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个碳原子以共价键结合，形成空间
2、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O2O3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3O22O3(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。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
3、，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、C60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(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
4、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.判断正误，正确的打“”，错误的打“”。(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()A.CH3CH2NO2和H2NCH2COOH互为同分异构体B.O2和O3互为同素异形体C.H和T互为同位素D.冰和干冰
5、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
6、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(1)组成分子的原子个数不同。如氧气(O2)和臭氧(O3)。(2)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，层与层之间能滑动、导电性能好；但两者化学性质相似(与O2反应、具有还原性等)。 【典题例证1】闪电时
7、空气中有臭氧生成。下列说法正确的是()A.O3和O2互为同位素B.O2比O3稳定C.等体积O3和O2含有相同质子数D.O3与O2的相互转变是物理变化解析O2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、O3的物质的量，也就是不能确定质子数，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，有单质生成，该反应属于氧化还原反应D.C60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、C6
8、0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；C60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
9、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、C60；红磷、白磷；O2、O3等正丁烷、异丁烷等 【典题例证2】将下列物质进行分类：A.白磷和红磷B.35Cl和37ClC.O2和O3D.H2O与D2OE.CH3CH2CH2CH3和F.CH3CH2OCH2CH3(乙醚)和CH
10、3CH2CH2CH2OH(正丁醇)。(1)互为同位素的是_(填字母，下同)。(2)互为同素异形体的是_。(3)互为同分异构体的是_。解析H2O与D2O分子结构相同，均由两个HO键构成的三原子分子，不属于同分异构体。答案(1)B(2)AC(3)EF【学以致用2】下列各组物质中，两者互为同分异构体的是()CuSO45H2O和CuSO43H2ONH4CNO与CO(NH2)2CH3CH2OH和CH3OCH3H2O和H2OA. B.C. 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
11、异构体。答案B1.“玉兔”号月球车用2Pu作为热源材料。下列关于2Pu的说法正确的是()A.2Pu与2U互为同位素B.2Pu与2Pu具有相同的最外层电子数C.2Pu与2Pu具有相同的中子数D.2Pu与2U具有完全相同的化学性质解析A项，2Pu与2U的质子数不同，分别为94、92，不是同位素，错误；B项，2Pu与2Pu具有相同的质子数，所以其核外电子数相同，则具有相同的最外层电子数，正确；C项，2Pu与2Pu中子数分别为23894144，23994145，错误；D项，2Pu与2U的质子数不同，属于不同的元素，其化学性质不同，错误。答案B2.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
12、质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N2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.下列各组物质中，关系不正确的是()A.H2和D2互为同素异形体B.Pt和Pt互为同位素C.CH3CH2OH和CH3OCH3互为同分异构体D.水和冰是同一种物质解析H2和D2是由氢元素的不同同位素形成的氢气单质，既不是同位素也不是同素异形体。答案A4.短周期元素X、Y、Z、W、Q在元素周期表的位置如表所示，其中X元素的原子内层电子数是最外层
13、电子数的一半，则下列说法正确的是()XYZWQA.钠与W可能形成Na2W2化合物B.由Z与Y组成的物质在熔融时能导电C.W得电子能力比Q强D.X有多种同素异形体，而Y不存在同素异形体解析依题意可先确定X为碳(C)元素，再根据其他元素在周期表中的位置可确定Y、Z、W、Q分别为氧(O)、硅(Si)、硫(S)和氯(Cl)。Na与S可形成类似Na2O2的化合物Na2S2，A正确；SiO2为原子晶体，熔融时不导电，B错误；S的得电子能力比Cl弱，C错误；氧存在同素异形体O2和O3，D错误。答案A5.观察下列几种物质的化学式或者结构简式。CO(NH2)2NH4CNOCH3CH2CH3CH3CH2CH2CH
14、3H2D2O2O36C6C其中：(1)互为同分异构体的是_(填序号，下同)；(2)互为同位素的是_；(3)互为同素异形体的是_；(4)是同种物质的是_。解析(1)和、和，分子式分别相同，但结构不同，互为同分异构体。(2)和的质子数相同，中子数不同，互为同位素。(3)和是同种元素形成的不同单质，互为同素异形体。(4)和是同一种物质。答案(1)和、和(2)和(3)和(4)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形分子(富勒烯)，如C50、C70、C120、C540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C60与C50、C70、C120、C540
15、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.下列叙述中，正确的是()A.氢有三种同位素，即有三种氢原子B.所有元素的原子核均由质子和中子构成C.具有相同核外电子数的粒子总称为元素D.相对原子质量相同的原子是同一种元素的原子解析A项，氢有氕、氘、氚三种核素，每一种核素代表一种氢原子，正确；B项，氕只有质子，不含中子，错误；C项，具有相同质子数的一类原子称为元素，核外电子数相同不一定属于同种元素，如Ne和Na，错误；D项，具有相同质子数的原子是同一种元素的原子，错误。答案A3.意大利科学家用O2和18O制造出了一种新型氧分子O4，下列叙述正确的是()A.16O、18O都是氧
16、元素的同位素B.O2、O、O4都是氧元素的同位素C.O4是新型的氧化物D.制造O4的反应是氧化还原反应解析18O不是原子，16O、18O是氧元素的同位素，A项错误；O2、O、O4都不是原子，不是氧元素的同位素，B项错误；含有两种元素，其中一种是氧元素的化合物是氧化物，C项错误；O和O4中氧元素的化合价不同，D项正确。答案D4.下列说法中正确的是()A.SO2、SO3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SO2和S
17、O3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.碳纳米管是由碳原子组成的六角形蜂巢状平面薄膜卷曲而成，具有许多异常的力学、电学和化
18、学性能。下列关于碳纳米管的说法不正确的是()A.碳纳米管属于一种有机合成纤维B.碳纳米管与金刚石互为同素异形体C.常温下，碳纳米管具有较好的稳定性D.碳纳米管比表面积大，可用作新型储氢材料解析碳纳米管是由碳元素形成的单质，不是有机物，A项错误；B项，碳纳米管与金刚石都是碳元素形成的单质，互为同素异形体，正确；C项，碳纳米管由于是碳单质，常温下性质稳定，正确；D项，由于碳纳米管比表面积大，可吸附氢，所以可用作新型储氢材料，正确。答案A6.下列说法中，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C.SO2、SO3互为同分异构体D.同分异构体的分子式与分子结构都不同解
19、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，C、D错误。答案B7.据报道，科学家已成功合成了少量O4(其结构式是)，有关O4的说法正确的是()A.O4的摩尔质量是64 gB.O4和O2互为同位素C.相同质量的O4与O3所含原子个数比为43D.O4与O3、O2都是氧元素的同素异形体解析摩尔质量的单位是g/mol，故A错误；O4和O2互为同素异形体，故B错误；O4分子和O3分子都由O原子构成，二者质量相同时，所含原子个数也相同，故C错误；O4与O3、O2都是氧元素组成的单质，互为同素异形体，故D正确。答案D8.从石墨中分离出来的石墨烯是已知
20、最薄、最坚硬的物质，可制成电阻率最小的纳米材料，其结构如图所示。下列关于石墨烯的说法正确的是()A.具有良好的导电性B.属于高分子化合物C.与金刚石互为同位素D.不能与氧气发生反应解析石墨可以导电，因此石墨烯具有良好的导电性，A正确；石墨烯是单质，不是高分子化合物，B错误；石墨烯与金刚石互为同素异形体，C错误；石墨能被氧气氧化，因此石墨烯也能与氧气发生反应，D错误。答案A9.硫可以形成分子式为S2、S4、S6、S8的单质，其中S8的分子结构如图所示。下列有关说法正确的是()A.S2、S4、S6、S8互为同位素B.S2的摩尔质量为32 g/molC.硫的单质在足量的空气中完全燃烧可生成SO3D.
21、1 mol S8单质中含有的SS键个数为8NA解析S2、S4、S6、S8都是由硫元素形成的单质，互为同素异形体，A选项错误；硫单质在空气中燃烧只能生成SO2，而不能生成SO3，C选项错误；S2的摩尔质量为64 g/mol，B选项错误；由图可知，1个S8分子中含有8个SS键，D选项正确。答案D10.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.14C原子与14N原子所含中子数相同C.14C是C60的同素异形体D.14C与12C、13C是碳元素的三种同位
22、素解析C60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，C60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D能力提升11. 下列各组物质：K和Ca；和；12C和14C；和；石墨和C60；NH4CNO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；、
23、都是同种元素的不同原子，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：O3O2OClO3ClOO2OClO=ClO2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 D.催化剂(2)O3和O2是_。A.同一种物质 B.同素异形
24、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。O3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
25、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M11.4322.4256，其单质的分子式为S8。(2)中硫蒸气的相对分子质量为M296.62192，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)S8(2)S6(3)S4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
26、素最外层电子数次外层电子数Dxx4Ex1x4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、R8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)NaMgAlSiPCl(2)SiH4PH3PH3SiH4(3)互为同素异形体