Коли один елемент може існувати у вигляді кількох простих речовин з різними властивостями і характеристиками, це називається аллотропией, або поліморфізмом. У металів така здатність теж є. Деякі з них можуть змінювати свою структуру та якості під дією певних факторів, що іноді дуже корисно в промисловості та інших сферах. Про те, які метали володіють поліморфізмом і як це проявляється, ми і розповімо.
Різні форми одного
Алотропія – явище, при якому один хімічний елемент може утворювати кілька різновидів простих речовин. Вони можуть істотно відрізнятися один від одного за своїми фізичними і хімічними властивостями, але при цьому вони будуть складатися з атомів одне й того ж виду. Наприклад, графіт і алмаз зовсім не схожі: вони мають різний колір, твердість, структуру, але обидва складаються з атомів вуглецю.
Такі варіанти називаються аллотропными модифікаціями, а з’являються вони завдяки різного порядку розташування частинок в кристалічних решітках або різного будовою молекул. Так, молекула з двох атомів оксигена (О2) утворює просту речовину кисень, але якщо атомів оксигена в ній буде три (О3), то виникне речовина озон.
Поняття «алотропія» в наукову термінологію ввів Йенс Якоб Берцеліус в 1841 році, після того, як виявив, що винна і виноградна кислоти мають однаковий склад, але відрізняються властивостями. Сьогодні відомо більше 400 модифікацій, серед яких є як неметали, так і метали. Термін «алотропія» застосовують до всіх простим речовин, не прив’язуючись до їх агрегатним станом. Відносно твердих речовин, причому як простих, так і складних, вживається термін «поліморфізм».
Явище поліморфізму металів
Алотропія – це поширене явище, але воно характерно далеко не для всіх елементів. Здатність утворювати модифікації залежить від внутрішньої будови самого атома, і властива тим елементам, які змінюють свою валентність під дією зовнішніх умов.
У поліморфізм металів проявляється переважно під впливом температур. Якщо нагріти речовину до певного значення, іони і атоми в його кристалічній решітці почнуть перебудовуватися, змінюючи своє положення відносно один одного. В результаті речовина придбає інші властивості і перейде в іншу модифікацію.
Кожна нова форма позначається великою буквою грецького алфавіту, яка через дефіс приєднується до назви елемента. Чим нижча температура, при якій утворюється модифікація, тим раніше в алфавіті стоїть буква.
Поліморфізм металів знайшов широке застосування в промисловості. Нерідко це властивість речовин використовується для створення міцних сплавів. До аллотропии схили близько 30 металів. Температурна алотропія характерна для олова, заліза, урану, берилію, титану, кобальту. Цинк, сурма, цезій, ртуть, галій, літій і кадмій переходять в інші форми під дією тиску.
Залізо
Fe, або залізо – один з найпоширеніших елементів в земній корі. У таблиці Менделєєва він стоїть під 26-м номером. В якості простого речовини залізо є світлим пластичним металом з сильними магнітними властивостями. Воно часто застосовується в різних сферах життя, але в більшості випадків використовується у вигляді сплавів з вуглецем, хромом, нікелем, марганцем та іншими металами.
Поліморфізм заліза проявляється у чотирьох формах:
- Ферит (α-Fe) – до температури в 769 °C. Має объемноцентрированной кубічної гратами і ферромагнетическими властивостями.
- β-Fe – вище 769 °C. Має веде себе як парамагнетик і відрізняється від фериту тільки деякими параметрами кубічної гратки. Не завжди виділяється в окрему модифікацію і розглядається як α-Fe.
- Аустеніт (γ-Fe) – вище 917 °C. Має гранецентрованої кубічну решітку, гірше фериту проводить струм і тепло, веде себе як парамагнетик.
- δ-Fe – выше1394 °C. Объемноцетрированная кубічна решітка.
Олово
У періодичній таблиці олово, або Sn, стоїть під номером 50. Це легкий, блискучий, сріблясто-білий метал, який добре піддається плавленню і куванні. Поліморфізм металу також проявляється при різних температурних режимах:
- Сіре олово (α-Sn) – нижче 13,2 °С. Кубічна решітка алмазного типу, речовина існує у вигляді сірого порошку, проявляє себе як вузькозонний напівпровідник.
- Біле олово(β-Sn) – вище 13,2 °С. Звична форма олова єдина з усіх модифікацій має практичне застосування і використовується в промисловості. Володіє тетрагональної гратами, при згинанні видає характерний хрускіт. При охолодженні перетворюється в α-Sn, втрачаючи щільність і розсипаючись. Цей процес був названий «олов’яною чумою».
- (γ-Sn) – вище 161 °С. Має ромбічну сітку, характеризується підвищеною крихкістю і щільністю.
