Gli allotropi sono definiti come diverse forme strutturali di un singolo elemento chimico. Queste forme risultano dai diversi modi in cui gli atomi possono legarsi tra loro.
Il chimico svedese Jöns Jakob Berzelius propose il concetto di allotropia nel 1841. La parola “allotropia” deriva dal greco allotropia, che significa “mutevolezza”.
Cosa sono gli allotropi e come si formano
Gli elementi si trasformano da un allotropo all’altro in risposta ai cambiamenti di temperatura, pressione e persino all’esposizione alla luce. Gli allotropi si formano spesso spontaneamente. Di solito, il primo allotropo solido che cristallizza da una soluzione o fusione è il meno stabile. Questo fenomeno è chiamato regola di Ostwald o regola del passo di Ostwald.
Gli allotropi hanno proprietà fisiche e chimiche diverse gli uni dagli altri. Per esempio, il diamante e la grafite (due allotropi del carbonio) hanno un aspetto diverso, valori di durezza, punti di fusione, punti di ebollizione e reattività.
Alcuni allotropi di elementi hanno formule molecolari diverse. Per esempio, il diossigeno (O2) e l’ozono (O3) esistono come allotropi separati nelle fasi solida, liquida e gassosa. Alcuni elementi hanno allotropi multipli nella fase solida, ma una forma liquida e gassosa. Altri hanno allotropi liquidi e gassosi.
Esempi di allotropi
La maggior parte degli elementi (forse tutti) hanno allotropi. Gli elementi con più allotropi sono quelli con più stati di ossidazione. Gli allotropi dei non metalli sono tra i più ampiamente riconosciuti, perché i non metalli tendono a mostrare i colori. Ma anche i metalloidi e i metalli formano allotropi.
Questi sono alcuni esempi di allotropi di diversi elementi. Tieni presente che i ricercatori scoprono sempre nuovi allotropi, in particolare quelli formati sotto alta pressione.
Allotropi del carbonio
- Diamante – reticolo tetraedrico
- Grafite – fogli di reticoli esagonali
- Grafene – reticolo bidimensionale a nido d’ape
- Carbonio amorfo – noncristallino
- Lonsdaleite o diamante esagonale
- Fullerenes
- Nanotubi
Allotropi del fosforo
- Fosforo bianco – tetrafosforo cristallino (P4)
- Fosforo rosso
- Fosforo viola – cristalli monoclinici
- Fosforo scarlatto
- Fosforo nero
- Difosforo – P2 gassoso
Allotropi dell’ossigeno
- Ossigeno (O2) – gas incolore, liquido e solido blu pallido
- Ozono (O3) – gas blu pallido, liquido e solido blu
- Tetraossigeno (O4) – dal blu pallido al rosa
- Octaossigeno (O8) – cristalli rossi
- Faseδ – arancione
- ε-fase – nero
- Metallico – si forma a pressioni estremamente elevate
Allotropi dell’arsenico
- Arsenico giallo – molecolare nonmetallico As4
- Arsenico grigio – polimerico As (metalloide)
- Arsenico nero – molecolare e non metallico
Allotropi dello stagno
- α-stagno o stagno grigio – chiamato anche stagno pest; cristalli cubici di diamante
- β-stagno o stagno bianco
- γ-stagno – cristalli tetragonali centrati sul corpo
- σ-Sn – cristalli cubici centrati sul corpocubici centrati sul corpo
Gli allotropi del ferro
- α-Fe o ferrite – cubico centrato sul corpo
- γ-ferro o austenina – cubico centrato sulla facciacubico centrato sulla faccia
- δ-iron – cubico centrato sul corpo
- ε-iron o hexaferrum – esagonale impaccato
Allotropismo vs polimorfismo
Allotropismo si riferisce a diverse forme di elementi chimici puri. Il polimorfismo si riferisce a diverse forme di molecole. Il polimorfismo di imballaggio è quando le molecole mostrano diverse strutture cristalline. Il polimorfismo conformazionale si riferisce a diversi conformatori della stessa molecola, inclusa l’isomerizzazione.
Il polimorfismo è comune negli ossidi metallici binari, come CrO2, Fe2O3 e Al2O3. Le diverse forme sono chiamate fasi e di solito hanno lettere greche per distinguerle. Per esempio, CrO2 ha una fase tetragonale α e una fase ortorombica β.
Il polimorfismo è comune nei prodotti farmaceutici. Spesso, la solubilità e l’efficacia terapeutica sono molto diverse per i polimorfi, quindi l’approvazione normativa tende ad essere per una sola forma.
Due degli allotropi dell’ossigeno, per O2 e O3, furono tra i primi ad essere riconosciuti. Ostwald considerava l’allotropia un caso speciale di polimorfismo. Ma, la maggior parte dei chimici si riferiscono a diverse forme di elementi come allotropi e a diverse forme di molecole come polimorfi. Tecnicamente, l’ossigeno molecolare (O2) e l’ozono (O3) sono entrambi allotropi e polimorfi.
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