Allotrope sind definiert als unterschiedliche Strukturformen eines einzelnen chemischen Elements. Diese Formen ergeben sich aus den unterschiedlichen Bindungsmöglichkeiten der Atome zueinander.
Der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius schlug 1841 den Begriff der Allotropie vor. Das Wort „Allotropie“ kommt vom griechischen Wort allotropia, was „Veränderlichkeit“ bedeutet.
Was Allotrope sind und wie sie entstehen
Elemente wandeln sich von einem Allotrop in ein anderes um als Reaktion auf Temperatur-, Druck- und sogar Lichtveränderungen. Allotrope bilden sich oft spontan. Normalerweise ist das erste feste Allotrop, das aus einer Lösung oder Schmelze kristallisiert, das am wenigsten stabile. Dieses Phänomen wird als Ostwald’sche Regel oder Ostwald’sche Stufenregel bezeichnet.
Allotrope haben unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften zueinander. Zum Beispiel haben Diamant und Graphit (zwei Allotrope des Kohlenstoffs) unterschiedliches Aussehen, Härtewerte, Schmelzpunkte, Siedepunkte und Reaktivitäten.
Einige Element-Allotrope haben unterschiedliche Summenformeln. So existieren z. B. Dioxygen (O2) und Ozon (O3) als separate Allotrope in fester, flüssiger und gasförmiger Phase. Einige Elemente haben mehrere Allotrope in der festen Phase, aber eine flüssige und eine gasförmige Form. Andere haben flüssige und gasförmige Allotrope.
Beispiele für Allotrope
Die meisten (möglicherweise alle) Elemente haben Allotrope. Die Elemente mit den meisten Allotropen sind diejenigen mit mehreren Oxidationsstufen. Allotrope von Nichtmetallen gehören zu den bekanntesten, da Nichtmetalle dazu neigen, Farben zu zeigen. Aber auch Metalloide und Metalle bilden Allotrope.
Hier sind einige Beispiele für Allotrope verschiedener Elemente. Denken Sie daran, dass Forscher immer wieder neue Allotrope entdecken, insbesondere solche, die unter hohem Druck entstehen.
Kohlenstoff-Allotrope
- Diamant – tetraedrisches Gitter
- Graphit – Blätter aus hexagonalen Gittern
- Graphen – zweidimensionales Wabengitter
- Amorpher Kohlenstoff – nichtkristallin
- Lonsdaleit oder hexagonaler Diamant
- Fullerene
- Nanotubuli
Phosphor-Allotrope
- Weißer Phosphor – kristalliner Tetraphosphor (P4)
- Roter Phosphor
- Violetter Phosphor – monokline Kristalle
- Scharlachfarbener Phosphor
- Schwarzer Phosphor
- Diphosphor – gasförmig P2
Sauerstoff-Allotrope
- Dioxygen (O2) – farbloses Gas, blassblaue Flüssigkeit und Feststoff
- Ozon (O3) – blassblaues Gas, blaue Flüssigkeit und Feststoff
- Tetra-Sauerstoff (O4) – blassblau bis rosa
- Octa-Sauerstoff (O8) – rote Kristalle
- δ-Phase – orange
- ε-Phase – schwarz
- Metallisch – bildet sich bei extrem hohen Drücken
Arsen-Allotrope
- Gelbes Arsen – molekulares nichtmetallisches As4
- Graues Arsen – polymeres As (Metalloid)
- Schwarzes Arsen – molekulares und nicht-metallisches
Zinn-Allotrope
- α-Zinn oder graues Zinn – auch Zinnpest genannt; diamantkubische Kristalle
- β-Zinn oder Weißzinn
- γ-Zinn – körperzentrierte tetragonale Kristalle
- σ-Sn – körper-zentrierte kubische Kristalle
Eisen-Allotrope
- α-Fe oder Ferrit – kubisch raumzentriert
- γ-Eisen oder Austenin – kubisch flächen-zentriert kubisch
- δ-Eisen – kubisch raumzentriert
- ε-Eisen oder Hexaferrum – hexagonal dicht gepackt
Allotropismus vs. Polymorphismus
Allotropismus bezieht sich auf verschiedene Formen von reinen chemischen Elementen. Polymorphismus bezieht sich auf unterschiedliche Formen von Molekülen. Von Packungspolymorphismus spricht man, wenn Moleküle unterschiedliche Kristallstrukturen aufweisen. Konformationspolymorphismus bezieht sich auf verschiedene Konformer desselben Moleküls, einschließlich Isomerisierung.
Polymorphismus ist häufig bei binären Metalloxiden, wie CrO2, Fe2O3 und Al2O3. Die verschiedenen Formen werden als Phasen bezeichnet und haben in der Regel griechische Buchstaben, um sie zu unterscheiden. Zum Beispiel hat CrO2 eine tetragonale α-Phase und eine orthorhombische β-Phase.
Polymorphismus ist in Pharmazeutika häufig. Oft sind Löslichkeit und therapeutische Wirksamkeit bei Polymorphen sehr unterschiedlich, so dass die Zulassung eher für eine einzige Form erfolgt.
Zwei der Allotropen des Sauerstoffs, für O2 und O3, gehörten zu den ersten, die erkannt wurden. Ostwald betrachtete die Allotropie als einen Spezialfall des Polymorphismus. Die meisten Chemiker bezeichnen jedoch unterschiedliche Elementformen als Allotrope und unterschiedliche Molekülformen als Polymorphe. Technisch gesehen sind molekularer Sauerstoff (O2) und Ozon (O3) sowohl Allotrope als auch Polymorphe.
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- Threlfall, T. (2003). „Strukturelle und thermodynamische Erklärungen der Ostwaldschen Regel“. Organic Process Research & Development. 7 (6): 1017-1027. doi:10.1021/op030026l