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.

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 $\mathrm{KBr}$ i $\text{KCl}$. Mają identyczne sieci przestrzenne, a promienie ich jonów: ${\mathrm{Cl}}^{-}$ (167 pm) i ${\text{Br}}^{-}$ (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 $\text{KCl}$ i $\text{NaCl}$ lub $\text{NaCl}$ i $\mathrm{NaI}$ 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 ($\text{KCl}$).

R5iTpBM1QAlER

Zdjęcie przedstawia biały kryształ chlorku potasu. Jest jasny, nieco przezroczysty. Miejscami tworzy wielościany o gładkich ścianach.

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 ${\text{CaCO}}_3$ w przyrodzie w postaci kalcytu (struktura trygonalna) i aragonitu (struktura rombowa). Przykładem kalcytu są stalaktyty jaskiniowe, które zostały przedstawione na zdjęciu poniżej.

Minerały te różnią się również twardością. Drugi przykład polimorfizmu to dwie odmiany siarczku cynku $\mathrm{ZnS}$. 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.

R7AW4a6sSC2BU

Zdjęcie przedstawia biały kryształy kalcytu. Kryształ przypomina kwiat nenufar z podłużnymi płatkami.

R1DQYPTbRLPUn

Zdjęcie przedstawia perłowy kryształ argonitu. Kształtem przypomina kolczasty krzak.

R1FNNnl8rqyjFKryształ wurcytu pochodzący z kopalni San José Mine w Boliwii. Rozmiar: 8,3 x 6,3 x 1,9 cm.

Zdjęcie przedstawia czarny kryształ wurcytu o metalicznym połysku. Ma kształt nierównomiernej bryły.

Ri0vDbNXnErXE

Zdjęcie przedstawia szarą bryłę kryształu sfalerytu. Kryształ ma metaliczny połysk.

RDyCCrRcn8wdt1Koncepcja alotropii została zaproponowana przez szwedzkiego naukowca Jönsa Jakoba Berzeliusa w 1841 roku.

Zdjęcie portretowe Jönsa Jakoba Berzeliusa. To mężczyzna w średnim wieku. Ma krótkie włosy zaczesane do góry, krzaczaste brwi, wąskie usta. Ma poważny wyraz twarzy. Ubrany jest w koszulę z wysoką stójką i w marynarkę.

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 wzór molekularny pierścienia siarki. Ma kształt wielokąta, narysowanego w przestrzeni 3D. Tworzy go osiem żółtych kulek połączonych wiązaniami pojedynczymi.

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 αalfa, zawierająca pomarszczone pierścienie ${\text{S}}_8$, którą przedstawiono na schemacie obok. Drugą dobrze znaną formą jest siarka jednoskośna βbeta. 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 (${\text{CS}}_2$).

RsLGGNfg719Rg

Grafika przedstawia obrazkowe równanie (od lewej): bryłka siarki rombowej w temperaturze 95,6 stopnia Celsjusza daje sproszkowaną siarkę jednoskośną. Sproszkowana siarka jednoskośna, przedstawiona w postaci ciemnożółtego proszku, w temperaturze 118,9 stopnia Celsjusza daje stopioną siarkę - na ilustracji na szalce Petriego znajduje się żółty płyn.

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 „$\mathrm{O}$” 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.

Słownik

Bibliografia

Encyklopedia PWN

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