同素異形體(allotropes)是指由同樣的單一化學元素組成，因排列方式不同，而形成具有不同性質的單質。同素異形體的概念最早于1841年由瑞典科學家永斯·貝采利烏斯提出，該術語出自希臘語(?λλοτροπα)，意為變異性。同素異形體之間的性質差異主要表現在物理性質上（例如紅磷和白磷的著火點分別為240°C和40°C，白磷有劇毒，可溶于二硫化碳，紅磷卻不溶于二硫化碳，但它們充分燃燒后的產物都是五氧化二磷），化學性質上也有著活性的差異。同素異形體之間在一定條件下可以相互轉化，這種轉化有的是化學變化，有的則是物理變化。
常見的同素異形體：碳的同素異形體有三維的金剛石、二維的石墨烯、一維的碳納米管、零維的富勒烯等結構。氧可以形成氧氣、臭氧、四聚氧和紅氧。磷的同素異形體：白磷和紅磷。
歷史緣由
同素異形體的概念最早可追溯到1841年，瑞典科學家Berzelius第一次提出該概念，但當時并未引起足夠重視。直到1860年阿伏加德羅定律（Avogadro’s hypothesis）被接受后，人們才了解到，元素能以多原子的形式存在，并逐漸承認氧有同素異形體O2和O3。二十世紀初期大發展，陸續發現碳、硫等因不同晶體結構而形成的同素異形體。1912年，威廉·奧斯特瓦爾德（Ostwald）注意到元素的同素異形現象，只是化合物同質多晶形（polymorphism）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。
1817年，瑞典的永斯·貝采利烏斯從硫酸廠的鉛室底部的紅色粉狀物物質中制得。他還發現到硒的同素異形體。他通過還原硒的氧化物，得到了橙色無定形硒；緩慢冷卻熔融的硒，又得到灰色晶體硒；在空氣中讓硒化物自然分解，得到黑色晶體硒。
形成方式
同一種元素形成同素異形體的方式有三種：
①構成分子的原子數目不同，例如，氧氣(O2)和臭氧(O3)；
②晶格中原子的排列方式不同，例如，金剛石、石墨和C60；
影響同素異形體形成的關鍵因素。
原子的電子層結構對同素異形體的形成至關重要。
原子中含有2個或2個以上的未成對電子的非金屬元素，可以形成多種同素異形體；
同一種元素的原子因為成鍵不同而形成多種同素異形體。
性質介紹
同素異形體之間物理性質有很大的差異，性質差異的原因是結構排列方式不同，例如氧氣是沒有顏色、沒有氣味的氣體，而臭氧是淡藍色、有魚腥味的氣體；氧氣的沸點為-183℃，而臭氧的沸點為-112.4℃；化學性質存在著一定的相似性，但化學性質也不盡相同。
物理性質的差異主要表現在硬度、強度、形狀、顏色和狀態等方面；化學性質的相似，如碳的三種同素異形體,在空氣或氧氣中都能燃燒生成二氧化碳；但是，由于物理性質的巨大差異，導致其反應條件不同。
相互轉化
同素異形體之間在一定條件下可以相互轉化，這種轉化有的是化學變化，有的則是物理變化；石墨轉化為金剛石：C(graphite)→C(diamond)，構成分子的原子數目不同且原子間排列方式不同導致化學鍵發生改變時，所引起的變化屬于化學變化；
S(單斜晶系)?S(斜方)（條件為95.5℃），由于只是S分子間排列方式不同，為物理變化。
同素異形體之間相互轉化的常見條件為高溫、高壓。
例如磷的兩種特殊同素異形體黑磷和紫磷，黑磷由白磷在12000大氣壓下加熱轉化而成；
錫是一種既怕冷也怕熱的金屬，因為金屬錫有3種不同的形態，常溫下性質很穩定，稱為白錫，如果溫度升高160℃以上就會變成一碰就碎的“脆錫”，當溫度低于13.2℃時會由銀白色金屬逐漸變成煤灰狀粉末——灰錫，低溫或已有少量灰錫時這種轉變會加速。
常見示例介紹
碳的同素異形體
金剛石
由于金剛石是目前地球上天然物質中最堅硬的，主要用途可分為裝飾品用和工業用兩大方面。
石墨
石墨的每個碳連結的三個碳原子(排列方式呈蜂巢式的多個六邊形)以共價鍵結合，構成共價分子，最終形成片、層狀結構。由于每個碳原子均會放出一個電子，那些電子能夠自由移動，因此石墨屬于導電體。
石墨主要性質特點就是耐高溫、強度大、導電性優良、導熱效率高、潤滑效果優秀。石墨在常溫下具備良好的化學穩定性，能耐酸、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕；可塑性和韌性好，可碾成很薄的薄片；常溫下使用時能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞，抗震性好。
富勒烯
富勒烯(富勒烯化學)或巴基球(Bucky ball)是指一族碳化合物，最初命名為C60，因為是球形，所以被命名為巴克明斯特富勒烯（Buckminstfullerene）。富勒烯是由碳五元環和六元環相互排列組成的封閉中空分子的統稱，是繼石墨和金剛石之后人們發現的第三種碳的同素異形體。初步研究表明，富勒烯類化合物在抗HIV、酶活性抑制、切割DNA、光動力學治療等方面有獨特的功效。
碳納米管
碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結構的一維納米材料。碳納米管主要由單層或多層石墨片繞中心按一定角度卷曲而成的同軸中空無縫管狀結構，其管壁大都是由六邊形碳原子網格組成，六邊形結構連接完美。碳納米管重量輕，具備異常的力學性能、電學性能和化學性能，以及良好的導熱性能和吸附性能。
石墨烯
石墨烯（Graphene）是一種由單層碳組成六角型呈蜂巢晶格的片狀結構的新材料，是只有一個碳原子厚度的二維晶體材料。
把石墨烯卷成圓筒形，就是一維的碳納米管，把石墨烯堆起來，就成為三維的石墨。石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩定存在，直至2004年，曼徹斯特大學的二位物理學家成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，從而證實它可以單獨存在。
石墨烯是世上最薄的材料；石墨烯是人類已知強度最高的物質，它比鉆石還堅硬；石墨烯電阻率極低，電子遷移的速度極快；石墨烯材料幾乎完全透光，透光率在97%以上。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體原子（氫原子）也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。
石墨炔
1968年著名理論家Baughman通過計算認為石墨炔結構可穩定存在；
直至 2010年，李玉良課題組在石墨炔的制備方面取得了重要突破，成功地在銅片表面上通過化學方法合成了大面積(3.61cm2)具有二維結構的有機高分子化合物石墨炔( graphdiyne)薄膜，并且第一次被李玉良等研究人員用漢語命名為“石墨炔”。
氧的同素異形體
氧氣
氧氣（氧），化學式O?。氧氣是我們人類生命不可或缺的重要組成，空氣中氧氣體積約占21% 。
氧氣最重要的作用就是供給呼吸，除此，氧氣的應用領域也十分廣泛，如化學工業、國防工業和醫療保健。
臭氧
1840年，德國科學家先貝因在進行硫酸電解實驗時又聞到了類似的臭味，這與火花放電及大氣中發生閃電時出現的氣味類似，先貝因將產生此種異味的物質命名為臭氧。臭氧的名稱來源于希臘文，意為氣味難聞。
在地球誕生40億年以后，由于大氣中氧含量的逐漸增加及復雜的光化學反應的不斷發生，大氣中的臭氧層吸收了陽光的大量紫外線，生物才開始能夠大規模地向陸地。
四聚氧
四聚氧（oxozone），非金屬單質，化學式O4，為正四面體或者矩形。吉爾伯特·路易士于1924年預測了四聚氧的存在。
四聚氧的結構復雜，O4的預計構型為正四面體或者矩形；一價電離能及電子親合勢能與氧原子、普通氧分子O2和臭氧分子O3的計算結果比較，顯示O4分子可以以正方形結構或正四面體結構形式存在，其中正方形結構更有可能是O4分子的真實空間結構。
磷的同素異形體
白磷（P4）
白磷在貯存時，由于受光和雜質的影響易變為淡黃色，故習慣上稱為黃磷，其外觀為黃色蠟狀固體，質軟，可用刀切割，熔點44.1℃，沸點280℃，不溶于水，微溶于醇，易燃，在34℃即自行燃燒，必須貯存在水中，切割也需在水為冷發光，其氣味惡臭，毒性極強。
紅磷
紫紅或略帶棕色的無定形粉末，無毒無味，遇明火、高熱、摩擦、撞擊有引起燃燒的危險，與溴混合能發生燃燒，與大多數氧化劑如氯酸鹽、硝酸鹽、高氯酸鹽或高錳酸鹽等組成爆炸性能十分敏感的化合物，燃燒時放出有毒的刺激性煙霧；有光澤；易吸潮，加熱至416℃升華，在43kPa下加熱至590℃可熔融，氣化后再冷凝則得白磷；不溶于水和二硫化碳，乙醚、氨等，略溶于乙醇。穩定性比白磷好，在常溫下穩定，不發磷光，難與氧反應。200℃以上易燃。
紅磷阻燃劑是非鹵高效阻燃劑，廣泛用于PET、PC、PBT、PA等富含氧的材料的阻燃。
硫（S）
硫是固態同素異形體數量最多的元素。
最為常見的是斜方晶硫(也稱菱形硫、a-硫，相對密度為2.06，熔點為385.8K)和單斜晶系晶硫(也稱β-硫,相對密度為1.99，熔點392K)。
硒（Se）
硒的同素異形體，可分為氣態硒、液態硒、固體硒、納米硒和硒團簇等5類。
最為常見的兩種同素異形體：灰硒和無定型態的紅硒。
硼（B）
硼元素由于成鍵方式很復雜，可以形成多種多樣單質晶體結構；硼較為常見的兩種同素異形體有無定形硼和結晶形硼。
無定形硼為暗棕色粉末，無定形硼可用于生產硼鋼，硼鋼主要用于制造噴氣發動機和核反應堆的控制棒。
銻（Sb）
金屬銻的同素異形體包括兩方面：塊體銻(灰銻、爆炸性銻、黑銻、黃銻)和納米銻(銻烯、銻納米管)。
鈉（Na）
將鈉放在150萬大氣壓時，鈉的顏色從銀色變為黑色；當壓強達到190萬大氣壓時，鈉開始變得透明，呈紅色；而在300萬大氣壓下，鈉變成了透明的固體。
這些鈉的高壓同素異形體都是絕緣體和非常規無機化合物電子晶體（electride）。
錫（Sn）
錫是白色光澤的金屬，具有耐變色、柔軟、無毒 和延展性好等特點，單質錫有三種同素異形體：α-Sn也稱灰錫，為金剛石形立方晶系；β-Sn也稱白錫， 為四方晶系；γ-Sn也稱脆錫，為正交晶系。
鈷（Co）
鈷有兩種同素異形體：六角形和立方形，六角形在室溫下比立方形更穩定。
鐵（Fe）
固態的鐵有三種同素異形體：
α-鐵：體心立方點陣；γ-鐵：面心立方點陣；δ-鐵：體心立方點陣；
易混淆概念
參考資料 >
allotrope.WordReference.com.2023-01-22
錫：有望成為鋰離子電池材料.中國科普網.2023-01-11
21世紀的神奇材料-----石墨烯及其應用.中國科學院.2023-01-13