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第三单元　从微观结构看物质的多样性
[核心素养发展目标]　1.以同素异形现象、同分异构现象为例认识物质的多样性与微观结构有关。2.认识物质的结构决定物质的性质，性质的特点体现了结构的特点。3.利用结构模型，研究物质的微观结构。
一、同素异形现象
1．基本概念
(1)同一种元素能够形成几种不同的单质的现象称为同素异形现象。
(2)同一种元素可形成几种不同单质，这些单质之间互称为该元素的同素异形体。
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 结构模型 物理性质 主要用途
金 刚 石 晶体中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 无色透明、硬度大、熔点高、不溶于任何溶剂 做装饰品、切割玻璃、做钻头等
石 墨 晶体为层状结构，层内碳原子以共价健结合，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 呈灰黑色，导电、质软、熔点高、不溶于任何溶剂 做润滑剂、电极、铅笔芯等
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” C60为棕黑色固体，为半导体，较易溶于有机溶剂，熔点较低 应用于超导体、材料科学领域
石 墨 烯 由碳原子构成的二维层状结构 有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、能源、生物医学等方面具有广泛的应用前景。是目前最理想的纳米材料之一
(2)氧元素的同素异形体
单质 氧气(O2) 臭氧(O3)
物理性质 通常状况下，为无色、无味的气体，不易溶于水 通常状况下，为有鱼腥味的淡蓝色气体(液态呈深蓝色，固态呈蓝黑色)
化学性质 O3具有比O2更强的氧化性。如： 2Ag＋O3===Ag2O＋O2 2KI＋O3＋H2O===2KOH＋I2＋O2 O3不稳定，易分解为O2
用途 除呼吸、燃烧外，还用于炼钢、医疗、气焊、宇航、登山、潜水及工农业生产和科研等方面 脱色剂和消毒剂。大气中的臭氧层(离地面15～50 km的大气平流层中)是人类和生物的保护伞
转化 3O22O3,2O33O2(臭氧层被破坏)
(3)硫、磷元素的同素异形体
元素 同素异形体
硫 单斜硫、斜方硫、弹性硫等多种，分子式有S2、S4、S8等
磷 白磷(P4)、红磷、黑磷等多种
(1)同素异形体之所以性质不同，是因为它们的内部结构不同(　　)
(2)红磷和白磷在氧气中燃烧都生成五氧化二磷，所以它们是同一种物质(　　)
(3)O2和O3互为同素异形体，3O22O3属于化学变化(　　)
(4)12C、14C与C60互为同素异形体(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×
下列各组物质中，互为同素异形体的是(　　)
A．16O和18O B．红磷、白磷
C．二氧化硫、三氧化硫 D．二氧化碳、干冰
答案　B
解析　红磷和白磷是由磷元素组成的不同单质，故B项正确；16O与18O互为同位素，A项错误；SO2与SO3是不同的硫的氧化物，故C错误；干冰是CO2的固态存在形式，故D项错误。
二、同分异构现象
1．同分异构现象
(1)概念：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。
(2)常见实例：正丁烷和异丁烷，乙醇和二甲醚(C2H6O)等。
(3)存在：在有机化合物中普遍存在，是有机化合物种类繁多的原因之一。
2．两组同分异构体的比较
(1)正丁烷和异丁烷
名称 正丁烷 异丁烷(2-甲基丙烷)
分子式(相同) C4H10
结构式(不同)
结构简式(不同) CH3CH2CH2CH3(无支链)
沸点(不同) －0.5 ℃ －11.7 ℃
(2)乙醇和二甲醚
名称 乙醇 二甲醚
分子式(相同) C2H6O
结构式(不同)
结构简式(不同) CH3CH2OH CH3OCH3
沸点(不同) 78 ℃ －23 ℃
(1)同分异构体的相对分子质量一定相同(　　)
(2)CO与N2相对分子质量相同，均为28，故二者互为同分异构体(　　)
(3)同分异构体之间由于分子式相同，则性质一定相同(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)×
1．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
答案　C
2．下列说法中正确的是(　　)
A．所有有机物都存在同分异构体
B．两种化合物组成元素相同，各元素质量分数也相同，则二者一定互为同分异构体
C．相对分子质量相同的几种化合物，互称为同分异构体
D．各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
答案　D
解析　A项，组成和结构简单的有机物，如CH4、C2H6、CH3OH等，不存在同分异构体；B项，只能说明两种化合物的最简式相同，可能不互为同分异构体，如C2H4与C3H6；C项，只限定相对分子质量相同，则可能不互为同分异构体，如H2SO4与H3PO4、C2H6O与CH2O2等；D项，能表明化合物的分子式相同而结构不同，互为同分异构体。
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 质子数相同、质量数(或中子数)不同的核素互称为同位素 由同一种元素形成的几种不同单质叫作这种元素的同素异形体 分子式相同而结构不同的化合物互称为同分异构体
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
三、晶体与非晶体
1．晶体与非晶体
2．常见的几类晶体
晶体类型 离子晶体 分子晶体 共价晶体 金属晶体
结构 构成晶体的粒子 阴、阳离子 分子 原子 —
微粒间的相互作用 离子键 分子间作用力 共价键 —
性质 熔点 较高 低 高 差距大
导电性 熔融状态或在水溶液中导电 溶于水时发生电离后可导电 不导电(或半导体) 导电
典型实例 NaCl、CaCO3 干冰、C60 金刚石、SiO2 K、Mg、Cu
3.熔化(汽化、升华)过程克服的作用力
克服共价键(所以熔点很高)
(1)分子晶体中分子间作用力越大，构成晶体的分子越稳定(　　)
(2)共价晶体中共价键越强，熔点越高(　　)
(3)冰是分子晶体，水分子之间的作用力有氢键(　　)
(4)氯化钠熔化时，离子键被破坏(　　)
(5)液晶只具有液体的性质，分子无序排列(　　)
答案　(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)×
1．下列不属于晶体的特点的是(　　)
A．具有规则的几何外形
B．具有固定的沸点
C．具有固定的熔点
D．一定是无色透明的固体
答案　D
2．下列说法正确的是(　　)
A．干冰和石英晶体中的化学键类型相同，熔化时需克服微粒间的作用力类型也相同
B．化学变化发生时，需要断开反应物中的化学键，并形成生成物中的化学键
C．CH4和CCl4中，每个原子的最外层都具有8个电子稳定结构
D．NaHSO4晶体溶于水时，离子键被破坏，共价键不受影响
答案　B
解析　干冰和石英晶体中的化学键都是共价键，但它们分别属于分子晶体和共价晶体，熔化时需克服的作用力分别是分子间作用力和共价键，A项不正确；化学反应的过程就是反应物中的化学键断裂、生成物中的化学键形成的过程，B项正确；CH4和CCl4中，C、Cl原子的最外层具有8个电子稳定结构，但CH4分子中H原子最外层只有2个电子，C项不正确；NaHSO4晶体溶于水时，离子键被破坏，HSO中H、O原子之间的共价键也断裂，电离方程式为NaHSO4===Na＋＋H＋＋SO，D项不正确。
1．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互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
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。
2．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CH3—O—CH3互为同分异构体
D．水和冰是同一种物质
答案　A
解析　H2和D2是由氢元素的不同核素形成的氢气单质，既不互为同位素也不互为同素异形体。
3．下列说法中正确的是(　　)
A．碘晶体、碘蒸气互为同素异形体
B．同素异形体是同种元素的不同单质
C．CO、CO2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
答案　B
解析　碘晶体、碘蒸气是碘的不同状态，故A错误；CO、CO2分子式不同，不符合同分异构体概念，故C错误；同分异构体的分子式相同，但结构不同，故D错误。
4．一瓶气体经化验分析只含有一种元素，则该气体是(　　)
A．一种单质
B．一种化合物
C．化合物和单质的混合物
D．既可能是一种单质，又可能是几种单质的混合物
答案　D
解析　该气体可能是一种单质，也可能是这种元素组成的几种单质的混合物，不能确定为纯净物或混合物。
5．有下列几组物质：
①C与C　②石墨与金刚石　③硝基丙烷(CH3CH2CH2NO2)与丙氨酸()　④CH3CH2CH2CH3和　⑤HF与HCl
请用序号回答下列问题：
(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______________________。
答案　(1)②　(2)③④　(3)①
解析　C与C的质子数相同，而中子数不同，是碳元素的两种核素，互为同位素；石墨与金刚石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；HF和HCl属于不同的分子。
题组一　同素异形体与同分异构体
1．科学家发现C60后，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．同种物质 B．同分异构体
C．同素异形体 D．同位素
答案　C
解析　它们都是由碳元素形成的不同单质，互为同素异形体。
2．下列各组微粒中，互为同素异形体的是(　　)
A.C和C B．H2O和H2O2
C．红磷和白磷 D．甲烷和乙烷
答案　C
3．随着科学技术的不断进步，研究物质的手段和途径越来越多，N、H3、O4、C60等已被发现。下列有关说法正确的是(　　)
A．N中含有36个电子
B．O2与O4互为同位素
C．C60的摩尔质量为720
D．H2与H3互为同素异形体
答案　D
解析　N中含有34个电子，A项错误；同位素的研究对象是原子，而O2与O4均为单质，二者互为同素异形体，B项错误；摩尔质量的单位是g·mol－1，C项错误；由同一种元素形成的不同单质互称为同素异形体，D项正确。
4．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，化学性质可能相同
D．同分异构体一定具有相同的相对分子质量
答案　A
解析　 N2与CO具有相同的相对分子质量和不同的结构，但二者不互为同分异构体，A错误；结构不同，物质也不同，B正确；同分异构体由于具有相同的分子式，所以其相对分子质量一定相同，D正确。
5．合成新物质是化学研究的主要目的之一。意大利科学家合成了一种新型的氧分子(O4)，下列关于O4的说法正确的是(　　)
A．O4是一种新型的化合物
B．O4和O2不互为同素异形体
C．等质量的O4和O2含氧原子数目相同
D．1个O4分子由2个O2分子构成
答案　C
解析　化合物至少含有两种元素，故A错误； 同种元素形成的不同单质互为同素异形体，因此O4与O2互为同素异形体，故B错误；依据氧元素守恒分析，等质量的O4和O2氧元素质量相同，氧原子数相同，故C正确；分子中不可能含有其他分子，只能含有原子，故D错误。
6．下列叙述正确的是(　　)
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
题组二　晶体与非晶体
7．下列关于晶体与非晶体的说法中，错误的是(　　)
A．晶体具有规则的几何外形和固定的熔点
B．玻璃属于晶体
C．非晶体没有固定的熔点
D．晶体和非晶体，一般指的是固体
答案　B
解析　玻璃没有固定的熔点，属于非晶体。
8．下列叙述正确的是(　　)
A．构成分子晶体的微粒一定含有共价键
B．离子晶体中一定只含有离子键
C．同主族元素形成的氧化物的晶体类型一定相同
D．熔化时不破坏化学键的晶体一定是分子晶体
答案　D
解析　稀有气体形成的分子晶体中无化学键，A项错误；离子晶体中一定含有离子键，也可能含有共价键，如NaOH，B项错误；ⅣA族元素中，碳的氧化物CO、CO2形成的晶体为分子晶体，硅的氧化物SiO2属于共价晶体，C项错误；分子晶体熔化时破坏的是分子间作用力，无化学键被破坏，D项正确。
9．下表列出的对晶体结构的说明中，错误的是(　　)
选项 A B C D
晶体名称 碘化钾 干冰 石英 碘
晶体中的粒子 阴、阳离子 分子 分子 分子
粒子间的相互作用 离子键 分子间作用力 共价键 分子间作用力
答案　C
10．意大利科学家以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，故A错误；O2、O、O4都不是原子，不是氧元素的同位素，故B错误；含有两种元素，其中一种是氧元素的化合物是氧化物，故C错误；O和O4中氧元素的化合价不同，故D正确。
11．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P2O5
B．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
答案　D
解析　磷的单质在空气中完全燃烧均生成P2O5，故A正确；白磷、红磷或其他磷的同素异形体都不溶于水，常温下也都为固态，故B、C均正确；这种磷与白磷互为同素异形体，故D不正确。
12．下列有关晶体的叙述中，错误的是(　　)
A．离子晶体中一定含有离子键
B．共价晶体中，只存在共价键
C．构成分子晶体的物质中不存在共价键
D．稀有气体的原子易形成分子晶体
答案　C
13．下列物质属于分子晶体的化合物是(　　)
A．石英 B．氯化钠
C．干冰 D．钠
答案　C
14．下列各组物质熔化或升华时，所克服的粒子间作用力属于同种类型的是(　　)
A．Na2O和SiO2熔化
B．冰和金刚石熔化
C．氯化钠和蔗糖熔化
D．碘和干冰升华
答案　D
解析　Na2O熔化克服离子键、SiO2熔化克服共价键，类型不同，故A错误；冰是分子晶体、金刚石是共价晶体，晶体类型不同，克服的作用力类型不同，故B错误；氯化钠熔化克服离子键，蔗糖熔化克服分子间作用力，类型不同，故C错误；碘和干冰均属于分子晶体，升华时均克服分子间作用力，类型相同，故D正确。
15．下列各组物质：
①K和Ca；②和；③12C和14C；④和；⑤石墨和C60；⑥NH4CNO和CO(NH2)2；⑦T和D；⑧和；⑨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________。
答案　(1)③⑦　(2)⑤　(3)②⑥⑧　(4)④⑨
解析　①是两种不同的元素；②⑥⑧中的两种物质都是分子式相同但结构不同的化合物，互为同分异构体；③⑦都是同种元素的不同原子，互为同位素；④⑨中两种物质分子式和结构都相同，是同一种物质；⑤中两种物质是同一种元素形成的不同单质，互为同素异形体。
16．(1)①NaCl、②干冰、③冰、④Na2O2、⑤白磷(P4)、⑥硫黄、⑦Na2CO3
以上物质中属于离子晶体的是________(填序号，下同)；属于分子晶体的是________。
(2)氯化钡是无色晶体，溶于水，水溶液能导电，熔点963 ℃，沸点1 560 ℃。它可能属于________晶体。
答案　(1)①④⑦　②③⑤⑥　(2)离子
解析　(1)NaCl、Na2O2、Na2CO3均为离子化合物，形成离子晶体；干冰、冰、白磷、硫黄均由分子构成，形成分子晶体。(2)据BaCl2的性质可知BaCl2应为离子晶体。

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