Alotropia to występowanie tego samego pierwiastka chemicznego w różnej postaci w tej samej temperaturze. Przechodzenie odmian alotropowych w siebie nawzajem jest możliwe i stanowi przemianę fazową. Odmiany alotropowe przede wszystkim różnią się miedzy sobą strukturą kryształu.
Alotropia węgla
Najbardziej znanym pierwiastkiem występującym w różnych odmianach alotropowych jest węgiel. Występuje on w postaci diamentu, grafitu, grafenu i fullerenu.
Diament
W stanie czystym diament tworzy twarde bezbarwne kryształy, nie przewodzi prądu elektrycznego oraz silnie łamie światło. W obecności zanieczyszczeń kryształy diamentu przybierają barwy żółte, czerwone, brunatne, niebieskie lub fioletowe, a nawet czarne (karbonado). Oszlifowane diamenty nazywają się brylantami i są używane do celów jubilerskich. Większość wydobywanych diamentów stosowanych jest jako tworzywo utwardzające np.: narzędzia do cięcia, szlifowania, ostrzy świdrów itp.
Diament ogrzewany bez dostępu powietrza przechodzi w grafit, nie jest jednak możliwe proste przejście grafitu w diament. Przemiana taka zrealizowana została dopiero w 1955 r. Jest ona możliwa w obecności pewnych metali i ich soli już w temperaturze 1500-2700K pod ciśnieniem 6-12GPa. Tak wyprodukowane diamenty nadają się jednak tylko do celów przemysłowych.
Wyjątkowa twardość diamentu wynika ze struktury przestrzennej, atomy węgla występują w hybrydyzacji \(sp^3 Diament\), wiązania takie są bardzo mocne. Diament stanowi substancje bardzo mało aktywną, nie ulega działaniu kwasów i zasad, reaguje z saletrą i stopionym węglanem sodu.
Żółty diament |
Grafit
Jest to czarno-szare ciało dobrze przewodzące prąd i ciepło, miękkie, o słabym połysku.
Węgiel w graficie występuje w hybrydyzacji \(sp^2\). Taka hybrydyzacja wymusza powstanie niezhybrydyzowwanego orbitalu pz o jednym elektronie walencyjnym, to właśnie obecność tego elektronu jest odpowiedzialna za przewodnictwo prądu. Słabe powiązanie warstw w graficie skutkuje jego dobrą łupliwością.
Zastosowanie grafitu jest znacznie szersze niż wyrób ołówków, wykorzystuje się go do wyrobu elektrod jako dodatek do smarów, z dodatkiem gliny służy do wyrobu tygli oraz jako moderator w reaktorach jądrowych. Grafit jest substancją aktywniejszą niż diament, jednak pozostaje mało aktywny chemicznie.
Grafit |
Alotropia siarki
Siarka jest pierwiastkiem, który posiada prawdopodobnie najwięcej odmian alotropowych, spośród wszystkich pierwiastków. Do tej pory opisano ok. 30 form. W temperaturze pokojowej w formie trwałej występuje siarka rombowa, po ogrzaniu przechodzi ona w siarkę jednoskośną. Odmiany te różnią się między sobą sposobem ułożenia cząsteczek. Występuje także przypominająca kauczuk, plastyczna i ciągliwa siarka plastyczna.