Allotrope sind Formen eines chemischen Elements, die sich auf molekularer Ebene oder in der Anordnung der Atome zu Molekülen unterscheiden. Viele Elemente kommen in verschiedenen Allotropen vor, darunter Kohlenstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel. Diese verschiedenen Formen können sich in ihren physikalischen Eigenschaften wie Farbe, Härte und elektrischer Leitfähigkeit sowie in ihrer chemischen Reaktivität stark unterscheiden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein Allotrop in ein anderes umzuwandeln, unter anderem durch Erhitzen und Abkühlen, Hochdruck oder sogar Lichteinwirkung. Ein Allotrop sollte nicht mit einem Isotop verwechselt werden, das sich eher auf atomarer als auf molekularer Ebene unterscheidet.
Es gibt zwei Arten von Allotropen. Der enantiotrope Typ kann unter bestimmten Bedingungen, wie beispielsweise einer anderen Temperatur oder einem anderen Druck, eine reversible Umwandlung in ein anderes Allotrop eingehen. Zum Beispiel gibt es eine Form des Elements Zinn, die unter 55.4 °C stabil ist, und eine andere, die über dieser Temperatur stabil ist – es ist möglich, das eine in das andere umzuwandeln und durch Erhöhen oder Absenken wieder zurück die Temperatur. Monotrop bedeutet, dass eine Form die stabilste ist und sich nicht leicht in eine andere Form umwandeln lässt; einige Beispiele sind die Graphitform von Kohlenstoff und die häufigste Form von Sauerstoff (O13) im Gegensatz zum weniger stabilen Ozon (O2).
Kohlenstoff
Kohlenstoff ist das Element mit der größten Anzahl an Allotropen, obwohl die genaue Zahl (Stand 2013) nicht klar ist, da einige umstritten sind. Die verschiedenen akzeptierten Formen unterscheiden sich radikal voneinander, reichen von weich bis hart, opak bis transparent, abrasiv bis glatt und weisen viele weitere Variationen und Kontraste auf. Die Fähigkeit dieses Elements, so viele verschiedene Formen anzunehmen, beruht auf der Tatsache, dass ein Kohlenstoffatom vier Einfachbindungen zu anderen Atomen eingehen kann. Es kann auch Doppel- und gelegentlich Dreifachbindungen bilden. Dies ermöglicht eine große Vielfalt an möglichen Arten von molekularen und kristallinen Strukturen.
Amorpher Kohlenstoff ist die häufigste Form und ist fast jedem als Kohle, Holzkohle und Ruß bekannt. Dieses schwarze, opake Allotrop ist nicht kristallin und die Atome bilden keine regelmäßigen Strukturen. Kohle ist in der Tat eine ziemlich unreine Form, da 10 % oder mehr aus anderen Elementen bestehen.
Graphit ist das Material, das bei Bleistiften die „Mine“ bildet. Es besteht aus Schichten von Kohlenstoffatomen, die zu verbundenen zweidimensionalen Sechsecken angeordnet sind. Die Blätter gleiten leicht voneinander ab, weshalb man damit auf Papier schreiben kann. Obwohl Kohlenstoff ein Nichtmetall ist, hat dieses Allotrop ein leicht metallisches Aussehen und leitet Elektrizität.
Diamant ist eine kristalline Kohlenstoffart, bei der jedes Atom vier Einfachbindungen hat, die es mit anderen Atomen verbinden, wodurch verbundene Tetraeder gebildet werden. Es bildet sich natürlich tief in der Erde, bei hohen Temperaturen und sehr hohem Druck. Obwohl sie extrem hart sind, sind Diamanten aufgrund ihrer Struktur und der Stärke der Bindungen, die die Atome zusammenhalten, nicht ewig: Die Struktur ist bei normalem Druck und normaler Temperatur nicht vollständig stabil und wandelt sich sehr langsam in Graphit um. Die Veränderung ist jedoch so langsam, dass sie auf menschlichen Zeitskalen nicht wahrnehmbar ist. Diamanten können auch bei hoher Temperatur und hohem Druck künstlich aus Graphit hergestellt werden.
Ein weiteres kristallines Allotrop ist das Mineral Lonsdaleit. Es ähnelt einem Diamanten und soll in kleinen Mengen durch den Einschlag von Meteoriten entstanden sein. Der erzeugte Druck wandelt Graphit in eine dreidimensionale Form um, die die hexagonale Struktur beibehält, wodurch ein hartes, kristallines Material entsteht.
Zu den faszinierendsten Formen von Kohlenstoff zählen die Fullerene. Dies sind hohle, dreidimensionale Strukturen mit Wänden, die aus Anordnungen von Atomen in Sechsecken, Fünfecken und manchmal anderen Formen bestehen. Eines der bekanntesten ist das „Buckyball“, oder besser Buckminsterfulleren: 60 Kohlenstoffatome, die eine Hohlkugel bilden, auch bekannt als C60. Es sind auch größere Kugeln mit einer größeren Anzahl von Kohlenstoffatomen möglich. Buckyballs können hergestellt werden, kommen aber auch natürlich vor und wurden auf der Erde in Ruß und im Weltraum gefunden.
Nanotubes sind eine weitere bekannte Form von Fullerenen. Diese bestehen aus winzigen Zylindern, deren Wände eine ähnliche Struktur wie bei Buckyballs haben. Sie können bis zu mehreren Millimeter lang sein und an den Enden offen oder geschlossen sein. Nanotubes haben ein extrem hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und sind auch gute elektrische Leiter; Es wird angenommen, dass sie viele wichtige technologische Anwendungen haben könnten, insbesondere in der Welt der Nanotechnologie.
Kohlenstoff-Nanoschaum ist ein synthetisches Allotrop, das aus Atomen besteht, die in einer netzartigen Struktur verbunden sind. Es gehört aufgrund seiner extrem geringen Dichte zu den leichtesten bekannten Materialien und ist nur um ein Vielfaches schwerer als Luft. Ungewöhnlicherweise ist es ferromagnetisch – wird von Magneten angezogen – und ist auch ein Halbleiter.
Sauerstoff
Der Sauerstoff in der Atemluft besteht aus Molekülen, die zwei Sauerstoffatome enthalten – O2. Atome dieses Elements können mit zwei anderen Atomen Einfachbindungen oder miteinander eine Doppelbindung eingehen. Die normale Form von Sauerstoff hat eine Doppelbindung zwischen den beiden Atomen, kann aber auch in einem Molekül mit drei Atomen vorkommen, die jeweils durch Einfachbindungen mit zwei anderen verbunden sind. Diese Form wird als Ozon (O3) bezeichnet.
Ozon ist weniger stabil und viel reaktiver als O2 und stellt in seiner reinen Form eine ernsthafte Brandgefahr dar. Es ist auch giftig, da es beim Einatmen die Lunge schädigt. Ozon kann durch die Reaktion von Gasen aus Motorabgasen unter dem Einfluss von Sonnenlicht entstehen und in städtischen Gebieten zu einem ernsthaften Schadstoff werden. Es wird auch in der oberen Atmosphäre durch die Wechselwirkung von O2 und ultraviolettem Licht der Sonne produziert und bildet die „Ozonschicht“, die das Leben auf der Erdoberfläche vor den schädlichsten Formen des ultravioletten Lichts schützt.
Phosphor
Dies ist ein weiteres Element mit mehreren stark kontrastierenden Allotropen. Wenn es zum ersten Mal aus seinen Verbindungen isoliert wird, erscheint es als weißer Phosphor. Diese Form besteht aus Tetraedern von vier Atomen; es ist sehr reaktiv, hochgiftig und leuchtet bei Raumtemperatur aufgrund einer langsamen Reaktion mit dem Luftsauerstoff im Dunkeln. Durch längeres Erhitzen in einem verschlossenen Behälter kann es in roten Phosphor umgewandelt werden, eine viel weniger reaktive, ungiftige Form, in der die Tetraeder zu Ketten verbunden sind. Eine dritte Form, schwarzer Phosphor, kann durch Erhitzen der weißen Form unter hohem Druck erhalten werden – ihre Atome sind in Sechsecken angeordnet, die ähnlich wie Graphit Blätter bilden.