同素異形體

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同素異形（英文：Allotropy或者allotropism，古希臘文 ἄλλος (allos)，即係「第個」加埋 τρόπος (tropos)「形式、形態」）係指某啲化學元素喺同一個物理狀態底下，有多過一種形態唔同形式存在嘅特性，呢啲形式就叫做嗰種元素嘅同素異形體。

各同素異形體入面嘅原子之間嘅鍵唔同，令佢哋有唔同嘅結構。常見嘅包括：

碳嘅同素異形體：鑽石、石墨、石墨烯等、
氧嘅同素異形體：雙氧、臭氧等同
磷嘅同素異形體：白磷、紅磷、黑磷等。

同素異形體其實係同一個元素嘅唔同結構變體：即係話個元素入面嘅原子係用唔同嘅方式連埋一齊嘅。

舉個例，碳嘅同素異形體就包括咗鑽石（碳原子連埋一齊形成立方晶格嘅四面體）、石墨（碳原子連成一塊塊六方晶格嘅薄片）、石墨烯（單層嘅石墨薄片）同埋富勒烯（碳原子連成球狀、管狀或者網球狀咁嘅結構）。

要留意嘅係，同素異形（allotropy）呢個詞淨係用喺元素，唔用喺化合物度。講緊化合物嘅話，更通用嘅詞係同質多晶 / 多形體（polymorphism），不過呢個詞通常淨係用喺固體材料（好似晶體咁）。

同素異形純粹係指同一個元素喺同一個物理相態（即係等離子體、氣體、液體或者固體）入面嘅唔同形式。單純係呢啲物質狀態之間嘅轉變，並唔算係同素異形嘅例子。化學元素嘅同素異形體成日會被稱為嗰個元素嘅多形體或者相。

對某啲元素嚟講，同素異形體除咗物理相態可能有分別之外，佢哋嘅分子式或者晶體結構都可以好唔同。好似氧嘅同素異形體咁，氧氣（O₂）同埋臭氧（O₃）都可以同時以固態、液態同氣態存在。相反，有啲元素喺轉咗物理相態之後，就維持唔到原本唔同嘅同素異形體結構。例如磷喺固態嗰陣有好多種唔同嘅同素異形體（好似白磷、紅磷咁），但只要一熔做液態，佢哋全部都會變返做同一種 P₄ 形式。

同相圖

一個純物質嘅相圖除咗會顯示出固態、液態同氣態之外，仲會標示出唔同嘅同素異形體喺邊啲溫度同壓力範圍之內係穩定嘅。右邊嗰幅硫嘅簡化相圖就係一個好例子。

歷史

同素異形呢個概念最早係由瑞典科學家貝采利烏斯男爵（Baron Jöns Jakob Berzelius，1779–1848年）喺1840年提出嘅。

呢個詞係古希臘文嘅 άλλοτροπἱα（allotropia）即係「多變、反覆無常」。

到咗1860年阿佛加德羅假說大家都明之後，大家都明元素其實可以以多原子分子形式存在嘅，亦都認清咗氧嘅兩種同素異形體原來就係 O₂ 同 O₃。

去到20世紀初，學界再發現好似碳呢類元素嘅同素異形現象其實係因為佢哋嘅晶體結構有分別而造成嘅。

去到1912年，奧斯特瓦爾德（Ostwald）留意到元素嘅同素異形現象，其實只不過係化合物同質多晶（polymorphism）現象嘅一個特例。於是佢提議廢除「allotrope」（同素異形體）同「allotropy」（同素異形）呢兩個詞，一律改用「polymorph」（多形體）同「polymorphism」（多形性）嚟代替。

雖然之後有好多化學家都重複過呢個建議，但時至今日，IUPAC 同埋絕大部分嘅化學教科書，依然傾向淨係將「allotrope」（同素異形體）同「allotropy」（同素異形）用喺元素身上。

用字嘅比較

用字嘅比較
特徵	同分異構	同素異形	同質多晶
核心概念	具有完全相同嘅分子式，但係結構排列或者空間取向唔同嘅分子。	單一化學元素喺同一物理狀態之下，所展現出唔同嘅結構變體。	固態化合物或者化學元素能夠以多種唔同晶格形式顯現嘅能力。
適用範圍	化合物同埋分子（包括有機同無機化合物）。	淨係適用於化學元素。	結晶固體（包括元素、離子鹽或者分子晶體）。
結構差異	化學鍵、原子連接順序或者三維空間幾何形狀嘅唔同。	元素嘅鍵結模式、分子式或者晶體結構嘅唔同。	固體入面原子或者分子嘅堆積排列或空間群嘅唔同。
化學性質	反應性同官能基功能有顯著差異（例如：乙醇對比二甲醚）。	化學反應性有明顯嘅分歧（例如：鑽石嘅惰性對比石墨嘅反應性）。	喺液態或氣態嗰陣完全一樣；喺固態嗰陣嘅表面反應性有細微差異。
物理性質	沸點、熔點同密度都有所唔同。	特性截然不同（例如：鑽石嘅透明同堅硬對比石墨嘅唔透光同柔軟）。	喺溶解度、硬度、密度同熔點上有明顯嘅差異。
物理狀態	可以係氣體、液體同固體相。	主要係固體相，但亦會出現喺液體同氣體相（例如：雙原子氧對比臭氧氣體）。	淨係適用於結晶固體。
主要機制	原子鍵結、官能基位置或者分子旋轉嘅唔同方式。	同核鍵結（homonuclear bonding）同分子聚集嘅唔同方式。	喺結晶過程之中，溫度同壓力嘅熱力學變化。
例子	丁烷同異丁烷乙醇同二甲醚	碳嘅同素異形體：鑽石、石墨、石墨烯同富勒烯氧嘅同素異形體：雙原子氧同臭氧	碳酸鈣嘅形式：方解石同霰石二氧化鈦嘅形式：金紅石、銳鈦礦同板鈦礦碳系統：鑽石同石墨（同時被歸類為同素異形體同埋同質多晶體）

性質差異

同素異形體係同一個元素嘅唔同結構形式，佢哋可以展現出完全唔同嘅物理性質同埋化學行為。同素異形體之間嘅轉變，係由影響其他結構嘅相同外在因素所觸發嘅，即係壓力、光同埋溫度。所以，某一種同素異形體安唔安定，好睇當時嘅具體條件。

舉個例，鐵喺超過 906 °C 嗰陣，會由體心立方晶格結構（肥粒鐵/α-鐵）變成面心立方晶格結構（沃斯田鐵/γ-鐵）；而錫喺 13.2 °C（55.8 °F）以下，會經歷一種叫做「錫疫」嘅結構轉變，由金屬狀態變成半金屬狀態。

至於同素異形體喺化學行為上有幾大分別，臭氧（O₃）就是一個好例子，佢嘅氧化性比氧氣（O₂）強得多。喺正常環境之下，雙原子氧（氧氣）嘅化學性質相對穩定（而且無毒），但係三原子氧（臭氧）嘅反應性就非常之強（而且有毒）。

佢哋好唔同，物理性質（例如顏色、硬度、熔點、導電性、導熱性）同埋化學反應性都有幾大分別。

同素性轉變

一種同素異形體轉變成另一種嘅過程，通常會喺溫度或者壓力發生改變（又或者兩者同時影響）嗰陣發生，並且會伴隨住物質性質嘅突發性（跳躍式）變化。呢個轉變過程可以係可逆嘅（稱為「互變同素性」，enantiotropic），亦都可以係不可逆嘅（稱為「單變同素性」，monotropic）。

互變同素性

以「互變同素性轉變」為例，最典型嘅例子就係斜方硫（菱形硫）同單斜硫喺 95.6 °C 嗰陣嘅互相轉化：α-S（斜方）↔ β-S（單斜）。喺一般溫度（常溫）之下，斜方硫係硫最穩定嘅形態；不過喺正常壓力之下，當佢被加熱到 95.6 °C 嗰陣，就會轉化成單斜硫。相反，當單斜硫被冷卻到 95.6 °C 以下嗰陣，又會變返做斜方硫。所以，呢兩種硫嘅形態會喺同一個溫度點發生可逆嘅互相轉變，而呢啲形態就被稱為互變同素異形體。

單變同素性

至於「**單變同素性轉變**」，典型就係白磷（P₄）喺 1.25 GPa 嘅壓力同埋 200 °C 嘅溫度之下，轉化成更加穩定嘅形態——黑磷。當環境回復到一般條件（常溫常壓）嗰陣，呢個轉變並唔會逆向發生。理論上，由唔穩定形態轉化到穩定形態嘅過程喺任何溫度下都有可能進行，但係反過嚟就唔得，亦即係話佢哋之間並無一個固定、雙向嘅轉變點。

另一個例子就係喺 6 GPa 嘅壓力、1500 °C 嘅高溫以及催化劑（例如鎳、鉻、鐵等金屬）嘅輔助之下，石墨會轉化成鑽石（金剛石），呢個條件正正就係鑽石喺熱力學上嘅穩定區域。然而，當溫度超過 1000 °C 嗰陣，鑽石就會好容易而且好快噉變返做石墨。喺呢兩個例子入面，高壓都有利於轉化嘅進行，因為新生成嘅物質（黑磷、鑽石）都比原本嘅原料具有更高嘅密度。

同素異形體一覽

通常嚟講，如果一個元素可以有唔同嘅配位數同／或者氧化態，佢往往就會有比較多種同素異形體。另一個因素，就係呢個元素進行成鏈（catenation）嘅能力。

底下同素異形體一覽嘅例子包括：

非金屬

元素	同素異形體
碳	鑽石（金剛石）– 一種極之硬、透明嘅晶體，入面嘅碳原子排列成四面體晶格。佢嘅導電能力好差，但導熱能力就極之出色。朗斯代爾石 – 又叫做六方金剛石。石墨烯 – 係其他同素異形體（好似納米管、炭同埋富勒烯）嘅基本結構單元。 Q-碳 – 一種有鐵磁性、好堅韌而且閃亮嘅晶體結構，比鑽石仲要硬、同埋更閃。石墨 – 一種半金屬、質地軟、黑色、呈片狀嘅固體，導電性能良好。入面嘅碳原子結合成平面嘅六方晶格（即係石墨烯），然後一層層疊埋一齊。線性乙炔碳（碳炔）無定形碳富勒烯 – 包括巴克明斯特富勒烯（俗稱「巴克球」），例如 C₆₀。碳納米管 – 具有圓柱形納米結構嘅同素異形體。施瓦茨體（Schwarzites）環碳玻璃碳超密碳同素異形體 – 理論上預測存在嘅同素異形體
氮	雙原子氮（氮氣）– 截至目前為止最常見、最安定嘅氮形式，存在於空氣入面。六嗪六聚氮立方烷氮四氮三氮固態氮
磷	白磷 – 由四原子磷（P₄）分子組成嘅結晶固體。紅磷 – 一種無定形嘅聚合物固體。緋紅磷（Scarlet phosphorus）紫磷 – 具有單斜晶系晶體結構。黑磷 – 一種半導體，結構類似石墨。雙原子磷 – 由 P₂ 分子組成嘅氣態形式，喺 1200 °C 到 2000 °C 之間好安定；可以透過喺大約 827 °C 嗰陣，將白磷嘅 P₄ 分子解離嚟整出嚟。
氧	雙原子氧（氧氣），O₂ – 無色（液態同固態嗰陣帶微藍色）。臭氧，O₃ – 藍色。四聚氧，O₄ – 屬於亞穩態。八聚氧（紅氧），O₈ – 紅色。
硫	環五硫（Cyclo-S₅）環六硫（Cyclo-S₆）環七硫（Cyclo-S₇）環八硫（Cyclo-S₈）
硒	「紅硒」 – 即係環八硒（cyclo-Se₈）。灰硒 – 聚合物形式嘅硒。黑硒 – 由長達 1000 個原子嘅唔規則聚合物環組成。單斜硒 – 深紅色嘅透明晶體。
氫嘅自旋異構體	正氫（Orthohydrogen） – 原子核自旋方向平行嘅 H₂。仲氫（Parahydrogen） – 原子核自旋方向反平行嘅 H₂。呢啲核自旋異構體有時會被形容為同素異形體，特別係當年頒發1932年諾貝爾物理學獎畀維爾納·海森堡（表彰佢喺量子力學上嘅貢獻）嘅委員會，就特別指出「氫嘅同素異形形式」係量子力學最顯著嘅應用。

類金屬

元素	同素異形體
硼	無定形硼 – 咖啡色粉末 – 由 B₁₂ 正二十面體組成 α-菱方硼 β-菱方硼 γ-正交硼 α-四方硼 β-四方硼立方硼高壓超導相硼烯硼球烯（B₄₀）
矽	無定形矽 α-矽 – 一種半導體，具有鑽石立方晶體結構 β-矽 – 具有金屬性，結構係類似鉬同埋β-錫嘅體心立方晶格（高壓相） Q-矽 – 一種有鐵磁性（類似Q-碳）兼且高導電性嘅矽相態（類似石墨）矽烯 – 呈波浪狀嘅單層平面矽，結構類似石墨烯
鍺	無定形鍺 α-鍺 – 類金屬元素或者半導體，結構同鑽石一樣（化學性質類似硫同矽） β-鍺 – 具有金屬性，結構同β-錫一樣鍺烯 – 呈波浪狀嘅單層平面鍺，結構類似石墨烯
砷	黃砷 – 由分子組成嘅非金屬 As₄，結構同白磷一樣（化學性質類似氮同磷）灰砷 – 聚合物形式嘅砷（雖然有好強嘅各向異性，但具有金屬性）（化學性質類似鋁同銻）黑砷 – 由分子組成嘅非金屬，結構同紅磷一樣
銻	藍白銻 – 安定嘅形式（金屬性），結構同灰砷一樣（化學性質類似砷）黑銻 – 非金屬兼且無定形，淨係喺薄膜狀態之下先至安定
碲	無定形碲 – 灰黑色或者咖啡色嘅粉末結晶碲 – 六方晶體結構（類金屬）（化學性質類似硒）

金屬

喺自然界入面大量存在嘅金屬元素（由Li至U共56種，唔計Tc同Pm）之中，差唔多有一半（27種）喺常壓之下都具有同素異形性：包括Li、Be、Na、Ca、Ti、Mn、Fe、Co、Sr、Y、Zr、錫（Sn）、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Yb、Hf、Tl、Th、Pa同埋U。

喺工業同科技應用上比較重要嘅金屬，佢哋同素異形體之間嘅相變溫度包括有：鈦（Ti）喺 882 °C、鐵（Fe）喺 912 °C 同 1,394 °C、鈷（Co）喺 422 °C、鋯（Zr）喺 863 °C、錫（Sn）喺 13 °C，以及鈾（U）喺 668 °C 同 776 °C。

元素	相態名	空間羣	皮爾遜符號	結構類	說明
鋰	α-Li	R3m	hR9	α-Sm	喺 70 K 以下形成。
	β-Li	Im3m	cI2	W	喺室溫同常壓之下好安定。
		Fm3m	cF4	Cu	喺 7 GPa 以上形成。
		R3m	hR1	α-Hg	喺大約 40 GPa 形成嘅中間相。
		I43d	cI16		喺 40 GPa 以上形成。
			oC88		喺 60 到 70 GPa 之間形成。
			oC40		喺 70 到 95 GPa 之間形成。
			oC24		喺 95 GPa 以上形成。
鈹	α-Be	P6₃/mmc	hP2	Mg	喺室溫同常壓之下好安定。
鈹	β-Be	Im3m	cI2	W	喺 1255 °C 以上形成。
鈉	α-Na	R3m	hR9	α-Sm	喺 20 K 以下形成。
	β-Na	Im3m	cI2	W	喺室溫同常壓之下好安定。
		Fm3m	cF4	Cu	喺室溫、65 GPa 以上形成。
		I43d	cI16		喺室溫、108 GPa 形成。
		Pnma	oP8	MnP	喺室溫、119 GPa 形成。
			tI19*		喺 125 到 180 GPa 之間形成嘅「主-客」（host-guest）複合結構。
			hP4		喺 180 GPa 以上形成。
鎂		P6₃/mmc	hP2	Mg	喺室溫同常壓之下好安定。
鎂		Im3m	cI2	W	喺 50 GPa 以上形成。
鋁	α-Al	Fm3m	cF4	Cu	喺室溫同常壓之下好安定。
鋁	β-Al	P6₃/mmc	hP2	Mg	喺 20.5 GPa 以上形成。
鉀		Im3m	cI2	W	喺室溫同常壓之下好安定。
		Fm3m	cF4	Cu	喺 11.7 GPa 以上形成。
		I4/mcm	tI19*		喺大約 20 GPa 形成嘅「主-客」（host-guest）複合結構。
		P6₃/mmc	hP4	NiAs	喺 25 GPa 以上形成。
		Pnma	oP8	MnP	喺 58 GPa 以上形成。
		I4₁/amd	tI4		喺 112 GPa 以上形成。
		Cmca	oC16		喺 112 GPa 以上形成。
鐵	α-Fe，肥粒鐵（ferrite）	Im3m	cI2	體心立方	喺室溫同常壓之下好安定。喺 T < 770 °C 嗰陣具有鐵磁性，喺 T = 770–912 °C 之間具有順磁性。
	γ-鐵，沃斯田鐵（austenite）	Fm3m	cF4	面心立方	喺 912 到 1,394 °C 之間好安定。
	δ-鐵	Im3m	cI2	體心立方	喺 1,394 到 1,538 °C 之間好安定，晶體結構同 α-Fe 一樣。
	ε-鐵（Hexaferrum）	P6₃/mmc	hP2	六方密堆積	喺高壓之下好安定。
鈷	α-鈷			六方密堆積	喺 450 °C 以下形成。
	β-鈷			面心立方	喺 450 °C 以上形成。
	ε-鈷	P4₁32		簡單立方	透過 [Co₂(CO)₈] 嘅熱分解形成。屬於納米同素異形體。
銣	α-Rb	Im3m	cI2	W	喺室溫同常壓之下好安定。
			cF4		喺 7 GPa 以上形成。
			oC52		喺 13 GPa 以上形成。
			tI19*		喺 17 GPa 以上形成。
			tI4		喺 20 GPa 以上形成。
			oC16		喺 48 GPa 以上形成。
錫	α-錫，灰錫，錫疫	Fd3m	cF8	鑽石結構	喺 13.2 °C 以下好安定。
	β-錫，白錫	I4₁/amd	tI4	β-Sn	喺室溫同常壓之下好安定。
	γ-錫，斜方錫	I4/mmm	tI2	In	喺 10 GPa 以上形成。
	γ'-錫	Immm	oI2	MoPt₂	喺 30 GPa 以上形成。
	σ-錫，γ"-錫	Im3m	cI2	W	喺 41 GPa 以上形成。喺極高壓力之下形成。
	δ-錫	P6₃/mmc	hP2	Mg	喺 157 GPa 以上形成。
	錫烯
釙	α-釙			簡單立方
釙	β-釙			菱面體

在標準條件下最安定嘅結構。
在室溫以下安定嘅結構。
在室溫以上安定嘅結構。
在大氣壓力以上（高壓）安定嘅結構。

鑭系元素同錒系元素

鈰、釤、鏑同埋鐿各有三種同素異形體。
鐠、釹、釓同埋鋱各有兩種同素異形體。
鈽喺「正常」壓力之下，有六種唔同嘅固態同素異形體。佢哋嘅密度相差可以達到大約 4:3 嘅比例，呢一點令到同呢種金屬相關嘅所有工序（特別係鑄造、機械加工同埋儲存）都變得極之複雜。喺極高嘅壓力之下，仲存在第七種鈽嘅同素異形體。另外，超鈾金屬錼、鋂同埋鋦都一樣具有同素異形性。
鉕、鋂、鉳同埋鉲各有三種同素異形體。