Saman tyyppiset atomit voivat olla osa eri aineita. Symbolilla "O" (latinankielisestä nimestä Oxygenium) merkitylle alkuaineelle tunnetaan kaksi luonnossa yleistä yksinkertaista ainetta. Yhden niistä kaava on O2, toisen on O3. Nämä ovat hapen allotrooppisia muunnelmia (allotrooppisia). On muita yhdisteitä, jotka ovat vähemmän stabiileja (O4 ja O8). Molekyylien ja aineiden ominaisuuksien vertailu auttaa ymmärtämään näiden muotojen välistä eroa.
Mitä allotrooppiset modifikaatiot ovat?
Monet kemialliset alkuaineet voivat esiintyä kahdessa, kolmessa tai useammassa muodossa. Jokainen näistä modifikaatioista muodostuu samantyyppisistä atomeista. Tiedemies J. Berzellius oli vuonna 1841 ensimmäinen, joka kutsui tällaista ilmiötä allotropiaksi. Avointa säännönmukaisuutta käytettiin alun perin vain molekyylirakenteen omaavien aineiden karakterisoimiseen. Esimerkiksi hapen kaksi allotrooppista muunnelmaa tunnetaan, joiden atomit muodostavat molekyylejä. Myöhemmin tutkijat havaitsivat, että muunnelmia voi olla kiteiden joukossa. Nykyaikaisten käsitteiden mukaan allotropia on yksi polymorfismin tapauksista. Erot muotojen välillä johtuvat mekanismeistakemiallisen sidoksen muodostuminen molekyyleissä ja kiteissä. Tämä ominaisuus ilmenee pääasiassa jaksollisen taulukon ryhmien 13-16 elementeissä.
Miten erilaiset atomien yhdistelmät vaikuttavat aineen ominaisuuksiin?
Hapen ja otsonin allotrooppisia modifikaatioita muodostavat alkuaineen atomit, joiden atominumero on 8, ja sama määrä elektroneja. Mutta ne eroavat rakenteeltaan, mikä johti merkittäviin ominaisuuksien eroihin.
| kyltit | Happi | Otsoni |
| Molekyylin koostumus | 2 happiatomia | 3 happiatomia |
| Rakennus |
|
|
| Yhdistetty tila ja väri | Väritön läpinäkyvä kaasu tai vaaleansininen neste | Sininen kaasu, sininen neste, tummanvioletti kiinteä aine |
| Haju | Puuttuu | Terävä, ukkosmyrskyä muistuttava, juuri leikattu heinä |
| Sulamispiste (°C) | -219 | -193 |
| Kiehumispiste (°C) | -183 | -112 |
|
Tiheys (g/l) |
1, 4 | 2, 1 |
| Vesiliukoisuus | Hieman liukenee | Parempi kuin happi |
| Reaktiivisuus | Normaaleissa olosuhteissavakaa | Hajoaa helposti hapeksi |
Vertailutuloksiin perustuvat johtopäätökset: hapen allotrooppiset modifikaatiot eivät eroa laadullisesta koostumuksestaan. Molekyylin rakenne heijastuu aineiden fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin.
Ovatko hapen ja otsonin määrät samat luonnossa?
Aine, jonka kaava on O2, löytyy ilmakehästä, hydrosfääristä, maankuoresta ja elävistä organismeista. Noin 20 % ilmakehästä muodostuu kaksiatomisista happimolekyyleistä. Stratosfäärissä, noin 12-50 kilometrin korkeudessa maan pinnasta, on kerros, jota kutsutaan "otsoniverkoksi". Sen koostumus näkyy kaavalla O3. Otsoni suojaa planeettamme absorboimalla intensiivisesti auringon punaisen ja ultraviolettispektrin vaaralliset säteet. Aineen pitoisuus muuttuu jatkuvasti, ja sen keskiarvo on alhainen - 0,001%. Siten O2 ja O3 ovat allotrooppisia happimodifikaatioita, joilla on merkittäviä eroja jakautumisessa luonnossa.
Kuinka saada happea ja otsonia?
Molekulaarinen happi on tärkein yksinkertainen aine maan päällä. Se muodostuu kasvien vihreisiin osiin valossa fotosynteesin aikana. Luonnollisista tai keinotekoisista sähköpurkauksista kaksiatominen happimolekyyli hajoaa. Lämpötila, jossa prosessi alkaa, on noin 2000 °C. Jotkut tuloksena olevista radikaaleista yhdistyvät uudelleen muodostaen happea. Jotkut aktiiviset hiukkaset reagoivat diatomisten molekyylien kanssahappi. Tämä reaktio tuottaa otsonia, joka reagoi myös happivapaiden radikaalien kanssa. Tämä luo kaksiatomisia molekyylejä. Reaktioiden palautuvuus johtaa siihen, että ilmakehän otsonin pitoisuus muuttuu jatkuvasti. Stratosfäärissä O3 molekyyleistä koostuvan kerroksen muodostuminen liittyy Auringon ultraviolettisäteilyyn. Ilman tätä suojakilpeä vaaralliset säteet voisivat päästä maan pinnalle ja tuhota kaikki elämänmuodot.
Hapen ja rikin allotrooppiset modifikaatiot
Kemialliset alkuaineet O (Oxygenium) ja S (Sulphur) sijaitsevat samassa jaksollisen järjestelmän ryhmässä, niille on ominaista allotrooppisten muotojen muodostuminen. Molekyyleistä, joissa on eri määrä rikkiatomeja (2, 4, 6, 8), normaaleissa olosuhteissa stabiilin on muodoltaan kruunua muistuttava S8. Rombinen ja monokliininen rikki on rakennettu sellaisista 8-atomisista molekyyleistä.
119 °C:n lämpötilassa keltainen monokliininen muoto muodostaa ruskean viskoosin massan - plastisen muunnelman. Rikin ja hapen allotrooppisten modifikaatioiden tutkiminen on erittäin tärkeää teoreettisessa kemiassa ja käytännön toiminnassa.
Teollisessa mittakaavassa käytetään eri muotojen hapettavia ominaisuuksia. Otsonia käytetään ilman ja veden desinfiointiin. Mutta yli 0,16 mg/m3 pitoisuuksilla tämä kaasu on vaarallinen ihmisille ja eläimille. Molekyylihappi on välttämätöntä hengittämiselle ja sitä käytetään teollisuudessa ja lääketieteessä. Hiiliallotroopeilla on tärkeä rooli taloudellisessa toiminnassa.(timantti, grafiitti), fosfori (valkoinen, punainen) ja muut kemialliset alkuaineet.
