高中化学专题1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学

第1课时同素异形现象同分异构现象
一、同素异形现象
1．同素异形现象和同素异形体
(1)同一种元素能够形成几种不同的单质的现象叫做同素异形现象。

(2)同一种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)碳的同素异形体
(2)氧的同素异形体
对同素异形体的理解
(1)组成元素：只含有一种元素。

(2)物质类别：互为同素异形体的只能是单质。

(3)性质关系：同素异形体之间的物理性质有差异，但化学性质相似。

(4)相互转化：同素异形体之间的转化属于化学变化，因为转化过程中有化学键的断裂与形成。

(5)同素异形体之间的转化既有单质参加，又有单质生成，但由于没有涉及化合价的变化，一般认为这种转化属于非氧化还原反应。

例1意大利罗马大学的Fulvio Cacace等人获得了极具理论研究意义的N4分子。

N4分子结构如图所示，下列说法正确的是( )
A．N4属于一种新型化合物
B．N4转化为N2属于物理变化
C．N4的摩尔质量为56
D．N4与N2互为同素异形体
考点同素异形现象
题点同素异形体的相关综合
答案 D
解析N4是一种单质，与N2互为同素异形体，二者之间的转化属于化学变化，N4的摩尔质量为56 g·mol－1。

例2下列关于碳元素的同素异形体的叙述正确的是( )
A．碳元素形成的各种单质称为碳元素的同素异形体
B．碳元素的同素异形体结构虽然不同，但性质差别不大
C．碳元素的同素异形体性质不同，其用途相同
D．碳元素的同素异形体只有金刚石、石墨和C60
考点同素异形现象
题点碳的同素异形体
答案 A
解析碳元素形成的不同单质原子间的排列方式不同，物理性质差别较大，化学性质相似，用途不同，如金刚石和石墨；金刚石、石墨和C60只是三种主要的碳单质。

二、同分异构现象
1．同分异构现象和同分异构体
(1)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。

(2)分子式相同而结构不同的化合物，互称为同分异构体。

(3)同分异构现象主要表现在有机化合物中。

2．实例
(1)正丁烷和异丁烷
(2)乙醇和二甲醚
四角度认识同分异构体
(1)从物质看：互为同分异构体的物质只能是化合物。

它们之间的转化属于化学变化，若共存则为混合物。

(2)从分子式看：互为同分异构体的化合物，其分子式相同，相对分子质量也相同，但相对分子质量相同的化合物分子式不一定相同，如甲酸(HCOOH)和乙醇(CH3CH2OH)的相对分子质量均为46。

(3)从结构看：互为同分异构体的化合物，空间结构不同。

(4)从性质看：互为同分异构体的化合物，物理性质不同，化学性质可能相似。

例3下列关于同分异构体的叙述正确的是( )
A．相对分子质量相同而结构不同的化合物互称为同分异构体
B．分子式相同而结构不同的化合物互称为同分异构体
C．同分异构体之间由于分子组成相同，所以它们的性质相同
D．只有少数的有机物之间存在同分异构现象
考点同分异构现象
题点同分异构体的概念
答案 B
解析同分异构体是指分子式相同而结构不同的化合物，同分异构体之间分子式相同，则相对分子质量相同，但相对分子质量相同的物质，分子式不一定相同，A项错误；同分异构体的结构不同，性质也不同，C项错误；有机物之间同分异构现象普遍存在，D项错误。

思维启迪
(1)两化合物互为同分异构体，则两化合物的相对分子质量及各元素的组成(含量)必然相同。

(2)相对分子质量相同的两化合物不一定互为同分异构体(如CO和C2H4不互为同分异构体)。

例4下列各组物质中，属于同分异构体的是( )
A．白磷和红磷
B．干冰和CO2
C．和
D．和
考点同分异构现象
题点同分异构体的判断
答案 D
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。

1．(2017·镇江高一检测)美国和墨西哥研究人员将普通纳米银微粒分散到纳米泡沫碳(碳的第五种单质形态)中，得到不同形状的纳米银微粒，该纳米银微粒能有效杀死艾滋病病毒。

纳米泡沫碳与金刚石的关系是( )
A．同素异形体B．同分异构体
C．同一种物质D．同位素
考点同素异形现象
题点同素异形体的判断
答案 A
解析纳米泡沫碳与金刚石都是碳的不同单质，二者属于同素异形体。

2．造成金刚石和石墨性质差异的主要原因是( )
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
考点同素异形现象
题点碳的同素异形体
答案 C
3．下列各组物质中，两者互为同分异构体的是( )
①CuSO4·5H2O和CuSO4·3H2O
②NH4CNO与CO(NH2)2
③CH3CH2OH和CH3—O—CH3
④21H2O和31H2O
A．①②③ B．②③ C．①③④ D．②③④
考点同分异构现象
题点同分异构体的判断
答案 B
解析分子式相同而结构不同的化合物互称为同分异构体。

①中两种物质的分子式不同。

②③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。

④中水分子的结构相同，不互为同分异构体。

4．下列关于同分异构体的说法错误的是( )
①具有相同相对分子质量和不同结构的化合物互称为同分异构体
②互称为同分异构体的物质一定不是同种物质
③同分异构体之间物理性质一定不同，化学性质一定相同
④同分异构体一定具有相同的相对分子质量
A ．①② B．②③ C．①③ D．②④ 考点 同分异构现象 题点 同分异构体的概念 答案 C
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，①错误；同分异构体之间的化学性质不一定相同(如乙醇与二甲醚)，③错误。

5．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________。

①二氧化碳 ②金刚石 ③干冰 ④氢溴酸 ⑤溴水 ⑥液溴 ⑦12
C ⑧石墨 ⑨14
C
考点 “四同”的概念与判断 题点 “四同”的判断
答案 ⑪、⑫与⑩ ②和⑧ ⑦和⑨ ①和③、⑪和⑫
解析 烷烃中每个碳原子都形成空间的四面体结构。

⑪⑫分别与⑩互为同分异构体；②和⑧互为同素异形体；⑦和⑨属于同位素；①和③、⑪和⑫分别属于同一种物质。

[对点训练]
题组一 同素异形体
1．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：白磷――――――――――→1 215.9 MPa ，473 K 隔绝空气黑磷，黑磷性质稳定，结构与石墨相似。

下列叙述正确的是( ) A ．黑磷与白磷互为同位素
B．黑磷能导电
C．白磷转化为黑磷是物理变化
D．黑磷能在空气中自燃
考点同素异形现象
题点磷的同素异形体
答案 B
解析黑磷也是磷元素组成的单质，A错误；类比石墨的导电性知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。

2．(2017·黄山高一检测)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·mol－1
C．硫的单质在足量的空气中完全燃烧可以生成SO3
D．1 mol S8单质中含有的S—S键个数为8N A
考点同素异形现象
题点硫单质的相关综合
答案 D
解析S2、S4、S6、S8都是由硫元素形成的单质，互为同素异形体，在空气中燃烧只能生成SO2，而不能生成SO3，A和C选项错误；S2的摩尔质量为64 g·mol－1，B选项错误；由图可知，1个S8分子中含有8个S—S键，D选项正确。

3．科学家们最近发现一种新分子，具有空心类似足球状的结构，其化学式为C70。

下列说法不正确的是( )
A．C70是一种化合物
B．它的相对分子质量为840
C．它的化学性质和金刚石相似
D．C70和金刚石、石墨一样，都是由碳元素组成的单质
考点同素异形现象
题点碳的同素异形体的判断
答案 A
解析依题意，C70是一种分子，从其化学式可知，一个C70分子由70个碳原子构成，C70应是碳的单质，不属于化合物。

4．下列各项描述的判断正确的是( )
考点同素异形现象
题点同素异形体的相关综合
答案 C
解析氧气和臭氧都是由氧元素组成的单质，它们的混合气体属于混合物，A错误；N4只含有一种元素，是一种新单质，不属于化合物，B错误；红磷和白磷属于同素异形体，同素异形体之间的转化均是化学变化，C正确；纳米泡沫碳和金刚石是由碳元素组成的不同种单质，互为同素异形体，D的结论错误。

题组二同分异构体
5．科学家发现铂的两种化合物a和b，二者的结构式分别为和
，a有抗癌作用，而b没有，二者的关系为( )
A．同分异构体B．同素异形体
C．同一种物质D．同位素
考点同分异构现象
题点同分异构体的判断
答案 A
解析a有抗癌作用，而b没有，说明二者属于不同的物质，且二者分子式相同，结构不同，故二者互为同分异构体；互为同素异形体的必须是单质，互为同位素的必须是质子数相同，中子数不同的核素(如12 6C与14 6C，3517Cl与3717Cl等)。

6．互为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
考点同分异构现象
题点同分异构体的概念
答案 B
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。

7．下列判断中，正确的是( )
A．CH3COONH4与H2N—CH2—COOH是同分异构体
B．CH3CH2Cl与CH2ClCH3是同分异构体
C．H2N—CH2—COOH与CH3—CH2NO2是同分异构体
D．与CH3CHO不是同分异构体
考点同分异构现象
题点同分异构体的判断
答案 C
解析分子式相同而结构不同的化合物互为同分异构体。

题组三同素异形体、同分异构体的比较
8．在化学中，每种物质都有自己对应的化学式，但往往同一化学式，可能表示不同的物质。

下列化学式中，只表示一种纯净物的是( )
A．C B．CH4
C．C2H6O D．C4H10
考点同素异形体、同分异构体的比较
题点由化学式判断同素异形体、同分异构体
答案 B
解析A可能是金刚石、石墨，C可能是乙醇、二甲醚，D可能是正丁烷、异丁烷。

所以符合题意的只有B项。

9．(2018·浙江舟山月考)下列各组物质既不属于同位素，也不属于同素异形体的是( ) A．16O和18O
B．H2O和H2O2
C．O2和O3
D．金刚石、石墨和富勒烯(C60)
考点同素异形体、同分异构体的判断
题点“四同”的概念与判断
答案 B
解析16O和18O质子数相同，中子数不同，故互为同位素，故A错误；水和双氧水是由氧元素和氢元素形成的不同化合物，既不属于同位素，也不属于同素异形体，故B正确；O2和O3都是由氧元素形成的不同单质，故互为同素异形体，故C错误；金刚石、石墨和富勒烯(C60)都是由碳元素形成的不同单质，故互为同素异形体，故D错误。

10.现代无机化学对硫—氮化合物的研究是最为活跃的领域之一。

(SN)n是迄今唯一已知的具有超导性质的链状无机高分子。

有关如右图所示的硫氮化合物的分子结构的说法中，正确的是( )
A．该物质的分子式为SN
B．该物质与化合物S2N2互为同分异构体
C．该物质是电的良导体
D．1 mol该分子中含有的共价键数目为8×6.02×1023
考点同素异形体、同分异构体的判断
题点相关知识的综合
答案 C
11．下列说法正确的是( )
A．互为同素异形体的物质的性质完全相同
B．互为同素异形体的物质之间不可能相互转化
C．氧气和臭氧之间的转化是物理变化
D．分子式为C2H6O的物质有两种同分异构体
考点同素异形体、同分异构体的判断
题点相关知识的综合
答案 D
解析互为同素异形体的物质物理性质不同，化学性质相似，A项错误；互为同素异形体的物质之间可以通过化学反应相互转化，B项错误；O2和O3之间的转化是化学变化，C项错误。

12．2018年1月复旦大学魏大程团队在石墨烯量子点研究领域取得重要进展。

该项研究在未来光学和光电器件方面具有巨大潜力。

下面有关碳的叙述正确的是( )
A．石墨与C60互为同位素
B．13C与14C是两种不同的原子
C．金刚石是碳元素的一种核素
D．14C的原子核内有2个中子
答案 B
解析石墨与C60均是碳元素形成的单质，二者互为同素异形体，同位素是指质子数相同、中子数不同的同一种元素的不同核素，A错误；13C与14C的质子数相同、中子数不同，是两
种不同的原子，且互为同位素，B 正确；金刚石是单质，不是碳元素的一种核素，C 错误；14C 的原子核内中子数＝14－6＝8，D 错误。

[综合强化]
13．(2018·台州月考)氧的单质在环境、生命活动、生产、科研等方面有重要作用。

(1)氟利昂在紫外线的作用下能产生氯原子，氯原子对臭氧层有破坏作用。

氯原子对臭氧层
的破坏作用可用如下过程表示：Cl ＋O 3―→ClO＋O 2、O 3――→光照O 2＋O 、ClO ＋O ―→O 2＋Cl 。

这一
过程的总反应方程式是________________________。

根据总反应方程式，可知氯原子在反应中的作用是________________________。

(2)意大利科学家使用普通氧分子和带正电的氧离子制出了新型的氧分子O 4，它可能具有与S 4相似的长方形结构。

O 4的摩尔质量为________；相同质量的O 2、O 3、O 4的分子数之比为__________，原子数之比为__________；下列有关O 4的说法不正确的是________(填字母)。

A ．题述中生成O 4的反应不属于化学变化
B ．O 4与O 3、O 2都是氧的同素异形体
C ．O 4可能具有很强的氧化性
考点 同素异形现象
题点 相关知识的综合
答案 (1)2O 3――→Cl 光照
3O 2 催化剂 (2)64 g·mol －1 6∶4∶3 1∶1∶1 A
解析 (1)将三个方程式相加得总反应方程式：2O 3――→Cl 光照
3O 2，可见氯原子在反应前后质量和性质都没有改变，是催化剂。

(2)由O 2制备O 4，有化学键的断裂和形成，发生的是化学变化。

14．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S x 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 11.34 g·L －1
，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________________。

考点 同素异形现象
题点 硫的同素异形体的化学式的确定
答案 (1)S 8 (2)S 6 (3)S 4 多种同素异形体
解析由题意知：(1)中硫蒸气的相对分子质量为11.34×22.4≈254，其单质的分子式为S8。

(2)中硫蒸气的相对分子质量为29×6.62≈192，其单质的分子式为S6。

(3)中硫蒸气的相对分子质量为64×2＝128，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。

15．有下列几组物质：
①12 6C与13 6C ②石墨与富勒烯③硝基丙烷(CH3CH2CH2NO2)与丙氨酸()
④CH3CH2CH2CH3和⑤天然气的主要成分与沼气的主要成分⑥HF与HCl 对各组物质的性质异同点进行分析，请用数字序号回答下列问题：
(1)互为同素异形体的是______________________。

(2)互为同分异构体的是______________________。

(3)互为同位素的是______________________。

(4)属于同一化合物的是______________________。

考点同素异形体、同分异构体的比较
题点四同的比较与判断
答案(1)②(2)③④(3)①(4)⑤
解析12 6C与13 6C的质子数相同，而中子数不同，是碳元素的两种核素，互称为同位素；石墨与富勒烯都是由碳元素形成的不同单质，都属于碳元素的同素异形体；硝基丙烷与丙氨酸的
分子式都为C3H7NO2，CH3CH2CH2CH3和的分子式都为C4H10，但是结构不同，所以分别互为同分异构体；天然气与沼气的主要成分都是CH4，属于同一种物质；HF和HCl 属于不同的分子。