Alotrop adalah bentuk unsur kimia yang berbeda pada tingkat molekuler, atau dalam cara atom disusun menjadi molekul. Banyak unsur terdapat dalam alotrop yang berbeda, di antaranya karbon, oksigen, fosfor, dan belerang. Bentuk-bentuk yang berbeda ini dapat sangat berbeda dalam sifat fisiknya, seperti warna, kekerasan dan konduktivitas listrik, dan dalam reaktivitas kimianya. Ada berbagai cara di mana satu alotrop dapat dikonversi ke yang lain, termasuk dengan pemanasan dan pendinginan, tekanan tinggi atau bahkan paparan cahaya. Alotrop tidak harus bingung dengan isotop, yang berbeda pada tingkat atom, bukan molekul.
Ada dua jenis alotrop. Jenis enantiotropik dapat mengalami perubahan reversibel menjadi alotrop lain dalam kondisi tertentu, seperti suhu atau tekanan yang berbeda. Misalnya, ada bentuk elemen timah yang stabil di bawah 55.4°F (13°C), dan yang lain stabil di atas suhu ini — dimungkinkan untuk mengubah satu ke yang lain, dan kembali lagi dengan menaikkan atau menurunkan suhu. Monotropik berarti bahwa satu bentuk adalah yang paling stabil, dan tidak dapat dengan mudah diubah ke dan dari bentuk lain; beberapa contohnya adalah bentuk grafit dari karbon, dan bentuk paling umum dari oksigen (O2), sebagai lawan dari ozon yang kurang stabil (O3).
Karbon
Karbon adalah elemen dengan jumlah alotrop terbesar, meskipun — pada 2013 — jumlah pastinya tidak jelas karena beberapa telah diperdebatkan. Berbagai bentuk yang diterima sangat berbeda satu sama lain, mulai dari lunak hingga keras, buram hingga transparan, abrasif hingga halus, dan menampilkan banyak variasi dan kontras lainnya. Kemampuan unsur ini untuk mengambil begitu banyak bentuk berbeda berasal dari fakta bahwa atom karbon dapat membentuk empat ikatan tunggal dengan atom lain. Itu juga dapat membentuk ikatan rangkap dua, dan kadang-kadang rangkap tiga. Hal ini memungkinkan variasi besar dalam jenis struktur molekul dan kristal yang mungkin.
Karbon amorf adalah bentuk paling umum dan akrab bagi hampir semua orang sebagai batu bara, arang, dan jelaga. Alotrop hitam dan buram ini adalah non-kristal, dan atom-atomnya tidak membentuk struktur biasa. Batubara sebenarnya merupakan bentuk yang tidak murni karena 10% atau lebih terdiri dari unsur-unsur lain.
Grafit adalah bahan yang membentuk “timah” pada pensil. Ini terdiri dari lembaran atom karbon yang disusun menjadi segi enam dua dimensi yang terhubung. Lembarannya mudah lepas satu sama lain, itulah sebabnya dapat digunakan untuk menulis di atas kertas. Meskipun karbon adalah non-logam, alotrop ini memiliki penampilan yang sedikit metalik dan menghantarkan listrik.
Berlian adalah jenis kristal karbon di mana setiap atom memiliki empat ikatan tunggal yang bergabung dengan atom lain, membentuk tetrahedra terkait. Ini terbentuk secara alami jauh di dalam Bumi, pada suhu tinggi dan tekanan sangat tinggi. Meskipun sangat keras, karena struktur dan kekuatan ikatan yang menyatukan atom, intan tidak selamanya: strukturnya tidak sepenuhnya stabil pada tekanan dan suhu normal, dan sangat lambat berubah menjadi grafit. Namun, perubahannya sangat lambat sehingga tidak terlihat pada rentang waktu manusia. Berlian juga dapat dibuat secara artifisial dari grafit pada suhu dan tekanan tinggi.
Alotrop kristal lainnya adalah mineral lonsdaleite. Ini menyerupai berlian dan diperkirakan dibuat, dalam jumlah kecil, oleh dampak meteorit. Tekanan yang dibuat mengubah grafit menjadi bentuk tiga dimensi yang mempertahankan struktur heksagonal, menghasilkan bahan kristal yang keras.
Di antara bentuk karbon yang paling menarik adalah fullerene. Ini adalah struktur tiga dimensi berongga dengan dinding yang terdiri dari susunan atom menjadi segi enam, segi lima, dan terkadang bentuk lainnya. Salah satu yang paling terkenal adalah “buckyball”, atau lebih tepatnya, buckminsterfullerene: 60 atom karbon yang membentuk bola berongga, juga dikenal sebagai C60. Bola yang lebih besar juga dimungkinkan, dengan jumlah atom karbon yang lebih besar. Buckyballs dapat diproduksi, tetapi juga terjadi secara alami, dan telah ditemukan di Bumi dalam jelaga dan di luar angkasa.
Nanotube adalah bentuk fullerene lain yang terkenal. Ini terdiri dari silinder kecil yang dindingnya memiliki struktur yang mirip dengan bola bucky. Panjangnya bisa sampai beberapa milimeter dan ujungnya bisa terbuka atau tertutup. Nanotube memiliki rasio kekuatan-terhadap-berat yang sangat tinggi, dan juga merupakan konduktor listrik yang baik; diperkirakan bahwa mereka mungkin memiliki banyak aplikasi teknologi penting, terutama di dunia nanoteknologi.
Karbon nanofoam adalah alotrop sintetis yang terdiri dari atom-atom yang terhubung dalam struktur seperti jaring. Ini adalah salah satu bahan paling ringan yang diketahui, karena kepadatannya yang sangat rendah, dan hanya beberapa kali lebih berat daripada udara. Luar biasa, itu adalah feromagnetik — tertarik pada magnet — dan juga merupakan semikonduktor.
Oksigen
Oksigen di udara yang dihirup manusia terdiri dari molekul yang mengandung dua atom oksigen — O2. Atom unsur ini dapat membentuk ikatan tunggal dengan dua atom lain atau ikatan rangkap dengan satu atom lainnya. Bentuk normal oksigen memiliki ikatan rangkap antara dua atom, tetapi dapat juga ada dalam molekul yang mengandung tiga atom, masing-masing bergabung dengan ikatan tunggal dengan dua atom lainnya. Bentuk ini dikenal sebagai ozon (O3).
Ozon kurang stabil, dan jauh lebih reaktif, daripada O2, dan dalam bentuknya yang murni, ini merupakan bahaya kebakaran yang serius. Ini juga beracun, karena merusak paru-paru jika terhirup. Ozon dapat dihasilkan oleh reaksi gas yang dihasilkan oleh knalpot motor di bawah pengaruh sinar matahari, dan dapat menjadi polutan serius di daerah perkotaan. Hal ini juga diproduksi di atmosfer atas oleh interaksi O2 dan sinar ultraviolet dari Matahari, membentuk “lapisan ozon” yang melindungi kehidupan di permukaan bumi dari bentuk sinar ultraviolet yang paling merusak.
Fosfor
Ini adalah elemen lain dengan beberapa alotrop yang sangat kontras. Ketika pertama kali diisolasi dari senyawanya, ia muncul sebagai fosfor putih. Bentuk ini terbuat dari tetrahedron dari empat atom; itu sangat reaktif, sangat beracun, dan bersinar dalam gelap pada suhu kamar, karena reaksi lambat dengan oksigen di udara. Dengan memanaskannya selama beberapa waktu dalam wadah tertutup, itu dapat diubah menjadi fosfor merah, bentuk yang jauh lebih tidak reaktif dan tidak beracun di mana tetrahedron dihubungkan bersama menjadi rantai. Bentuk ketiga, fosfor hitam, dapat diperoleh dengan memanaskan bentuk putih pada tekanan tinggi — atomnya tersusun dalam segi enam yang membentuk lembaran, seperti grafit.