化学必修第一册5

【必备知识】
1.同素异形现象 同一种元素形成几种不同单质的现象称为同素异形现象,同一种元素形成 的不同单质互称为该元素的同素异形体。
2.碳的同素异形体
单质 结构特征
金刚石 每个碳原子与相邻的4个碳原子以共价键结合,形成空间网状结构
石墨
层状结构,层内碳原子间以共价键结合,层内碳原子排列成平面六边形, 形成平面网状结构,层间碳原子间存在分子间作用力
素养提升
新知一 同素异形现象
【问题探究】
1.金刚石、石墨和足球烯的结构、性质有哪些异同?
碳的同素 异形体 金刚石 石墨 足球烯
物理性质
结构
硬度
空间网状结构 大
层状结构
小
笼状分子 较小
熔点 高 高
较低
化学性质
相似,在氧气中充分燃烧生成 二氧化碳
2.举例说明什么是同分异构现象。 提示 正丁烷与异丁烷、乙醇和二甲醚都是分子式相同而结构不同的物质, 分子式相同而结构不同的现象称为同分异构现象,分子式相同而结构不同 的化合物互称为同分异构体。
【素能应用】
例1 重水(D2O)是重要的核工业原料,下列说法错误的是( C ) A.氘(D)原子核外有1个电子 B.1H与D互称同位素 C.H2O与D2O互称同素异形体 D.1H218O 与D216O 的相对分子质量相同
方法点拨解答类似问题要准确把握这些概念所对应的描述对象。同素异 形体是指同种元素形成的不同单质;同位素是指同种元素的不同核素。
(2)分子式同为C2H6O的乙醇和二甲醚的结构式分别为
、
,二者互为同分异构体。
【正误判断】 判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。 (1)同种元素形成的物质是单质。( × ) (2)金刚石和石墨都是碳元素的单质,由于二者物理性质、化学性质完全不 同,故互为同素异形体。( × ) (3)金刚石和石墨晶体中的碳原子的成键方式和排列方式均不相同。( √ ) (4)金刚石晶体中的碳原子形成空间网状结构,石墨晶体为层状结构。 (√ ) (5)石墨烯是碳原子构成的二维层状的碳材料。( √ ) (6)相对分子质量相同但结构不同的物质互为同分异构体。( × )
分子内原子的连接 次序不同
概念 同位素
研究对象 原子
实例
12C、13C、14C; 1H、2H、3H等
同素异形体
同分异构体
单质
化合物
金刚石、石墨、C60;红磷、正丁烷、异丁烷;乙
白磷;O2、O3等
醇、二甲醚等
【素能应用】
例2 下列各组物质中互为同分异构体的是( B )
①CuSO4·5H2O和CuSO4·3H2O ②NH4CNO与CO(NH2)2
同素异形体
同分异构体
具有相同质子数和不同 由同种元素形成的 分子式相同,但结构
定义 的中子数的同一元素的 不同单质叫作这种 不同的化合物互称
不同原子互称同位素 元素的同素异形体 为同分异构子式相同,皆为化
单质
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
2.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( C ) A.同种物质 B.同分异构体
C.同素异形体 D.同位素
3.互为同分异构体的物质不可能具有( B ) 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
专题5 微观结构与物质的多样性
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 同分异构现象
素养目标
1.了解同素异形体的概念。 2.以金刚石、石墨、足球烯等碳的同素异形体为例,认识由于微观结构不 同而导致的同素异形现象。 3.知道同分异构现象,认识物质的多样性与微观结构有关系,了解同分异构 现象普遍存在于有机化合物的意义。 4.以正丁烷和异丁烷、乙醇和二甲醚为例,探究模型的组装和旋转,培养学 生的模型认知和科学探究的核心素养。
素养初探
【知识铺垫】 1.同种元素形成的纯净物为单质,如氧元素形成的纯净物O2为单质,O3也是 氧元素形成的单质。 2.金刚石和石墨都是碳元素形成的单质,二者完全燃烧的产物都是 二氧化碳气体,金刚石和石墨是碳元素形成的不同单质。 3.乙醇和二甲醚的分子式均为C2H6O,你认为乙醇和二甲醚是同一种物质 吗? 提示 不是。
2.同分异构体是造成有机物种类繁多的原因之一,但并不意味着只有有机 物存在同分异构现象,无机物与无机物之间以及无机物与有机物之间也有 同分异构现象,例如:雷酸银(AgOCN)和氰酸银(AgCNO);氰酸铵(NH4CNO) 与尿素[CO(NH2)2]等。
3.同位素、同素异形体与同分异构体的比较
概念 同位素
B.S2 与 S8
C.11H
和
2
1H
D.
与 CH3CHO
素养脉络
素养巩固
1.N4是一种极具理论研究意义的气体分子。N4分子结构如图所示,下列说 法正确的是( B ) A.N4与N2互为同分异构体 B.N4分子中只含有共价键 C.1 mol N4分子所含共价键数为4NA D.N4沸点比P4(白磷)高
变式训练 1-1下列各对物质中,互为同素异形体是( C )
①1
1
H、12
H
②H2O、D2O
③35
17
Cl、1377
Cl
④金刚石、石墨
⑤O2、O3
⑥
H2、H+
A.①②③ B.①③
C.④⑤ D.④⑤⑥
变式训练 1-2下列叙述正确的是( D ) A.14C中含有14个中子 B.1H、2H、3H是同一种核素 C.H2O与D2O互称同位素 D.C60、金刚石、石墨均为碳的同素异形体
和CH3—O—CH3
④12H2O
和
3 1
H2O
A.①②③ B.②③
C.①③④ D.②③④
③CH3CH2OH
易错警示 不仅有机物中存在同分异构现象,无机物中也存在同分异构现象。 同素异形体的描述对象是单质,不能互称为同分异构体。
变式训练 2下列各组物质互为同分异构体的是( D )
A.CO 与 CO2
新知二 同分异构现象
【问题探究】 1.观察下表,比较正丁烷与异丁烷在结构、组成和性质上的异同,正丁烷和 异丁烷是不是同一种物质?
名称
正丁烷
异丁烷
分子式 沸点
C4H10 -0.5 ℃
C4H10 -11.7 ℃
名称 结构式
正丁烷
异丁烷
球棍模型
提示 正丁烷与异丁烷分子式相同,分子结构不同,沸点不同。正丁烷与异 丁烷不是同一种物质。
4.将下列物质进行分类: A.白磷和红磷 B.35Cl和37Cl C.O2和O3 D.H2O和D2O E.CH3—CH2—CH2—CH3和
F.CH3—CH2—O—CH2—CH3(乙醚)和CH3—CH2—CH2—CH2—OH(正丁醇)
(1)互为同位素的是 B (填字母,下同)。 (2)互为同素异形体的是 AC 。 (3)互为同分异构体的是 EF 。
富勒烯(fullarene)C60又被称为足球烯,它属于球碳族,这一类物质的分子式 可以表示为Cn,n为28到540之间的整数值,有C50、C70、C84、C240等,在这些 分子中,碳原子与另外三个碳原子形成两个单键和一个双键。 碳纳米管可分单层及多层的碳纳米管,它是由单层或多层同心轴石墨层卷 曲而成的中空碳管,管直径一般为几纳米到几十纳米,多层碳纳米管管壁的 石墨层间距为0.34纳米,与平面石墨层的间距一样,不论是单层还是多层碳 纳米管,前后末端类似半圆形,结构基本上与碳六十相似,使整个碳管成为 一个封闭结构。
2.同素异形体由于分子组成或晶体结构不同,导致它们的物理性质差异很 大,化学性质有相似性,但存在活泼性的差异。 3.碳的同素异形体 金刚石呈空间网状结构,碳原子之间形成共价键。当切割或熔化时,需要克 服碳原子之间的共价键,金刚石是自然界已知物质中硬度最大的材料,它的 熔点高。 石墨是层状结构,层内碳原子排列成平面六边形,每个碳原子以三个共价键 与其他碳原子结合,层间存在分子间作用力。石墨是一种灰黑色、不透明、 有金属光泽的晶体。天然石墨耐高温,热膨胀系数小,导热、导电性好,摩 擦系数小。
【深化拓展】 1.同素异形体的描述对象是单质,不是指核素,也不是指化合物。互为同素 异形体的不同单质是由同一种元素形成的,构成它们的原子核电荷数相同, 中子数可以相同,也可以不相同。 “异形”包括分子中原子数不同,如氧气分子和臭氧分子;也包括空间结构不 同,如金刚石是空间网状结构,而石墨是层状结构,同一层内的碳原子形成 平面六边形结构,层与层之间靠分子间作用力结合,二者结构不同,因此性 质不同。H2、D2是由不同的原子形成的单质,由于其分子结构相同,因此二 者不属于同素异形体。
2.比较乙醇与二甲醚在组成、结构上的异同,二者是什么关系? 提示 乙醇和二甲醚的分子式相同,分子中原子的连接顺序不同。二者互为 同分异构体。
【深化拓展】 1.同分异构体中的“同分”与“异构” (1)同分异构体中的“同分”指的是分子式相同,而不是指相对分子质量相同。 分子式相同的物质其相对分子质量一定相同,但相对分子质量相同的物质 其分子式不一定相同,如H2SO4与H3PO4相对分子质量均为98,但二者不互 为同分异构体。 (2)同分异构体中的“异构”指的是分子结构不同,即分子中原子的连接次序 不同。同分异构体可以是同一类物质,也可以是不同类物质。当为同一类 物质时,化学性质相似,而物理性质不同;当为不同类物质时,化学性质不同, 物理性质也不同。
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
3.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,称为同分异构现象。 分子式相同而结构不同的化合物互称为同分异构体。 4.几种简单有机物的同分异构体 (1)分子式同为C4H10的正丁烷和异丁烷结构式分别
为
、
,二者互为同分异构体。