1、第三单元 从微观结构看物质的多样性第 1课时 同素异形现象与同分异构现象学习目标 核心素养建构1.以碳元素的几种单质为例，认识同素异形现象。2.以正丁烷和异丁烷、乙醇和二甲醚为例，认识有机物的同分异构现象。3.以同素异形现象和同分异构现象为例，认识物质的多样性与微观结构的关系，学会同素异形体、同分异构体的判断方法。知 识 梳 理一、同素异形现象1基本概念(1)同一种元素形成几种不同单质的现象叫做同素异形现象 。(2)同一元素可形成不同单质，这些单质互称为这种元素的同素异形体。2常见的同素异形体(1)碳元素的同素异形体单质 结构特征 主要性质 主要用途金刚石每个碳原子与相邻的 4 个碳原子以共价
2、键结合，形成空间网状结构无色透明，有光泽、硬度高装饰品，切割玻璃、花岗岩，做勘探钻头等石墨层状结构，层内碳原子间以共价键结合，每一层内碳原子排列成平面六边形，一个个六边形排列成平面网状结构，层间碳原子间存在分子间作用力灰黑色，质地较软，能导电可做润滑剂和电极等C60由 60 个碳原子形成的封闭笼状分子，形似足球，人们又称它为“足球烯”(2)氧元素的同素异形体单质 O2 O3性质 无色无味气体 淡蓝色气体，有鱼腥味，氧化性极强结构 臭氧分子和氧气分子中氧原子的个数和氧原子的成键方式不同相互转化 3O2 2O3= = = = =放 电 (3)磷元素的同素异形体单质 白磷 红磷性质蜡状固体，有剧毒。
3、白磷在空气中能自燃，应保存在冷水中红棕色固体，在空气中能稳定存在，在加热或点燃时也能燃烧结构 白磷分子和红磷分子中磷原子的个数和磷原子的成键方式不同【自主思考】1金刚石和石墨都是由碳元素组成的，为何存在物理性质的差异？提示 金刚石和石墨晶体中碳原子的成键方式和排列方式不同。2 12C、 14C、C 60互为同素异形体，对吗？提示 不对，同素异形体指的是同种元素组成的不同单质之间，而 12C、 14C 是原子，不是单质。二、同分异构体1基本概念(1)同分异构现象：化合物具有相同的分子式但具有不同结构 的现象。(2)同分异构体：分子式相同而结构不同的化合物的互称。2几种常见的简单有机物的同分异构体
4、(1)正丁烷和异丁烷：分子式均为 C4H10，其结构式分别为：。(2)乙醇和二甲醚：分子式均为 C2H6O，其结构式分别为：。【自主思考】3对比正丁烷和异丁烷、乙醇和二甲醚的结构式，概述同分异构体形成的原因。提示 分子中原子的成键方式和连接顺序的不同，造成了同分异构现象。效 果 自 测1判断(1)18O 和 16O 互称为同素异形体。( )(2)碳单质的同分异构体有金刚石、石墨和 C60。( )(3) 二者互为同分异构体。 ( )(4)CH3CHCH2 与 互为同分异构体。答案 (1) (2) (3) (4)2下列物质之间的相互关系错误的是( )ACH 3CH2NO2 和 H2NCH2COOH
5、 互为同分异构体BO 2 和 O3 互为同素异形体CH 和 T 互为同位素D冰和干冰为同一种物质解析 A 项中给出的两种物质的结构虽然不同，但其分子式相同，所以两者属于同分异构体，A 项正确；B 项中给出的两种物质是由同一元素形成的不同单质，属于同素异形体，B 项正确；C 项中给出的两种微粒为同一元素的不同原子，属于同位素， C 项正确；干冰的成分是 CO2，而冰的成分是 H2O，D 项错误。答案 D探究一、同素异形体的判断【合作交流】1氕、氘、氚形成的氢气单质互称为同素异形体吗？提示 不是。因为形成的 H2结构相同性质相同。2同素异形体之间物理性质和化学性质是否相同？同素异形体之间的相互转化
6、是化学变化还是物理变化？提示 (1)同素异形体的物理性质不同，化学性质相似。(2)不同的单质间的转化属于化学变化。【点拨提升】1同素异形体是指单质，不是指同位素和核素，也不是指化合物。2互为同素异形体的不同单质是由同一种元素形成的，构成它们的原子的核电荷数相同，中子数可以相同，也可以不相同。3产生同素异形现象的原因组成分子的原子个数不同。如氧气(O 2)和臭氧(O 3)。晶体中原子的排列方式不同。如金刚石和石墨。 4由于分子组成或晶体结构不同，导致它们的性质存在区别，即物理性质差异很大，而化学性质有些相似，有些相差很大，但是存在活泼性的差异。如：金刚石硬度很大，不能导电，而石墨硬度较小，层与层
7、之间能滑动、导电性能好；石墨的化学性质较金刚石活泼，但两者化学性质相似(与 O2 反应、具有还原性等)。 【典题例证 1】 下列各组物质中，属于同素异形体的是( )A 16O 和 18OB红磷、白磷C二氧化硫、三氧化硫D二氧化碳、干冰解析 16O 和 18O 是质子数相同，中子数不同的两种原子，互为同位素；白磷和红磷是磷的两种不同单质，互为同素异形体；二氧化硫和三氧化硫都是化合物，并非单质，不是同素异形体；二氧化碳和干冰是同种物质，不可互称为同素异形体。答案 B【学以致用 1】 下列叙述中，正确的是( )A由碳元素的单质组成的物质一定是纯净物B金刚石和石墨具有相似的化学性质C金刚石转化为石墨，
8、有单质生成，该反应属于氧化还原反应DC 60 是新发现的一种碳的化合物解析 由碳元素的单质组成的物质不一定为纯净物，也可能为混合物，如石墨、金刚石、C 60混合，A 排除；金刚石和石墨中的碳原子排列方式不同，因此其物理性质不同，化学性质相似，B 选项正确；同素异形体之间的转化，虽然有单质生成，但碳元素的化合价未发生变化，故不属于氧化还原反应，排除 C 选项；C 60属于单质而不是化合物，D 排除。答案 B探究二、同分异构体【合作交流】3同位素和同素异形体研究对象有什么区别？提示 同位素研究核素而同素异形体研究单质。4相对分子质量相等结构不同的两种物质是否为同分异构体？提示 相对分子质量相同的两
9、化合物不一定是同分异构体(如 CO 和 C2H4不是同分异构体) 。【点拨提升】同位素、同素异形体和同分异构体的比较同位素 同素异形体 同分异构体定义原子里具有相同质子数和不同的中子数的同一元素的不同原子互称同位素由同种元素形成的不同单质叫做这种元素的同素异形体分子式相同，但结构不同的化合物互称为同分异构体相同点 质子数相同，皆为原子元素种类相同，皆为单质分子式相同，皆为化合物不同点中子数不同，原子种类不同分子内原子个数不同，或原子结合方式不同分子内原子的连接方式不同研究对象 原子 单质 化合物实例12C、 13C、 14C； 1H、 2H、 3H 等金刚石、石墨、C 60；红磷、白磷；O 2
10、、O 3 等正丁烷、异丁烷等 【典题例证 2】 下列各组物质中，互为同分异构体的是_，互为同素异形体的是_，互为同位素的是_。 35Cl 和 37Cl C 60 和金刚石 O 3 和 O2 CCl 4 和 CHCl3 和CH 3CH2CH3 和 CH3CH2OH解析 是质子数相同、中子数不同的同一元素的不同原子，属于同位素；是同一元素组成的不同单质，属于同素异形体；与相似；、是分子式不同的化合物，属于不同种分子；是分子式相同、分子结构不同的物质，属于同分异构体。答案 【学以致用 2】 下列各组物质中，两者互为同分异构体的是( )CuSO 45H2O 和 CuSO43H2ONH 4CNO 与 C
11、O(NH2)2CH 3CH2OH 和 CH3OCH3 H2O 和 H2O21 31A BC D解析 分子式相同而结构不同的化合物互称为同分异构体。中化学式不同且无分子存在。组中，两者的分子式相同，但结构不同，故两者互为同分异构体。中水分子的结构相同，不互为同分异构体。答案 B1澳大利亚研究人员开发出被称为第五形态的固体碳，这种新的碳结构称作纳米泡沫，它外形类似海绵，密度极小，并且有磁性。纳米泡沫碳与金刚石的关系是( )A同一物质 B同分异构体C同位素 D同素异形体解析 纳米泡沫碳与金刚石是碳元素的不同单质，二者互为同素异形体。答案 D2下列关于同分异构体的说法错误的是( )A具有相同相对分子质
12、量和不同结构的化合物互称为同分异构体B互称为同分异构体的物质一定不是同种物质C同分异构体之间物理性质一定不同，化学性质不一定相同D同分异构体一定具有相同的相对分子质量解析 N 2与 CO 具有相同的相对分子质量和不同的结构，但不是同分异构体，A 错误。答案 A3最近发现一种新微粒 O4，有关这种新微粒的说法正确的是( )A它的结构与 P4 相同B它的摩尔质量为 64C它是氧气的同素异形体D它是由两个氧分子通过分子间作用力结合而成的新微粒解析 由于 O 最外层有 6 个电子，可以形成两个共用电子对达到稳定结构，故 O4为正方形结构，P 4为四面体结构，所以 O4与 P4的结构不同。答案 C4互为
13、同分异构体的物质一定不可能具有( )A相同的分子式 B相同的结构C相似的化学性质 D相同的相对分子质量解析 互为同分异构体的物质的分子式相同，其相对分子质量也相同；互为同分异构体的物质结构不同，但其化学性质可能相似。答案 B5下列物质中，互为同分异构体的有_；互为同素异形体的有_；属于同位素的有_；属于同一种物质的有_。二氧化碳 金刚石 干冰 氢溴酸 溴水 液溴 12C 石墨 14C 解析 烷烃中每个碳原子都形成空间的四面体结构。分别与互为同分异构体；和互为同素异形体；和属于同位素；和、和分别属于同一种物质。答案 、与 和 和 和、和课时作业基础巩固1科学家发现 C60 后，近年又合成了许多球
14、形分子 (富勒烯)，如 C50、C 70、C 120、C 540等，它们互称为( )A同系物 B同分异构体C同素异形体 D同位素解析 C 60与 C50、C 70、C 120、C 540等都是碳元素形成的性质不同的单质，属于碳元素的同素异形体。答案 C2下列各组物质中，关系不正确的是( )AH 2 和 D2 互为同素异形体B 78Pt 和 78Pt 互为同位素202 198CCH 3CH2OH 和 CH3OCH3 互为同分异构体D水和冰是同一种物质解析 H 2和 D2是由氢元素的不同同位素形成的氢气单质，既不属于同位素，也不属于同素异形体或同分异构体，A 项错误。答案 A3造成金刚石和石墨性质
15、差异的主要原因是( )A碳原子种类不同B同体积两种物质中碳原子个数不同C碳原子成键方式不同D物质状态不同解析 因碳原子的成键方式不同造成金刚石与石墨性质不同。答案 C4下列说法中正确的是( )ASO 2、SO 3 互为同分异构体B两种化合物的组成元素相同，且各元素的质量分数也相同，则二者一定是同分异构体C相对分子质量相同的几种化合物，互称为同分异构体D组成元素的质量分数相同，且相对分子质量也相同的不同化合物，互为同分异构体解析 SO 2和 SO3分子式不同，A 项错误；若两种化合物的组成元素相同，各元素的质量分数也相同，则它们的最简式必定相同。最简式相同的化合物可能是同分异构体，也可能不是同分
16、异构体，B 项错误；相对分子质量相同的物质是很多的，如无机物中的H2SO4和 H3PO4，又如有机物中的 C2H6O(乙醇)和 CH2O2(甲酸) ，这些物质都具有相同的相对分子质量，但由于它们的分子组成不同，所以它们不是同分异构体，C 项错误；当不同化合物组成元素的质量分数相同，相对分子质量也相同时，其分子式一定相同，因此这样的不同化合物互为同分异构体，D 项正确。答案 D5医学界通过用放射性 14C 标记的 C60，发现 C60 的羧酸衍生物在特定条件下可断裂DNA 杀死细胞，抑制艾滋病。关于 14C 的下列说法中正确的是( )A 14C 原子与 C60 中普通碳原子的化学性质不同B 14
17、C 原子与 14N 原子所含中子数相同C是 C60 的同素异形体D与 12C、 13C 是碳元素的三种同位素解析 C 60中普通的碳原子为 12C,12C、 13C、 14C 互为同位素，它们的化学性质相同，故 A 选项错误，D 选项正确； 14C 中含有 8 个中子， 14N 中含有 7 个中子，B 选项错误；14C 是一种核素，C 60是碳元素的一种单质，二者不是同素异形体， C 选项错误。答案 D6下列各对物质中，属于同分异构体的是( )A白磷和红磷B干冰和 CO2解析 A 项互为同素异形体； B 项是同一种物质的不同状态；C 项是同一种物质；D项符合同分异构体概念。答案 D7下列说法中
18、，正确的是( )A碘晶体、碘蒸气是同素异形体B同素异形体是同种元素的不同单质CSO 2、SO 3 互为同分异构体D同分异构体的分子组成相同，分子结构不同解析 同素异形体是同种元素形成的性质不同的单质，可知 A 错，B 对；同分异构体是分子式相同但结构不同的化合物，不是分子组成相同，C 、D 错误。答案 B8闪电时空气中有臭氧生成。下列说法正确的是( )AO 3 和 O2 互为同位素BO 2 比 O3 稳定C等体积 O3 和 O2 含有相同质子数DO 3 与 O2 的相互转变是物理变化解析 O 2和 O3互为同素异形体，A 不正确；不知道温度、压强，不能确定 O2、O 3的物质的量，也就是不能确
19、定质子数，C 不正确；同素异形体之间的转化，属于化学变化，D 不正确。答案 B9有一种磷的结构式是 ，有关它的叙述不正确的是( )A它完全燃烧的产物是 P2O5B它不溶于水C它在常温下是固体D它与白磷互为同分异构体解析 根据磷的同素异形体白磷和红磷的性质类推，可知其不溶于水，常温下为固体，完全燃烧产物是 P2O5，它的分子式为 P4n与白磷(P 4)不同。答案 D10白磷在高压下隔绝空气加热后急速冷却，可得钢灰色固体黑磷，其转化过程如下：白磷 黑磷，黑磷性质稳定，结构与石墨相似。下列叙述正确的 1 215.9 MPa，473 K 隔 绝 空 气是( )A黑磷与白磷互为同位素B黑磷能导电C白磷转
20、化为黑磷是物理变化D黑磷能在空气中自燃解析 黑磷也是磷元素组成的单质，A 错误；黑磷结构与石墨相似，类比石墨的导电性，B 正确；白磷、黑磷是不同的物质，C 错误；黑磷性质稳定， D 错误。答案 B能力提升11下列各组物质： K 和 Ca； 和 ； 12C 和 14C；4019 402和 ；石墨和 C60；NH 4CNO 和 CO(NH2)2；T和 D； 和 ；氯气和液氯(1)互为同位素的是_。( 填序号，下同)(2)互为同素异形体的是_。(3)互为同分异构体的是_。(4)属于同一种物质的是_。解析 是两种不同的元素；、中的两种物质都是分子式相同但结构不同的化合物，属于同分异构体；、都是同种元素
21、的不同原子，属于同位素；、中两种物质分子式和结构都相同，是同一种物质；中两种物质是同一种元素形成的不同单质，属于同素异形体。答案 (1) (2) (3) (4)12根据以下叙述，回答(1)(2)小题。大气中的臭氧层可滤除大量的紫外光，保护地球上的生物。氟利昂(如 CCl2F2)可在光的作用下分解，产生 Cl 原子， Cl 原子会对臭氧层产生长久的破坏作用，臭氧的分子式为O3。有关反应为：O3 O2O= = = = =光 ClO 3 ClOO 2= = = = =光 OClO= =Cl O2总反应为 2O3=3O2。(1)在上述臭氧变成氧气的过程中，Cl 原子是_。A反应物 B生成物C中间产物
22、D催化剂(2)O3 和 O2 是_。A同一种物质 B同素异形体C氧的同位素 D同一种元素解析 (1)根据催化剂的定义，Cl 原子是催化剂，由此可见催化剂并不是不参加反应，只不过是反应前后化学性质保持不变的物质。(2)由同种元素组成的不同单质叫做同素异形体。O 3和 O2是由氧元素组成的两种不同的单质，所以 O3和 O2属于同素异形体。答案 (1)D (2)B13硫通常是一种淡黄色晶体。有橙色、无色、红棕色三种颜色的硫蒸气，它们都是硫的单质，但每个分子中硫原子的个数不同，可用 Sx表示。对三种蒸气测定结果是：(1)橙色蒸气密度折算到标准状况后是 11.43 gL1 ，则它的化学式是_。(2)红棕
23、色蒸气的质量是相同状况下同体积空气的 6.62 倍，则它的化学式是 _。(3)无色蒸气对氢气的相对密度是 64，则它的化学式是_ 。此事实说明硫有_。解析 由题意知：(1)中硫蒸气的相对分子质量为 M11.4322.4254，其单质的分子式为 S8。(2)中硫蒸气的相对分子质量为 M296.62 192，其单质的分子式为 S6。(3)中硫蒸气的相对分子质量为 M642128，其单质的分子式为 S4。综上分析，可知硫元素有多种同素异形体。答案 (1)S 8 (2)S 6 (3)S 4 多种同素异形体14今有原子序数依次增大的 A、B、C、D、E、F 六种短周期主族元素。已知A、C 、 F 三种原
24、子的最外层共有 11 个电子，且这三种元素的最高价氧化物的水化物之间两两皆能反应，且均能生成盐和水。D 和 E 的电子层结构见下表：元素 最外层电子数 次外层电子数D x x4E x1 x4在一般情况下，B 元素的单质不能与 A、C、D、E 元素的单质化合。请按要求填空：(1)各元素的元素符号分别为A_，B_，C_ ，D_，E_，F_。(2)D 的氢化物的化学式为 _，E 的氢化物的化学式为_，两者的稳定性：_。(3)原子序数介于 E 和 F 之间的元素 R 能形成 R2、R 8 等几种单质，这几种单质之间的关系是_。解析 由 x48 可知 x4，D 、E 分别为 Si、P 元素；由性质信息推测 C 的氢氧化物具有两性，C 为 Al 元素，则 A 为 Na 元素。由“最外层共有 11 个电子”可知 F 为 Cl 元素。由“原子序数依次增大”可知 B 为 Mg 元素。答案 (1)Na Mg Al Si P Cl(2)SiH4 PH 3 PH3 SiH 4(3)互为同素异形体
