdt1Koncepcja alotropii została zaproponowana przez szwedzkiego naukowca Jönsa Jakoba Berzeliusa w 1841 roku.
Koncepcja alotropii została zaproponowana przez szwedzkiego naukowca Jönsa Jakoba Berzeliusa w 1841 roku.
Źródło: dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Termin „alotropia” oznacza występowanie w tym samym stanie fizycznym jednej lub więcej form pierwiastka chemicznego. Różne formy powstają na podstawie różnych sposobów łączenia atomów. Odmiany alotropowe mogą wykazywać bardzo różne właściwości chemiczne i fizyczne. Mogą mieć inną strukturę krystaliczną lub różnić się liczbą atomów w cząsteczkach. Na przykład grafit i diament są alotropami węgla, które występują w stanie stałym. Grafit jest miękki, a diament niezwykle twardy. Zjawisko alotropii jest dość powszechne w świecie pierwiastków. Wykazują ją na przykład: węgiel, fosfor, siarka czy tlen, a także mniej znane pierwiastki, takie jak: arsen, antymon, cyna, mangan, selen, uran, żelazo.

Alotropia węgla

Węgiel jest pierwiastkiem grupy 14., należy do niemetali. Wchodzi on w skład wielu nieorganicznych i organicznych związków chemicznych. Wykazuje kilka odmian alotropowych, które znane są z życia codziennego. Na grafice poniżej przedstawiono schematycznie struktury atomowe odmian alotropowych węgla.

Alotropia siarki

RWmDd08fBNo7Y1Schemat przedstawia molekularny wzór strukturalny pierścienia siarki S8. Dwie podstawowe odmiany alotropowe siarki to 
Schemat przedstawia molekularny wzór strukturalny pierścienia siarki S8. Dwie podstawowe odmiany alotropowe siarki to 
Źródło: Wikimedia Commons, domena publiczna.

Siarka jest pierwiastkiem chemicznym z grupy 16. układu okresowego, należy do niemetali. Jest to jasnożółta, krucha, stała substancja bez zapachu i smaku. Żaden inny pierwiastek nie tworzy więcej odmian alotropowych od siarki. Obecnie znanych i dobrze scharakteryzowanych jest około 30, z których najczęstszą postacią występującą w przyrodzie jest zielono‑żółta rombowa siarka alfa, zawierająca pomarszczone pierścienie S 8 , którą przedstawiono na schemacie obok. Drugą dobrze znaną formą jest siarka jednoskośna beta. Siarka rombowa jest trwała w warunkach normalnych, a ogrzewanie jej do temperatury 95,6°C powoduje przekształcenie się w siarkę jednoskośną. Obydwie odmiany są rozpuszczalne w  dwusiarczku węgla ( CS 2 ).

RsLGGNfg719Rg
Schemat przedstawia przejścia odmian alotropowych siarki
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1L5zdLLegVhQ1Fotografia przedstawia Wulkan Dallol na terenie Pustyni Danakilskiej w Etiopii. Cechą charakterystyczną Dallol są gorące, kolorowe baseny solankowe wypełniające kratery wulkanu. Tworzą je gorące źródła, które wypłukują związki siarki i żelaza z magmy.
Fotografia przedstawia Wulkan Dallol na terenie Pustyni Danakilskiej w Etiopii. Cechą charakterystyczną Dallol są gorące, kolorowe baseny solankowe wypełniające kratery wulkanu. Tworzą je gorące źródła, które wypłukują związki siarki i żelaza z magmy.
Źródło: dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, domena publiczna.

Alotropia fosforu

Fosfor to pierwiastek chemiczny należący do 15. grupy układu okresowego. Po raz pierwszy został wyizolowany (jako biały fosfor) w 1669. Nazwa pierwiastka pochodzi od zjawiska emisji słabego światła po wystawieniu na działanie tlenu. Fosfor występuje w kilku odmianach alotropowych, najpopularniejsze z nich to: biała, czerwona, fioletowa i czarna.

Alotropia tlenu

Tlen jest pierwiastkiem chemicznym reprezentowanym przez symbol „O” i ma liczbę atomową 8. To pierwszy element w grupie 16. układu okresowego. Jest najobficiej występującym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej i stanowi około jednej piątej ziemskiej atmosfery. Alotropia tlenu jest jedynym przykładem alotropii w stanie gazowym. Przykłady form alotropowych tlenu przedstawiono poniżej.

R1FuvMJtVugzv
O2 (ditlen) Na ilustracji dwie połączone ze sobą kulki. O dwa (ditlen). Tlen w stanie wolnym występuje w postaci cząsteczek dwuatomowych O2 oraz trójatomowych – ozonu O3 , O3 (tritlen) Na ilustracji trzy połączone ze sobą kulki. O trzy (tritlen). Cząsteczka o budowie trójkąta równoramiennego ma dwa wiązania sigma i jeden orbital pi rozciągający się na wszystkie trzy atomy. Każdy atom ma hybrydyzację sp2., O4 (tetratlen, struktura D3h) Na ilustracji cztery połączone ze sobą kulki - jedna w środku, trzy z nią połączone. Tworzą trójkątną konstrukcję. O cztery (tetratlen, struktura De trzy ha)Obliczenia teoretyczne przewidują istnienie metastabilnych molekuł O4 o dwóch różnych kształtach: jeden z nich przypomina trójkąt równoramienny, w którym atom centralny otoczony jest trzema atomami tlenu., O4 (tetratlen, struktura D2d) Na ilustracji cztery połączone ze sobą kulki Drugi przypomina „pomarszczony” kwadrat. Tetratlen powstaje przy ciśnieniu ok. 20 GPa, kiedy cząsteczki tlenu O2 zaczynają przechodzić w czteroatomową odmianę O4.
Źródło: dostępny w internecie: ca.wikipedia.org, domena publiczna.

Słownik

izomorfizm
izomorfizm

występowanie różnych substancji w tym samym typie struktury krystalicznej, przy jednoczesnej zdolności tworzenia przez te substancje kryształów mieszanych

polimorfizm
polimorfizm

występowanie substancji o tym samym składzie chemicznym w dwu lub więcej odmianach krystalicznych

alotropia
alotropia

(gr. állos ,,obcy’”, ,,inny”; trópos ,,sposób”, ,,postać”) – występowanie tego samego pierwiastka chemicznego w wielu odmianach znajdujących się w tym samym stanie skupienia

odmiana alotropowa
odmiana alotropowa

odmiany pierwiastków różniące się budową krystaliczną (np. grafit i diament są odmianami alotropowymi węgla C) lub liczbą atomów występujących w cząsteczce pierwiastka (np. tlen tworzy cząsteczki dwuatomowe O 2 – ditlen, i trójatomowe O 3 – ozon, tritlen). Każda odmiana alotropowa jest trwała w pewnym zakresie temperatury i ciśnienia. Odpowiednia zmiana tych warunków może spowodować określoną przemianę alotropową. Odmiany alotropowe tworzą także m.in.: arsen, cyna, fosfor, selen, siarka

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Bielański A., Chemia ogólna i nieorganiczna, Warszawa 1970.