Al·lotropia

L'al·lotropia és la facultat que tenen certs elements químics d'existir en dues o més formes en el mateix estat físic amb propietats físiques diferents i, en general, per algunes de llurs propietats químiques. Aquestes formes diferents són conegudes com a al·lòtrops.

Quan l’al·lotropia es manifesta només en estat sòlid, és un fenomen d’estructura originat per la diferent disposició dels àtoms en el cristall (cas del carboni en el diamant, grafit i grafè). Si es manifesta també en l'estat líquid i, sobretot, en el gasós, és motivada per l'existència d’espècies de diferent atomicitat, i les propietats químiques poden diferir aleshores notablement (cas de l'oxigen O₂ i de l'ozó O₃). Els al·lòtrops d’un mateix element són designats habitualment de maneres molt diverses (amb noms distints, mitjançant adjectius, etc.). La Unió Internacional de Química Pura i Aplicada (IUPAC) recomana, per als noms sistemàtics d’indicar les diferències d’atomicitat amb prefixos numerals, precedits eventualment dels prefixos ciclo o catena si cal precisar l'estructura molecular (trioxigen designa O₃, ciclooctasofre S₈, etc.) Si només l'estructura cristal·lina difereix, n'hi ha prou amb esmentar-la tal com ho fa en els altres casos de polimorfisme.^[1]

El terme «al·lotropia» està format a partir dels mots grecs ἀλλο- allo- 'altre, diferent' i τρόπος trópos 'mutació, canvi' i acabat amb el sufix -ía.^[2] És un concepte que fou introduït pel químic suec Jöns Jacob Berzelius (1779-1948) el 1841 en el transcurs d'una revisió de l'obra del físic alemany, Moritz Frankenheim, sobre la transició entre les formes vermella i groga del iodur de mercuri(II) i les formes monoclíniques i ròmbiques de sofre.^[3] Frankenheim havia descrit aquestes transformacions com a exemples d’isomeria, un terme que s’havia introduït feia uns anys per Berzelius per descriure substàncies que tenen idèntiques composicions, però propietats diferents.^[4]

Com observà l'alemany Julius Lothar Meyer (1830-1895) el 1888, amb l'acceptació de la hipòtesi d’Avogadro i la idea que els elements poden formen molècules poliatòmiques, és evident que les causes subjacents de l’al·lotropia tradicional en el cas dels elements i la isomeria i el polimerisme tradicionals en el cas dels compostos són un mateix fenomen. Meyer considerava que ha d'abandonar-se l'ús restringit tradicional del terme al·lòtrop (només elements) i s'ha d'acceptar l'ús ampliat que es troba a la literatura més antiga. El primer que ho defensà fou l'alemany Wilhelm Ostwald (1853-1932) el 1912 pel que fa al fenomen del polimorfisme, quan ell assenyalà que "realment no hi ha cap raó per fer aquesta distinció [entre polimorfisme i al·lotropisme], i és preferible deixar desaparèixer el segon nom menys comú". Tanmateix l'ús restringit del terme al·lotropia (només per a elements) és encara avalat per la IUPAC i encara s’utilitza a la majoria de llibres de text de química.^[4]

El pas d’un al·lòtrop a un altre no sempre és possible directament (cal, per exemple, canviar d’estat o fornir energia altra que la tèrmica). Segons la manera com té lloc la transició entre els al·lòtrops, l’al·lotropia és enantiotròpica, monotròpica o dinàmica. (Alguns casos com el de l’oxigen, no entren en cap d’aquestes categories).

En l'al·lotropia enantiotròpica, o enantiotropia, la transició entre dos al·lòtrops és reversible: L'equilibri és monovariant i es desplaça segons el principi de Le Chatelier; a cada valor de la pressió correspon una temperatura de transició, per sobre o per sota la qual només una forma és estable. Un exemple és el cas de l'estany que es presenta en tres formes (α, β i γ), les quals temperatures de transició:^[5]

$${\displaystyle {\ce {\alpha-Sn ->[286,4 K] \beta-Sn ->[434,2 K] \gamma-Sn ->[505,2 K] Sn(l)}}}$$

Aquestes fases presenten diferències en les seves propietats físiques i químiques. Així, la forma α, coneguda com a «estany gris» o «pesta de l'estany» és la responsable de fer trencadisses les peces d'estany, per exemple els tubs dels òrguens. La forma β s'anomena «estany blanc» i no és trencadís.

En l'al·lotropia monotròpica, un dels al·lòtrops és inestable a totes les temperatures i per tant la transició és irreversible. L'estable es fon abans d’atènyer la temperatura de transició. És el cas del fòsfor blanc i el vermell, ja que només el fòsfor vermell és estable i el canvi de la forma inestable (fòsfor blanc) a la forma estable és irreversible.^[6] L’al·lòtrop inestable ha de ser obtingut fent cristal·litzar el líquid sobrefós o passant per la fase vapor.^[1]

L'al·lotropia dinàmica correspon al cas de solubilitat mútua dels al·lòtrops, que formem una fase homogènia. Hi ha reversibilitat, però cap punt de transició definit, ja que el sistema és divariant i les proporcions dels al·lòtrops depenen de la temperatura. Per exemple el sofre quan es fon dona lloc a un líquid de color groc pàl·lid, s'anomena forma λ. Si es deixa refredar pren coloració cada vegada més fosca i el líquid també torna més viscós, és la forma μ. Aquest són els dos al·lòtrops del sofre líquid que es troben en equilibri.^[7]

No metallés i metal·loides

Metals

Entre els elements metàl·lics d'origen natural (fins a U, sense Tc i Pm), 28 estan en condicions d'ambient de pressió al·lotròpics: Li, Be, Na, Ca, Sr, Ti, Mn, Fe, Co, I, Zr, Sn, La, Ce, Pr, Nd, (Pm), Sm, Gd, Tb, Dy, Yb, Hf, Tl, Po, Th, Pa, U. Considerant només la tecnologia pertinent, sis metalls són al·lòtrops:

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Al·lotropia

• Polimorfisme