Co to alotropia?
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.
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 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 i . Mają identyczne sieci przestrzenne, a promienie ich jonów: () i () 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 i lub i 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 ().

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 polimorfizmie. Substancje te różnią się właściwościami fizycznymi, a czasami również chemicznymi. Typowym przykładem polimorfizmu jest występowanie węglanu wapnia 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 . 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.
Pojęcie alotropii
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 , 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
Siarka jest pierwiastkiem chemicznym z grupy 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 , z których najczęstszą postacią występującą w przyrodzie jest zielono–żółta rombowa siarka , zawierająca pomarszczone pierścienie , którą przedstawiono na schemacie obok. Drugą dobrze znaną formą jest siarka jednoskośna . Siarka rombowa jest trwała w warunkach normalnych, a ogrzewanie jej do temperatury powoduje przekształcenie się w siarkę jednoskośną. Obydwie odmiany są rozpuszczalne w dwusiarczku węgla ().


Alotropia fosforu
Fosfor to pierwiastek chemiczny należący do grupy układu okresowego. Po raz pierwszy został wyizolowany (jako biały fosfor) w . 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 „” i ma liczbę atomową . To pierwszy element w grupie 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.
Zapoznaj się z mapą pojęciową i grafiką interaktywną, a następnie wykonaj ćwiczenia.
Przykłady odmian alotropowych metali i niemetali:
Stwórz własną mapę myśli, za pomocą której uporządkujesz swoją wiedzę na temat odmian alotropowych metali i niemetali. W dostępnych źródłach odszukaj nazwy pierwiastków chemicznych i występujących w przyrodzie ich form krystalicznych.
Która z odmian alotropowych siarki jest najbardziej rozpowszechniona w przyrodzie? Opisz jej budowę.
Jakie znasz odmiany alotropowe żelaza? Która z nich jest trwała w temperaturach od do ?
Która z odmian alotropowych cyny jest stabilna? Podaj jej trzy właściwości fizyczne. Uzasadnij, co wpływa na przemianę odmiany białej w szarą?
Przeanalizuj wykres zależność temperatury () od ciśnienia () dla czystego żelaza. Dopasuj odmianę alotropową do fazy na wykresie w oparciu o powyższe medium bazowe. Jaki stan skupienia przyjmuje żelazo powyżej ? Swoją odpowiedź uzasadnij.
Zastosowanie a odmiana alotropowa pierwiastka
Czy odmiana alotropowa pierwiastka wpływa na jego zastosowanie? Jak różne właściwości odmian alotropowych węgla wpływają na ich zastosowania?

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1cnjrwmAuIDy
Film nawiązujący do treści materiału, dotyczącej odmian alotropowych pierwiastka i ich zastosowań.
Połącz w pary pojęcia z definicjami.
Uzupełnij tabelę.
Uzupełnij tabelę.



