что называют аллотропией или полиморфизмом
Разница между полиморфизмом и аллотропией
Ключевое различие между полиморфизмом и аллотропией заключается в том, что полиморфизм возникает в химических соединениях, тогда как аллотропия возникает в химических элементах.
Полиморфизм — это наличие нескольких разных форм у одного и того же твердого материала. Это означает, что соединения этого типа могут иметь более одной кристаллической структуры. Аллотропия, с другой стороны, является аналогичной химической концепцией, но она описывает наличие нескольких различных форм одного и того же химического элемента.
Содержание
Что такое полиморфизм?
Полиморфизм — это способность твердого материала существовать в нескольких формах с различной кристаллической структурой. Увидеть эту характеристику можно в любом кристаллическом материале, таком как полимеры, минералы, металлы и д.р. Наиболее яркий пример демонстрирует минерал — карбонат кальция (СаСО3). Он демонстрирует полиморфизм при кристаллизации в Арагонит и Кальцит.
Существует несколько типов полиморфизма:
Изменение условий во время процесса кристаллизации является главной причиной, которая ответственна за возникновение полиморфизма в кристаллических материалах. Эти переменные условия следующие:
Что такое аллотропия?
Аллотропия — это существование двух или более различных физических форм химического элемента. Эти формы существуют в одном физическом состоянии, в основном в твердом состоянии. Следовательно, это разные структурные модификации одного и того же химического элемента. Аллотропы содержат атомы одного и того же химического элемента, которые связывается друг с другом по-разному.
Кроме того, эти разные формы могут иметь разные физические свойства, поскольку они имеют разную структуру, и химическое поведение также может меняться. Один аллотроп может превращаться в другой, при изменении некоторых факторов, таких как давление, свет, температура и т.д. Эти физические факторы влияют на стабильность этих соединений. Некоторые общие примеры для аллотропов следующие:
В чем разница между полиморфизмом и аллотропией?
Полиморфизм — это способность твердого материала существовать в более чем одной форме или кристаллической структуре. Полиморфизм происходит только в химических соединениях. Кроме того, он описывает различия в кристаллических структурах соединений. Аллотропия — это существование двух или более различных физических форм химического элемента. Аллотропия происходит только в химических элементах. В дополнение к этому, она описывает различия в атомном расположении соединений, имеющих атомы одного и того же химического элемента.
Заключение — Полиморфизм против Аллотропии
Полиморфизм и аллотропия — два связанных термина в неорганической химии. Разница между полиморфизмом и аллотропией заключается в том, что полиморфизм возникает в химических соединениях, а аллотропия — в химических элементах.
Аллотропия, или полиморфные превращения
Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией,или полиморфизмом.
Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.
Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).
1392 1539 0 C – ОЦК − Feγ; (высокотемпературное Feα).
Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначаются буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.
Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких − алмаз.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.
Магнитные превращения
Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы.
При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определенной температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – 768 ° С). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.
Аллотропия, или полиморфные превращения
Некоторые металлы при разных значениях температуры могут иметь различную кристаллическую решетку.
Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) носит название аллотропии, или полиморфизма.
Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение, или модификацию. Аллотропические формы обычно обозначают начальными буквами греческого алфавита α, β, γ, δ и т.п.
Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).
Так, при значении температуры ниже 911 °CустойчиварешеткаОЦК – Feα; в интервале значений температур 911 – 1392 °Cустойчива решетка ГЦК – Feγ; в интервале значений температур 1392 – 1539 °Cустойчива решетка ОЦК – Feδ; (высокотемпературная Feα).
Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначаются буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.
Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких значениях давления образуется графит, а при высоких – алмаз.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы термической обработкой.
Переход из одной полиморфной формы в другую сопровождается изменением свойств. Например, плотность Feγ на 3 % больше плотности Feα, а их удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема нужно учитывать при термической обработке.
Магнитные превращения
Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы.
При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определённом значении температуры (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – 768 °С). Выше этого значения температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.
Тестовые задания
1. Железо и его сплавы принадлежит к группе металлов и сплавов:
а) к тугоплавким; б) к черным; в) к диамагнетикам; г) к металлам с высокой удельной прочностью.
2. К черным металлам (сплавам) относятся:
а) латунь; б) коррозионно-стойкая сталь; в) баббит; г)дюралюмины.
3. Металлы с температурой плавления выше температуры плавления титана называют:
а) тугоплавкими; б) благородными; в) черными; г) редкоземельными.
4. Вольфрам относится:
а) к актиноидам; б) к благородным; в) к редкоземельным; г) к тугоплавким.
5. Следующие тугоплавкие металлы содержатся в группе:
а) никель, алюминий; б) титан, актиний; в) молибден, цирконий; г) вольфрам, железо.
6. Магний относится к группе металлов (сплавов):
а) к легкоплавким; б) к благородным; в) к легким; г) к редкоземельным.
7. Только легкие металлы содержатся в группе:
а) титан, медь; б) серебро, хром; в) алюминий, олово; г) магний, бериллий.
8. Только легкоплавкие металлы содержатся в группе:
а) индий, магний; б) олово, свинец; в) сурьма, никель; г) цинк, кобальт.
9. Одним из признаков металлической связи является:
а) скомпенсированность собственных моментов электронов; б) образование кристаллической решетки; в) обобществление валентных электронов в объеме всего тела; г) направленность межатомных связей.
10. Отсутствие направленности межатомных связей может быть объяснено свойством металлов:
а) парамагнетизмом; б) электропроводностью; в) анизотропностью; г) высокой компактностью.
11. Исключительно металлам принадлежит признак:
а) металлический блеск; б) наличие кристаллической структуры; в) высокая электропроводность; г) прямая зависимость электросопротивления от температуры.
12. Высокая теплопроводность металлов объясняется:
а) наличием незаполненных подуровней в валентной зоне; б) взаимодействием ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки; в) дрейфом электронов; г) нескомпенсированностью собственных моментов электронов.
13. Домен – это:
а) единица размера металлического зерна; б) область спонтанной намагниченности ферромагнетика; в) вид дефекта кристаллической структуры; г) участок металлического зерна с ненарушенной кристаллической решеткой.
14. Элементарная кристаллическая ячейка – это:
а) тип кристаллической решетки, характерный для данного химического элемента; б) минимальный объем кристаллической решетки, при трансляции которого по координатным осям можно воспроизвести всю решетку; в) кристаллическая ячейка, содержащая один атом; г) бездефектная (за исключением точечных дефектов) область кристаллической решетки.
15. Базис кристаллической решетки – это:
а) минимальный объем кристаллической решетки, при трансляции которого по координатным осям можно воспроизвести всю решетку; б) расстояние между соседними одноименными кристаллическими плоскостями; в) число атомов, находящихся на наименьшем равном расстоянии от любого данного атома; г) совокупность значений координат всех атомов, входящих в элементарную ячейку.
16. Свойство, состоящее в способности вещества существовать в различных кристаллических модификациях, – это:
а) полиморфизм; б) изомерия; в) анизотропия; г) текстура.
17. Характеристика кристаллической решетки, определяющая число атомов, находящихся на наименьшем равном расстоянии от любого данного атома, – это:
а) базис решетки; б) параметр решетки; в) коэффициент компактности; г) координационное число.
18. К росту плотности вещества приведет изменение характеристик кристаллической решетки:
а) увеличение параметров решетки; б) уменьшение количества пор в элементарной ячейке; в) увеличение числа атомов в ячейке; г) увеличение координационного числа.
19. Характеристика кристаллической решетки, определяющая отношение объема атомов, приходящихся на элементарную ячейку, к объему ячейки, – это:
а)коэффициент компактности; б) координационное число; в) базис решетки; г) параметр решетки.
20. Элементарной ячейке принадлежит следующее число атомов (рис. 1.4):
21. Химическая формула сплава с кристаллической решеткой (рис. 1.5):
| — компонент А |
| — компонент В |
22. Явление, заключающееся в неоднородности свойствматериала в различных кристаллографических направлениях – это:
а) изотропность; б) анизотропия; в) текстура; г) полиморфизм.
23. Анизотропией обладают:
а) аморфные материалы; б) ферромагнитные материалы; в) поликристаллические вещества; г) текстурованные поликристаллические материалы
24. Анизотропией обладают:
а) парамагнетики; б) монокристаллы; в) вещества, обладающие полиморфизмом; г) переохлажденные жидкости.
изоморфизм, полиморфизм и аллотропия
Вещества общей химической формулы, имеющие кристаллическую решетку одного типа, называются изоморфными. Изоморфизм обнаруживается, например, у нитрата натрия NaNO3 и карбоната кальция CaCO3, находящегося в форме минерала кальцита. Оба этих вещества имеют ромбоэдрическую кристаллическую структуру.
Способность какого-либо соединения существовать в двух или нескольких кристаллических формах называется полиморфизмом. Примером полиморфного соединения является кремнезем-оксид кремния(1У) SiO2. Он имеет каркасную ковалентную структуру, в которой атомы кремния связаны с четырьмя атомами кислорода в тетраэдрическую упаковку (рис. 3.33). Кварц представляет собой кристаллическую форму кремнезема, в которой он существует при обычных температурах. Он имеет гексагональную структуру. При высоких температурах кристаллическая структура кремнезема переходит в ромбическую, а затем в кубическую формы:
Температура, при которой одна форма вещества превращается в другую, называется температурой перехода.
Если какой-либо элемент может существовать в двух или нескольких твердых формах (кристаллических либо аморфных), то считается, что он проявляет аллотропию. Различные формы одного элемента называются аллотропами. Аллотропы существуют приблизительно у половины всех элементов.
Например, углерод существует в виде алмаза либо графита. Сера существует в двух кристаллических формах-ромбической и моноклинной-в зависимости от температуры (см. также гл. 6). Обе ее кристаллические формы являются примерами молекулярных кристаллов. Молекулы в них представляют собой гофрированные циклы, в каждом из которых содержится по восемь ковалентно связанных атомов серы (рис. 3.34). Твердая сера может существовать еще в третьей аллотропной форме-как пластическая сера. Эта форма серы неустойчива. Она состоит из длинных цепочек атомов серы, которые при комнатной температуре разрушаются и снова образуют молекулы S8, кристаллизующиеся в ромбическую решетку.
Аллотропия
Аллотро́пия (от др.-греч. αλλος — «другой», τροπος — «поворот, свойство») — существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам — так называемых аллотропических (аллотропных) модификаций или форм.
Явление аллотропии обусловлено либо различным составом молекул простого вещества (аллотропия состава), либо способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке (аллотропия формы).
Содержание
История
Понятие аллотропии введено в науку Й. Берцелиусом в 1841 году для обозначения разных форм существования элементов; одновременно он предполагал, по-видимому, 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 и О3 — озон.
Примеры аллотропии
В настоящее время известно более 400 разновидностей простых веществ. Способность элемента к образованию аллотропных форм обусловлена строением атома, которое определяет тип химической связи, строение молекул и кристаллов.
Как правило, большее число аллотропных форм образуют элементы, имеющие переменные значения координационного числа или степени окисления (олово, фосфор). 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, и полуметаллов.
Принято обозначать различные аллотропические формы одного и того же элемента строчными буквами греческого алфавита; причём форму, существующую при самых низких температурах, обозначают буквой α, следующую — β и т. д.
Неметаллы
Водород может существовать в виде орто- и пара-водорода. В молекуле орто-водорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины параллельны, а у пара-водорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — антипараллельны.
Множество модификаций: алмаз, графит, фуллерен, карбин, графен, углеродные нанотрубки, лонсдейлит и др. Точное число модификаций указать затруднительно вследствие разнообразия форм связывания атомов углерода между собой. Наиболее многочисленны молекулярные структуры фуллеренов и нанотрубок.
Известно 11 аллотропных модификаций фосфора. Основные модификации: белый, красный и чёрный фосфор. Белый фосфор ядовит, светится в темноте, способен самовоспламеняться, красный фосфор не ядовит, не светится в темноте, сам по себе не воспламеняется.
Две аллотропные модификации: О2 — кислород и О3 — озон. Кислород бесцветен, не имеет запаха; озон имеет выраженный запах, имеет бледно-фиолетовый цвет, он более бактерициден.
Большое число аллотропных модификаций, второе место после углерода. Основные модификации: ромбическая, моноклинная и пластическая сера.
Красный цикло-Se8, серый полимер Se и чёрный селен.
Полуметаллы
Бор существует в аморфном и кристаллическом видах. Аморфный бор – порошок бурого цвета. Обладает большей реакционной способностью, чем кристаллический бор. Кристаллический бор – вещество черного цвета. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, которые кристаллизуются в ромбической и тетрагональной сингониях. Наиболее устойчивая модификация – β-ромбический бор – состоит из икосаэдров B12, которые образуют слои, объединенные в бесконечную структуру.
Известны четыре металлических аллотропных модификаций сурьмы, существующих при различных давлениях, и три аморфные модификации (взрывчатая, чёрная и жёлтая сурьма), из которых наиболее устойчива металлическая форма серебристо-белого цвета с синеватым оттенком
Полоний существует в двух аллотропных металлических модификациях. Кристаллы одной из них – низкотемпературной – имеют кубическую решетку (α-Po), а другой – высокотемпературной – ромбическую (β-Po). Фазовый переход из одной формы в другую происходит при 36 °C, однако при обычных условиях полоний находится в высокотемпературной форме вследствие разогрева собственным радиоактивным излучением.
Металлы
Среди металлов, которые встречаются в природе в больших количествах (до U, без Tc и Pm), 28 имеют аллотропные формы при атмосферном давлении: Li, Be, Na, Ca, Sc, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa, U. Также важны аллотропные формы ряда металлов, образующиеся при их технологической обработке: Ti при 882˚C, Fe при 912˚C и 1394˚C, Co при 422˚C, Zr при 863˚C, Sn при 13˚C и U при 668˚C и 776˚C.
