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allotropìa

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Lessico

sf. [da allotropo].

1) Fenomeno per il quale un elemento o composto chimico può esistere, alla medesima temperatura e pressione, in due o più forme diverse per le loro proprietà fisiche e chimiche, pur presentando il medesimo stato di aggregazione (solido, liquido o gassoso).

2) Per l'accezione in linguistica, vedi allotropo.

Chimica

Un tipico esempio di allotropia è costituito dall'ossigeno e dall'ozono. Infatti, l'ossigeno sotto forma di ossigeno normale, costituito da un gas incolore che alla pressione atmosferica liquefà alla temperatura di –183 ºC ed è relativamente poco reattivo, anche sotto forma di ozono, costituito da un gas di colore azzurro liquefà a –64 ºC ed è molto reattivo. Dal punto di vista strutturale la differenza tra il normale ossigeno e l'ozono sta nel fatto che il primo è formato da molecole biatomiche O₂ relativamente stabili, il secondo da molecole triatomiche O₃ instabili. Altre volte due forme allotropiche solide differiscono perché gli atomi o gli ioni che le formano possono disporsi in modo da formare reticoli cristallini di diversa simmetria. Un caso interessante è costituito dal carbonio, che esiste in natura in due forme allotropiche: il diamante, che cristallizza nel sistema cubico ed è una delle sostanze più dure che si conosca, e la grafite, che cristallizza nel sistema esagonale, molto usata come lubrificante. Altra differenza notevole tra diamante e grafite è che il diamante è un perfetto isolante, mentre la grafite è un buon conduttore. Il carbonato di calcio si rinviene in natura sotto forma di calcite, in cristalli del sistema romboedrico, ma anche sotto forma di aragonite, in cristalli del sistema rombico, che presentano una durezza e un peso specifico un poco diversi: le differenze di proprietà fisiche possono facilmente spiegarsi con il fatto che gli ioni Ca2+ e CO2‒₃ che costituiscono il reticolo cristallino in un caso e nell'altro sono più o meno ravvicinati nello spazio. L'allotropia di questo tipo si definisce più propriamente polimorfismo. Quando una sostanza esiste in due o più stati allotropici si nota che, a una determinata temperatura e pressione, una forma è quella stabile, mentre le altre sono instabili o, come usa dire, metastabili e tendono, con velocità diversissima di caso in caso, a trasformarsi nella forma stabile. Così alla temperatura ambiente e fino a 112 ºC la forma stabile dello zolfo è il cosiddetto zolfo α, rombico; al di sopra di questa temperatura lo zolfo α si trasforma in una varietà monoclina, lo zolfo β; tuttavia, se lo zolfo β viene raffreddato bruscamente al di sotto della temperatura di trasformazione fino a portarlo alla temperatura ambiente, esso può esistere anche a lungo come forma metastabile perché la sua velocità di trasformazione nella forma stabile α risulta minima. Un sistema di questo tipo, nel quale esiste una temperatura ben definita di trasformazione di una fase nell'altra, temperatura alla quale la trasformazione risulta reversibile, si dice enantiotropo; in esso ogni stato allotropico ha una sua zona di stabilità, al di fuori della quale può esistere solo come fase metastabile. Una trasformazione del genere può quindi paragonarsi per esempio alla fusione di un solido e alla solidificazione del liquido corrispondente: è cioè a un vero e proprio passaggio di stato, anch'esso contraddistinto dall'assorbimento o, nella trasformazione inversa, dall'emissione di una ben determinata quantità di calore, il cosiddetto calore latente di passaggio di stato. Nel caso dell'ossigeno normale e dell'ozono prima considerato e in altri analoghi si osserva invece che l'ozono è sempre instabile e, qualunque sia la temperatura, tende, più o meno velocemente, a trasformarsi in ossigeno normale. Sistemi di questo tipo si dicono monotropi. Il fenomeno dell'allotropia è molto frequente: lo presentano tra l'altro il ferro, lo stagno, il fosforo e molti altri elementi e composti. Esso ha una grande importanza anche dal punto di vista tecnologico, per esempio nei processi metallurgici: infatti i diversi stati allotropici di un metallo presentano per lo più rilevanti differenze nelle proprietà meccaniche, elettriche, ecc. Così, il ferro dà luogo a stati allotropici diversi: il ferro γ e il ferro δ, stabili alle alte temperature, sono capaci di formare con il carbonio soluzioni solide che prendono il nome di austenite, mentre ciò non si verifica per lo stato allotropico del ferro stabile alla temperatura ambiente, il ferro α. Un acciaio, sottoposto al processo di tempera, cioè portato a temperatura elevata e poi raffreddato bruscamente, conserva anche a temperatura ambiente la struttura austenitica, alla quale corrisponde tra l'altro un'elevata durezza: tale struttura risulta allora metastabile, ma la sua velocità di trasformazione nella forma stabile è in pratica nulla, per cui essa si conserva pressoché indefinitamente.