第三单元 从微观结构看物质的多样性优秀教学实录

第三单元

从微观结构看物质的多样性

第1课时

同素异形现象与同分异构现象

[学习目标定位]

1.以碳元素的几种单质为例，认识同素异形现象。2.以正丁烷和异丁烷、乙醇和二甲醚为例，认识有机物的同分异构现象。3.以同素异形现象和同分异构现象为例，认识物质的多样性与微观结构的关系，学会同素异形体、同分异构体的判断方法。

一

同素异形现象

1．碳元素能形成多种单质。根据教材内容和你熟悉的知识，填写下表空格：

单质

物

理

性

质

导电性

不导电

导电

不导电

颜色状态

硬度熔点

金刚石

无色透明固体

坚硬、熔点很高

石墨

灰黑色固体

质软、熔点高

足球烯(C60)

灰黑色固体

硬度小、熔点低

微观结构

差异分析

碳原子的成键方式和排列方式不同

2.氧元素能形成O2和O3两种单质。填写下表：

单质

物理性质

化学性质

转化

差异分析

3.由以上分析可知：

(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。

(3)同一元素的不同单质化学性质相似，物理性质差异很大，这是因为不同单质中，原子排列情况不同的缘故。

[归纳总结]

氧气(O2) 无色无味气体

有强氧化性

臭氧(O3) 有鱼腥味，淡蓝色气体

氧化性比氧气更强

O2在放电时转化成O3，O3在催化剂存在时又可分解为O2

分子中氧原子个数和氧原子的成键方式不同

(1)互为同素异形体的物质是由同一种元素形成的结构不同、性质不同的单质。

(2)同素异形体之间在一定条件下可以相互转化，其转化属于化学变化。

[活学活用]

1．下列各组物质中，属于同素异形体的是(

) A．16O和18O

C．二氧化硫、三氧化硫

答案

B 解析

16B．红磷、白磷

D．二氧化碳、干冰

O和18O是质子数相同，中子数不同的两种氧原子，互为同位素；白磷和红磷是磷的两种不同单质，互为同素异形体；二氧化硫和三氧化硫都是化合物，并非单质，不是同素异形体；二氧化碳和干冰是同种物质，不可互称为同素异形体。

2．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

由碳元素的单质组成的物质不一定为纯净物，也可能为混合物，如石墨、金刚石、C60混合，A排除；金刚石和石墨中的碳原子排列方式不同，因此其物理性质不同，化学性质相似，B选项正确；同素异形体之间的转化，虽然有单质生成，但碳元素的化合价未发生变化，故不属于氧化还原反应，排除C选项；C60属于单质而不是化合物，D排除。

二

同分异构现象

1．根据正丁烷和异丁烷的结构式，填写下表空格

物质

正丁烷

异丁烷

结构式

结构简式

分子式

沸点

差异分析

CH3—CH2—CH2—CH3

C4H10

－0.5 ℃

C4H10

－11.7 ℃

原子的连接方式不同，化学键类型相同，物质类别相同

2.由以上分析可知：

(1)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。

(2)分子式相同而结构不同的化合物互称为同分异构体。

(3)同分异构现象主要表现在有机物中。

[归纳总结]

(1)两化合物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)两化合物互为同分异构体，则两化合物的相对分子质量及各元素的组成(含量)必然相同。

(3)相对分子质量相同的两化合物不一定是同分异构体(如CO和C2H4不是同分异构体)。

[活学活用]

3．关于同分异构体的叙述正确的是(

) A．相对分子质量相同而结构不同的化合物互称为同分异构体

B．分子式相同而结构不同的化合物互称为同分异构体

C．同分异构体之间由于分子组成相同，所以它们的性质相同

D．只有少数的有机物之间存在同分异构现象

答案

B 解析

同分异构体是指分子式相同而结构不同的化合物，同分异构体之间分子式相同，则相对分子质量相同，而相对分子质量相同的物质，分子式不一定相同，A项错误；同分异构体的结构不同，性质也不同，C项错误；有机物之间同分异构现象普遍存在，D项错误。

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

3④21H2O和1H2O A．①②③

C．①③④

答案

B B．②③

D．②③④

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中化学式不同且无分子存在。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。

当堂检测

1．以下互为同位素的是(

) A．石墨和金刚石

C．CO和CO2

答案

D 解析

同位素是同一元素的不同原子，即质子数相同、中子数不同的原子的互称。

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．同系物

C．同素异形体

答案

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，属于碳元素的同素异形体。

3．最近发现一种新微粒O4，有关这种新微粒的说法正确的是(

) A．它的结构与P4相同

B．它的摩尔质量为64 C．它是氧气的同素异形体

D．它是由两个氧分子通过分子间作用力结合而成的新微粒

答案

C 解析

P能表现四价，而O表现二价，所以O4与P4的结构不同。

4．互为同分异构体的物质一定不可能具有(

) A．相同的分子式

C．相似的化学性质

答案

B 解析

互为同分异构体的物质的分子式相同，其相对分子质量也相同；互为同分异构体的物质结构不同，但其化学性质可能相似。

5．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________。

B．相同的结构

D．相同的相对分子质量

B．同分异构体

D．同位素

B．D2和T2

35D.17Cl和3717Cl ①二氧化碳

②

③金刚石

④干冰

⑤氢溴酸

⑥溴水

⑦液溴

⑧

⑨12C

⑩石墨

⑪14C

⑫

答案

⑧、⑫与②

③和⑩

⑨和⑪

①和④、⑧和⑫

解析

烷烃中每个碳原子都形成空间的四面体结构。⑧⑫分别与②互为同分异构体；③和⑩互为同素异形体；⑨和⑪属于同位素；①和④、⑧和⑫分别属于同一种物质。

40分钟课时作业

[基础过关]

一、同素异形体

1．一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。

2．据报道，碳纳米管是碳原子形成的大分子，其导电性是铜的1万倍；N5可用作烈性炸药。下列说法不正确的是(

) A．金刚石与碳纳米管互为同素异形体

B．N5与N2互为同素异形体

C．14C的质子数为14 D．C原子半径比N原子半径大

答案

C 解析

同素异形体是同种元素形成的不同单质。金刚石和碳纳米管、N5和N2都是互为同素异形体。14C的质子数为6。C原子半径大于N原子半径。

二、同分异构体

3．下列说法中正确的是(

) A．SO2、SO3互为同分异构体

B．两种化合物的组成元素相同，且各元素的质量分数也相同，则二者一定是同分异构体

C．相对分子质量相同的几种化合物，互称为同分异构体

D．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

SO2和SO3分子式不同，A项错误；若两种化合物的组成元素相同，各元素的质量分

数也相同，则它们的最简式必定相同。最简式相同的化合物可能是同分异构体，也可能不是同分异构体，B项错误；相对分子质量相同的物质是很多的，如无机物中的H2SO4和H3PO4，又如有机物中的C2H6O(乙醇)和CH2O2(甲酸)，这些物质都具有相同的相对分子质量，但由于它们的分子组成不同，所以它们不是同分异构体，C项错误；当不同化合物组成元素的质量分数相同，相对分子质量也相同时，其分子式一定相同，因此这样的不同化合物互为同分异构体，D项正确。

4．下列各组物质中，属于同分异构体的是(

) A．白磷和红磷

B．干冰和CO2

C．和

D．答案

D 和

解析

A项互为同素异形体；B项是同一种物质的不同状态；C项是同一种物质；D项符合同分异构体概念。

三、同位素、同素异形体、同分异构体的比较

5．医学界通过用放射性14C标记的C60，发现C60的羧酸衍生物在特定条件下可断裂DNA杀死细胞，抑制艾滋病。关于14C的下列说法中正确的是(

) A．14C原子与C60中普通碳原子的化学性质不同

B．14C原子与14N原子所含中子数相同

C．是C60的同素异形体

D．与12C、13C是碳元素的三种同位素

答案

D 解析

C60中普通的碳原子为12C,12C、13C、14C互为同位素，它们的化学性质相同，故A选项错误，D选项正确；14C中含有8个中子，14N中含有7个中子，B选项错误；14C是一种核素，C60是碳元素的一种单质，二者不是同素异形体，C选项错误。

6．下列各组物质属于同分异构体的是(

) 13A.12

6C与

6C B．O2与O3

C．

D．答案

D

解析

A项互为同位素；B项互为同素异形体；C项为同种物质，D项互为同分异构体。

[能力提升]

7．石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的新材料(结构示意图如图)，可由石墨剥离而成，具有极好的应用前景。下列说法正确的是(

) A．石墨烯与石墨互为同位素

B．0.12 g石墨烯中含有6.02×1022个碳原子

C．石墨烯是一种有机物

D．石墨烯中的碳原子间以共价键结合

答案

D 解析

本题主要考查基本概念，包括同位素、有机物和化学键的相关知识，同时涉及到物质的量的有关计算。同位素的研究对象是原子，石墨烯与石墨都是单质，故A项错误；0.12 g石墨烯的物质的量为0.01 mol，所含碳原子个数为6.02×1021，B项错误；石墨烯是无机物，C项错误；一般非金属原子与非金属原子间以共价键结合，由图示可知，石墨烯中的碳原子间均以共价键结合，D项正确。

408．下列各组物质：①19K和4020Ca；②；

③12C和14C；④和；⑤石墨和C60；⑥NH4CNO和CO(NH2)2；⑦T和D；；⑨氯气和液氯

⑧(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；②、⑥、⑧中的两种物质都是分子式相同但结构不同的化合物，属于同分异构体；③、⑦都是同种元素的不同原子，属于同位素；④、⑨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，属于同素异形体。

[拓展探究]

9．今有原子序数依次增大的A、B、C、D、E、F六种短周期主族元素。已知A、C、F三种原子的最外层共有11个电子，且这三种元素的最高价氧化物的水化物之间两两皆能反应，且均能生成盐和水。D和E的电子层结构见下表：

元素

D E 最外层电子数

x

x＋1

次外层电子数

x＋4 x＋4 在一般情况下，B元素的单质不能与A、C、D、E元素的单质化合。请按要求填空：

(1)各元素的元素符号分别为A___________________，B______________，C______________，D_____________，E__________，F____________。

(2)D的氢化物的化学式为__________，E的氢化物的化学式为________，两者的稳定性：________>________。

(3)原子序数介于E和F之间的元素R能形成R2、R8等几种单质，这几种单质之间的关系是________________。

答案

(1)Na

Mg

Al

Si

P

Cl (2)SiH4

PH3

PH3

SiH4

(3)互为同素异形体

解析

由x＋4＝8可知x＝4，D、E分别为Si、P元素；由性质信息推测C的氢氧化物具有两性，C为Al元素，则A为Na元素。由“最外层共有11个电子”可知F为Cl元素。由“原子序数依次增大”可知B为Mg元素。