Alotropi so oblike kemičnega elementa, ki se razlikujejo na molekularni ravni ali v načinu, kako so atomi razporejeni v molekule. Številni elementi se pojavljajo v različnih alotropih, med njimi ogljik, kisik, fosfor in žveplo. Te različne oblike se lahko močno razlikujejo po svojih fizikalnih lastnostih, kot so barva, trdota in električna prevodnost, ter po svoji kemični reaktivnosti. Obstajajo različni načini, na katere se lahko en alotrop pretvori v drugega, vključno s segrevanjem in hlajenjem, visokim pritiskom ali celo izpostavljenostjo svetlobi. Alotropa ne smemo zamenjevati z izotopom, ki se razlikuje na atomski in ne na molekularni ravni.
Obstajata dve vrsti alotropov. Enantiotropni tip se lahko pod določenimi pogoji, kot sta drugačna temperatura ali tlak, reverzibilno spremeni v drug alotrop. Na primer, obstaja oblika elementa kositra, ki je stabilen pod 55.4 °F (13 °C), in drugi, ki je stabilen nad to temperaturo – mogoče je pretvoriti enega v drugega in nazaj z dvigovanjem ali spuščanjem temperaturo. Monotropno pomeni, da je ena oblika najbolj stabilna in je ni mogoče zlahka pretvoriti v drugo obliko in iz nje; nekateri primeri so grafitna oblika ogljika in najpogostejša oblika kisika (O2) v nasprotju z manj stabilnim ozonom (O3).
Carbon
Ogljik je element z največjim številom alotropov, čeprav – od leta 2013 – natančno število ni jasno, saj so nekateri sporni. Različne sprejete oblike se med seboj radikalno razlikujejo, od mehkih do trdih, neprozornih do prozornih, abrazivnih do gladkih in prikazujejo številne druge različice in kontraste. Sposobnost tega elementa, da prevzame toliko različnih oblik, izhaja iz dejstva, da lahko ogljikov atom tvori štiri enojne vezi z drugimi atomi. Lahko tvori tudi dvojne in včasih trojne vezi. To omogoča veliko raznolikost možnih vrst molekularnih in kristalnih struktur.
Amorfni ogljik je najpogostejša oblika in je poznan skoraj vsem kot premog, oglje in saje. Ta črn, neprozoren alotrop ni kristalinčen in atomi ne tvorijo nobenih pravilnih struktur. Premog je pravzaprav precej nečista oblika, saj 10 % ali več sestoji iz drugih elementov.
Grafit je material, ki tvori “svinec” v svinčnikih. Sestavljen je iz listov ogljikovih atomov, razporejenih v povezane dvodimenzionalne šesterokotnike. Listi zlahka drsijo drug z drugega, zato ga lahko uporabite za pisanje na papir. Čeprav ogljik ni kovina, ima ta alotrop rahlo kovinski videz in prevaja elektriko.
Diamant je kristalna vrsta ogljika, v kateri ima vsak atom štiri enojne vezi, ki ga povezujejo z drugimi atomi in tvorijo povezane tetraedre. Nastane naravno globoko v Zemlji, pri visokih temperaturah in zelo visokih tlakih. Čeprav so izredno trdi, zaradi svoje strukture in trdnosti vezi, ki držijo atome skupaj, diamanti niso večni: struktura ni popolnoma stabilna pri normalnem tlaku in temperaturi in se zelo počasi pretvarja v grafit. Sprememba pa je tako počasna, da je v človeških časovnih okvirih ni opazna. Diamante je mogoče ustvariti tudi umetno iz grafita pri visoki temperaturi in tlaku.
Drug kristalni alotrop je mineral lonsdaleit. Podoben je diamantu in naj bi nastal v majhnih količinah zaradi udarca meteoritov. Ustvarjen tlak pretvori grafit v tridimenzionalno obliko, ki ohranja šesterokotno strukturo, pri čemer nastane trd kristalni material.
Med najbolj fascinantnimi oblikami ogljika so fulereni. To so votle, tridimenzionalne strukture s stenami, sestavljenimi iz razporeditev atomov v šesterokotnike, peterokotnike in včasih druge oblike. Eden najbolj znanih je “buckyball” ali bolj pravilno, buckminsterfulleren: 60 atomov ogljika, ki tvorijo votlo kroglo, znano tudi kot C60. Možne so tudi večje krogle z večjim številom ogljikovih atomov. Buckyballs je mogoče izdelati, vendar se pojavljajo tudi naravno in so jih našli na Zemlji v saj in vesolju.
Nanocevke so še ena dobro znana oblika fulerena. Sestavljeni so iz drobnih valjev, katerih stene imajo podobno strukturo kot pri buckyballs. Lahko so dolgi do nekaj milimetrov in so na koncih lahko odprti ali zaprti. Nanocevke imajo izjemno visoko razmerje med trdnostjo in težo in so tudi dobri električni prevodniki; menijo, da imajo lahko veliko pomembnih tehnoloških aplikacij, zlasti v svetu nanotehnologije.
Ogljikova nanopena je sintetični alotrop, sestavljen iz atomov, povezanih v strukturo, podobno mreži. Zaradi izjemno nizke gostote je eden izmed najbolj lahkih znanih materialov in je le nekajkrat težji od zraka. Nenavadno je feromagnetna – privlačijo magneti – in je tudi polprevodnik.
Kisik
Kisik v zraku, ki ga ljudje dihajo, je sestavljen iz molekul, ki vsebujejo dva atoma kisika – O2. Atomi tega elementa lahko tvorijo enojne vezi z dvema drugim atomoma ali dvojno vez med seboj. Normalna oblika kisika ima dvojno vez med dvema atomoma, lahko pa obstaja tudi v molekuli, ki vsebuje tri atome, od katerih je vsak povezan z enojnimi vezmi z dvema drugima. Ta oblika je znana kot ozon (O3).
Ozon je manj stabilen in veliko bolj reaktiven kot O2, v svoji čisti obliki pa je resna požarna nevarnost. Je tudi strupen, saj pri vdihavanju poškoduje pljuča. Ozon lahko nastane z reakcijami plinov, ki nastanejo pri izpušnih plinih motorja pod vplivom sončne svetlobe, in lahko postane resno onesnaževalo v mestnih območjih. Prav tako se proizvaja v zgornji atmosferi z interakcijo O2 in ultravijolične svetlobe iz Sonca, ki tvori »ozonsko plast«, ki ščiti življenje na zemeljski površini pred najbolj škodljivimi oblikami ultravijolične svetlobe.
Fosfor
To je še en element z več močno kontrastnimi alotropi. Ko ga prvič izoliramo iz svojih spojin, se pojavi kot beli fosfor. Ta oblika je sestavljena iz tetraedrov štirih atomov; je zelo reaktiven, zelo strupen in sveti v temi pri sobni temperaturi zaradi počasne reakcije s kisikom v zraku. Če ga nekaj časa segrejemo v zaprti posodi, ga lahko pretvorimo v rdeči fosfor, veliko manj reaktivno, nestrupeno obliko, v kateri so tetraedri povezani v verige. Tretjo obliko, črni fosfor, lahko dobimo s segrevanjem bele oblike pri visokem tlaku – ima atome, razporejene v šesterokotnike, ki tvorijo plošče, podobno kot grafit.