Gli allotropi sono forme di un elemento chimico che differiscono a livello molecolare o nel modo in cui gli atomi sono organizzati in molecole. Molti elementi si trovano in diversi allotropi, tra cui carbonio, ossigeno, fosforo e zolfo. Queste diverse forme possono differire notevolmente nelle loro proprietà fisiche, come colore, durezza e conduttività elettrica, e nella loro reattività chimica. Esistono vari modi in cui un allotropo può essere convertito in un altro, incluso il riscaldamento e il raffreddamento, l’alta pressione o persino l’esposizione alla luce. Un allotropo non deve essere confuso con un isotopo, che differisce a livello atomico, piuttosto che molecolare.
Esistono due tipi di allotropo. Il tipo enantiotropico può subire un cambiamento reversibile in un altro allotropo in determinate condizioni, come temperatura o pressione diverse. Ad esempio, esiste una forma dell’elemento stagno che è stabile al di sotto di 55.4 ° F (13 ° C) e un’altra che è stabile al di sopra di questa temperatura: è possibile convertire l’uno nell’altro e viceversa alzando o abbassando la temperatura. Monotropico significa che una forma è la più stabile e non può essere facilmente convertita in e da un’altra forma; alcuni esempi sono la forma grafite del carbonio e la forma più comune di ossigeno (O2), in contrapposizione all’ozono meno stabile (O3).
Carbonio
Il carbonio è l’elemento con il maggior numero di allotropi, sebbene – a partire dal 2013 – il numero preciso non sia chiaro in quanto alcuni sono stati contestati. Le varie forme accettate sono radicalmente diverse l’una dall’altra, vanno dal morbido al duro, dall’opaco al trasparente, dall’abrasivo al liscio, e mostrano molte altre variazioni e contrasti. La capacità di questo elemento di assumere così tante forme diverse deriva dal fatto che un atomo di carbonio può formare quattro singoli legami con altri atomi. Può anche formare legami doppi e talvolta tripli. Ciò consente una grande varietà nei tipi di strutture molecolari e cristalline possibili.
Il carbonio amorfo è la forma più comune ed è familiare a quasi tutti come carbone, carbone e fuliggine. Questo allotropo nero e opaco non è cristallino e gli atomi non formano strutture regolari. Il carbone è infatti una forma piuttosto impura in quanto il 10% o più è costituito da altri elementi.
La grafite è il materiale che forma la “mina” nelle matite. Consiste di fogli di atomi di carbonio disposti in esagoni bidimensionali collegati. I fogli scivolano l’uno sull’altro facilmente, motivo per cui può essere utilizzato per scrivere su carta. Sebbene il carbonio sia un non metallo, questo allotropo ha un aspetto leggermente metallico e conduce elettricità.
Il diamante è un tipo cristallino di carbonio in cui ogni atomo ha quattro singoli legami che lo uniscono ad altri atomi, formando tetraedri collegati. Si forma naturalmente nelle profondità della Terra, ad alte temperature e pressioni molto elevate. Sebbene siano estremamente duri, a causa della loro struttura e della forza dei legami che tengono insieme gli atomi, i diamanti non sono per sempre: la struttura non è completamente stabile a pressione e temperatura normali e si converte molto lentamente in grafite. Il cambiamento, tuttavia, è così lento che non è percepibile sui tempi umani. I diamanti possono anche essere creati artificialmente dalla grafite ad alta temperatura e pressione.
Un altro allotropo cristallino è il minerale lonsdaleite. Assomiglia al diamante e si pensa sia stato creato, in piccole quantità, dall’impatto di meteoriti. La pressione creata converte la grafite in una forma tridimensionale che mantiene la struttura esagonale, producendo un materiale duro e cristallino.
Tra le forme più affascinanti di carbonio ci sono i fullereni. Queste sono strutture vuote e tridimensionali con pareti costituite da disposizioni di atomi in esagoni, pentagoni e talvolta altre forme. Uno dei più conosciuti è il “buckyball”, o più correttamente, buckminsterfullerene: 60 atomi di carbonio che formano una sfera cava, nota anche come C60. Sono possibili anche sfere più grandi, con un numero maggiore di atomi di carbonio. I buckyball possono essere fabbricati, ma si trovano anche in natura e sono stati trovati sulla Terra nella fuliggine e nello spazio.
I nanotubi sono un’altra forma ben nota di fullerene. Questi sono costituiti da minuscoli cilindri le cui pareti hanno una struttura simile a quelle dei buckyball. Possono essere lunghi fino a diversi millimetri e possono essere aperti o chiusi alle estremità. I nanotubi hanno un rapporto resistenza-peso estremamente elevato e sono anche buoni conduttori elettrici; si pensa che possano avere molte importanti applicazioni tecnologiche, soprattutto nel mondo delle nanotecnologie.
La nanoschiuma di carbonio è un allotropo sintetico costituito da atomi collegati in una struttura simile a una rete. È uno dei materiali più leggeri conosciuti, grazie alla sua densità estremamente bassa, ed è solo poche volte più pesante dell’aria. Insolitamente, è ferromagnetico, attratto dai magneti, ed è anche un semiconduttore.
Ossigeno
L’ossigeno nell’aria che le persone respirano è costituito da molecole contenenti due atomi di ossigeno – O2. Gli atomi di questo elemento possono formare legami singoli con altri due atomi o un doppio legame tra loro. La forma normale dell’ossigeno ha un doppio legame tra i due atomi, ma può esistere anche in una molecola contenente tre atomi, ciascuno unito da singoli legami ad altri due. Questa forma è nota come ozono (O3).
L’ozono è meno stabile e molto più reattivo dell’O2 e, nella sua forma pura, è un grave pericolo di incendio. È anche tossico, in quanto danneggia i polmoni se inalato. L’ozono può essere prodotto dalle reazioni dei gas prodotti dallo scarico del motore sotto l’influenza della luce solare e può diventare un grave inquinante nelle aree urbane. Viene prodotto anche nell’alta atmosfera dall’interazione dell’O2 e della luce ultravioletta del Sole, formando lo “strato di ozono” che protegge la vita sulla superficie terrestre dalle forme più dannose di luce ultravioletta.
Fosforo
Questo è un altro elemento con diversi allotropi fortemente contrastanti. Quando viene isolato per la prima volta dai suoi composti, appare come fosforo bianco. Questa forma è composta da tetraedri di quattro atomi; è molto reattivo, altamente tossico e si illumina al buio a temperatura ambiente, a causa di una lenta reazione con l’ossigeno nell’aria. Riscaldandolo per qualche tempo in un contenitore sigillato, può essere convertito in fosforo rosso, una forma molto meno reattiva, non tossica in cui i tetraedri sono legati tra loro in catene. Una terza forma, il fosforo nero, può essere ottenuta riscaldando la forma bianca ad alta pressione: ha i suoi atomi disposti in esagoni che formano fogli, proprio come la grafite.