Alotropii sunt forme ale unui element chimic care diferă la nivel molecular sau în modul în care atomii sunt aranjați în molecule. Multe elemente apar în alotropi diferiți, printre care carbonul, oxigenul, fosforul și sulful. Aceste forme diferite pot diferi foarte mult în proprietățile lor fizice, cum ar fi culoarea, duritatea și conductivitatea electrică, și în reactivitatea lor chimică. Există diferite moduri prin care un alotrop poate fi convertit în altul, inclusiv prin încălzire și răcire, presiune ridicată sau chiar expunere la lumină. Un alotrop nu trebuie confundat cu un izotop, care diferă la nivel atomic, mai degrabă decât molecular.
Există două tipuri de alotropi. Tipul enantiotrop poate suferi o schimbare reversibilă într-un alt alotrop în anumite condiții, cum ar fi temperatură sau presiune diferită. De exemplu, există o formă a elementului staniu care este stabilă sub 55.4 ° F (13 ° C) și o altă formă care este stabilă peste această temperatură – este posibil să se convertească unul în celălalt și înapoi prin creșterea sau coborârea temperatura. Monotropic înseamnă că o formă este cea mai stabilă și nu poate fi ușor convertită în și din altă formă; unele exemple sunt forma grafitului de carbon și cea mai comună formă de oxigen (O2), spre deosebire de ozonul mai puțin stabil (O3).
Carbon
Carbonul este elementul cu cel mai mare număr de alotropi, deși — din 2013 — numărul precis nu este clar, deoarece unii au fost contestați. Diferitele forme acceptate sunt radical diferite una de cealaltă, variind de la moale la dur, opac la transparent, abraziv la neted și prezentând multe alte variații și contraste. Capacitatea acestui element de a lua atât de multe forme diferite rezultă din faptul că un atom de carbon poate forma patru legături simple cu alți atomi. De asemenea, poate forma legături duble și, uneori, triple. Acest lucru permite o mare varietate în tipurile de structuri moleculare și cristaline care sunt posibile.
Carbonul amorf este cea mai comună formă și este familiar pentru aproape toată lumea ca cărbune, cărbune și funingine. Acest alotrop negru, opac este necristalin, iar atomii nu formează nicio structură regulată. Cărbunele este de fapt o formă destul de impură, deoarece 10% sau mai mult constă din alte elemente.
Grafitul este materialul care formează „minul” în creioane. Este format din foi de atomi de carbon aranjați în hexagoane bidimensionale legate. Foile alunecă una de cealaltă cu ușurință, motiv pentru care poate fi folosită pentru a scrie pe hârtie. Deși carbonul este un nemetal, acest alotrop are un aspect ușor metalic și conduce electricitatea.
Diamantul este un tip de carbon cristalin în care fiecare atom are patru legături simple care îl unesc cu alți atomi, formând tetraedre legate. Se formează în mod natural adânc în Pământ, la temperaturi ridicate și presiuni foarte mari. Deși sunt extrem de dure, datorită structurii și rezistenței legăturilor care țin atomii împreună, diamantele nu sunt pentru totdeauna: structura nu este complet stabilă la presiune și temperatură normale și se transformă foarte lent în grafit. Schimbarea este, totuși, atât de lentă încât nu este vizibilă pe scara de timp umană. Diamantele pot fi create artificial și din grafit la temperatură și presiune ridicată.
Un alt alotrop cristalin este lonsdaleitul mineral. Seamănă cu diamantul și se crede că este creată, în cantități mici, de impactul meteoriților. Presiunea creată transformă grafitul într-o formă tridimensională care păstrează structura hexagonală, producând un material dur, cristalin.
Printre cele mai fascinante forme de carbon se numără fulerenele. Acestea sunt structuri goale, tridimensionale, cu pereți formați din aranjamente de atomi în hexagoane, pentagoane și, uneori, alte forme. Unul dintre cei mai cunoscuți este „buckyball”, sau mai corect, buckminsterfullerene: 60 de atomi de carbon care formează o sferă goală, cunoscută și sub numele de C60. Sunt posibile și sfere mai mari, cu un număr mai mare de atomi de carbon. Buckyballs pot fi fabricate, dar apar și în mod natural și au fost găsite pe Pământ în funingine și în spațiu.
Nanotuburile sunt o altă formă binecunoscută de fullerenă. Acestea constau din cilindri mici ai căror pereți au o structură similară cu cele ale buckyballs. Acestea pot avea o lungime de până la câțiva milimetri și pot fi deschise sau închise la capete. Nanotuburile au un raport rezistență-greutate extrem de ridicat și sunt, de asemenea, buni conductori electrici; se crede că pot avea multe aplicații tehnologice importante, în special în lumea nanotehnologiei.
Nanospuma de carbon este un alotrop sintetic format din atomi legați într-o structură asemănătoare unei rețea. Este unul dintre cele mai ușoare materiale cunoscute, datorită densității sale extrem de scăzute, și este doar de câteva ori mai greu decât aerul. În mod neobișnuit, este feromagnetic – atras de magneți – și este, de asemenea, un semiconductor.
Oxigen
Oxigenul din aer pe care oamenii îl respiră este format din molecule care conțin doi atomi de oxigen – O2. Atomii acestui element pot forma legături simple cu alți doi atomi sau o legătură dublă unul cu altul. Forma normală a oxigenului are o legătură dublă între cei doi atomi, dar poate exista și într-o moleculă care conține trei atomi, fiecare uniți prin legături simple cu alți doi. Această formă este cunoscută sub numele de ozon (O3).
Ozonul este mai puțin stabil și mult mai reactiv decât O2 și, în forma sa pură, este un pericol grav de incendiu. De asemenea, este toxic, deoarece dăunează plămânilor dacă este inhalat. Ozonul poate fi produs prin reacțiile gazelor produse de evacuarea motoarelor sub influența luminii solare și poate deveni un poluant grav în zonele urbane. De asemenea, este produsă în atmosfera superioară prin interacțiunea dintre O2 și lumina ultravioletă de la Soare, formând „stratul de ozon” care protejează viața de pe suprafața Pământului de cele mai dăunătoare forme de lumină ultravioletă.
Fosfor
Acesta este un alt element cu mai multe alotropi puternic contrastante. Când este izolat pentru prima dată de compușii săi, apare ca fosfor alb. Această formă este formată din tetraedre de patru atomi; este foarte reactiv, foarte toxic și strălucește în întuneric la temperatura camerei, datorită unei reacții lente cu oxigenul din aer. Prin încălzirea acestuia pentru o perioadă de timp într-un recipient sigilat, poate fi transformat în fosfor roșu, o formă mult mai puțin reactivă, netoxică, în care tetraedrele sunt legate între ele în lanțuri. O a treia formă, fosforul negru, poate fi obținută prin încălzirea formei albe la presiune ridicată – are atomii aranjați în hexagoane care formează foi, la fel ca grafitul.