Понятие А. введено в науку Берцелиусом ("Jahresb.", 1841, стр. 13. "L. A.", 49, 247 ; ср. Изомерия) для обозначения изомерных видоизменений элементов; одновременно он предполагал, по-видимому, применить его и к изомерии соединений, если судить по словам: "Может быть несколько причин того, что мы называем изомерией, а именно: 1) А., если... пример двух железных колчеданов обусловлен содержанием в одном S α , а в другом S β [Знаками α и β Берцелиус отличил аллотропические видоизменения серы.]; 2) различное относительное положение атомов в соединении... и 3) в некоторых случаях и А., и неодинаковое положение атомов". В настоящее время понятие А. большею частью прилагается к "изомерии" элементов; иногда, впрочем, говорят и об А. соединений, подразумевая при этом так называемую "физическую" изомерию, и наконец, только в самое последнее время в "твердых растворах" мы тоже возвратились к взгляду Берцелиуса и объясняем "изомерию", напр. стали (при различных условиях закалки), предсуществованием в ней аллотропических форм железа. Число известных случаев А. громадно. Между элементами они главным образом наблюдены для металлоидов. Только для галоидов (F, Cl, Br и J) их неизвестно, если не принимать, однако, взгляда Лемана (см. ниже). Для металлоидов VI вертикальной группы периодической системы Менделеева известны явления А.: для кислорода (озон - см.), серы (см.) и селена (см.), но не теллура. Об А. металлоидов V группы см. Азот и Фосфор; для мышьяка известны теперь тоже три аллотропич. формы, а именно: 1) желтый прозрачный мышьяк, кристаллизующийся в правильной системе (в ромбических додекаэдрах), растворимый порядочно в сероуглероде и хуже в бензоле, глицерине и жирных маслах, быстро переходящий на свету и при нагревании во 2-е видоизменение (Schuller; Retgers, "Z. an. Gh.", 1894; Mc. Leod, "Chem. News", 70 и Linck, "Berl. Ber.", 1899); 2) мышьяк, кристаллизующийся в гексагональных ромбоэдрах, просвечивающий, отвечающий красному фосфору, и 3) мышьяк, тоже кристаллизующийся в гексагональных ромбоэдрах, но не просвечивающий, с металлическим серебристо-белым блеском, отвечающий металлическому фосфору (см. Retgers, "Z. an. Ch.", 1893 и XX, 287); для сурьмы аллотропич. форм неизвестно, и так назыв. "взрывчатая", или аморфная, сурьма оказывается содержащей значительный количества треххлористой сурьмы (E. Cohen u. W. E. Ringer, "Z. ph. Ch.", 1904). В IV группе аллотропические формы известны для углерода (см.), кремния (см.) и в III для бора (см.). Случаев А. металлов известно пока мало; наиболее изучены аллотропические формы олова (см.) и железа (см.; ср. Retgers, "Zeit. ph. Ch.", 1894), но имеются еще указания на полиморфизм цинка, иридия, палладия, серебра (?) и золота (?) (Arzruni, "Beziehungen zw. Krystallform u. ch. Zusammensetzung", 3 ч. 1-го т. Graham-Otto"s "Ausführl. Lehrb. d. Ch.", стр. 36 ; ср. еще M. И. Коновалов, "О видоизменениях (А.) простых тел или элементов", "Речи и отчеты Моск. Сельскохоз. Инст." за 1899 г. и E. Petersen, "Zeitsch. ph. Ch.", 1891). - Что касается А. химически сложных тел, то вопрос и для них сводится обыкновенно на явления полиморфизма (см.), так как химических различий в большинстве случаев для них не известно ["Диморфные вещества, по моему мнению, - говорит Пастер, - изомерные вещества с очень мало различным расположением молекул; потому и химические свойства их мало изменены".]. Более известные случаи полиморфизма неорганических веществ указаны в ст. Полиморфизм; из органических веществ полиморфизм наблюден на бензофеноне, уксуснокислом изогидробензоине (Цинке), дибромопропионовой кисл. (Толленс), толилфенилкетоне (фан Дорп, Цинке), метахлорнитробензоле, хлординитробензоле (1, 3, 4) (Лаубенгеймер), бромистом углероде (Леман) и мн. других (список у Arzruni. 1. с., 55-58; более новые данные у Tammann"a, "Kristallisieren u. Schmelzen", Лпц., 1903). Никакой связи между полиморфизмом и составом пока не удалось установить, что, вероятно, находит объяснение в отрывочности имеющихся наблюдений (систематичны только работы Тамманна). Что касается общих условий полиморфизма (аллотропии), то достаточно указать, что явление это связано с твердым (кристаллическим) состоянием материи и неизвестно для аморфного (жидкого), и что потому пары (?), растворы и жидкости (?), полученные плавлением аллотропных форм, тождественны; что из двух аллотропных форм одна обыкновенно находится в малоустойчивом состоянии по отношению к другой (метастабильное состояние Оствальда; оно может быть довольно постоянным благодаря пассивным сопротивлениям); только при температуре (и давлении) точки перехода обе формы одинаково устойчивы, но возможность осуществления этой последней (точки перехода) зависит от того, имеется ли случай "энантио"- или "монотропии" (см.). Исчерпывается ли возможное разнообразие только этими двумя типами, нельзя еще считать окончательно установленным, судя по многим опытным данным (ср. Энолизация); возможно, однако, что усложнение (сравнительно с теорией) кажущееся, обусловленное медленностью превращений (W. Bancroft, "Journ. Ph. Ch.", 1898; P. Duhem, "Zeitschr. ph. Ch.", 1897). В заключение замечу, что факторами, вызывающими то или другое аллотропическое превращение, являются, при данной природе превращающегося тела, изменения температуры и давления; все такие превращения подчинены правилу фаз (см.), и, смотря по тому, имеем ли мы дело с ин- или унивариантными системами, мы можем отождествить наблюдаемые явления или с плавлением системы из одного слагаемого (конденсированные системы фан"т Гоффа, системы инвариантные), или с испарением однородной жидкости в замкнутом пространстве (при сосуществовании жидкости и пара - система унивариантная). Едва ли есть потому необходимость, как это делает Леман (Lehmaon, "Molekularphysik", I, 605-703), предполагать, что "твердое и жидкое состояние (одного и того же тела) представляют химически различные тела", что "в сущности, плавление представляет химическое разложение, а застывание - обратное образование" первоначального твердого тела, что "ни одно тело не обладает более, чем одним агрегатным состоянием, а так называемые три агрегатных состояния одного тела фактически суть три химически различных тела, хотя порядка не атомных, а молекулярных изомеров". Взгляд Лемана имеет, однако, сторонников между минералогами и изложен у Браунса ("Химическая минералогия", пер. Белянкина. под ред. Левинсона-Лессинга, 175-180 ; его критику см. К. Schaum, "Die Arten der Isomerie", Марбург, 4-13 ).

• - свойство некоторых химических элементов, позволяющее им существовать в двух или более различных физических формах...

  Научно-технический энциклопедический словарь

• - Allotropy - . Синоним полиморфизма. Термином аллотропии обычно описывают полиморфное превращение элементов, конечных фаз и сплавов. Существование элементов в двух или более кристаллических состояниях...
• - Enantiotropy - .Существование различных кристаллических форм одного и того же вещества, при которой одна форма является устойчивой выше некоторой температуры, а другая форма устойчивой ниже той же температуры...

  Словарь металлургических терминов

• - существование химических элементов в виде двух или более простых веществ. Может быть обусловлена образованием молекул с различным числом атомов либо кристаллов различных модификаций...

Применительно к металлографии аллотропия - это существование одного вещества в нескольких кристаллических формах (аллотропия формы). Явление аллотропии обусловлено способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке.

Различные кристаллические формы одного вещества называются аллотропическими модификациями , которые обозначаются греческими буквами:  и т.д. Аллотропическая форма, существующая при самой низкой температуре, обозначается  потом следует модификация  и т.д.

Явление аллотропии изучено достаточно хорошо. А вот продемонстрировать его не всегда удается. Причина тому - существование аллотропических форм существенно выше или ниже комнатной температуры, когда наличие той или иной формы можно определить только в лабораторных условиях, а зафиксировать структуру - и того реже.
Наиболее известные примеры аллотропных веществ - это железо, углерод, олово.Об аллотропии железа пишут много. Аллотропические формы железа (α- ,  - и  -) различаются типом кристаллической решетки (рис. 1): объемноцентрированная у α-модификации и гранецентрированная у  -модификации.  -железо - это высокотемпературная модификация, также имеющая объемноцентрированную кубическую решетку. Для практических целей она существенного значения не имеет, поэтому о ней упоминают редко. Она оказывает определенное влияние на строение некоторых марок литых сталей и их последующую термическую обработку. Потом мы напишем немного и об этом. Строго говоря, выделяют еще  - модификацию. Это немагнитное α - железо, которое существует в интервале 911-768 о С.

Рисунок 1. Кривая охлаждения железа

Поскольку температуры перехода одной аллотропической формы в другую лежат в области высоких температур, понятно, что существование  - железа при комнатной температуре возможно с помощью некоторых ухищрений. Фактически, мы видим при комнатной температуре не непосредственно  - железо , а твердый раствор легирующих элементов в  - железе - аустенит. Почему? Потому что некоторые легирующие элементы снижают температуру существования  - железа до комнатной и ниже. В сущности, уже углерод при содержании 0,8% снижает температуру перехода Fe   Fe  почти на 200 градусов - с 911 о С до 727 о С. Ну, а если добавлять еще легирующие….. . Дело удается, и мы имеем структуру аустенита при комнатной температуре. Ну, а α-железо существует при комнатной температуре и чтобы увидеть его, дополнительного легирования не надо. В металловедении мы чаще всего имеем дело не с чистым α-железом, а с твердым раствором на его основе- ферритом.
Существование аллотропии железа позволило создать современные технологии термической обработки стали.
Здесь нас интересует структура, присущая разным аллотропическим формам. Структуры α-железа (феррит) и  - железа (аустенит) надежно различаются микроскопически (рис. 2). Зерна феррита имеют округлую или полиэдрическую форму (рис.2а), аустенита - угловатую, многоугольную. В аустените, как правило, чаще наблюдаются двойники (рис.2б). Из представленных на рис.2 фотографий видно, что феррит не очень устойчив химически - зерна феррита окрасились при травлении. Аустенит более устойчив. Кстати - нержавеющие стали имеют аустенитную структуру.

Рисунок 2. Структура феррита (а) и аустенита (б).

Еще большим разнообразием форм обладает углерод. Долгое время считалось, что он обладает двумя аллотропными модификациями, графитом и алмазом, но с середины двадцатого века разнообразие различных модификаций стало стремительно увеличиваться. В шестидесятых годах ХХ века открыт карбин, в 1985 году были открыты различные фуллерены, а не-сколько позже - нанотрубки, нанопена и др. Примерно в это же время были обнаружены фрагменты графита атомарной толщины, которые предложили назвать графеном. Его можно представить в виде атомарного слоя графита. С начала 2000-годов графен стал одним из самых интенсивно ис-следуемых физических объектов. Аллотропия углерода - это также аллотропия формы. В справочной литературе выделяют много аллотропных форм углерода, но здесь приведены только две из них - графит и алмаз . Тем более, что для целей материаловедения это как-то ближе. В особенности графит, который доступен в свободном виде по банальным карандашам, а также алмаз, прекрасный и не всегда доступный… Когда-то предполагали, что углерод в виде алмаза может присутствовать в сталях и чугунах, но не нашли. Придется удовольствоваться графитом.
Кристаллические решетки графита и алмаза различаются существенно. У графита - гексагональная, у алмаза - гранецентрированная кубическая.
Микроскопически графит прекрасно наблюдается в чугуне, особенно без травления на фоне блестящей металлической матрицы, и может принимать различные формы - глобулярную, пластинчатую, хлопьевидную, вермикулярную. Форма графита зависит от состава и способа получения чугуна. Если повезет, то можно увидеть сферокристалл графита (рис. 3, а). Ну, а если не повезет, то «куском» (рис.3, б). В принципе, структура у такого куска будет принципиально такая же, как и у компактного графита различных марок (рис. 4,5) - кристаллы, хаотично ориентированные. Для рассмотрения такого графита в микроскопе также желательно сделать шлиф. В данном случае образцы были пришлифованы на шкурке и стекловолокне.

Рисунок 3. Графит в высокопрочном чугуне

Рисунок 4. Структура электродного графита.

Рисунок 5. Образцы и

Современные технологии позволяют получать графит в различных «ипостасях», например графитовая бумага. (Бумага - потому что состоит из тонких слоев. Но не для письма!)

а
б	в

Рисунок 6. Образец графитовой бумаги (а) и его поверхность при различных увеличениях (б,в).

Существует графитовое (углеродное) волокно (рис. 7,а), которое является армирующим компонентом композиционных материалов (рис.7,б). Металлография позволяет рассмотреть углеродное волокно - армирующий компонент алюминиевого сплава (рис. 8).

Рисунок 8. Углеродное волокно в составе алюминиевого сплава

Другой популярной в описаниях аллотропной формой углерода является алмаз. Под микроскопом грани ювелирного алмаза можно рассмотреть в темном поле (рис. 9). Цвет здесь определяется настройками видеокамеры.

Рисунок 10. Алмазный порошок: а - светлое поле, б - темное поле; х200.

(этот материал будет продолжен)

Содержание статьи

АЛЛОТРОПИЯ, существование химических элементов в двух или более молекулярных либо кристаллических формах. Например, аллотропами являются обычный кислород O 2 и озон O 3 ; в этом случае аллотропия обусловлена образованием молекул с разным числом атомов. Чаще всего аллотропия связана с образованием кристаллов различных модификаций. Углерод существует в двух четко различающихся кристаллических аллотропных формах: в виде алмаза и графита. Раньше полагали, что т.н. аморфные формы углерода, древесный уголь и сажа, – тоже его аллотропные модификации, но оказалось, что они имеют такое же кристаллическое строение, что и графит. Сера встречается в двух кристаллических модификациях: ромбической (a -S) и моноклинной (b -S); известны по крайней мере три ее некристаллические формы: l -S, m -S и фиолетовая. Для фосфора хорошо изучены белая и красная модификации, описан также черный фосфор; при температуре ниже –77° С существует еще одна разновидность белого фосфора. Обнаружены аллотропные модификации As, Sn, Sb, Se, а при высоких температурах – железа и многих других элементов.

Энантиотропные и монотропные формы.

Кристаллические модификации химического элемента могут переходить одна в другую по-разному, что можно проиллюстрировать на примерах серы и фосфора. При обычной температуре стабильной является ромбическая модификация серы, которая при нагревании до 95,6° С и давлении 1 атм переходит в моноклинную форму. Последняя при охлаждении ниже 95,6° С вновь переходит в ромбическую форму. Таким образом, переход одной формы серы в другую происходит при одной и той же температуре, и сами формы называются энантиотропными. Другая картина наблюдается для фосфора. Белая его форма может превращаться в красную почти при любой температуре. При температурах ниже 200° С процесс протекает очень медленно, но его можно ускорить с помощью катализатора, например иода. Обратный же переход красного фосфора в белый невозможен без образования промежуточной газовой фазы. Красная форма стабильна во всем диапазоне температур, где она находится в твердом состоянии, тогда как белая нестабильна при любой температуре (метастабильна). Переход из нестабильной формы в стабильную в принципе возможен при любой температуре, а обратный – нет, т.е. определенная точка перехода отсутствует. Здесь мы имеем дело с монотропными модификациями элемента. Две известные модификации олова энантиотропны. Модификации углерода – графит и алмаз – монотропны, причем стабильной является форма графита. Красная и белая формы фосфора монотропны, а две белые его модификации энантиотропны, температура перехода равна –77° С при давлении 1 атм.