Allotroper är former av ett kemiskt element som skiljer sig åt på molekylär nivå, eller i hur atomerna är ordnade i molekyler. Många grundämnen förekommer i olika allotroper, bland dem kol, syre, fosfor och svavel. Dessa olika former kan skilja sig mycket åt i deras fysikaliska egenskaper, såsom färg, hårdhet och elektrisk ledningsförmåga, och i deras kemiska reaktivitet. Det finns olika sätt på vilka en allotrop kan omvandlas till en annan, inklusive genom uppvärmning och kylning, högt tryck eller till och med exponering för ljus. En allotrop ska inte förväxlas med en isotop, som skiljer sig på atomär, snarare än molekylär nivå.
Det finns två typer av allotroper. Den enantiotropa typen kan genomgå en reversibel förändring till en annan allotrop under vissa förhållanden, såsom olika temperatur eller tryck. Till exempel finns det en form av elementet tenn som är stabilt under 55.4°F (13°C), och en annan som är stabil över denna temperatur – det är möjligt att konvertera det ena till det andra och tillbaka igen genom att höja eller sänka temperaturen. Monotrop betyder att en form är den mest stabila och inte lätt kan omvandlas till och från en annan form; några exempel är grafitformen av kol och den vanligaste formen av syre (O2), till skillnad från det mindre stabila ozonet (O3).
Kol
Kol är grundämnet med det största antalet allotroper, även om – från och med 2013 – det exakta antalet inte är klart eftersom vissa har ifrågasatts. De olika accepterade formerna är radikalt olika från varandra, allt från mjuk till hård, ogenomskinlig till transparent, slipande till släta och uppvisar många andra variationer och kontraster. Förmågan hos detta element att ta så många olika former härrör från det faktum att en kolatom kan bilda fyra enkelbindningar till andra atomer. Det kan också bilda dubbelbindningar och ibland trippelbindningar. Detta möjliggör stor variation i de typer av molekylära och kristallina strukturer som är möjliga.
Amorft kol är den vanligaste formen och är bekant för nästan alla som kol, träkol och sot. Denna svarta, ogenomskinliga allotrop är icke-kristallin, och atomerna bildar inga regelbundna strukturer. Kol är faktiskt en ganska oren form eftersom 10 % eller mer består av andra grundämnen.
Grafit är det material som bildar ”bly” i pennor. Den består av ark av kolatomer ordnade i sammanlänkade tvådimensionella hexagoner. Arken glider lätt av varandra, varför de kan användas för att skriva på papper. Även om kol är en icke-metall, har denna allotrop ett lätt metalliskt utseende och leder elektricitet.
Diamant är en kristallin typ av kol där varje atom har fyra enkelbindningar som förenar den med andra atomer och bildar sammanlänkade tetraedrar. Det bildas naturligt djupt i jorden, vid höga temperaturer och mycket höga tryck. Även om de är extremt hårda, på grund av strukturen och styrkan hos de bindningar som håller samman atomerna, är diamanter inte för evigt: strukturen är inte helt stabil vid normalt tryck och temperatur, och den omvandlas mycket långsamt till grafit. Förändringen är dock så långsam att den inte märks på mänskliga tidsskalor. Diamanter kan också skapas på konstgjord väg av grafit vid hög temperatur och högt tryck.
En annan kristallin allotrop är mineralet lonsdaleite. Den liknar diamant och tros skapas, i små mängder, genom inverkan av meteoriter. Trycket som skapas omvandlar grafit till en tredimensionell form som behåller den hexagonala strukturen, vilket ger ett hårt, kristallint material.
Bland de mest fascinerande formerna av kol är fullerenerna. Dessa är ihåliga, tredimensionella strukturer med väggar som består av arrangemang av atomer i hexagoner, pentagoner och ibland andra former. En av de mest kända är ”buckyball”, eller mer korrekt, buckminsterfulleren: 60 kolatomer som bildar en ihålig sfär, även känd som C60. Större sfärer är också möjliga, med större antal kolatomer. Buckyballs kan tillverkas, men förekommer också naturligt, och har hittats på jorden i sot och i rymden.
Nanorör är en annan välkänd form av fulleren. Dessa består av små cylindrar vars väggar har en liknande struktur som buckyballs. De kan vara upp till flera millimeter långa och kan vara öppna eller stängda i ändarna. Nanorör har ett extremt högt förhållande mellan styrka och vikt och är också bra elektriska ledare; man tror att de kan ha många viktiga tekniska tillämpningar, särskilt inom nanoteknologins värld.
Kolnanoskum är en syntetisk allotrop som består av atomer länkade i en vävliknande struktur. Det är ett av de lättaste materialen som är kända, på grund av sin extremt låga densitet, och är bara några gånger tyngre än luft. Ovanligt är den ferromagnetisk – attraherad av magneter – och är också en halvledare.
Syre
Syret i luften som människor andas består av molekyler som innehåller två syreatomer – O2. Atomer av detta element kan bilda enkelbindningar med två andra atomer eller en dubbelbindning med en annan. Den normala formen av syre har en dubbelbindning mellan de två atomerna, men den kan också existera i en molekyl som innehåller tre atomer, var och en förenad med singelbindningar med två andra. Denna form kallas ozon (O3).
Ozon är mindre stabilt och mycket mer reaktivt än O2, och i sin rena form är det en allvarlig brandrisk. Det är också giftigt, eftersom det skadar lungorna om det andas in. Ozon kan produceras genom reaktioner av gaser som produceras av motoravgaser under påverkan av solljus, och kan bli en allvarlig förorening i stadsområden. Det produceras också i den övre atmosfären av växelverkan mellan O2 och ultraviolett ljus från solen, vilket bildar ”ozonskiktet” som skyddar livet på jordens yta från de mest skadliga formerna av ultraviolett ljus.
Fosfor
Detta är ett annat element med flera starkt kontrasterande allotroper. När det först isoleras från dess föreningar, visas det som vit fosfor. Denna form är gjord av tetraedrar av fyra atomer; det är mycket reaktivt, mycket giftigt och lyser i mörker vid rumstemperatur, på grund av en långsam reaktion med syre i luften. Genom att värma den under en tid i en förseglad behållare kan den omvandlas till röd fosfor, en mycket mindre reaktiv, ogiftig form där tetraedrarna är sammanlänkade till kedjor. En tredje form, svart fosfor, kan erhållas genom att värma den vita formen vid högt tryck – den har sina atomer ordnade i hexagoner som bildar ark, ungefär som grafit.