Alotropi su oblici kemijskog elementa koji se razlikuju na molekularnoj razini ili u načinu na koji su atomi raspoređeni u molekule. Mnogi elementi se javljaju u različitim alotropima, među njima ugljik, kisik, fosfor i sumpor. Ti se različiti oblici mogu uvelike razlikovati po svojim fizikalnim svojstvima, kao što su boja, tvrdoća i električna vodljivost, te po svojoj kemijskoj reaktivnosti. Postoje različiti načini na koje se jedan alotrop može pretvoriti u drugi, uključujući zagrijavanje i hlađenje, visoki tlak ili čak izlaganje svjetlu. Alotrop se ne smije miješati s izotopom, koji se razlikuje na atomskoj, a ne molekularnoj razini.
Postoje dvije vrste alotropa. Enantiotropni tip može proći reverzibilnu promjenu u drugi alotrop pod određenim uvjetima, kao što su različita temperatura ili tlak. Na primjer, postoji oblik elementa kositra koji je stabilan ispod 55.4°F (13°C), i drugi koji je stabilan iznad te temperature – moguće je pretvoriti jedan u drugi, pa natrag podizanjem ili spuštanjem temperatura. Monotropno znači da je jedan oblik najstabilniji i da se ne može lako pretvoriti u i iz drugog oblika; neki primjeri su grafitni oblik ugljika i najčešći oblik kisika (O2), za razliku od manje stabilnog ozona (O3).
ugljen
Ugljik je element s najvećim brojem alotropa, iako – od 2013. – točan broj nije jasan jer su neki sporni. Različiti prihvaćeni oblici radikalno se razlikuju jedni od drugih, u rasponu od mekih do tvrdih, neprozirnih do prozirnih, abrazivnih do glatkih, i prikazuju mnoge druge varijacije i kontraste. Sposobnost ovog elementa da poprimi toliko različitih oblika proizlazi iz činjenice da atom ugljika može formirati četiri jednostruke veze s drugim atomima. Također može stvarati dvostruke, a ponekad i trostruke veze. To omogućuje veliku raznolikost mogućih vrsta molekularnih i kristalnih struktura.
Amorfni ugljik je najčešći oblik i poznat je gotovo svima kao ugljen, drveni ugljen i čađa. Ovaj crni, neprozirni alotrop nije kristalan, a atomi ne tvore nikakve pravilne strukture. Ugljen je zapravo prilično nečist oblik jer se 10% ili više sastoji od drugih elemenata.
Grafit je materijal koji čini “olovo” u olovkama. Sastoji se od listova ugljikovih atoma raspoređenih u povezane dvodimenzionalne šesterokute. Listovi lako klize jedan s drugog, zbog čega se može koristiti za pisanje na papiru. Iako je ugljik nemetal, ovaj alotrop ima blago metalni izgled i provodi elektricitet.
Dijamant je kristalna vrsta ugljika u kojoj svaki atom ima četiri jednostruke veze koje ga spajaju s drugim atomima, tvoreći povezane tetraedre. Nastaje prirodno duboko u Zemlji, na visokim temperaturama i vrlo visokim pritiscima. Iako su izuzetno tvrdi, zbog svoje strukture i čvrstoće veza koje drže atome zajedno, dijamanti nisu vječni: struktura nije potpuno stabilna pri normalnom tlaku i temperaturi, te se vrlo sporo pretvara u grafit. Promjena je, međutim, toliko spora da nije primjetna na ljudskim vremenskim skalama. Dijamanti se također mogu umjetno stvoriti od grafita pri visokoj temperaturi i tlaku.
Drugi kristalni alotrop je mineral lonsdaleite. Podsjeća na dijamant i smatra se da nastaje, u malim količinama, udarom meteorita. Stvoreni tlak pretvara grafit u trodimenzionalni oblik koji zadržava heksagonalnu strukturu, stvarajući tvrdi, kristalni materijal.
Među najfascinantnijim oblicima ugljika su fulereni. To su šuplje, trodimenzionalne strukture sa zidovima koji se sastoje od rasporeda atoma u šesterokute, peterokute, a ponekad i druge oblike. Jedan od najpoznatijih je “buckyball”, ili točnije, buckminsterfulleren: 60 atoma ugljika koji tvore šuplju kuglu, također poznatu kao C60. Moguće su i veće kugle, s većim brojem ugljikovih atoma. Buckyballs se mogu proizvoditi, ali se također javljaju prirodno, a pronađene su na Zemlji u čađi i svemiru.
Nanocijevi su još jedan dobro poznati oblik fulerena. One se sastoje od sićušnih cilindara čije stijenke imaju sličnu strukturu kao kod buckyballa. Mogu biti dugi i do nekoliko milimetara, a na krajevima mogu biti otvoreni ili zatvoreni. Nanocijevi imaju izuzetno visok omjer čvrstoće i težine, a također su i dobri električni vodiči; smatra se da mogu imati mnoge važne tehnološke primjene, posebno u svijetu nanotehnologije.
Ugljična nanopjena je sintetski alotrop koji se sastoji od atoma povezanih u strukturu poput mreže. Radi se o jednom od najlakših poznatih materijala, zbog svoje iznimno niske gustoće, a tek je nekoliko puta teži od zraka. Neobično je to što je feromagnetski – privučen magnetima – i također je poluvodič.
Kisik
Kisik u zraku koji ljudi udišu sastoji se od molekula koje sadrže dva atoma kisika – O2. Atomi ovog elementa mogu tvoriti jednostruke veze s dva druga atoma ili dvostruku vezu jedan s drugim. Normalni oblik kisika ima dvostruku vezu između dva atoma, ali također može postojati u molekuli koja sadrži tri atoma, od kojih je svaki spojen jednostrukom vezom s dva druga. Ovaj oblik je poznat kao ozon (O3).
Ozon je manje stabilan i puno reaktivniji od O2, a u svom čistom obliku predstavlja ozbiljnu opasnost od požara. Također je otrovan, jer oštećuje pluća ako se udiše. Ozon može nastati reakcijama plinova proizvedenih iz ispušnih plinova motora pod utjecajem sunčeve svjetlosti, a može postati ozbiljan zagađivač u urbanim područjima. Također se proizvodi u gornjim slojevima atmosfere interakcijom O2 i ultraljubičastog svjetla sa Sunca, tvoreći “ozonski sloj” koji štiti život na površini Zemlje od najštetnijih oblika ultraljubičastog svjetla.
Fosfor
Ovo je još jedan element s nekoliko jako kontrastnih alotropa. Kada se prvi put izolira iz svojih spojeva, pojavljuje se kao bijeli fosfor. Ovaj oblik se sastoji od tetraedara od četiri atoma; vrlo je reaktivan, vrlo otrovan i svijetli u mraku na sobnoj temperaturi, zbog spore reakcije s kisikom u zraku. Zagrijavanjem neko vrijeme u zatvorenoj posudi, može se pretvoriti u crveni fosfor, mnogo manje reaktivan, neotrovan oblik u kojem su tetraedri međusobno povezani u lance. Treći oblik, crni fosfor, može se dobiti zagrijavanjem bijelog oblika pod visokim tlakom – ima atome raspoređene u šesterokute koji tvore listove, slično kao grafit.