高中化学：从微观结构看物质的多样性

太极混元天尊 2018-07-01

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一、同素异形现象、同素异形体

（1）概念：一种元素形成几种单质的现象，叫同素异形现象。

（2）表现：同素异形现象表现为一种元素具有几种单质，这几种单质都是这种元素的同素异形体.

（3）同素异形体的性质：①构成同素异形体的原子数目和成键方式都不同，所以表现出的物理性质有很大的差别。如氧气和臭氧：氧气是无色、无味的气体，而臭氧是淡蓝色有鱼腥味的气体；②同素异形体在一定条件下能互相转化，这是化学变化，如氧气转化为臭氧，石墨转化为金刚石，红磷转化为白磷等等。

（4）常见的同素异形体：①碳元素的同素异形体：金刚石、石墨和富勒烯（包括C₆₀、C₇₀和单层或多层的纳米碳管等）都是碳元素的重要单质；②氧元素的同素异形体：氧气和臭氧都是氧元素的单质；③磷元素的同素异形体：磷元素可以形成多种单质，白磷和红磷是磷元素常见的两种单质④硫元素的同素异形体：硫元素可以形成多种单质，S₂、S₄、S₆、S₈等，S₆和S₈是硫元素常见的同素异形体。

特别说明：同素异形体是一种元素形成的不同单质，既不是由相同元素组成的不同化合物，也不是同种元素形成的几种原子，更不是形态不同的同一物质。例如：①都由碳氧两种元素组成的CO和CO₂；②都由SiO₂组成的石英和水晶；③都由氢元素形成的三种原子氕、氘，氚等；④气态氢和液态氢，二氧化碳和干冰；⑤冰和水等都不是同素异形体。

例1、以下各组物质中互为同素异形体的是（）

A. 金刚石与石墨

B. 氕、氘和氚

C. 二氧化碳和干冰

D. 石灰石和生石灰

【解析】A 点拨：本题主要考查同素异形体的概念以及对同素异形体的理解，同素异形体是同一元素形成的不同单质，为单质，应该与同一物质、同位素和同分异构体区分开来。金刚石和石墨是碳元素的两种不同单质，A选项正确；氕、氘和氚是氢元素的三种不同原子，不是氢元素的单质，故B选项错误：二氧化碳和干冰是同一物质，故C选项错误；石灰石的主要成分为碳酸钙，生石灰的主要成分为氧化钙，是两种不同的化合物，故D选项错误。

例2、下列物质中互为同素异形体的是（）

A. O₂和O₃

B. H₂O和D₂O

C. H₂和HD

D. 红磷和白磷

【解析】AD。本题应从同素异形体的概念着手。有同学易错选C，C中是同一物质。同素异形体中原子的结构方式数目有所不同。

例3、下列说法正确的是（）

A. C₆₀不是金刚石的同素异形体

B. 硫也存在同素异形现象

C. 臭氧的氧化性比氧气要弱得多

D. 白磷的着火点较高，所以可以暴露在空气中

【解析】 C₆₀与金刚石都是碳元素组成的不同单质，互为同素异形体，所以A不正确；臭氧的氧化性比氧气要强，白磷的着火点较低，在空气中易自燃，所以C、D都不正确；利用排除法得出B选项是正确的。

答案：B

二、同分异构现象、同分异构体：

详解：（1）定义：化合物具有相同的分子式，但具有不同的结构式的现象，叫同分异构现象。具有相同分子式而结构不同的化合物互称为同分异构体.

（2）表现：同分异构现象表现在分子式相同（组成相同），分子结构不同，即一个分子式有多种结构的物质之间。这几种物质互称为同分异构体，如丁烷是异丁烷的同分异构体，异丁烷是丁烷的同分异构体。

（3）同分异构体普遍存在于有机化合物中，同类的，如丁烷和异丁烷；不同类的，如甲醚和乙醇，乙酸和甲酸甲酯等等。

（4）和同素异形现象的区别：二者是研究对象不同的概念，它们的区别见下表。

概念	内涵	比较对象	实例
同素异形体	一种元素形成的不同单质	单质	金刚石和石墨
同分异构体	具有相同分子式，而结构式不同的化合物	化合物	甲醚和乙醇

例1、下列叙述中正确的是（）

A. 分子式相同，各元素质量分数也相同的物质是同种物质

B. 通式相同的不同物质一定是同分异构体

C. 分子式相同的不同物质一定是同分异构体

D. 相对分子质量相同的不同物质一定是同分异构体

【解析】C。点拨：分子式相同，结构不一定相同，所以不一定是同种物质；通式相同的不同物质不一定是同分异构体，也可能是同系物或是其他关系；相对分子质量相同，分子式不一定相同，如NO和C₂H₆等。

例2、下列物质是同分异构体的是（）

A. CH₃CH₂CH₂CH₃

B. CH₃CH₂CH（CH₃）CH₃

C. CH₃CH（CH₃）CH₂Cl

D. CH₃CH₂CH₂CH₂Cl

【解析】C、D。本题考查对同分异构体的概念的理解。同分异构体即是分子式相同，结构式不同的物质的互称。

例3、下列各对物质互为同分异构体的是（）

A. ₆¹³ C与₆¹² C B. O₂与O₃

【解析】错解：A或B或C 错解分析：①对同位素与同分异构体缺乏认识导致错选A项；②对同素异形体与同分异构体没有掌握而误选B项；③不能根据结构式准确判断同种物质，仅从化学式判断而误选C项。A项表示碳的两种同位素，B项代表氧元素的两种同素异形体，C项中两结构简式表示的是同一种物质CH₃—CH₂—CH₃，只有D项属于同分异构体，所以正确选项为D。正解：D

例4、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

⑤CH₃CH₂CH₂CH₂CHCH₃和CH₃CH₂CH₂CHCH₂CH₃

｜｜

CH₃CH₃

⑥CH₃CH₂CH₃和CH₃CH₂OH

【解析】 ①是质子数相同、中子数不同的同一元素的不同原子，属于同位素；②是同一元素组成的不同单质，属于同素异形体；③与②相似；④是分子式不同的化合物，属于不同种分子；⑤组物质是分子式相同、分子结构不同的物质，属于同分异构体。

答案：⑤ ②③ ①

例5、下列说法正确的是（）

A. SO₂和SO₃互为同分异构体

B. 碘晶体与碘蒸气是同素异形体

C. 同分异构体是分子式相同、分子结构不同的化合物

D. 冰和水是由同种分子构成的，因此，它们所有的性质都相同

【解析】SO₂和SO₃的分子式不同，不属于同分异构体；碘晶体与碘蒸气都由I₂构成，是碘元素组成的同种单质，不属于同素异形体；C符合同分异构体的定义，所以C项正确；冰和水是同种分子构成的，但它们的物理性质不同。

答案：C

三、晶体

物质有三态：固态、液态和气态。固体物质又可以分为晶体和非晶体，大多数的物质为晶体. 有些物质看似不是晶体，但它们都是由微小晶粒组成的，它们也是晶体，如磨细的食盐表面看来是白色粉末，不是晶体，但实质是晶体。

（1）概念：在结晶过程中形成的，具有规则几何外形的固体叫晶体。

（2）分类：分子晶体，离子晶体，原子晶体、金属晶体。

（3）性质：①离子晶体：阴、阳离子间通过静电作用形成的晶体。离子晶体的熔沸点较高；②分子晶体：分子间通过分子间作用力结合形成的晶体叫做分子晶体。分子晶体的熔沸点较低，这主要是因为构成分子晶体的作用力是较弱的分子间作用力；③原子晶体：原子间通过共价键结合形成空间网状结构的晶体叫做原子晶体。原子晶体的熔沸点很高；④金属晶体：金属阳离子与自由电子以金属键结合形成的晶体叫做金属晶体。有些金属晶体的熔沸点很低，有些金属晶体的熔沸点很高。

（4）各种晶体的结构及性质比较见下表：

晶体类型	离子晶体	分子晶体	原子晶体
构成微粒	阴离子、阳离子	分子	原子
微粒间作用力	离子键	范德华力	共价键
决定微粒间作用力大小的因素	离子半径离子所带电荷数	结构相似、相对分子质量大小	原子半径
作用力和以上因素的关系	半径小、电荷数多，作用力大	相对分子质量大，范德华力大	半径小，作用力大
熔沸点高低	较高	低	高
硬度大小	较大	小	大

液晶是介于晶体和液体之间的一类中间态物质，由于它结构的特殊性决定了它既具有晶体和液体的某些性质，又具有晶体和液体所没有的某些特性。这些特性是现代信息技术的应用中所必不可少的，现在正兴起的液晶电视、液晶显示器等都应用了液晶态物质。

例1、下列各组物质各自形成的晶体，都是分子晶体的化合物是（）

A. H₂O、HD、C_３H_８

B. P₂O₅、CO₂、H₃PO₄

C. SO₂、SiO₂、CS₂

D. CCl₄、(NH₄)₂S、H₂O₂

【解析】A、B两组都是分子晶体，但A组中的HD为单质而非化合物；C组中的SiO₂为原子晶体；D组中的(NH₄)₂S为离子化合物；所以B符合题意。

例2、由短周期元素构成的某离子化合物中，一个阳离子和一个阴离子的核外电子数之和为20，且阴、阳离子所带电荷相等。下列说法中正确的是（）

A. 晶体中阳离子和阴离子数一定相等

B. 晶体中一定只有离子键而没有共价键

C. 所含元素一定不在同一周期也不在第一周期

D. 晶体中阳离子半径一定大于阴离子半径

答案：A

例3、下列各组物质的晶体中，化学键类型相同、晶体类型也相同的是（）

A. SO₂和SiO₂

B. CO₂和H₂O

C. NaCl和HCl

D. CCl₄和KCl

【解析】B。A项中两种化合物分子均只含共价键，但SO₂形成分子晶体，SiO₂为原子晶体。B项中两种分子均为共价键结合的分子，且均形成分子晶体。C项中NaCl中含离子键，HCl为共价键结合的分子，前者是离子晶体后者是分子晶体。D项中CCl₄为共价键结合的分子晶体；KCl中含离子键，为离子晶体。