Allotropen worden gedefinieerd als verschillende structurele vormen van één chemisch element. Deze vormen zijn het gevolg van de verschillende manieren waarop atomen zich aan elkaar kunnen binden.
De Zweedse scheikundige Jöns Jakob Berzelius stelde het concept van allotropie voor in 1841. Het woord “allotropie” komt van het Griekse woord allotropia, dat “veranderlijkheid” betekent.”
Wat allotropen zijn en hoe ze ontstaan
Elementen veranderen van de ene allotroop in een andere als reactie op veranderingen in temperatuur, druk en zelfs blootstelling aan licht. Allotropen vormen zich vaak spontaan. Gewoonlijk is de eerste vaste allotroop die uit een oplossing of smelt kristalliseert, de minst stabiele. Dit verschijnsel wordt de Ostwald-regel of Ostwald’s step rule genoemd.
Allotropen hebben verschillende fysische en chemische eigenschappen van elkaar. Bijvoorbeeld, diamant en grafiet (twee allotropen van koolstof) hebben verschillende verschijningsvormen, hardheidswaarden, smeltpunten, kookpunten, en reactiviteiten.
Sommige allotropen van elementen hebben verschillende molecuulformules. Bijvoorbeeld, dioxygen (O2) en ozon (O3) bestaan als afzonderlijke allotropen in vaste, vloeibare en gasvormige fase. Sommige elementen hebben meerdere allotropen in de vaste fase, maar één vloeibare en gasvorm. Andere hebben vloeibare en gas allotropen.
Voorbeelden van allotropen
De meeste (mogelijk alle) elementen hebben allotrofen. De elementen met de meeste allotropen zijn die met meerdere oxidatietoestanden. Allotropen van niet-metalen worden het meest herkend, omdat niet-metalen de neiging hebben om kleuren te vertonen. Maar ook metalloïden en metalen vormen allotropen.
Hier volgen enkele voorbeelden van allotropen van verschillende elementen. Denk eraan dat onderzoekers steeds nieuwe allotropen ontdekken, vooral die welke onder hoge druk worden gevormd.
Koolstofallotropen
- Diamant – tetrahedraal rooster
- Graphiet – vellen van hexagonale roosters
- Graphene – tweedimensionaal honingraatrooster
- Amorfe koolstof – nietkristallijn
- Lonsdaleiet of hexagonale diamant
- Fullerenen
- Nanotubules
Fosfor Allotropen
- Witte fosfor – kristallijne tetrofosfor (P4)
- Rode fosfor
- Violet fosfor – monokliene kristallen
- Scarlet fosfor
- Zwart fosfor
- Difosfor – gasvormig P2
Zuurstof-allotropen
- Zuurstof (O2) – kleurloos gas, lichtblauwe vloeistof en vaste stof
- Ozon (O3) – lichtblauw gas, blauwe vloeistof en vaste stof
- Tetra-zuurstof (O4) – lichtblauw tot roze
- Octa-zuurstof (O8) – rode kristallen
- δ-fase – oranje
- ε-fase – zwart
- Metaal – vormt zich bij extreem hoge druk
Arseen Allotropen
- Geel arseen – moleculair niet-metallisch As4
- Grijs arseen – polymere As (metalloïde)
- Zwart arseen – moleculair en niet-metallisch
Tin Allotropen
- α-tin of grijs tin – ook wel tinpest; diamantkubische kristallen
- β-tin of wit tin
- γ-tin – lichaam-gecentreerde tetragonale kristallen
- σ-Sn – lichaam-gecentreerde kubische kristallen
- γ-tin – lichaam-gecentreerde tetragonale kristallen
- σ-Sn – lichaam-gecentreerdegecentreerde kubische kristallen
Iron Allotropen
- α-Fe of ferriet – lichaamsgecentreerde kubische
- γ-ijzer of austenine – face-gecentreerd kubisch
- δ-ijzer – lichaam-gecentreerd kubisch
- ε-ijzer of hexaferrum – hexagonaal close-packed
Allotropisme vs Polymorfisme
Allotropisme verwijst naar verschillende vormen van zuivere chemische elementen. Polymorfisme verwijst naar verschillende vormen van moleculen. Van pakkingspolymorfisme is sprake wanneer moleculen verschillende kristalstructuren vertonen. Conformationeel polymorfisme verwijst naar verschillende conformers van hetzelfde molecuul, inclusief isomerisatie.
Polymorfisme komt vaak voor bij binaire metaaloxiden, zoals CrO2, Fe2O3, en Al2O3. De verschillende vormen worden fasen genoemd en hebben gewoonlijk Griekse letters om ze te onderscheiden. CrO2 heeft bijvoorbeeld een tetragonale α-fase en een orthorhombische β-fase.
Polymorfisme komt vaak voor in farmaceutische producten. Vaak zijn de oplosbaarheid en de therapeutische werkzaamheid van polymorfen zeer verschillend, zodat de wettelijke goedkeuring meestal voor één enkele vorm geldt.
Twee van de allotropen van zuurstof, voor O2 en O3, behoorden tot de eerste die werden herkend. Ostwald beschouwde allotropie als een speciaal geval van polymorfisme. Maar de meeste scheikundigen verwijzen naar verschillende elementvormen als allotropen en verschillende molecuulvormen als polymorfen. Technisch gezien zijn moleculaire zuurstof (O2) en ozon (O3) zowel allotropen als polymorfen.
- IUPAC (1997). “Allotroop”. Compendium of Chemical Terminology (2nd ed.) (het “Gold Book”). doi:10.1351/goldbook.A00243
- Jensen, W. B. (2006). “De oorsprong van de term allotroop”. J. Chem. Educ. 83 (6): 838-39. doi:10.1021/ed083p838
- Threlfall, T. (2003). “Structurele en thermodynamische verklaringen van de Regel van Ostwald”. Organic Process Research & Development. 7 (6): 1017-1027. doi:10.1021/op030026l