【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

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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 课程标准课标解读1．知道同素异形体、同分异构体的概念。2．认识物质的结构决定性质，性质的特点体现结构的特点。1．以金刚石和石墨为例，探析同素异形体是由同种元素组成的物质，认识物质的多样性与其微观结构有关。（宏观辨识与微观探析）2．运用三维空间结构模型，以正丁烷、异丁烷为例，认识有机物的同分异构现象，了解结构模型可以帮助研究物质的微观结构，提高空间想象能力。（证据推理与模型认知） 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14COC．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  同位素同素异形体同分异构体概念具有相同质子数和不同的中子数的同一元素的原子由同种元素形成的不同单质分子式相同，但结构不同的化合物适用对象原子单质化合物结构同质子数相同元素种类相同分子式相同异中子数不同，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方式不同物理性质不同不同不同化学性质基本相同相似不一定相似实例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：A2．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)2③CH3CH2OH和CH3—O—CH3 ④H2O和H2OA．①②③ B．②③C．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：C6．下列各项描述的判断正确的是(　　)选项描述结论A由同种元素组成的物质一定是纯净物正确B科学家最近合成了一种新型化合物N4正确C红磷转化为白磷是物理变化错误D纳米泡沫碳和金刚石是互为同素异形体错误答案：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CO2C．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  ⑤⑥氯水   ⑦Cl  ⑧红磷  ⑨Cl答案：②⑤    ③⑧    ⑦⑨    ①④11．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(　　)X Y Z WQA.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/molC．硫的单质在足量的空气中完全燃烧可生成SO3D．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。