Alotropia - Allotropy

Diamante e grafite são dois alótropos de carbono: formas puras do mesmo elemento que diferem na estrutura cristalina.

Alotropia ou alotropismo (do grego antigo ἄλλος (allos)  'outro' e τρόπος (tropos)  'forma, forma') é a propriedade de alguns elementos químicos de existirem em duas ou mais formas diferentes, no mesmo estado físico , conhecido como alótropos dos elementos. Alótropos são diferentes modificações estruturais de um elemento; os átomos do elemento estão ligados entre si de uma maneira diferente. Por exemplo, os alótropos de carbono incluem diamante (os átomos de carbono estão ligados em um arranjo de rede tetraédrica ), grafite (os átomos de carbono são ligados em folhas de uma rede hexagonal ), grafeno (folhas únicas de grafite) e fulerenos ( os átomos de carbono estão ligados entre si em formações esféricas, tubulares ou elipsoidais).

O termo alotropia é usado apenas para elementos, não para compostos . O termo mais geral, usado para qualquer composto, é polimorfismo , embora seu uso seja geralmente restrito a materiais sólidos, como cristais. Alotropia refere-se apenas a diferentes formas de um elemento dentro da mesma fase física (o estado da matéria, como sólido , líquido ou gás ). As diferenças entre esses estados da matéria não constituiriam por si só exemplos de alotropia. Os alótropos de elementos químicos são freqüentemente chamados de polimorfos ou fases do elemento.

Para alguns elementos, os alótropos têm fórmulas moleculares diferentes ou estruturas cristalinas diferentes, bem como uma diferença na fase física; por exemplo, dois alótropos de oxigênio ( dioxigênio , O 2 e ozônio , O 3 ) podem existir nos estados sólido, líquido e gasoso. Outros elementos não mantêm alótropos distintos em diferentes fases físicas; por exemplo, o fósforo tem numerosas formas alotrópicas sólidos , que todos reversão para o mesmo P 4 forma quando derretido para o estado líquido.

História

O conceito de alotropia foi originalmente proposto em 1840 pelo cientista sueco Baron Jöns Jakob Berzelius (1779-1848). O termo é derivado do grego άλλοτροπἱα (alotropia)  'variabilidade, mutabilidade'. Após a aceitação da hipótese de Avogadro em 1860, entendeu-se que os elementos poderiam existir como moléculas poliatômicas, e dois alótropos de oxigênio foram reconhecidos como O 2 e O 3 . No início do século 20, foi reconhecido que outros casos, como o do carbono, eram devidos a diferenças na estrutura do cristal.

Em 1912, Ostwald notou que a alotropia de elementos é apenas um caso especial do fenômeno do polimorfismo conhecido para compostos, e propôs que os termos alótropo e alotropia fossem abandonados e substituídos por polimorfo e polimorfismo. Embora muitos outros químicos tenham repetido esse conselho, o IUPAC e a maioria dos textos de química ainda favorecem o uso de alótropo e alotropia apenas para elementos.

Diferenças nas propriedades dos alótropos de um elemento

Alótropos são diferentes formas estruturais do mesmo elemento e podem exibir propriedades físicas e comportamentos químicos bastante diferentes. A mudança entre as formas alotrópicas é desencadeada pelas mesmas forças que afetam outras estruturas, ou seja, pressão , luz e temperatura . Portanto, a estabilidade dos alótropos particulares depende de condições particulares. Por exemplo, o ferro muda de uma estrutura cúbica centrada no corpo ( ferrita ) para uma estrutura cúbica centrada na face ( austenita ) acima de 906 ° C, e o estanho sofre uma modificação conhecida como praga do estanho de uma forma metálica para uma forma semicondutora abaixo de 13,2 ° C (55,8 ° F). Como um exemplo de alótropos com comportamento químico diferente, o ozônio (O 3 ) é um agente oxidante muito mais forte do que o dioxigênio (O 2 ).

Lista de alótropos

Normalmente, os elementos capazes de número de coordenação variável e / ou estados de oxidação tendem a exibir um maior número de formas alotrópicas. Outro fator que contribui é a capacidade de um elemento de se catenar .

Exemplos de alótropos incluem:

Não metais

Elemento Alótropos
Carbono
  • Diamante - um cristal extremamente duro e transparente, com os átomos de carbono dispostos em uma estrutura tetraédrica. Um mau condutor elétrico. Um excelente condutor térmico.
  • Lonsdaleita - também chamado de diamante hexagonal.
  • Grafeno - é o elemento estrutural básico de outros alótropos, nanotubos, carvão e fulerenos.
  • Carbono Q - uma estrutura de cristal ferromagnética, resistente e brilhante que é mais dura e brilhante do que os diamantes.
  • Grafite - um sólido macio, preto e escamoso, um condutor elétrico moderado. Os átomos de C são ligados em redes hexagonais planas ( grafeno ), que são então dispostos em camadas.
  • Carbono acetilênico linear (Carbyne)
  • Carbono amorfo
  • Fulerenos , incluindo Buckminsterfullerene , também conhecido como "buckyballs", como C 60 .
  • Nanotubos de carbono - alótropos de carbono com nanoestrutura cilíndrica.
  • Schwarzites
  • Ciclocarbono
  • Carbono vítreo
Fósforo
Oxigênio
Enxofre
  • Ciclo-Pentassulfur, Cyclo-S 5
  • Cyclo-Hexasulfur, Cyclo-S 6
  • Cyclo-Heptasulfur, Cyclo-S 7
  • Cyclo-Octasulfur, Cyclo-S 8
Selênio
  • "Selênio vermelho", ciclo-Se 8
  • Selênio cinza, Se polimérico
  • Selênio preto, anéis poliméricos irregulares com até 1000 átomos de comprimento
  • Selênio monoclínico, cristais transparentes vermelho-escuros

Metalóides

Elemento Alótropos
Boro
  • Boro amorfo - pó marrom - B 12 icosaedra regular
  • boro α-romboédrico
  • boro β-romboédrico
  • boro γ-ortorrômbico
  • boro α-tetragonal
  • boro β-tetragonal
  • Fase supercondutora de alta pressão
Silício
Germânio
  • α-germânio - semimetálico, com a mesma estrutura do diamante
  • β-germânio - metálico, com a mesma estrutura do beta-estanho
  • Germaneno - Germânio planar encurvado, semelhante ao grafeno
Arsênico
  • Arsênio amarelo - molecular não metálico As 4 , com a mesma estrutura do fósforo branco
  • Arsênio cinzento, As polimérico (metalóide)
  • Arsênio negro - molecular e não metálico, com a mesma estrutura do fósforo vermelho
Antimônio
  • antimônio branco-azulado - forma estável (metalóide), com a mesma estrutura do arsênico cinza
  • antimônio amarelo (não metálico)
  • antimônio preto (não metálico)
  • antimônio explosivo
Telúrio
  • telúrio amorfo - pó cinza-escuro ou marrom
  • telúrio cristalino - estrutura cristalina hexagonal (metalóide)

Metais

Entre os elementos metálicos que ocorrem na natureza em quantidades significativas (56 até U, sem Tc e Pm), quase metade (27) são alotrópicos à pressão ambiente: Li, Be, Na, Ca, Ti, Mn, Fe, Co, Sr, Y, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Th, Pa e U. Algumas transições de fase entre as formas alotrópicas de metais tecnologicamente relevantes são aquelas de Ti a 882 ° C, Fe a 912 ° C e 1394 ° C, Co a 422 ° C, Zr a 863 ° C, Sn a 13 ° C e U a 668 ° C e 776 ° C.

Elemento Nome (s) da fase Grupo espacial Símbolo Pearson Tipo de estrutura Descrição
Lítio R 3 m hR9 α- Estrutura de Samário Formas abaixo de 70 K.
Im 3 m cI2 Cúbico centrado no corpo Estável à temperatura e pressão ambiente.
cF4 Rosto centrado cúbico Formulários acima de 7 GPa
hR1 Uma fase intermediária formou ~ 40GPa.
cI16 Formulários acima de 40GPa.
Berílio P6 3 / mmc hP2 Fechado hexagonal embalado Estável à temperatura e pressão ambiente.
Im 3 m cI2 Cúbico centrado no corpo Formas acima de 1255 ° C.
Sódio R 3 m hR9 α- Estrutura de Samário Formulários abaixo de 20 K.
Im 3 m cI2 Cúbico centrado no corpo Estável à temperatura e pressão ambiente.
Fm 3 m cF4 Rosto centrado cúbico Forma-se à temperatura ambiente acima de 65 GPa.
I 4 3d cI16 Forma-se à temperatura ambiente, 108GPa.
Pnma oP8 Forma-se à temperatura ambiente, 119GPa.
Magnésio P6 3 / mmc hP2 hexagonal fechado embalado Estável à temperatura e pressão ambiente.
Im 3 m cI2 Cúbico centrado no corpo Formulários acima de 50 GPa.
Lata α-estanho, estanho cinza , praga de estanho Fd 3 m cF8 Diamante cúbico Estável abaixo de 13,2 ° C.
β-estanho, estanho branco I4 1 / amd tI4 Estrutura β-Estanho Estável à temperatura e pressão ambiente.
γ-estanho, estanho rômbico I4 / mmm Tetragonal centrado no corpo
σ-Sn Cúbico centrado no corpo Forma-se com pressão muito alta.
Stanene
Ferro α-Fe, ferrite Im 3 m cI2 Cúbico centrado no corpo Estável à temperatura e pressão ambiente. Ferromagnético em T <770 ° C, paramagnético de T = 770–912 ° C.
γ-ferro, austenita Fm 3 m cF4 Cúbico centrado no rosto Estável de 912 a 1.394 ° C.
δ-ferro Im 3 m cI2 Cúbico centrado no corpo Estável de 1.394 - 1.538 ° C, mesma estrutura que α-Fe.
ε-ferro, Hexaferrum P6 3 / mmc hP2 Hexagonal fechado Estável em altas pressões.
Cobalto α-cobalto cúbico simples Formas acima de 417 ° C.
β-Cobalto hexagonal fechado embalado Formas abaixo de 417 ° C.
Polônio α-Polônio cúbico simples
β-Polônio romboédrico

Lantanídeos e actinídeos

Diagrama de fases dos elementos actinídeos.
  • Cério , samário , disprósio e itérbio têm três alótropos.
  • Praseodímio , neodímio , gadolínio e térbio têm dois alótropos.
  • O plutônio tem seis alótropos sólidos distintos sob pressões "normais". Suas densidades variam em uma proporção de cerca de 4: 3, o que complica enormemente todos os tipos de trabalho com o metal (particularmente fundição, usinagem e armazenamento). Um sétimo alótropo de plutônio existe em pressões muito altas. Os metais de transurânio Np, Am e Cm também são alotrópicos.
  • Promécio , amerício , berquélio e califórnio têm três alótropos cada.

Nanoalótropos

Em 2017, o conceito de nanoalotropia foi proposto pelo Prof. Rafal Klajn do Departamento de Química Orgânica do Weizmann Institute of Science . Nanoalótropos, ou alótropos de nanomateriais, são materiais nanoporosos que têm a mesma composição química (por exemplo, Au), mas diferem em sua arquitetura em nanoescala (ou seja, em uma escala de 10 a 100 vezes as dimensões dos átomos individuais). Esses nanoalótropos podem ajudar a criar dispositivos eletrônicos ultrapequenos e encontrar outras aplicações industriais. As diferentes arquiteturas em nanoescala se traduzem em propriedades diferentes, como foi demonstrado para o espalhamento Raman aprimorado pela superfície realizado em vários nanoalótropos de ouro diferentes. Um método de duas etapas para gerar nanoalótropos também foi criado.

Veja também

Notas

Referências

links externos