同素体

同素性（古代ギリシャ語のἄλλος (allos)  「他の」とτρόπος (tropos)  「様態、形状」に由来）は、いくつかの化学元素が同じ物理的状態において2つ以上の異なる形態で存在する性質であり、元素の同素体として知られている。同素体は元素の異なる構造変化であり、元素の原子は異なる方法で結合している。 ^[1] たとえば、炭素の同素体には、ダイヤモンド（炭素原子は結合して四面体の立方格子を形成する）、グラファイト（炭素原子は六方格子のシート状に結合している）、グラフェン（グラファイトの単一シート）、フラーレン（炭素原子は球状、管状、または楕円体状に結合している）がある。

同素性という用語は元素にのみ使用され、化合物には使用されません。あらゆる化合物に使用されるより一般的な用語は多形性ですが、その使用は通常、結晶などの固体材料に限定されます。同素性とは、同じ物理的相（固体、液体、気体などの物質の状態）内の元素の異なる形態のみを指します。これらの物質の状態の違いは、単独では同素性の例にはなりません。化学元素の同素体は、元素の 多形体または相と呼ばれることがよくあります。

元素によっては、同素体の分子式や結晶構造が異なり、物理的相も異なります。たとえば、酸素の 2 つの同素体(二酸素、O ₂とオゾン、O ₃ ) は、固体、液体、気体のいずれの状態でも存在できます。他の元素は、異なる物理的相で明確な同素体を維持しません。たとえば、リンには多数の固体同素体がありますが、これらはすべて、液体に溶けると 同じ P _{4形式に戻ります。}

同素性の概念は、もともと1840年にスウェーデンの科学者ベルセリウス男爵（1779–1848）によって提唱されました。^{[2] [3]}この用語は、ギリシャ語の άλλοτροπἱα （allotropia）  「可変性、変化しやすさ」に由来しています。^{[4] 1860年に}アボガドロの仮説が受け入れられた後、元素は多原子分子として存在できることが理解され、酸素の2つの同素体がO ₂とO ₃として認識されました。^[3] 20世紀初頭には、炭素などの他のケースは結晶構造の違いによるものであることが認識されました。

1912年までにオストワルドは、元素の同素体は化合物に知られている多形現象の特殊なケースに過ぎないと指摘し、同素体と同素体という用語を廃止し、多形と多形性に置き換えることを提案した。^{[5] [3]}他の多くの化学者もこのアドバイスを繰り返したが、IUPACとほとんどの化学教科書では、依然として元素に対してのみ同素体と同素体の使用を支持している。^[6]

同素体は、同じ元素の異なる構造形態であり、非常に異なる物理的特性および化学的挙動を示すことがあります。同素体形態間の変化は、他の構造に影響を及ぼす同じ力、すなわち圧力、光、および温度によって引き起こされます。したがって、特定の同素体の安定性は特定の条件に依存します。たとえば、鉄は906 °C を超えると体心立方構造 (フェライト) から面心立方構造 (オーステナイト) に変化し、スズは13.2 °C (55.8 °F) 未満で金属形態から半金属形態へのスズペストと呼ばれる変化を起こします。異なる化学的挙動を示す同素体の例として、オゾン (O _{3 ) は二酸素 (O 2} )よりもはるかに強力な酸化剤です。

通常、配位数や酸化状態が可変の元素は、同素体形態の数が多くなる傾向があります。もう 1 つの要因は、元素が連鎖する能力です。

同素体の例としては以下のものがあります。

自然界に大量に存在する金属元素（Tc と Pm を除く U までの 56 種）のうち、ほぼ半分（27 種）が常圧で同素体です：Li、Be、Na、Ca、Ti、Mn、Fe、Co、Sr、Y、Zr、Sn、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Yb、Hf、Tl、Th、Pa、U。技術的に関連する金属の同素体間の相転移としては、Ti では 882 °C、Fe では 912 °C と 1394 °C、Co では 422 °C、Zr では 863 °C、Sn では 13 °C、U では 668 °C と 776 °C の相転移があります。

 標準条件下で最も安定した構造。
 室温以下でも安定した構造。
 室温以上でも安定した構造。
 大気圧以上でも安定した構造。

• セリウム、サマリウム、ジスプロシウム、イッテルビウムには3つの同素体があります。
• プラセオジム、ネオジム、ガドリニウム、テルビウムには 2 つの同素体があります。
• プルトニウムは、「通常の」圧力下では 6 つの異なる固体同素体を持ちます。それらの密度はおよそ 4:3 の比率で変化するため、金属を扱うあらゆる作業 (特に鋳造、機械加工、保管) が非常に複雑になります。非常に高い圧力下では、7 番目のプルトニウム同素体も存在します。超ウラン金属の Np、Am、Cm も同素体です。
• プロメチウム、アメリシウム、バークリウム、カリホルニウムはそれぞれ3つの同素体を持つ。^[20]

2017年に、ナノ同素体の概念が提案されました。^[21]ナノ同素体、またはナノ材料の同素体は、同じ化学組成（例：Au）を持ちますが、ナノスケール（つまり、個々の原子の寸法の10〜100倍のスケール）での構造が異なるナノ多孔質材料です。^[22]このようなナノ同素体は、超小型電子デバイスの作成やその他の産業用途に役立つ可能性があります。^[22]異なるナノスケールの構造は、異なる特性に変換されます。これは、いくつかの異なる金のナノ同素体で実行された表面増強ラマン散乱で実証されています。 ^[21]ナノ同素体を生成するための2段階法も作成されました。^[22]

• 異性体
• 多形性（材料科学）

• ヒュー・チザム編 (1911)。「同素体」 ブリタニカ百科事典(第 11 版)。ケンブリッジ大学出版局。

ウィキメディア・コモンズには、同素体に関連するメディアがあります。

• ナイジェル・バンスとジム・ハント。「サイエンスコーナー：同素体」。2008年1月31日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年1月6日閲覧。
• 同素体 – 化学百科事典