8.AGREGATNA STANJA MATERIJE

Agregatno stanje materije može biti čvrsto,tečno i gasovito,a određeno je hemijskim identitetom supstance,pritiskom i temperaturom.Na sobnoj temperaturi i pritisku neke supstance su čvrste(zlato,natrij hlorid itd.),neke su tečne(živa,voda)a neke su gasovi(kiseonik,ugljendioksid).Ali povišenjem ili sniženjem temperature sve supstance se mogu prevesti u druga dva agregatna stanja.Npr.voda je na sobnoj temperaturi u tečnom agregatnom stanju,a može se prevesti u čvrsto agregatno stanje na temperaturi nižoj od 0oC,ili prevesti u gas povišenjem temperature iznad 100oC pri normalnom atmosferskom pritisku.

Slika egzotermne i endotermne promjene stanja materije96 elemenata u Periodnom sistemu elemenata su čvrstog agrgatnog satanja,dva su

tečnosti brom i živa,a 11 su gasovi:vodik,azot,kisik,fluor,hlor,helij,neon,argon,kripton,ksenon i radon.

Osnovne razlike između čvrstog,tečnog i gasnog agregatnog stanja su dati u slijedećoj tabeli.

Gasno stanje Tečno stanje Čvrsto stanjeNema definisani oblik niti volumen

Definisan volumen ali nema oblika

Ima definisani volumen i oblik

Mala gustina Veća gustina od gasnog,a manja od čvrstog(izuzetak voda)

Velika gustina

Mogučnost termalne ekspanzije i kompresije

Mala mogućnost termalne ekspanzije i kompresije

________________

8.1.Gasno stanje

Materija u gasovitom stanju homogeno zauzima prostor u kome se nalazi. U svakom dijelu zapremine suda gustina gasa je ista.Difuzija gasa je kretanje gasnih čestica u prostor koji gasu stoji na raspoloženju za širenje. Gas difunduje neograničeno čak i u prostor koji zauzimaju drugi gasovi. Gasovi imaju zrnastu strukturu i ova struktura omogućava prolaz čestica jednog gasa kroz drugi.Gasovi su sastavljeni iz molekula, a između ovih je prazan prostor. Stišljivost gasova se objašnjava smanjivanjem ovog prostora. Utvrđeno je da gasni molekuli zauzimaju srazmerno mali deo zapremine suda, dok je veći deo zapremine suda tzv. međumolekulski prostor. Stvarna zapremina gasnih molekula je 1/16000 do 1/2000 deo zapremine gasa pod normalnim uslovima. Gasovi, dakle, imaju malu gustinu.

Molekule gasova su u neprekidnom pravolinijskom kretanju, a brzina kretanja zavisi od temperature. U svom kretanju oni se međusobno sudaraju i udaraju o zidove suda u kome se nalaze. Rezultat udara molekula o zidove suda jeste pritisak gasa na zidove suda. Usljed ovih sudara molekuli mjenjaju pravac. Svi molekuli jednog gasa ne kreću se istom brzinom. Sa porastom temperature povećava se brzina kretanje molekula. Zbog velikog broja molekula i njihove velike brzine koncetracija gasova je svuda jednaka, a u vezi sa ovim i pritisak će biti jednak na sve strane suda.

Smatra se da su molekuli gasovi sfernog oblika i da su njihovi sudari elastični usred čega pri istoj temperaturi pritisak ne opada.

Molekuli gasova su relativno dosta udaljeni jedan od drugog, među sobom se vlo malo privlače i njihove brzine su tko velike da oni ne mogu da se spoje u veće agregate kao kod tečnih i čvrsti supstanci. Kod tečnih supstanci su molekuli mnogo bliži jedni drugima i sporije se kreću, pa se javljaju veće sile privlačenja. Prepostavka da se molekuli gasova međusobno ne privlače objašnjava se težnjom gasova da se šire i da ispune svaki prostor koji im se pruži.

Pri konstatnoj temperature prosječna kinetička energija raznih gasova je ista bez obzira na njihovu razliku u masi. Kinetička energija je data slijedećim izrazom:

E = 1/2 mv2

Gdje je m masa molekula, a v brzina kretanja molekula. Laki molekuli vodonika npr. kreću se srazmjerno brže od težih molekula kiseonika.

Napred opisana shvatanja o prirodi gasovitih supstanci prestavljaju kinetičku teoriju gasova, koja se razvila u drugoj polovini 19.veka.Na osnovu kinetičke terije gasova mogu se objasniti gasni zakoni.

a) Bojl-Mariotov zakon. Smanjivanjem zapremine na pola pri konstatnoj temperaturi pritisak se udvostruči. Ako se molekuli sabiju na polovinu prvobitne zapremine, vrši se dvaput veći broj udara na jedinici površine zida nego pre ovog sabijanja. Povećani broj udara ispoljava se kao povećani pritisak.b) Gej-Lisakov gasni zakon. Prema kinetičkoj teoriji pritisak gasa na zidove suda zavisi od broja udara molekula, a broj udara je uslovljen brojem molekula u određenoj zapremini, masom molekula kao i brzinom ne mjenja se broj molekula, niti njihova masa, već se povećava njihova brzina. Što je veća brzina veći je broj udara na određenu površinu u sudu u jedinici vremena pa se pritisak zbog toga povećava. Osim tog i snaga ovih udara se pojača što takođe utiče na povećanje pritiska.c) Avogadrov zakon. Iz izloženog proilazi da će pritisak gasa zavisiti od broja molekula, zapremine suda i kinetičke energije molekula. Ako se za dva gasa uzmu jednake zapremine, pritisci i jednake temperature, što znači da su njihove kinetičke energije iste, onda jedini faktor što preostaje a to je broj molekula u ovim zapreminama, mora takođe biti ista.d) Daltonov zakon parcijalnih pritisaka. Po Daltonovom zakonu, kada se dva razna gasa na istoj temperaturi izmješaju, rezultujući pritisak je jednak zbiru parcijalnih pritisaka svakog pojedinog gasa koji bi on imao i da drugi gas nije prisutan. Svaki gas je zadržao svoj pritisak, jer se usled mješanja nije promjenila kinetička energija ni jednog gasa.

Kad se gas želi prevesti u tečno stanje treba smanjiti kinetičku energiju njihovih molekula, a ova se postiže smanjenjem temperature, bilo hlađenje gasa hladnim smješama, ali naglim širenjem gasa. Ako se komprimovani gas naglo širi , molekuli gasa vrše rad da bi savladali medumolekulske privlačne sile. Zbog naglog širenja molekuli gasa ne mogu da prime toplotu iz okoline, već oni vrše rad na račun svoje sopstvene kinetičke energije, odnosno toplote. Brzina kretanja molekula se stoga smanji, tj. temperatura gasa se snizi.

Ako se gas komprimuje smanjivanjem zapremine, rad upotrebljen za kompresiju ekvivalentan je količini oslobođene toplote i temperature gasa raste. S druge strane, ako se gas širi i ako je njegov pritisak veći od atmosferskog, nastaće hlađenje gasa, jer gas sam daje odgovarajuću količinu toplote ekvivalentnu proizvodu iz atmosferskog pritiska i promjenjene zapremine.Na ovom principu se zasniva dobijanje tečnog vazduha, ali dobijanje čvrstog ugljendioksida. Ako se vazduh komprimuje i ovaj komprimovani vazduh pusti da se širi, potreban je rad da bi se savladale sile privlačenja molekula. Ako se vazduh širi polako, onda ovo širenje može da

ide na račun okoline, ali ako je širenje vrlo brzo, troši se toplota vazduha i vazduh postaje hladniji.Ugljendioksid, dobijen sagorevanjem uglja, ili pečenje krečnjaka, komprimuje se, rashladi hladnom vodom i pusti da se naglo širi. Nastaje sniženje temperature i gasoviti ugljendioksid se prevodi u suvi led.

8.2.Tečno stanje

Kod gasova su molekuli jako udaljeni jedan od drugog, te su privlačne sile između njih vrlo slabe. U čvrstom stanju atomi i molekuli se drže u tačno određenom položaju pomoću kulonovih sila i oni imaju pravilan raspored. Kod tečnosti, međutim, sile privlačenja su nedovoljno jake da bi se molekuli držali u određenim položajima, ali su dovoljne da spriječe odlaženje molekula sa površine tečnostiKod tečnosti postoji uzajamna zavisnosti između čestica što je već izvjestan stepen sređenosti. Kada se tečnost približava temperaturi mržnjenja, unutrašnja struktura se sve više sređuje. Naprotiv, kada se tečnost približava temperaturi ključanja, sve je veći nered u rasporedu čestica. Tečno stanje je, prema tome, prelazno stanje između čvrstog i gasovitog.Na molekul koji se nalazi u unutrašnjosti tečnosti djeluju privlačne sile svih molekula koji ga okružuju i on je izložen podjednako privlačenju sa svih strana. Međutim, ako se molekul nalazi na površini tečnosti biva privlačen samo prema unutrašnjosti tečnosti. Efekat sila privlačenja prema unutrašnosti ogleda se u pojavi površinskog napona. Cijela površina tečnosti nalazi se pod izvjesnim naponom. To je tzv. površinski napon. Ovaj površinski napon opada s porastom temperature; na kritičnoj temperaturi ravan je nuli i tada su tečna i gasovita faza identična.Tečnosti imaju određenu zapreminu, a nemaju određen oblik. One imaju veću gustinu od gasova, jer su im molekuli bliži jedni drugima. Brzina kretanja molekula tečnosti je manja nego kod gasova, i pojedini molekuli se ne kreću istom brzinom. Molekuli koji imaju brzinu kretanja veću od srednje brzine molekula i prema tome, veću kinetičku energiju, mogu da savladaju privlačne sile okolnih molekula iz tečnosti smanjuje se kinetička energija tečnosti i ona se hladi, ili ako se ne hladi, ona uzima odgovarajuću količinu toplotne energije iz spoljne sredine.Prostor iznad tečnosti sadrži molekule pare tečnosti i ovi su u stalnom kretanju kao gasni molekuli. Neki od molekula se približe površini tečnosti, ona ih privuče i oni prodru u tečnosti. Molekuli koji prodru u tečnost, usljed velike brzine kretanja, povećavaju kinetičku energiju tečnosti. Zato se pri kondenzovanju gasova oslobađa toplota. Tako nastaje stalna izmjena molekula između tečnosti i pare. Kada je koncentracija pare veća, vrati se u tečnost u jedinici vremena veći broj molekula. Kada pri stalnoj temperaturi broj molekula koji ispari u jedinici vremena postane jednak broju molekula koji kondenzuje, nastaje dinamička revnoteža, pa kažemo da je para zasićena. Težnja tečnosti za isparavanjem, čije je mjerilo pritisak koji vrši zasićena para na tečnosti, naziva se napon pare dotične tečnosti. Za određenu tečnost napon pare zavisi samo od temperature. On je veći, što je temperature veća.

Isparavanje je, prema tome u saglasnosti sa kinetičkom teorijom gasova, izlaženje brzih molekula tečnosti. Stoga svi faktori koji povećavaju brzinu kretanja molekula, pomažu proces isparavanja. Ovaj proces potpomaže u prvom redu toplota. Toplotna energija se pretvara u kinetičku energiju i molekuli se brže kreću. Na taj način zagrijavanjem se povećava broj brzi molekula, koji su u stanju da iz tečnosti izađu. Kada temperature raste, a površina tečnosti je nedovoljna da propusti sve najbrže molekule, stvaraju se u tečnosti mehurići pare, koji imaju pritisak jednak atmosferskog pritiska. Sa povećanjem temperature, dakle, raste napon pare i na temperaturi ključanja tečnosti, njen napon pare jednak je pritisku, koji spolja djeluje na njenu površinu. Mjehurići pare, kao lakši od tečnosti, penju se na površinu tečnosti

i izlaze u obliku pare. Pri daljem zagrijavanju tečnosti isparava, dok sva ne pređe u paru, a pri tome se ne mjenja ni njen napon pare, ni temperatura.

Ključanje je dakle, proces isparavanja pri kome se stvaraju mjehurići a temperatura ključanja neke tečnosti je ona temperatura na kojoj se pritisak pare u samoj tečnosti (napon pare) izjednači sa spoljnim pritiskom.

8.3.Čvrsto stanje

Čvrste supstance imaju, za razliku od gasova i tečnosti, određen oblik i određenu zapreminu. Privlačne sile između čestica su znatno veče, te se čestice čvrstih supstanci ne mogu kretati,već pravilno vibriraju oko određenog središta. Supstance u čvrstom stanju imaju veću gustinu nego u tečnom (izuzetak je voda i dr.). I čvrste supstance imaju napon pare, ali je ovaj manji u poređenu s tečnosti. Sublimacija kod čvrstih supstanci je analogna isparavanju kod tečnosti i ona se povećava sa povišenjem temperature. Kod sublimacije postoji dinamička ravnoteža između čvrste supstence i njene pare, kao što postoji ravnoteža između tečnosti i zasićene pare.

Čvrste supstance su kristalne ili amorfne. Većina čvrstih supstanci spada u kristalne.Amorfne supstance nemaju određen kristalan oblik i nemaju oštru tačku topljenja.

Amorfne supstance pri zagrijavanju najpre omekšaju, a zatim postaju tečne i nemoguće je kod njih ustanoviti prelazak iz jednog agregatnog stanja u drugo.

Amorfne supstance podsjećaju na tečnosti, kod koji je viskozitet hlađenjem jako uvećan. One se mogu smatrati kao podhlađene tečnosti,čije čestice imaju vrlo smanjeno kretanje (npr., staklo, smola i dr.). Stoga bi se kao čvrste supstance mogle da smatraju samo kristalne supstance. Mnoge na izgled amorfne supstance u svari su kristalne, ali su im kristali vrlo sitni.

Kristalna supstanca je sastavljena iz kristala određenog geometrijskog oblika, poliedara sa ravnim površinama i oštrim ivicama i ima tačno određenu temperature topljenja. Kristali supstanci imaju između odgovarajućih površina uvek konstantne uglove i istu simetriju.

Kristali su sastavljeni iz čestica i to jona, atoma i molekula, koje su pravilno, geometrijski raspoređene u prostoru. Oblik kristala je u velikoj zavisnosti od unutrašnjeg rasporeda ovih čestica. Geometrijski raspored atoma, molekula ili jona u prostoru naziva se prostornom rešetkom ili mrežom.Znači,kristalna rešetka predstavlja trodimenzionalnu beskonačnu tvorevinu kojom se opisuje zakonitost periodičnog ponavljanja čestica u prostoru.

Rendgenski ili x-zraci su omogućili proučavanje strukture kristala. Ovi zraci su iste prirode kao i vidljivi zraci, a razlikuje se od njh što imaju znatno manje talasne dužine. Kada se obična svjetlost reflektuje od kristalne površine ne nastaje spektar, jer su atomi u kristalu vrlo blizu jedan od drugog i rastojanje između njih je vrlo malo u poređenju sa veličinom talasne dužine obične svjetlosti. Ako se ipak randgenski zraci sa vrlo malim talasnim dužinama reflektuju od površine kristala, nastaje difrakcija, jer je rastojanje između atoma veličine istog reda kao talasne dužine rendgenskih zrakova.

Ako se rendgenskih zraci propuste kroz pogodan tanak kristal i snime izlazni zraci na fotografskoj ploči, dobit će se slika sa simetrično raspoređenim tamnim tačkama oko tamnog polja u centru slike. Ovi dijagrami zavise od strukture kristala i različiti kristali daju različite fotografije. Ove fotografije nastaju usled difrakcije rendgenskih zraka od čestica u kristalu i

one ukazuju na mogućnost da se odredi položaj pojedinih čestica u ispitivanom kristalu. Ovakva proučavanja su vršili Laue i njegovi saradnici.

Kasnije su razrađene jednostavnije metode za proučavanje strukture kristala pomoću rendgenskih zrakova. Na osnovu novijih ispitivanja bilo je moguče odrediti relativne položaje atoma, molekula ili jona u prostornoj rešetci kristala i mjeriti njihova rastojanja ( Bragg, Debye i Scherrer).

Razlikuju se uglavnom četri vrste prostornih rešetki: jonska, molekulska, atomska i metalna.

Jonske rešetke su izgrađene od jona i ovaj tip srećemo kod soli, koje su, kao što znamo, elektroliti. Svaki jon teži da se okruži sa što većim brojem jona sa suprotnim znakom i da je što više udaljen od jona istog znaka. Veze između jona su vrlo jake usled privlačenja suprotno naelekrisanih jona i zbog toga se oni teško jedan od drugog odvajaju (Kulonove sile). Zbog toga soli imaju obično visoku temperature topljenja i ključanja i prilično veliku tvrdoću. Kristal natrijum – hlorida sastoji se iz natrijumovih i horidnh jona pravilno raspoređenim u prostoru.

Supstance sa molekulskom kristalnom rešetkom sastoje se iz kovalentnih molekula, raspoređenim u određenim tačkama u prostoru.Ovi molekuli su polarnog ili nepolarnog karaktera i one se međusobno malo privlače, zato su supstance ovog tipa male trvdoće i niske tačke topljenja (sumpor, jod, naftalin i dr.).

Supstance sa atomskom rešetkom sastoje se iz elekroneutralnih atoma, a ovi su vezani međusobno kovalentnom vezom. Ove supstance su vrlo tvrde i imaju visoku tačku topljenja. Dijamant ima ovakvu rešetku i on se sastoji iz atoma ugljenika, raspoređenih tako, da se svaki ugljenikov atom nalazi u centru tetraedra, koja sačinjavaju četiri druga ugljenikova atoma.

Metalna struktura može da se smatra kao prelazna između atomske i jonske. Ovakvi kristali su sastavljeni od pozitivnih jona i slobodno pokretljivih elektrona. Pokretljivost elektrona omogućava provođenje toplote i elektriciteta. Osobine metala su uslovljene prisustvom slobodnih elekrona.Ukoliko je koncentracija elekrona veća utoliko su izrazitije osobine metalnog stanja.

Jednostavnimolekulskikristali

Ionski kristali Metali

Ogromne molekule

gradivnejedinke

veze

molekule

kovalentneunutar molekule,van der Waalsovei H-veze međumolekulama

ioni

kulonove

ioni ielektroni

metalne

atomi

kovalentnemeđuatomima

primjeri saharoza, I 2 NaCl,CaO,Na2SO4,CaCO 3

Cu, Na SiO2,C,SiC

Talište Nisko visoko visoko vrlovisoko

Vrelište Nisko visoko visoko vrlovisoko

fizikalnasvojstva

topljivosti(1) voda(2) CCl 4

Meko

netopivostčesto topiv

tvrdo, alikrto

netopiv

duktilnoi kovno

netopivnetopiv

tvrdo

netopivnetopiv

Raspored čestica kod kristalnih supstanci utvrđuje se najčešće pomoću X-zraka. Konstatovano je da se kristali mogu sastojati od atoma, molekula ili jona koji su pravilno raspoređeni u prostoru. Oblik kristala proučava kristalografija. Za opisivanje oblika kristala, koristi se sistem sa tri kristalografske ose (slika . ). Za razliku od običnih koordinatnih osa, kristalografske ose su određene dužine a, b i c, između kojih mogu da budu pravi ili kosi (oštri) uglovi. Prema njihovim geometrijskim oblicima javljaju se sledeći kristalni sistemi (slika )

1. Kubni sistem karakterišu tri ose iste dužine, koje stoje jedna na drugu normalno. Najjednostavniji oblici ovog sistema su kocka i okteadar. (Karakteristični primeri su dijamant i natrijum-hlorid.)

2. Tetragonalni sistem ima tri ose od koji su iste dužine, a treća je duža ili kraća. Sve tri ose su međusobno nomalne. (Karakteristačan primer je SnO2.)

3. Heksagonalni sistem. Kod ovog sistema tri ose jednake dužine leže u istoj ravni i sjeku se pod uglom od 60 stepeni, dok je četvrta osa duža ili kraća i stoji normalno na prve tri (karakteristični primjeri su: H 2O i SiO2.)

4. Rombični sistem karakterišu tri ose razlićite dužine koje su međusobno normalne. (Po ovom sistemu kristališu PbSO4, KNO3 i dr.)

5. Trigonalni ili romboedarski sistem ima tri ose iste dužine koje se ne sjeku pod pravim uglom (CaCO3).

6. Monoklinični sistem ima tri ose različite dužine, od koji se dvije sjeku pod oštrim uglom, a treća stoji normalno na ove dvije. (Karakteristični primeri su AgNO3, Na2SO4∙ 10H2O i dr.)

7. Triklinični sistem nema nijednu ravan simetrije. Ima tri ose različite dužine, koje se međusobno sjeku pod oštrim uglom. Po tom sistemu kristališe CuSO4∙ 5H2O.

Za sve supstance koje kristališu po istom kristalnom sistemu kaže se da su izomorfne ( na primjer: K2SO4 i K2SeO4 ili NaF i NaCl).

8.3.1.Alotropija

Elementarne tvari i hemijski spojevi, imaju točno određen i stalan elementarni sastav, kao i točno određena hemijska i fizička svojstva (specifična fizička svojstva). Međutim. Postoje i takve hemijske tvari i elementarni i hemijski spojevi koje uz tačno određen elementarni sastav imaju različita svojstva ( bilo fizička, bilo hemijska, bilo i jedna i druga), jer postoje u različitim oblicima. To pojavljivanje hemijskih tvari u dva ili više oblika

nazivamo alotropijom ( što u grčkom jeziku znači različitost ), a različite oblike, tj. različite tvari istog elementarnog sastava nazivamo alotropijom ili alotropskim modifikacijama.

Tako element kiseonik postoji u dvije alotropske modifikacije, koje se jedna od druge razlikuje i po hemijskim i po fizičkim svojstvima; to su obični kiseonik i ozon. Ta dva alotropa kiseonika imaju različite vrste molekula. Molekula običnog kiseonika sastoji se od dva atoma (O2) a molekula ozona od tri atoma kiseonika (O3).

Daljni primjer altropije imamo kod elementa ugljenika, koji postoji u četiri alotropske modifikacije: dijamant, grafit, fuleren i ugljenik poliinske strukture. Dijamant je spada u najtvrđe materijale,ali je najrjeđi alotropski oblik ugljenika.Građen je od kovalentne mreže sp3

hibridizovanih C-atoma,povezanih u veliku trodimenzionalnu rešetku.Struktura podsjeća na povezane cikloheksanove prstenove,a sve dužine veza su iste.

Grafit je najčešća i najstabilnija alotropska modifikacija ugljenika pri standardnim uslovima.Sastavljen je od sp2 hibridizovanih C-atoma koji su povezani u dvodimenzione slojeve slično kondenzovanim benzenovim prstenovima.

Fuleren je treća alotropska modifikacija otkrivena 1991. u Engleskoj.Sastoji se od 60 sp2 hibridizovanih C-atoma koji su spojeni u tridesetostranični eikozaedarski molekul koji se sastoji od 12 petočlanih i 20 šestočlanih prstenova,spojenih u sferni oblik C-60(buckminster fullerene) nalik fudbalskoj lopti.

Poliinska struktura ugljenika je četvrta alotropska modifikacija ugljenika, a otkrio je Richard Lagow(Univerzitet Teksas ) 1995. godine.Sastoji se od linearnih lanaca od po 500 sp hibridizovanih C-atoma vezanih ─ i ≡ vezama naizmjenično.

Alotropija je vezana ili za postojanje dvije ili više vrsta molekula, koje sadrže različiti broj atoma, ili za postojanje dva ili više kristalnih oblika, tj. postoji različiti poredak atoma, i iona ili molekula u kristalnoj rešetki. Alotropija kod koje se alotropi međusobno razlikuju po kristalnom obliku nazivamo polimorfijom. Već prema broju alotropa razlikujemo dimorfiju, trimorfiju itd. Znači kod ugljenika imamo tetramorfiju. Kalcij-karbonat je dimorfan, jer kristalizira heksagonski kao kalcit i rompski kao aragonit. Strukturom analizom je nađeno da se u oba slučaja kristalna rešetka sastoji od kalcijevih iona i karbonat-jona (Ca2+ i CO3

-2), ali su oni raspoređeni u kalcitu drugačije nego u aragonitu.

Da se neka tvar pojavi u određenoj alotropskoj modifikaciji, to zavisi od fizičkih uslova u kojima se ona nalazi. Kada se neki alotrop ne mjenja u određenim fizičkim uslovima, kažemo da je on stabilan u tim fizičkim uslovima. Obratno, ako se mjenja u drugu alotropsku modifikaciju, kažemo da je nestabilan u tim fizičkim uslovima. Promjena jednog alotropa u drugi nije trenutna, već traje od nekoliko sekundi do više godina pa i praktički beskonačno dugo. Brzina pretvorbe zavisi od prirode tvari i temperature. Zbog toga je moguće da neki alotrop koji je uz određene fizičke uslove nestabilan, ne prelazi u drugi alotrop. Za takav nestabilan alotrop kažemo da je metastabilan. Primjer je metastabilnog alotropa dijamant. Iako je pri sobnoj temperature nestabilan, ipak se praktički ne pretvara u stabilan grafit.

Razlikujemo tri vrste alotropije:1.Monotropija: samo jedan alotrop je stabilan u normalnim fizičkim okolnostima, a

ostali su metastabilni ili nestabilni te nastoje prijeći u stabilnu modifikaciju. Svi dosad spomenuti primjeri, tj. kiseonik, fosfor i kalcij-karbonat, posjeduju monotropnu alotropiju. Kondenziramo li, npr., fosfornu paru, nastaje naprije nestabilan alotrop bijeli fosfor, koji već na običnoj temperature vrlo polagano prelazi u stabilnu modifikaciju crveni fosfor. Prelaz je brz prije 250o C, a iznad te temperature čak je eksplozivan (trenutan).

2. Enantiotropija: svaki alotrop stabilan je u određenom temperaturnom području. Temperature pri kojoj je jedan alotrop prelazi u drugi, nazivamo temperaturom prelaza ili tačkom prelaza. Kod temperature prelaza oba alotropa imaju isti pritsak para i istu topivost u određenom rastvaraču. Enantiotropija je uvijek vezana za polimorfiju, tj. postoji razlika u kristalnoj rešetci alotropa.

3. Dinamička alotropija: alotropi zajedno postoje i stabilni su unutar šireg područja fizičkih uslova. Promjena uslova unutar tog područja mijenja samo proporciju prisutnih alotropa. Dinamička alotropija vezana je samo za razliku u molekulskoj konstituciji, a nikako ne na polimorfiju. Tako sumpor posjeduje dinamičku alotropiju u rastaljenom stanju (iznad 120 o C).

Postoje onda tri alotropa: S, molekulske konstitucije S8, molekulske konstitucije S4 i molekulske konstitucije Sn tj. sastoji se od vrlo dugih lanaca povezani atoma sumpora sa masenim udjelima (w) pri određenim temperaturama što je dato u tabeli-----.:

t/C W(Sג)/% W(Sח)/% W(Sג)% 120 96,3 3,6 0,1% 196 65,1 6,3 28,6% 445 59,1 4,0 36,9%

Ako se rastaljeni sumpor, ugrijan iznad 160oC, naglo ulije u hladnu vodu, nastaje čvrst plastični sumpor. On sadrži lančane poliatomske molekule rompskog sumpora.

Da su polarni istraživači znali za pojavu polimorfije,odnosno enantiotropije ne bi hranu nosili u konzervama od kalaja. 1868/69. godine u vojnom skladištu u Petrogradu dugmad od kalaja(kositra) na šinjelima su se pretvorila u sivi prah. Pojava se poput zaraze širila sa oboljele na zdravu kalajnu dugmad,pa su je nazvali kositrena kuga. Ruski hemičar Fritshe je 1872. razjasnio polimorfiju kalaja.

Enantiotropija kalaja dovodi do tzv. kositrene kuge,a prelaz se dešava na temperaturi 13oC ali se taj proces ubrzava na temperaturama nižim od 0oC,da bi pri temperaturama od - 40oC preovladava sivi prah.

Sn (bijeli) → Sn (sivi)

Metal Poluvodič

Metalna hemijska veza Atomi povezani kovalentnim vezama

8.3.2.Vrste kristalnih struktura

Vrsta kristalne strukture neke elementarne tvari ili hemijskog spoja zavisi prvenstveno od privlačnih sila između strukturnih jedinica. Te privlačne sile mogu biti npr. lokalizirane samo u određenom smjeru, kao što su u kovaletnoj vezi između atoma. No one mogu biti i takve da djeluju u svim smjerovima oko strukturne jedinice, kakav je slučaj kod ionske veze, metalne veze i kod van der Waalsovih sila.

Drugi faktor koji određuje vrstu kristalne rešetke neke hemijske tvari jest njezin stehiometrijski sastav; uzmimo općenito AB i AB2, gdje A i B ne moraju biti samo monoatomske (npr. Na+ i Cl-), već mogu biti čestice poliatomske (kompleksne) građe (npr. NH+

4,SO24- itd.).

Treći faktor koji djeluje na vrstu kristalne strukture jest omjer radijusa strukturnih jedinica koje izgrađuju kristalnu rešetku. Naime , u metalnoj i ionskoj kristalnoj rešetki atomi ili ioni su smješteni što bliže jedan drugome , jer su privlačne sile najveće kada su razmaci između atoma metala, odnosno kationa i aniona najmanji. Međutim, da bi nastala gusta slagalina ionske rešetke, ioni se moraju smjestiti takoda se međusobno ne >>dodiruju<< ioni iste vrste naboja (zbog odbojnih električnih sila). Kako su ioni iste vrste naboja smješteni (koordinirani) oko iona suprotnog naboja, da se ne dođe do >>dodira<< iona iste vrste naboja mora postojati određen najmanji omjer radijusa kationa i aniona (r+/r-) koji izgrađuju kristalnu rešetku. Taj omjer radijusa ovisi o broju koordiniranih iona oko iona suprotnog

naboja. Trigonometriskim računom dobije se 4(tetraedra), 0,41 za koordinaciju 6 (oktaedar), 0,73 za koordinaciju 8 (kocka) i 0,65 za koordinaciju 12 (dodekaedar). Prema tome što je veći kation i što je manji anion, to se više aniona može koordinirati oko kationa.

Razmotrimo sada kako određuje navedeni faktor neke najvažnije vrste kristalnih struktura. Njih nazivamo po tvarima kod kojih su te strukture prvi put određene. To su: natrij-klorid (NaCl), cezij-klorid(CsCl) , sfalerit (cink-sulfid,ZnS) , fluorit.

Strukturu natrij-klorida imaju mnogi ionski spojevi opšte formule AB. Radijus iona Na+ jest 95 pm a iona Cl- 181 pm, pa je omjer radijusa r+/r- = 0,52. Takav omjer radijusa omogućuje da je 6 iona Cl- oktaedarski koordirano oko svakog iona Na+, odnosno 6 iona Na+

je oktaedarski koordinirano oko svakog iona Cl- . Na taj način nastaje kubično plošno centrirana slagalina (v. sl.----------). Dakle struktura natrij-klorida ima koordinaciju 6 :6 .