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专题5
第三单元　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。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
学以致用·随堂检测全达标
目录索引
基础落实·必备知识全过关
自主梳理
1.同素异形现象
同一种元素形成　　　 　　　　的现象称为同素异形现象,同一种元素形成的　　　　　　互称为该元素的　　　　　　　　。
2.碳的同素异形体
同素异形体结构不同,可以是原子数不同,或原子排列方式不同
单质 结构特征
金刚石 每个碳原子与相邻的　　个碳原子以共价键结合,形成
　　　　　　　结构
几种不同单质
不同单质
同素异形体
4
空间网状
单质 结构特征
石墨 　　　　结构,层内碳原子间以　　　　　结合,层内碳原子排列成　　　　　　　形,形成　　　　　　结构,层间碳原子间存在
　　　　　作用力
C60 由　　　个碳原子形成的封闭笼状分子,形似足球,人们又称它为　　　　　
层状
共价键
平面六边
平面网状
60
分子间
足球烯
3.同分异构现象
化合物具有相同的　　　　　,但具有不同　　　　的现象,称为同分异构现象。　　　　　相同而　　　　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　　　 　　。
分子式
结构
分子式
结构
同分异构体
(2)分子式同为　　　　的乙醇和二甲醚的结构式分别
为　　　　　　　　　　　　　　　　　,二者互为　　　　　　　　。
C2H6O
同分异构体
自我检测
判断下列说法是否正确,正确的画“√”,错误的画“×”。
(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。(　　)
×
×
√
√
√
×
重难探究·能力素养全提升
探究一　同素异形现象
情境探究
(1)金刚石、石墨和足球烯的结构、性质的比较。
碳的同素 异形体 物理性质 化学性质
结构 硬度 熔点
金刚石 空间网状结构
石墨 层状结构
足球烯 笼状分子 较小 较低
大
高
小
高
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。
知识归纳
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.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。
富勒烯(Fullerene)中的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。
应用体验
1.重水(D2O)是重要的核工业原料,下列说法错误的是(　　)
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
C
解析 氘(D)原子核外有1个电子,A项说法正确;1H与D互称同位素,B项说法正确;同素异形体的描述对象是单质,不是化合物,C项说法错误;
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.[2023河北石家庄第二中学高一期末]四轮纳米车是全球最小的、由80个单个碳原子制成的“电动车”,科研小组通过将4个旋转的运动单元(相当于汽车的4个轮子)附着到一个中心轴上,制造出一个可定向移动的分子,该分子仅为4纳米长,当施加微弱电流时,会向前行驶。下列说法错误的是(　　)
A.用激光笔照射该物质分散在蒸馏水中形成的分散系,光线通过时出现明亮的光路
B.“四轮纳米车”分子可透过滤纸,也可透过半透膜
C.“四轮纳米车”与石墨是同素异形体
D.“四轮纳米车”是一种新型的单质
B
解析 该分子长4纳米,分散在蒸馏水中形成胶体,用激光笔照射,产生丁达尔效应,A正确;该分子长4纳米,可透过滤纸,但不可透过半透膜,B错误;“四轮纳米车”由80个单个碳原子制成,是单质,与石墨是同素异形体,C正确;由题意可知,“四轮纳米车”是一种新型单质,D正确。
3.下列各对物质中,互为同素异形体是(　　)
④金刚石、石墨　⑤O2、O3　⑥H2、H+
A.①②③ B.①③
C.④⑤ D.④⑤⑥
C
的两种核素,二者互为同位素;④金刚石、石墨是碳元素形成的不同单质,互为同素异形体;⑤O2、O3是氧元素形成的不同单质,互为同素异形体;⑥H2是氢气分子;H+是氢离子,氢分子和氢离子是氢元素形成的不同粒子,二者不互为同位素。
探究二　同分异构现象
情境探究
(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 C4H10 C4H10
沸点 -0.5 ℃ -11.7 ℃
结构式
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。
(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。
知识归纳
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。
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: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 同素异形体 同分异构体
定义 具有相同质子数和不同的中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作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
概念 同位素 同素异形体 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 分子内原子的连接次序不同
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;乙醇、二甲醚等
应用体验
1.下列各组物质中互为同分异构体的是(　　)
①CuSO4·5H2O和CuSO4·3H2O
②NH4CNO与CO(NH2)2　③CH3CH2OH和CH3—O—CH3　
A.①②③ B.②③
C.①③④ D.②③④
B
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。
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组中的两种物质的分子式分别相同,但结构不同,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。
2.下列各组物质互为同分异构体的是(　　)
A.CO与CO2
B.S2与S8
D
为同位素,C错误;D组中两种物质的分子式相同但结构不同,互为同分异构体,D正确。
学以致用·随堂检测全达标
1
2
3
4
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(　　)
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
B
解析 N4是一种只由N元素组成的单质,N4和N2互为同素异形体,A错误;N4和P4均为共价分子,后者相对分子质量大,沸点高,B正确,D错误;从N4分子的结构图可以看出,1 mol N4分子中所含共价键数为6NA,C错误。
1
2
3
4
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(　　)
A.同种物质 B.同分异构体
C.同素异形体 D.同位素
C
解析 C60与C50、C70、C120、C540等都是碳元素形成的性质不同的单质,都属于碳元素的同素异形体。
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4
3.互为同分异构体的物质不可能具有(　　)
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
B
解析 互为同分异构体的物质分子式相同,其相对分子质量也相同,互为同分异构体的物质的分子结构不同。若互为同分异构体的物质属于同一类物质时,其化学性质相似,若属于不同类别的物质时,其化学性质不同。
1
2
3
4
4.将下列物质进行分类:
A.白磷和红磷　B.35Cl和37Cl　C.O2和O3
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　　　　　　　(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　　　　　。
B　
AC
EF
解析 H2O与D2O分子结构相同,均是由两个共价键构成的三原子分子,不互为同分异构体。
本 课 结 束

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