Аллотропия: аллотропные модификации элементов
Аллотропия — существование одного элемента в виде нескольких простых веществ. Углерод образует алмаз, графит, карбин и фуллерены, кислород — O2 и озон O3, сера — ромбическую, моноклинную и пластическую, фосфор — белый, красный и чёрный, олово — белое и серое.
Аллотропные модификации: таблица
Такой модификации в таблице нет. В неё вошли аллотропные модификации из школьного курса химии.
| Модификация | Элемент | Строение | Свойства |
|---|---|---|---|
| Алмаз | углерод | атомная решётка, каждый атом C связан с четырьмя (sp³) | самое твёрдое природное вещество, прозрачный, не проводит ток |
| Графит | углерод | слои из шестиугольников (sp²), слабо связаны между собой | мягкий, серо-чёрный, жирный на ощупь, проводит ток |
| Карбин | углерод | линейные цепочки атомов C (sp) | чёрный порошок, полупроводник |
| Фуллерены | углерод | молекулы-сферы: C60, C70 | молекулярная решётка, растворяются в органических растворителях |
| Графен | углерод | один слой графита толщиной в атом | очень прочный, проводит ток и тепло |
| Кислород O2 | кислород | двухатомные молекулы | газ без цвета и запаха, нужен для дыхания и горения |
| Озон O3 | кислород | трёхатомные молекулы | голубоватый газ с резким запахом, сильный окислитель, ядовит |
| Ромбическая сера | сера | молекулы-кольца S8 | жёлтые кристаллы, устойчива при комнатной температуре |
| Моноклинная сера | сера | молекулы S8, иное расположение в кристалле | игольчатые кристаллы, устойчива от 95,5 до 119 °C |
| Пластическая сера | сера | длинные цепи атомов S | тянется как резина, получается быстрым охлаждением расплава |
| Белый фосфор | фосфор | молекулы P4, молекулярная решётка | ядовит, светится в темноте, самовоспламеняется, хранят под водой |
| Красный фосфор | фосфор | полимерные цепи | не ядовит, не светится, горит при поджигании (спичечный коробок) |
| Чёрный фосфор | фосфор | слоистая решётка | похож на графит, полупроводник, самый устойчивый |
| Белое олово (β) | олово | металлическая решётка | серебристый пластичный металл, устойчиво выше 13,2 °C |
| Серое олово (α) | олово | атомная решётка, как у алмаза | серый порошок, устойчиво ниже 13,2 °C |
Аморфный углерод (сажа, древесный уголь) обычно не считают отдельной модификацией: это мелкие неупорядоченные частицы графита. У железа при нагревании меняется кристаллическая решётка (α-, γ- и δ-железо) — это тоже аллотропия.
Как пользоваться таблицей?
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Углерод образует алмаз, графит, карбин и фуллерены, кислород — O2 и озон O3. Модификации различаются числом атомов в молекуле или строением кристалла, поэтому свойства у них разные. В таблице — 15 модификаций пяти элементов школьного курса со строением и свойствами.
Скачать PDFА4, 1 лист, 160 КБ: таблица для печати и QR-код на эту страницу
Причины аллотропии
| Причина | Пример |
|---|---|
| Разное число атомов в молекуле | кислород O2 и озон O3 |
| Разное строение кристаллической решётки | алмаз и графит; белое и серое олово; ромбическая и моноклинная сера |
| Молекулы и полимерные цепи | белый фосфор P4 и красный фосфор; ромбическая и пластическая сера |
Химический состав модификаций одинаков: при сгорании алмаза и графита получается один и тот же CO2, а озон разлагается до обычного кислорода.
Аллотропия или нет: примеры
| Пара | Аллотропия? | Почему |
|---|---|---|
| алмаз и графит | да | два простых вещества одного элемента |
| O2 и O3 | да | простые вещества кислорода разного состава |
| белый и красный фосфор | да | простые вещества фосфора разного строения |
| лёд и вода | нет | одно вещество в разных агрегатных состояниях |
| протий и дейтерий | нет | изотопы — атомы, а не простые вещества |
| CO и CO2 | нет | сложные вещества разного состава |
| бутан и изобутан | нет | изомеры — сложные вещества одного состава |
Аллотропия бывает только у простых веществ. Разные кристаллические формы сложного вещества, например кальцит и арагонит CaCO3, называют полиморфизмом.
Что такое аллотропия?
Аллотропия — явление, когда один химический элемент образует несколько простых веществ. Сами эти вещества называют аллотропными модификациями. Термин предложил шведский химик Й. Я. Берцелиус в 1841 году. Благодаря аллотропии простых веществ известно больше, чем химических элементов.
Модификации различаются составом молекул или строением кристалла, поэтому у них разные физические и нередко химические свойства. Алмаз и графит — один элемент, но первый режет стекло, а второй оставляет след на бумаге.
Почему алмаз и графит такие разные?
В алмазе каждый атом углерода прочно связан с четырьмя соседями, связи направлены во все стороны, и весь кристалл — единая жёсткая сетка. Отсюда твёрдость и отсутствие свободных электронов: алмаз не проводит ток.
В графите атомы соединены в плоские слои из шестиугольников, а между слоями связи слабые. Слои легко скользят — графит мягкий, им пишет карандаш. У каждого атома остаётся по электрону, который движется вдоль слоя, поэтому графит проводит ток. При давлении в десятки тысяч атмосфер и температуре выше 1500 °C графит превращают в искусственный алмаз.
Чем озон отличается от кислорода?
Озон образуется из кислорода при электрическом разряде и под ультрафиолетом: 3O2 → 2O3. Он пахнет после грозы и работы кварцевой лампы. Озоновый слой в стратосфере поглощает жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца.
Озон — окислитель сильнее кислорода. Он выделяет иод из раствора иодида калия: 2KI + O3 + H2O → I2 + 2KOH + O2, а кислород в таких условиях с иодидом почти не реагирует. Этой реакцией озон обнаруживают.
Белый и красный фосфор
Белый фосфор состоит из молекул P4, поэтому он легкоплавкий, летучий и очень активный: на воздухе медленно окисляется и светится в темноте, а при небольшом нагреве загорается. Он сильно ядовит.
При нагревании без доступа воздуха белый фосфор переходит в красный — полимерное вещество без запаха, не ядовитое и не светящееся. Красный фосфор загорается только при поджигании, его наносят на боковую поверхность спичечного коробка.
Проверь себя
Аллотропия: 5 вопросов, от простых к трудным. Отличить аллотропные модификации от изотопов, изомеров и агрегатных состояний и вспомнить их свойства.
Дальше — задание 4 по химии. Химическая связь и решётки — 22 задания с проверкой, без регистрации.
Задание дня ЕГЭ — каждый день одно новое: решить сегодняшнее · напоминание в Telegram раз в день
Как это спрашивают на ЕГЭ и ОГЭ?
Отдельного номера про аллотропию в ЕГЭ нет, но модификации встречаются в заданиях: тип решётки алмаза, графита и белого фосфора — в задании 4, простые вещества — в задании 5.
Потренироваться на заданиях
Таблица помогает найти ответ, тренажёр — научиться находить его самому. В кабинете НейроМиши задания ЕГЭ с проверкой и разбором ошибки. Начать можно без регистрации.
Вопросы и ответы
Какие элементы образуют аллотропные модификации?
В школьном курсе — углерод, кислород, сера, фосфор и олово. Аллотропные модификации есть и у железа, селена, кремния, бора, мышьяка. У многих металлов модификации отличаются только кристаллической решёткой при разной температуре.
Чем аллотропия отличается от изомерии?
Аллотропия — у простых веществ: алмаз и графит состоят только из углерода. Изомерия — у сложных веществ одного состава и разного строения, например бутан и изобутан C4H10.
Является ли лёд аллотропной модификацией воды?
Нет. Вода — сложное вещество, а аллотропия бывает только у простых. Лёд, жидкая вода и пар — одно вещество в разных агрегатных состояниях.
Почему озон и кислород — разные вещества?
У них разные молекулы: в кислороде два атома, в озоне три. Поэтому различаются и свойства: озон пахнет, имеет голубоватый цвет, ядовит и окисляет сильнее кислорода.
Источники
- ФИПИ: демоверсия, спецификация и кодификатор ЕГЭ 2027 по химии (проект) — простые вещества, строение вещества, задания 4 и 5 спецификации
- Н. Е. Кузьменко, В. В. Ерёмин, В. А. Попков. Начала химии (М.: Экзамен) — аллотропия углерода, кислорода, серы, фосфора и олова
- ФИПИ: демоверсии, спецификации, кодификаторы — официальная страница материалов ЕГЭ