Was ist ein Allotrop? Definition und Beispiele

Ein Allotrop ist jede der verschiedenen stabilen Formen, in denen wir ein reines Element finden oder herstellen können . Das heißt, Allotrope sind die verschiedenen Formen, in denen elementare Substanzen entweder natürlich oder synthetisch vorkommen. Ein gängiges Beispiel für ein Allotrop ist Graphit, eine der Formen, in denen das Element Kohlenstoff erhalten werden kann.

Ein weiteres wichtiges Allotrop des Kohlenstoffs ist Diamant, eine extrem harte, transparente kristalline Form des Elements, das die Grundlage des Lebens bildet. Mit Ausnahme synthetischer (künstlich synthetisierter) Elemente hat jedes Element im Periodensystem mindestens ein Allotrop, obwohl es normalerweise mehrere hat. Während einige dieser Allotrope wertlos sein können, können andere extrem wertvoll sein, wie durch den Unterschied zwischen Graphit-Kohlenstoff und Diamant-Kohlenstoff veranschaulicht wird.

Merkmale und Eigenschaften von Allotropen

physikalische Eigenschaften

Das Beispiel von Kohlenstoff veranschaulicht einen sehr wichtigen Aspekt von Allotropen, nämlich dass sie radikal entgegengesetzte physikalische und chemische Eigenschaften und Eigenschaften haben können.

Kohlegraphit zum Beispiel ist ein elektrisch leitfähiges Material, es ist sehr weich, es hat eine Struktur in Form von Schichten oder Schichten von Kohlenstoffatomen mit sp 2 -Hybridisierung , die durch Einfach- und Doppelbindungen miteinander verbunden sind, die ständig ausgetauscht ^werden Resonanz.

Stattdessen ist Diamant das härteste Material, das wir kennen. Es wird durch ein dreidimensionales Kristallgitter gebildet, in dem jedes Kohlenstoffatom gleichzeitig mit vier anderen Atomen durch kovalente Einfachbindungen verbunden ist. Diese Eigenschaft macht Diamant zu einem der besten bekannten elektrischen Isolatoren (im Gegensatz zu Graphit, das ein Leiter ist).

Chemische Eigenschaften

Allotrope haben auch oft deutlich unterschiedliche chemische Eigenschaften. Beispielsweise kommt Phosphor in Form verschiedener Allotrope vor, von denen weißer, roter und schwarzer Phosphor am häufigsten vorkommen. Weißer und roter Phosphor haben ähnliche Phosphoratome mit tetraedrischer Geometrie. Weißer Phosphor ist jedoch extrem giftig und leicht entzündlich und entzündet sich spontan, wenn er mit Sauerstoff in der Luft in Kontakt kommt. Dies macht es als Zündschnur in bestimmten Sprengstoffen wie Handgranaten nützlich.

Stattdessen ist roter Phosphor viel stabiler. Es kann mit Luft in Kontakt kommen, ohne einen Brand zu verursachen. Schwarzer Phosphor hingegen bildet sich nur unter hohem Druck und einer Temperatur von mehr als 200 °C, ist aber nach seiner Bildung kühlbar und noch stabiler als roter Phosphor.

Körperlicher Status

Die im vorigen Abschnitt erwähnten Beispiele der Allotrope des Phosphors sind alle bei Raumtemperatur fest. Allotrope können jedoch auch in anderen Aggregatzuständen existieren. Zum Beispiel kann Phosphor zusätzlich zu den drei erwähnten festen Isotopen (und mindestens ebenso vielen mehr) auch als gasförmiges Allotrop der Formel P 4 existieren, das _eine tetraedrische Struktur mit einem Phosphor an jeder Ecke bildet.

Kristallstruktur

Schließlich können Allotrope auch anhand ihrer Kristallstruktur voneinander unterschieden werden. Wir haben bereits gesehen, wie Kohlenstoff zwei sehr unterschiedliche Arten von dreidimensionalen Strukturen bilden kann, die zu deutlich unterschiedlichen Eigenschaften führen. Darüber hinaus haben einige Allotrope möglicherweise auch keine genau definierte Kristallstruktur, in diesem Fall spricht man von amorphen Allotropen.

Aus makroskopischer Sicht sind amorphe Allotrope leicht zu erkennen, da auf ihrer Oberfläche keine Art von Facette oder definierter Struktur beobachtet wird, die auf eine hochgeordnete innere Struktur hindeutet.

Mikroskopisch gesehen sind amorphe Festkörper jedoch oft einfach eine Mischung aus einer großen Anzahl kleiner kristalliner Festkörper unterschiedlicher Größe und sogar unterschiedlicher lokaler Kristallstrukturen.

Bedeutung von Allotropen

Die Allotropie eines Elements kann unter vielen Gesichtspunkten äußerst wichtig werden. Die Tatsache, dass einige Allotrope stabiler sind als andere, macht sie für den Transport und die Handhabung des jeweiligen Elements bevorzugt. Andererseits haben einige Allotrope wünschenswerte Eigenschaften, die andere Allotrope nicht haben.

Ein Beispiel dafür ist die Härte von Diamant, die Leitfähigkeit von Graphit und die Kombination von Härte und Leitfähigkeit eines anderen sehr wichtigen Allotrops von Kohlenstoff, demjenigen, aus dem Kohlenstoffnanoröhren bestehen.

Andererseits kann die Umwandlung eines Allotrops in ein anderes für viele industrielle Anwendungen der verschiedenen Elemente unerlässlich sein. Beispielsweise ist Silizium eines der wichtigsten Elemente in der Elektronikindustrie. Es ist der Halbleiter, der die Grundlage aller Mikrochips und Prozessoren bildet, die alle unsere elektronischen Geräte antreiben. Silizium kommt jedoch in zwei allotropen Formen vor: amorphes Silizium und kristallines Silizium.

Amorphes Silizium wird als Halbleiter bei der Herstellung von kostengünstigen Solarmodulen verwendet, während für die Herstellung von Mikrochips nur monokristallines Silizium verwendet werden kann, d. h. ein riesiger Einkristall aus Silizium, in dem alle Atome perfekt angeordnet sind um die Muster zu erstellen, die Teil der Schaltkreise jedes Mikrochips sind.

Beispiele für gemeinsame Allotrope

Natürliche Allotrope des Kohlenstoffs:

Kohlenstoff-Graphit

Diamant Kohlenstoff

Graphen

einwandige Kohlenstoffnanoröhren

doppelwandige Kohlenstoffnanoröhren

mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren

Fullerene wie Buckminsterfulerene oder C ₆₀

Natürliche Allotrope des Sauerstoffs:

Atomarer Sauerstoff (O)

Gasförmiger oder molekularer Sauerstoff (O ₂ )

Ozon ( _O3 )

Tetrasauerstoff (O ₄ )

fester Sauerstoff O ₈

Natürliche Allotrope von Stickstoff:

Gasförmiger molekularer Stickstoff (N ₂ )

kubischer fester Stickstoff

hexagonaler fester Stickstoff

Natürliche Allotrope von Bor:

Amorphes Bor (braunes Pulver)

α-rhomboedrisches Bor

β-rhomboedrisches Bor

Boro-γ-Steinsalz

Borophene (ähnliche Strukturen wie Graphen, aber aus Bor statt Kohlenstoff)

Verweise

Bolívar, G. (2019, 10. Juli). Bor: Geschichte, Eigenschaften, Struktur, Verwendungen . Lebender. https://www.lifeder.com/boro/

Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Chemie (11. Aufl.). McGraw-Hill Interamericana de España SL

Educaplus.org. (n.d.). Elementeigenschaften . http://www.educaplus.org/elementos-quimicos/propiedades/alotropos.html

Blumen, G. (2021, 11. Juni). Was sind die allotropen Formen von Stickstoff? The-Answer.com. https://la-respuesta.com/preguntas-comunes/cuales-son-las-formas-altropicas-del-nitrogeno/