【同步讲义】高中化学（苏教版2019）必修第一册--5.3.1 同素异形现象和同分异构现象 讲义

第三单元 从微观结构看物质的多样性

第1课时 同素异形现象和同分异构现象

知识点01  同素异形现象

1．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)碳元素能形成多种单质。碳元素形成的单质有金刚石、石墨、富勒烯等。金刚石和石墨晶体中碳原子的成键方式和排列方式不同。

①金刚石晶体的结构特点：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。

②石墨晶体的结构特点：石墨晶体为层状结构，每一层内碳原子以共价键结合，排列成平面六边形，形成平面网状结构；层间存在分子间作用力。

③C60是由60个碳原子形成的封闭笼状分子；石墨烯是由碳原子构成的二维层状的碳材料。

(2)氧元素形成的同素异形体有O2和O3。

(3)磷元素形成的同素异形体主要有白磷和红磷。

【即学即练1】有关于同素异形体的说法正确的是（    ）

A．所有元素都可能形成同素异形体

B．同一元素的同素异形体结构不同，化学性质相同

C．只由一种元素组成的物质一定是纯净物

D．在一定条件下，同素异形体之间可以相互转化

答案：D

解析：A选项，不是所有元素都能形成同素异形体，错误；B选项，同素异形体之间结构不同，性质不同，错误；C选项，如果同一种元素组成的物质中含有几种同素异形体，它们混合时是混合物，错误。D选项，同素异形体之间可以相互转化，正确。故选D。

知识点02  同分异构现象

1．概念

(1)同分异构现象：化合物具有相同分子式，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之间的互称。

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)乙醇和二甲醚：分子式均为C2H6O，其结构式分别为、。

【即学即练2】有关同分异构体的说法正确的是（    ）

A．互为同分异构体的物质可能只含有一种元素

B．互为同分异构体的物质分子式相同，它们混合时是纯净物

C．分子式相同的物质可能有多种结构

D．互为同分异构体的物质物理性质不同，化学性质相同

答案：C

解析：A选项，互为同分异构体的物质都是化合物，不可能只含有一种元素，错误；B选项，互为同分异构体的物质结构不同，属于不同的物质，它们混合时是混合物，错误；C选项，分子式相同的物质可能具有不同的结构，存在同分异构现象，正确；D选项，互为同分异构体的物质结构不同，因此物理性质和化学性质都不同，错误。故选C。

考法01  同素异形体判断

1．同素异形体的含义

(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。

2．产生同素异形现象的原因

(1)组成分子的原子个数和成键方式不同。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。

3．同素异形体性质不同的原因

(1)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。

(2)同素异形体之间的转化属于化学变化，但不是氧化还原反应。

【典例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

答案：B

解析：A选项，碳元素的单质有多种，如石墨、金刚石等，它们互为同素异形体，是不同的单质，若两种单质混合在一起，则为混合物，错误；B选项，金刚石和石墨都是碳元素组成的单质，因此化学性质相似，正确；C选项，转化过程没有化合价变化，不属于氧化还原反应，错误；D选项，C60是碳元素的一种单质，错误。故选B。

考法02  同分异构体

1．同分异构体的含义

(1)互为同分异构体的物质一定是化合物。

(2)互为同分异构体的必备条件有两点：

①两者的分子式应相同；②两者的结构应不同。

2．同分异构体的特点

(1)两化合物的相对分子质量及各元素的组成(含量)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。

【典例2】下列四组物质中互为同分异构体的是(　　)

A．Na2CO3与NaHCO3   B．12CO和14CO

C．CH3CHO与   D．金刚石和富勒烯(C60)

答案：C

解析：分子式相同，结构不同的化合物之间互称为同分异构体。A选项，两种物质化学式不同，B选项，两种物质都是CO，只是C原子不同，属于同一种物质；C选项，两种物质分子式均为C2H4O，结构不同，正确；D选项，金刚石和富勒烯都是碳元素组成的不同单质，互为同素异形体。故选C。

考法03  同位素、同素异形体和同分异构体的比较

同分异构体混合或同素异形体混合形成的是混合物；不同同位素原子形成的物质，如果组成和结构相同，属于同一物质，如H2和D2视为同一物质。

【典例3】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________。

①35Cl和37Cl　②C60和金刚石　③O3和O2　④CCl4和CHCl3　

⑤和 

⑥CH3CH2CH3和CH3CH2OH

答案：⑤    ②③    ①

题组A  基础过关练

1．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

D．同分异构体一定具有相同的相对分子质量

答案：A

2．下列物质中不属于同素异形体的是（    ）

A．石墨和金刚石       B．H2和D2

C．红磷和白磷       D．O2和O3

答案：B

解析：H2和D2属于同一种元素组成的物质，是同一种物质（但是相对分子质量不同），化学性质基本相同。

3．红磷和白磷在一定条件下可以相互转化，由此可以说明（    ）

A．红磷和白磷是同一种物质

B．这样变化是物理变化

C．这一变化是氧化还原反应

D．白磷和红磷的结构不同

答案：D

解析：红磷和白磷互为同素异形体，结构和性质都不相同，性质也不相同，因此属于不同的物质，相互转化时有新物质生成，为化学变化，由于都是单质，因此不是氧化还原反应。

4．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 ④H2O和H2O

A．①②③ B．②③

C．①③④ D．②③④

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中化学式不同。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。

5．重水(D2O)是重要的核工业原料，下列有关说法错误的是(　　)

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．1HO与DO的相对分子质量相同

答案：C

6．下列各项描述的判断正确的是(　　)

答案：C

解析：A选项，同种元素能组成不同结构的单质，它们互为同素异形体，因此同种元素组成的物质有可能是混合物，描述错误，结论与描述不一致，错误；B选项，N4是由碳元素组成的单质，描述错误，结论与描述不一致，错误；C选项，红磷、白磷是由磷元素组成的不同单质，它们之间的转化是化学变化，描述错误，结论与描述一致，正确；D选项，纳米泡沫碳和金刚石互为同素异形体，描述正确，结论与描述不一致，错误。故选C。

7．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

答案：D

解析：纳米泡沫碳与金刚石都是碳元素组成的单质，因此互为同素异形体。

8．闪电时空气中有臭氧生成。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

答案：B

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。

9．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

C．

D．和

答案：D

解析：白磷和红磷两者属于同素异形体，A项不符合题意；干冰和CO2是同一种物质，只是状态不同，B项不符合题意；C项属于同一种物质，不符合题意；D项中两者的分子式均为C6H14，结构不同，属于同分异构体，符合题意。

10．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液氯　②　③白磷　④氯气  ⑤

⑥氯水   ⑦Cl  ⑧红磷  ⑨Cl

答案：②⑤    ③⑧    ⑦⑨    ①④

11．下面列出了几组物质或微粒，请将合适的序号填写在空格上。

①金刚石与“足球烯”(C60)； ②D与T; ③16O、17O和18O; ④氧气(O2)与臭氧(O3)；⑤乙醇(CH3CH2OH)和甲醚(CH3OCH3)。

(1)是同素异形体的　    　　　。

(2)是同位素的　　　     　。

(3)是同分异构体的　　　     　。

答案：(1)①④　(2)②③　(3)⑤

解析：(1)由同一种元素形成的不同单质互为同素异形体，则是同素异形体的为金刚石与“足球烯”(C60)，氧气(O2)与臭氧(O3)。(2)质子数相同而中子数不同的同一种元素的不同核素互为同位素，则是同位素的是D与T，16O、17O和18O。(3)分子式相同而结构不同的化合物互为同分异构体，则是同分异构体的为乙醇(CH3CH2OH)和甲醚(CH3OCH3)。

题组B  能力提升练

1．氰酸铵(NH4CNO)与尿素[CO(NH2)2](　　)

A．都是共价化合物           B．都是离子化合物

C．互为同分异构体             D．互为同素异形体

答案：C

解析：氰酸铵(NH4CNO)与尿素[CO(NH2)2]分子式相同，互为同分异构体。

2．下列物质之间的相互关系错误的是(　　)

A．CH3—CH2—NO2和H2N—CH2—COOH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．冰和干冰为同一种物质

答案：D

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。

3．16O和18O是氧元素的两种核素，NA表示阿伏伽德罗常数，下列说法正确的是（    ）

A．16O2和18O2互为同素异形体

B．16O和18O的核外电子排布不同

C．通过化学变化可以实现16O和18O间的相互转化

D．标准状况下，1.12L16O2和1.12L18O2均含0．1NA个氧原子

答案：D

解析：A选项，16O2和18O2组成相同，是同一种物质，同素异形体必须为同一元素的不同单质，错误；B选项，16O和18O的质子数相同，电子数也相同，错误；C选项，16O和18O的核内中子数不同，化学变化只能改变最外层电子，因此化学变化不能实现原子之间的转化，错误；D选项，16O和18O都是氧原子，因此氧原子数目相同，正确。

4．下列关于臭氧的叙述中不正确的是（    ）

A．臭氧有很强的氧化性，所以能杀菌消毒

B．臭氧和氧气在一定条件下可以相互转化

C．臭氧和活性炭一样，可以吸附某些有色物质，使有色物质漂白

D．相同质量的臭氧和氧气中所含氧原子数相同

答案：C

解析：A选项，O3的氧化性比氧气强，可用于杀菌消毒，正确；C选项，O3漂白是因为其具有强氧化性，活性炭使物质漂白是因为它能吸附某色有色物质，错误；D选项，氧气和臭氧都是氧原子构成的，质量相等，氧元素数目相等，正确。

5．下列各组物质：①重氢、超重氢 ②H216O、H218O ③O2、O3 ④红磷、白磷 ⑤正丁烷、异丁烷 ⑥乙醇、二甲醚 ⑦O2-、O2 ⑧金刚石、石墨、C60

（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_____________。

答案：（1）①  （2）③④⑧  （3）⑤⑥

解析：同位素是指同一元素的不同原子（即中子数不同的原子）之间的互称，H216O、H218O是分子，不属于同位素的范畴；同素异形体是指同一元素的不同单质之间的互称；同分异构体是指分子式相同，结构不同的化合物的互称。注意抓住概念的外延解答问题。

题组C  培优拔尖练

1．“玉兔”号月球车用Pu作为热源材料。下列关于Pu的说法正确的是(　　)

A.Pu与U互为同位素

B.Pu与Pu具有相同的最外层电子数

C.Pu与Pu具有相同的中子数

D.Pu与U具有完全相同的化学性质

答案：B

解析：A项，Pu与U的质子数不同，分别为94、92，不是同位素，错误；B项，Pu与Pu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，Pu与Pu中子数分别为238－94＝144，239－94＝145，错误；D项，Pu与U的质子数不同，属于不同的元素，其化学性质不同，错误。

2．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电子数的一半，则下列说法正确的是(　　)

A.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

答案：A

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熔融时不能电离，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。

3．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

答案：D

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。

4．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

C．硫的单质在足量的空气中完全燃烧可生成SO3

D．1 mol S8单质中含有的S—S键个数为8NA

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，A选项错误；S2的摩尔质量为64 g/mol，B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；由图可知，1个S8分子中含有8个S—S键，D选项正确。

5．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 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　　　　。

答案：(1)S8　(2)S6　(3)S4　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M＝11.43×22.4≈256，其单质的分子式为S8。(2)中硫蒸气的相对分子质量为M＝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M＝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。