Allotroopit ovat kemiallisen alkuaineen muotoja, jotka eroavat toisistaan molekyylitasolla tai tavasta, jolla atomit on järjestetty molekyyleiksi. Monet alkuaineet esiintyvät eri allotroopeissa, muun muassa hiili, happi, fosfori ja rikki. Nämä eri muodot voivat vaihdella suuresti fyysisiltä ominaisuuksiltaan, kuten väriltään, kovuudeltaan ja sähkönjohtavuudeltaan sekä kemialliselta reaktiivisuudeltaan. On olemassa useita tapoja, joilla yksi allotrooppi voidaan muuntaa toiseksi, mukaan lukien lämmitys ja jäähdytys, korkea paine tai jopa altistuminen valolle. Allotrooppia ei pidä sekoittaa isotooppiin, joka eroaa atomitasolla eikä molekyylitasolla.
Allotrooppia on kahta tyyppiä. Enantiotrooppinen tyyppi voi muuttua palautuvasti toiseksi allotroopiksi tietyissä olosuhteissa, kuten eri lämpötilassa tai paineessa. Esimerkiksi on olemassa elementti tina, joka on stabiili alle 55.4 ° C (13 ° F), ja toinen, joka on stabiili tämän lämpötilan yläpuolella – on mahdollista muuttaa yksi toiseksi ja takaisin nostamalla tai laskemalla lämpötila. Monotrooppinen tarkoittaa, että yksi muoto on vakain eikä sitä voi helposti muuntaa toiseen muotoon ja siitä pois; joitakin esimerkkejä ovat hiilen grafiittimuoto ja yleisin hapen (O2) muoto, toisin kuin vähemmän vakaa otsoni (O3).
Hiili
Hiili on elementti, jossa on eniten allotroopeja, vaikka – vuodesta 2013 lähtien – tarkka määrä ei ole selvä, koska jotkut on kiistetty. Eri hyväksytyt muodot eroavat toisistaan radikaalisti, ja ne vaihtelevat pehmeästä kovaan, läpinäkymättömästä läpinäkyvään, hiovasta sileään ja sisältävät monia muita muunnelmia ja kontrasteja. Tämän elementin kyky ottaa niin monia eri muotoja johtuu siitä, että hiiliatomi voi muodostaa neljä yksittäistä sidosta muihin atomeihin. Se voi myös muodostaa kaksinkertaisia ja toisinaan kolminkertaisia sidoksia. Tämä mahdollistaa suuren valikoiman mahdollisia molekyyli- ja kiteisiä rakenteita.
Amorfinen hiili on yleisin muoto ja se on tuttu lähes kaikille hiileksi, hiileksi ja nokiksi. Tämä musta, läpinäkymätön allotrooppi ei ole kiteinen, eikä atomit muodosta mitään säännöllisiä rakenteita. Hiili on itse asiassa melko epäpuhdas muoto, koska 10% tai enemmän koostuu muista aineista.
Grafiitti on materiaali, joka muodostaa lyijyn lyijykynissä. Se koostuu hiiliatomilevyistä, jotka on järjestetty toisiinsa liittyviksi kaksiulotteisiksi kuusikulmioiksi. Arkit liukuvat helposti pois toisiltaan, minkä vuoksi niitä voidaan käyttää paperille kirjoittamiseen. Vaikka hiili on ei-metallia, tämä allotrooppi on hieman metallinen ja johtaa sähköä.
Timantti on kiteinen hiilityyppi, jossa jokaisella atomilla on neljä yksittäistä sidosta, jotka yhdistävät sen muihin atomeihin muodostaen kytkettyjä tetraedrejä. Se muodostuu luonnollisesti maan syvälle korkeissa lämpötiloissa ja erittäin korkeissa paineissa. Vaikka ne ovat erittäin kovia, timantit eivät ole ikuisesti rakenteensa ja atomiensa yhteen sitovien sidosten lujuuden vuoksi: rakenne ei ole täysin vakaa normaalissa paineessa ja lämpötilassa, ja se muuttuu hyvin hitaasti grafiitiksi. Muutos on kuitenkin niin hidas, että se ei ole havaittavissa ihmisen aikakaudella. Timantteja voidaan myös luoda keinotekoisesti grafiitista korkeassa lämpötilassa ja paineessa.
Toinen kiteinen allotrooppi on mineraali lonsdaleite. Se muistuttaa timanttia ja sen uskotaan syntyvän pieninä määrinä meteoriittien vaikutuksesta. Luotu paine muuttaa grafiitin kolmiulotteiseksi muotoksi, joka säilyttää kuusikulmaisen rakenteen ja tuottaa kovaa, kiteistä materiaalia.
Fullereenit ovat kiehtovimpia hiilen muotoja. Nämä ovat onttoja, kolmiulotteisia rakenteita, joiden seinät koostuvat atomien järjestelyistä kuusikulmioiksi, viisikulmioiksi ja joskus muiksi muodoiksi. Yksi tunnetuimmista on “buckyball” tai oikeammin buckminsterfullerene: 60 hiiliatomia, jotka muodostavat onton pallon, joka tunnetaan myös nimellä C60. Suuremmat pallot ovat myös mahdollisia, ja niissä on enemmän hiiliatomeja. Buckyballeja voidaan valmistaa, mutta niitä voi esiintyä myös luonnossa, ja niitä on löydetty maapallosta noessa ja avaruudessa.
Nanoputket ovat toinen tunnettu fullereenimuoto. Nämä koostuvat pienistä sylintereistä, joiden seinien rakenne on samanlainen kuin buckyballien. Ne voivat olla jopa useita millimetrejä pitkiä ja olla auki tai kiinni päistä. Nanoputkien lujuus-painosuhde on erittäin korkea, ja ne ovat myös hyviä sähköjohtimia; uskotaan, että niillä voi olla monia tärkeitä teknologisia sovelluksia erityisesti nanoteknologian maailmassa.
Hiilinanopohja on synteettinen allotrooppi, joka koostuu atomeista, jotka on yhdistetty verkkomaiseen rakenteeseen. Se on yksi kevyimmistä tunnetuista materiaaleista, koska se on erittäin alhainen, ja se on vain muutaman kerran raskaampi kuin ilma. Se on epätavallisesti ferromagneettista – vetää puoleensa magneetteja – ja on myös puolijohde.
Happi
Ihmisten hengittämässä ilmassa oleva happi koostuu molekyyleistä, jotka sisältävät kaksi happiatomia – O2. Tämän elementin atomit voivat muodostaa yksittäisiä sidoksia kahden muun atomin kanssa tai kaksoissidoksen toisen kanssa. Normaalissa hapen muodossa on kaksoissidos kahden atomin välillä, mutta se voi esiintyä myös molekyylissä, joka sisältää kolme atomia, joista jokainen on yhdistetty yksittäisiin sidoksiin kahteen muuhun. Tämä muoto tunnetaan otsonina (O3).
Otsoni on vähemmän vakaa ja paljon reaktiivisempi kuin O2, ja puhtaassa muodossaan se on vakava palovaara. Se on myös myrkyllistä, koska se vahingoittaa keuhkoja hengitettynä. Otsonia voi muodostua moottorin pakokaasujen reaktioista auringonvalon vaikutuksesta, ja siitä voi tulla vakava epäpuhtaus kaupunkialueilla. Sitä tuotetaan myös ilmakehän yläosassa O2: n ja auringon ultraviolettivalon vuorovaikutuksessa muodostaen “otsonikerroksen”, joka suojaa maapallon elämää kaikkein haitallisimmilta ultraviolettivalon muodoilta.
Fosfori
Tämä on toinen elementti, jossa on useita voimakkaasti vastakkaisia allotroopeja. Kun se ensin eristetään yhdisteistään, se näyttää valkoiselta fosforilta. Tämä muoto koostuu neljän atomin tetraedreista; se on erittäin reaktiivinen, erittäin myrkyllinen ja hehkuu pimeässä huoneenlämmössä johtuen hitaasta reaktiosta ilman hapen kanssa. Kuumentamalla sitä jonkin aikaa suljetussa astiassa, se voidaan muuntaa punaiseksi fosforiksi, joka on paljon vähemmän reaktiivinen, myrkytön muoto, jossa tetraedrit on kytketty toisiinsa ketjuiksi. Kolmas muoto, musta fosfori, voidaan saada kuumentamalla valkoista muotoa korkeassa paineessa – sen atomit on järjestetty kuusikulmioiksi, jotka muodostavat arkkia, aivan kuten grafiitti.