同素異形體（Allotropes）

同素異形體（Allotropes）
高雄市立高雄高級中學化學科陳藝菁老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

同素異形性（Allotropy）是指特定的元素，能以二或多種不同的形式存在，而形成同素異形體。同素異形體為構成元素的相同原子，以不同方式鍵結，而排列成不同的結構、產生不同的性質。同素異形體與同分異構物（isomers）不同；同分異構物為化合物具相同分子式（molecular formula）但具有不同結構式（structural formulae）。舉例來說，碳元素具有兩種常見的同素異形體：鑽石和石墨。鑽石是碳原子以正四面體晶格排列方式鍵結（下圖左），石墨則是碳原子以平面六邊形排列方式互相鍵結（下圖右）。

同素異形體僅指元素在同相或相同物質狀態中，以不同的形式存在；當元素自身產生相變，並不稱為同素異形體。對某些元素來說，同素異形體能以不同分子式存在於不同相中，例如：氧元素的同素異形體—氧氣和臭氧，它們都能以固、液、氣態存在。反之，有些元素無法在不同相中，維持明顯的同素異形體，例如：磷元素有許多固體的同素異形體，但當融化至液態時，均會回復至相同的P₄形式。

同素異形體的概念首先於1841年由瑞典科學家伯齊流斯（Jöns Jakob Berzelius）提出，但當時他並未提出任何解釋。直到1860年亞佛加厥假說（Avogadro’s hypothesis）被接受後，人們才了解到：元素能以多原子分子的形式存在；而承認氧元素有同素異形體O₂和O₃。二十世紀初期，陸續知曉像碳這種，因不同晶體結構而存在的同素異形體的存在。1912年，奧斯特華德（Ostwald）注意到：元素的同素異形現象，只是化合物同質多晶形（polymorphism）性的特殊狀態。他提出應該用同質多晶形物（polymorph）和同質多晶形性（polymorphism）來取代同素異形體和同素異形性。雖然，還有其他化學家也這樣建議，但IUPAC和大部分化學教科書仍習慣對元素沿用同素異形性和同素異形體的用語。

同素異形體是相同元素具有不同的結構形式；因此，它們會有相當不同的物性和化學行為。壓力、光和溫度能引發同素異形體間的互變；因此，某些同素異形體需在特殊的情況下，才能維持其安定性。舉例來說，鐵（iron）元素在906 ºC以上會由體心立方（body-centered cubic）結構轉為面心立方（face-centered cubic）結構；錫（tin）在13.2 ºC之下，會由金屬相轉為半導體相（semiconductor phase）。
一般說來，元素具有不同的配位數（coordination number）和氧化狀態（oxidation state）會有較多的同素異形體。元素的成鏈（catenate）能力也會影響同素異形體的存在。同素異形體在非金屬（鹵素和惰性氣體除外）和類金屬（metalloids）中，非常普遍；金屬中亦有許多的同素異形體。

常見的同素異形體列表如下：

註：Berzelius的中譯，在本文中譯為伯齊流斯，以保持和其它篇的譯名一致。但在大英百科全書中的譯名則為貝采利烏斯。

參考資料：
http://en.wikipedia.org/wiki/Allotropy