אלוטרופיה

אלוטרופים הם חומרים העשויים מאותו יסוד כימי, אך המבנה המולקולרי שלהם והקשרים הכימיים שונים. על אף שהאטומים בחומר זהים, תכונות החומרים יכולות להיות שונות בתכלית.

המושג מתייחס לחומרים העשויים מיסוד כימי אחד בלבד, ולא לתרכובות. להלן כמה דוגמאות:

קיימים לפחות 40 אלוטרופים שונים של פחמן(אנ'), רבים מהם נתגלו לאחרונה בלבד (פולרן, למשל). שלושה אלוטרופים מוכרים של פחמן הם יהלום, גרפיט ופחמן אמורפי. למרות השוני העצום בתכונות הפיזיקליות של חומרים אלו (גרפיט הוא החומר הרך המשמש לייצור עפרונות והמכונה לעיתים בטעות "עופרת"; יהלום, לעומתו, הוא החומר השני הקשה ביותר הידוע לאדם. הקשה ביותר הוא הגרפן, גם הוא אלוטרופ של פחמן), שלושתם מורכבים מאטומים של פחמן בלבד. הסידור של האטומים, לעומת זאת, שונה בין שלושת האלוטרופים, והוא זה שקובע חלק גדול מתכונות החומר. בגרפיט, למשל, מסודרים אטומי הפחמן בשכבות בעלות קשר רופף ביניהם, דבר הגורם להן להחליק האחת על גבי השנייה – מכאן הרכות של הגרפיט. בניגוד ליהלום ופולרן הגבישיים, הפחם הוא חומר אמורפי – אטומיו אינם מסודרים בצורה מוגדרת כלשהי. המונח אלוטרופ כולל, לפיכך, גבישים וחומרים אמורפיים כאחד.
חמצן קיים בשני אלוטרופים ידועים: כמולקולה דו-אטומית (O₂) שנקראת חמצן, וכמולקולה תלת-אטומית (O₃) הידועה בשם אוזון. בנוסף, בתנאי לחץ גבוהים במיוחד (מעל ל-20 מיליארד פסקל) קיים החמצן בצורת מולקולה ארבע-אטומית המכונה "חמצן אדום", לציון צבעו של אלוטרופ זה. מכאן שאלוטרופ יכול להתייחס למולקולות של יסוד מסוים בעלות מספר שונה של אטומים, וכן למצבי צבירה שונים (חמצן ואוזון הם גזים בטמפרטורת החדר ואילו חמצן אדום – מוצק).
לגופרית אלוטרופים רבים, חלקם גבישיים (גופרית רומבית וגופרית מונוקלינית, S₈), חלקם אמורפיים. במולקולות גופרית יכול להופיע מגוון רב של מספרי אטומים (S₁₂ ו-S₇, למשל. האחרון הוא האלוטרופ המקנה לגופרית את צבעה הצהוב).

אלוטרופים שונים האחד מהשני בתכונות פיזיקליות נוספות (גרפיט, למשל, מוליך חשמל, פחם מוליך במידה פחותה ואילו יהלום מבודד חשמלית), ואף בתכונות כימיות: לחמצן אדום, למשל, נטייה חזקה יותר להגיב עם חומרים אחרים מאשר לחמצן דו-אטומי.

המונח בעל המשמעות הדומה פולימורפיזם במדע החומרים הוא הרחבה של מושג האלוטרופיה וכולל גם תרכובות המופיעות בצורות ובמבנים שונים.