Розбираємося, що таке алотропія та алотропні модифікації. Поговоримо про кисень і озон, алмаз і графіт, а також побачимо, як склад молекул, хімічні зв’язки й просторова будова впливають на властивості речовини. Як один і той самий хімічний елемент може утворювати різні речовини? 🔷 Чому кисень O₂ і озон O₃ складаються з Оксигену, але мають різні властивості? І як атоми Карбону можуть утворити і надзвичайно твердий алмаз, і м’який графіт?
Кисень O₂ необхідний нам для дихання. А озон O₃ має зовсім інші властивості й у підвищених концентраціях є шкідливим. При цьому і кисень, і озон утворені атомами одного й того самого хімічного елемента — Оксигену. Як таке можливо?
Ми вже знаємо, що хімічний елемент і проста речовина — не одне й те саме. І зараз побачимо один із найяскравіших доказів цього. Один хімічний елемент іноді може утворювати кілька різних простих речовин. Це явище називається алотропією, а самі прості речовини — алотропними модифікаціями цього елемента.
Однакові атоми — різні речовини
На перший погляд це здається дивним. Якщо речовини утворені атомами одного хімічного елемента, чому їхні властивості можуть настільки відрізнятися? Причин може бути кілька. По-перше, атоми можуть утворювати молекули різного складу.
Наприклад, O₂ — кисень, а O₃ — озон. В обох випадках маємо лише атоми Оксигену, але кількість атомів у молекулі та її будова різні. По-друге, однакові атоми можуть по-різному сполучатися між собою і по-різному розташовуватися у просторі. Тоді виникають різні структури — а разом із ними й різні властивості.
Саме це ми бачимо на прикладі алмазу та графіту. Отже, головна ідея алотропії досить проста: один хімічний елемент може утворювати різні прості речовини. При цьому сам тип атомів не змінюється. Змінюється те, як ці атоми організовані в речовині.
Кисень і озон
Розгляньмо Оксиген детальніше. Звичайний кисень складається з двоатомних молекул O₂. За кімнатної температури це безбарвний газ без запаху. Кисень бере участь у диханні та підтримує горіння.
Але атоми Оксигену можуть утворити й іншу просту речовину — озон O₃. У його молекулі вже три атоми Оксигену. І ця, здавалося б, невелика зміна суттєво впливає на властивості речовини. Озон має характерний різкий запах і є сильнішим окисником, ніж молекулярний кисень O₂.
Біля поверхні Землі підвищені концентрації озону шкідливі: він подразнює дихальні шляхи та може пошкоджувати живі тканини. А високо у стратосфері той самий озон виконує надзвичайно важливу функцію. Він поглинає значну частину небезпечного ультрафіолетового випромінювання Сонця. Ті самі атоми Оксигену — але дві різні речовини з різними властивостями.
Алмаз і графіт
Інший механізм алотропії добре видно на прикладі Карбону. І алмаз, і графіт складаються лише з атомів Карбону. Але в алмазі атоми утворюють жорстку тривимірну ковалентну сітку, а в графіті — шарувату структуру. Через це їхні властивості разюче відрізняються.
Алмаз надзвичайно твердий і практично не проводить електричний струм. Графіт значно м’якший, легко залишає слід на папері й проводить електричний струм. Тобто навіть однаковий елементний склад не гарантує однакових властивостей. Величезне значення має будова речовини.
Карбон може утворювати й інші структури
Насправді структурне різноманіття Карбону ще більше. Його атоми здатні утворювати фулерени — замкнені молекули, що нагадують порожнисті каркаси. Один із найвідоміших — C₆₀. Його молекула складається з 60 атомів Карбону й за формою нагадує футбольний м’яч.
Є також графен — шар атомів Карбону завтовшки лише в один атом. А ще існують вуглецеві нанотрубки — структури, які спрощено можна уявити як графенові листи, згорнуті у трубки. Через особливості будови такі вуглецеві структури можуть мати незвичайні механічні, електричні та теплові властивості. Їх активно досліджують для створення нових матеріалів і технологій.
Один хімічний елемент — а можливостей організації його атомів надзвичайно багато. І щоразу зміна структури може суттєво змінювати властивості матеріалу. Саме тому Карбон є одним із найяскравіших прикладів того, наскільки важливою в хімії є будова речовини. Але подібні явища властиві не лише йому.
Чому одна форма може перетворюватися на іншу?
Алотропні модифікації не обов’язково назавжди залишаються незмінними. За певних умов одна структура може переходити в іншу. Причина в тому, що за різних температур і тисків стійкішими можуть бути різні структури. Тому нагрівання, охолодження або зміна тиску іноді приводять до перебудови речовини.
Але під час такого перетворення самі атоми не перетворюються на атоми іншого хімічного елемента. Карбон залишається Карбоном, Оксиген — Оксигеном, Фосфор — Фосфором. Змінюється спосіб організації атомів у речовині. І саме тут особливо добре видно різницю між поняттями «хімічний елемент» і «проста речовина».
Хімічний елемент визначається зарядом ядра його атомів — тобто кількістю протонів. Наприклад, Оксиген залишається Оксигеном, доки ядро його атома містить 8 протонів. Але атоми Оксигену можуть утворити різні прості речовини — O₂ та O₃. Тому один хімічний елемент не обов’язково означає одну просту речовину.
Склад — це ще не все
Отже, алотропія демонструє одну з фундаментальних закономірностей хімії: властивості речовини залежать не лише від її складу, а й від будови. Тому, щоб зрозуміти речовину, недостатньо запитати: «З яких атомів вона складається?» Потрібно поставити ще одне запитання: «Як ці атоми сполучені та розташовані?»
Оксиген може утворити O₂ і O₃. Карбон — алмаз і графіт. Фосфор — кілька простих речовин із дуже різними властивостями. Один хімічний елемент — але різна організація атомів і, як наслідок, різні речовини.
Але алотропія — не єдина причина, через яку властивості речовин можуть не відповідати нашим простим очікуванням. Ртуть є металом, але за кімнатної температури залишається рідкою. Графіт проводить електричний струм, хоча Карбон — неметал, а алмаз надзвичайно твердий, хоча також є простою речовиною неметалу. За кожним таким «винятком» насправді стоїть конкретна причина.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Шкільна хімія“.