Аллотропия — это возможность существования вещества в виде нескольких модификаций, отличающихся друг от друга физически и химически. Аллотропия возможна для элементов, характеризующихся способностью атомов к образованию гомогенных цепей. Наибольший интерес для современной химии представляют свойства аллотропных модификаций углерода, в основном из-за перспектив получения большего количества видоизменённых форм с полезными свойствами.
Аллотропные преобразования и переходы
Наиболее характерны аллотропные преобразования для неметаллических веществ (кроме галогенов (хлор, бром, йод) и инертных газов (аргон, ксенон и неон)), полуметаллов и, реже всего, для металлов. Переходы элемента в иную форму, отличающуюся от его стандартной модификации, происходят при изменении условий окружающей среды. Основными факторами, влияющими на аллотропные преобразования, являются изменения давления и температуры, которые могут воздействовать на элементы как поодиночке, так и комплексно. Примерами элементов, обладающих аллотропией, и их модификациями являются:
- углерод, который можно назвать лидером по количеству изученных аллотропных форм;
- фосфор, для которого известны 11 аллотропных соединений;
- кислород, существующий в виде О2 (собственно, кислорода) и О3 (озона);
- железо, образующее четыре кристаллические модификации (α-Fe или феррит, β-Fe, γ-Fe или аустенит и δ-Fe);
- кремний, который может находиться как в аморфной, так и в кристаллической формах;
- азот, имеющий полимерную модификацию, в пять раз превышающую по мощности неядерные взрывчатые материалы.
Любое изменение может быть обратимым (т. е. при возвращении к нормальным условиям вещество переходит в свою стандартную форму), энантиотропным, или же необратимым, монотропным. К энантиотропным переходам относятся превращения серы из ромбической в моноклинную или же переход белого пластичного олова (бета-олова) в белое хрупкое (гамма-олово). Монотропное видоизменение происходит, например, при модификации белого фосфора в чёрный.
Аллотропия углерода
Углерод, как активный элемент с четырьмя свободными связями, способен образовывать два основных типа соединений: кристаллические — твёрдые и аморфные — мягкие или пластичные вещества. Высокое содержание аморфного углерода наблюдается в таких веществах, как различные виды угля (антрацит, ископаемый, древесный и активированный), техуглероде, саже, коксе и углеродной нанопене. Кристаллические формы углерода, в свою очередь, подразделяются по особенностям пространственного строения кристаллической решётки:
- тетраэдрические (sp-3 гибридизация);
- тригональные (sp-2 гибридизация);
- линейные (sp гибридизация).
Все аллотропные модификации углерода имеют существенные различия между собой начиная от способа их получения (например, естественный и искусственный), условий их формирования (температурные параметры и показатели давления) и заканчивая их применением.
Видоизмененные формы углерода
Основные критерии, указывающиеся в сводных таблицах примеров аллотропных модификаций, — это строение решётки, основные свойства (или так называемые полезные свойства, характеризующие ценность модификации для промышленности или науки) и отрасли применения материала.
| Название модификации | Строение решётки | Характеристика | Применение |
| Алмаз | Тетраэдрическая | Самое твёрдое вещество по шкале Мооса (10 баллов). Обладает высокой теплопроводностью, износостойкостью и модулем упругости. Способен к люминесценции | В качестве абразива, сдерживающего вещества в экспериментах с высоким давлением и в ювелирной промышленности |
| Лонсдейлит | Тетраэдрическая | 8 баллов по шкале Мооса. Прозрачен, индекс преломления составляет от 2,40 до 2,41 | В связи с чрезвычайной трудоёмкостью получения не имеет практического применения |
| Графит | Тригональная | Мягкий минерал, проводящий электричество. Не плавится, обладает химической активностью (реагирует с металлами, солями и кислородом) | Наиболее известен как материал для карандашного стержня, однако, также используется для изготовления электродов, плавильных тиглей, наполнителя для пластмасс и много другого |
| Графен | Тригональная | Двухмерная модификация углерода, представленная гексагональной кристаллической решёткой толщиной в 1 атом | Используется при создании транзисторов |
| Фуллерены | Тригональная | Состоят из молекул углерода в форме выпуклых многогранников | Применяются в лазерных технологиях, при получении искусственных алмазов и создании лекарств нового поколения |
| Наноалмазы | Тетраэдрическая | Наноструктуры с кристаллической решёткой по типу алмаза | В космической и медицинской отраслях промышленности |
| Карбин | Линейная | Мелкокристаллический порошок чёрного цвета со свойствами полупроводника. Кристаллическая решётка карбина состоит из множества линейных цепочек углерода, расположенных параллельно друг другу | Используется в фотоэлементах и в медицине для создания искусственных вен и артерий |
| Стеклоуглерод | Имеет аморфное строение | За счёт сложного, смешанного состава, характеризуется электропроводностью графита и твёрдостью, схожей с твёрдостью стекла. Устойчив к коррозии в агрессивных средах | Как материал для электродов и тиглей |
Исследование модификаций углерода позволяет не только получать конструкционные материалы с заданными свойствами, но и предсказывать возможность существования новых форм с уникальными характеристиками.
Так, например, одной из самых последних гипотез, стало предположение о получении Т-углерода, гораздо более легкого чем алмаз и обладающего 65% его твердости, что позволит использовать минерал в аэрокосмической отрасли.
Таким образом, в ближайшем будущем ожидается появление новых видоизмененных форм одного из самых распространенных элементов на земле. Однако уже известные его аллотропные модификациии, всё ещё будут использоваться в промышленности и науке за счёт особенностей своего строения, химических и физических свойств.
