同素异形现象 同分异构现象
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1.3.1 同素异形现象 同分异构现象
【典例导悟】
【典例1】（2010·昆明模拟）白磷在高压下隔绝空气加热后急速冷却，可得钢灰色固体——黑磷，其转化过程如下： ，黑磷性质稳定，结构与石墨相似。下列叙述正确的是
A．黑磷与白磷互为同位素
B．黑磷能导电
C．白磷转化为黑磷是物理变化
D．黑磷能在空气中自燃
【规范解答】选B。解答本题要先从概念入手，判断白磷和黑磷之间的相互关系，然后结合题中所给的信息和已学过的白磷的性质进行类比和推断。
【互动探究】白磷在高压下如果不隔绝空气加热后急速冷却，能否得到黑磷？
提示：不能。若不隔绝空气，则加热时白磷会燃烧生成白色的五氧化二磷固体。
【思路点拨】解答本题需要明确如下三点：
（1）同素异形体、同位素、同分异构体 的概念。 21世纪教育网
（2）原子结构中各个微粒之间的关系。
（3）微粒半径的比较规律。
【变式训练】下列物质，肯定为纯净物的是（ ）
A．只由一种元素组成的物质
B．只由一种原子组成的物质
C．只由一种分子组成的物质
D．只由一种元素的阳离子跟另一种元素的阴离子组成的物质
【学业达标训练】
1．互为同分异构体的物质一定不可能具有（ ）
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
【解析】选B。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的结构不同，其化学性质可能相似，也可能不同。
3．（2010·百色高一检测）下列五组物质互为同素异形体的是（ ）
①16O2和18O2 ②H2SiO3和H4SiO4 ③O2和O3 21世纪教育网
④H2O和H2O2 ⑤金刚石、石墨和C60 ⑥红磷和白磷 [来源:21世纪教育网
A.只有②③⑤ B.只有③⑤⑥
C.只有①③⑤ D.只有①②④⑥
【解析】选B。同素异形体是由同种元素形成的不同单质，金刚石、石墨和C60都是碳元素形成的单质，O2和O3都是氧元素形成的单质，红磷和白磷都是磷元素形成的单质，它们都互为同素异形体。
4．下列物质中与CH3—CH2—CH2—CH3互为同分异构体的是（ ）
【解析】选C。CH3—CH2—CH2—CH3的分子式为C4H10，四个选项中所给物质的分子式分别是C4H6、C4H8、C4H10和C4H6，所以C选项符合。
5．（2010·武汉高一检测）最近意大利罗马大学的Fulvio Cacace等人获得了极具理论研究意义的N4分子。N4分子结构如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．N4属于一种新型的化合物
B．N4转化为N2属于物理变化
C．N4的摩尔质量为56
D．N4与N2互为同素异形体
【解析】选D。N4和N2都是由氮元素组成的结构不同的单质，属于同素异形体，它们之间的变化属于化学变化，其摩尔质量为56 g/mol。
7．某物质经分析知道它仅含一种元素，则该物质不可能是（ ）
A．混合物 B．化合物
C．纯净物 D．单质
21世纪教育网
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含有相同的原子数
D．O3与O2的相互转变是物理变化
9．近年来，科学家在氦的气氛中给石墨电极通电，石墨挥发，在其挥发的黑烟中发现了C60，其结构模型如图所示：
（1）它与金刚石互为________。
（2）它是一种具有类似足球状的空心结构的新分子，碳原子之间存在________键，它的摩尔质量是_______。
【解析】从C60分子组成可知，它是由碳元素组成的一种单质，与金刚石互为同素异形体。在分子中，碳原子与碳原子之间以共价键结合，它的摩尔质量为720 g/mol。
答案：同素异形体 共价 720 g/mol
（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___________ ；
（4）属于同一化合物的是___________ ；
【素能综合检测】
2．（2010·银川高一检测）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/mol
C．硫的单质在足量的空气中完全燃烧可生成SO3
D．1 mol S8单质中含有的S—S键个数为8NA
【解析】选D。S2、S4、S6、S8都是由硫元素形成的单质，互为同素异形体，在空气中燃烧只能生成SO2，而不能生成SO3，A和C选项错误；S2的摩尔质量为64 g/mol，B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。
4．下列各组物质中，两者互为同分异构体的是（ ）
A．2CaSO4·H2O和CaSO4·2H2O
B．CuSO4·3H2O与CuSO4·5H2O [来源:21世纪教育网[来源:21世纪教育网
C．CH3CH2OH与CH3OCH3
D．H2O与D2O（重水）
【解析】选C。A项中2CaSO4·H2O和CaSO4·2H2O带有不同的结晶水，属于两种不同的物质。B选项中，分子式不同，故不属于同分异构体。C选项中，分子式相同且结构不同，属于同分异构体。D选项中，H2O与D2O虽然属于不同的分子，但是其结构和（化学）性质相同，所以不属于同分异构体。
5．等质量的C72和C60，下列说法正确的是（ ）
A．物质的量相等
B．分子个数相等
C．原子个数相等
D．完全燃烧产生的CO2的质量不同 21世纪教育网
【解析】选C。C72和C60都是由碳元素形成的单质，互为同素异形体，它们的质量相同，就是其中所含碳元素的物质的量相同，所以所含碳原子个数相同，故C正确，D错误。由于它们的摩尔质量不同，所以它们的物质的量不同，分子个数也不同，故A、B错误。
二、非选择题（本题包括3个小题，共30分）
6．（8分）磷是存在于自然界和生物体内的重要元素，回答下列与磷及其化合物有关的问题。
（1）磷在自然界里主要以磷酸盐的形式存在于矿石中。磷的单质有多种同素异形体，其中最常见的是有毒的_________和无毒的_________。
（2）已知磷在氯气中燃烧可以生成+3价或+5价的氯化物，则磷在不充足的氯气中燃烧的化学方程式为______
____________________。
而在过量的氯气中燃烧的化学方程式则是_________。
21世纪教育网
7．（8分）（思维拓展题）C60分子是由60个碳原子构成的，它的形状像足球，因此又称“足球烯”。碳的另一种单质——碳纳米管，它是由六边形环形成的碳原子构成的管状大分子。用你所学到的知识回答下列问题：
（1）金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管物理性质有较大差异的原因是____________________________。
（2）请你设计一个方案，证明足球烯和碳纳米管都是由碳元素组成的：______________________________ 21世纪教育网
________________________（文字简要叙述）。
【解析】（1）结构决定性质，四者的物质结构不同，故其物理性质有较大差距。
（2）同素异形体的组成元素相同，可以将上述物质燃烧，检验其燃烧产物的成分及含量。
答案：（1）金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管中，碳原子排列的方式各不相同，为四种不同的物质
（2）将足球烯、碳纳米管分别放在充满足量氧气的密闭容器中使之充分燃烧，测定其生成物只是CO2，且CO2里所含的碳的质量等于燃烧前足球烯或碳纳米管所减少的质量
［实验·探究］
8．（14分）臭氧层因为能吸收太阳光中的紫外线而成为人类和生物的保护伞，但因为其具有很强的氧化性，如果在人类生活空间的大气中臭氧的体积分数大于10－5%时，对人体和动植物会造成危害。某中学化学课外活动小组，想验证臭氧的氧化性强于氧气，通过资料收集和互联网查询最后筛选并设计实验原理和步骤如下：
①实验的反应原理：2KI+O3+H2O===2KOH+I2+O2淀粉溶液遇单质碘变蓝色
②实验用品：臭氧消毒碗柜、 a 溶液、碘化钾溶液、滤纸、玻璃片（两块）、温度计。
③实验步骤：
a.取a溶液与碘化钾溶液混合； 21世纪教育网
b.取两片用滤纸剪成的纸条，在a溶液和碘化钾溶液的混合液中湿润后分别置于两块洁净的玻璃片上（命名为玻璃片甲和乙）；
c.将玻璃片甲置于臭氧消毒碗柜中并接通电源生成臭氧。另将玻璃片乙置于可控温度的温箱里，尽量地使温箱的温度与臭氧消毒碗柜中的温度相等。
d.观察现象并进行记录：
请根据如上实验的原理、步骤及你所学的知识回答下列问题：
（1）实验药品中的a溶液是_____________溶液。
（2）整个实验过程要保持两块玻璃片所在环境的温度相同的原因是什么？ _____________________。
（3）写出在臭氧消毒柜中O2转化成O3的化学方程式
_________________________________________。
（4）从实验数据记录可以得出的结论是________（填序号）。
A．O3的氧化性比氧气强
B．氧气也能氧化碘化钾中的碘离子
C．空气中可能也有一定浓度的O3，所以实验数据不可靠，不能达到实验目的
D．O3不仅氧化I－的速率比氧气快，而且有漂白作用
【解析】（1）根据实验的反应原理：2KI+O3+H2O===2KOH+I2+O2，臭氧能够将KI中的I- 氧化成碘单质，而检验碘单质的生成，可以用淀粉溶液，所以a溶液是淀粉溶液。（2）做氧气和臭氧氧化KI的对比实验时，为了保证实验结果的准确性，反应温度的条件必须一致。（3）从表中的数据可以看出，玻璃片甲上的含淀粉溶液和碘化钾溶液的滤纸在45 min时开始变浅蓝色，而玻璃片乙上的含淀粉溶液和碘化钾溶液的滤纸在120 min时开始变浅蓝色，说明玻璃片乙上产生碘单质的速率慢，即氧气的氧化性比臭氧的弱。玻璃片甲上变浅蓝色的滤纸，在60 min～90 min时显蓝色，而到了120 min时又变成了浅蓝色，说明臭氧具有漂白作用。
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1.3.1 同素异形现象 同分异构现象
【典例导悟】
【典例1】（2010·昆明模拟）白磷在高压下隔绝空气加热后急速冷却，可得钢灰色固体——黑磷，其转化过程如下： ，黑磷性质稳定，结构与石墨相似。下列叙述正确的是
A．黑磷与白磷互为同位素
B．黑磷能导电
C．白磷转化为黑磷是物理变化
D．黑磷能在空气中自燃
【规范解答】选B。解答本题要先从概念入手，判断白磷和黑磷之间的相互关系，然后结合题中所给的信息和已学过的白磷的性质进行类比和推断。
【互动探究】白磷在高压下如果不隔绝空气加热后急速冷却，能否得到黑磷？
提示：不能。若不隔绝空气，则加热时白磷会燃烧生成白色的五氧化二磷固体。
【思路点拨】解答本题需要明确如下三点：
（1）同素异形体、同位素、同分异构体 的概念。 21世纪教育网
（2）原子结构中各个微粒之间的关系。
（3）微粒半径的比较规律。
【变式训练】下列物质，肯定为纯净物的是（ ）
A．只由一种元素组成的物质
B．只由一种原子组成的物质
C．只由一种分子组成的物质
D．只由一种元素的阳离子跟另一种元素的阴离子组成的物质
【学业达标训练】
1．互为同分异构体的物质一定不可能具有（ ）
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
【解析】选B。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的结构不同，其化学性质可能相似，也可能不同。
3．（2010·百色高一检测）下列五组物质互为同素异形体的是（ ）
①16O2和18O2 ②H2SiO3和H4SiO4 ③O2和O3 21世纪教育网
④H2O和H2O2 ⑤金刚石、石墨和C60 ⑥红磷和白磷 [来源:21世纪教育网
A.只有②③⑤ B.只有③⑤⑥
C.只有①③⑤ D.只有①②④⑥
【解析】选B。同素异形体是由同种元素形成的不同单质，金刚石、石墨和C60都是碳元素形成的单质，O2和O3都是氧元素形成的单质，红磷和白磷都是磷元素形成的单质，它们都互为同素异形体。
4．下列物质中与CH3—CH2—CH2—CH3互为同分异构体的是（ ）
【解析】选C。CH3—CH2—CH2—CH3的分子式为C4H10，四个选项中所给物质的分子式分别是C4H6、C4H8、C4H10和C4H6，所以C选项符合。
5．（2010·武汉高一检测）最近意大利罗马大学的Fulvio Cacace等人获得了极具理论研究意义的N4分子。N4分子结构如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．N4属于一种新型的化合物
B．N4转化为N2属于物理变化
C．N4的摩尔质量为56
D．N4与N2互为同素异形体
【解析】选D。N4和N2都是由氮元素组成的结构不同的单质，属于同素异形体，它们之间的变化属于化学变化，其摩尔质量为56 g/mol。
7．某物质经分析知道它仅含一种元素，则该物质不可能是（ ）
A．混合物 B．化合物
C．纯净物 D．单质
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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含有相同的原子数
D．O3与O2的相互转变是物理变化
9．近年来，科学家在氦的气氛中给石墨电极通电，石墨挥发，在其挥发的黑烟中发现了C60，其结构模型如图所示：
（1）它与金刚石互为________。
（2）它是一种具有类似足球状的空心结构的新分子，碳原子之间存在________键，它的摩尔质量是_______。
【解析】从C60分子组成可知，它是由碳元素组成的一种单质，与金刚石互为同素异形体。在分子中，碳原子与碳原子之间以共价键结合，它的摩尔质量为720 g/mol。
答案：同素异形体 共价 720 g/mol
（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___________ ；
（4）属于同一化合物的是___________ ；
【素能综合检测】
2．（2010·银川高一检测）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/mol
C．硫的单质在足量的空气中完全燃烧可生成SO3
D．1 mol S8单质中含有的S—S键个数为8NA
【解析】选D。S2、S4、S6、S8都是由硫元素形成的单质，互为同素异形体，在空气中燃烧只能生成SO2，而不能生成SO3，A和C选项错误；S2的摩尔质量为64 g/mol，B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。
4．下列各组物质中，两者互为同分异构体的是（ ）
A．2CaSO4·H2O和CaSO4·2H2O
B．CuSO4·3H2O与CuSO4·5H2O [来源:21世纪教育网[来源:21世纪教育网
C．CH3CH2OH与CH3OCH3
D．H2O与D2O（重水）
【解析】选C。A项中2CaSO4·H2O和CaSO4·2H2O带有不同的结晶水，属于两种不同的物质。B选项中，分子式不同，故不属于同分异构体。C选项中，分子式相同且结构不同，属于同分异构体。D选项中，H2O与D2O虽然属于不同的分子，但是其结构和（化学）性质相同，所以不属于同分异构体。
5．等质量的C72和C60，下列说法正确的是（ ）
A．物质的量相等
B．分子个数相等
C．原子个数相等
D．完全燃烧产生的CO2的质量不同 21世纪教育网
【解析】选C。C72和C60都是由碳元素形成的单质，互为同素异形体，它们的质量相同，就是其中所含碳元素的物质的量相同，所以所含碳原子个数相同，故C正确，D错误。由于它们的摩尔质量不同，所以它们的物质的量不同，分子个数也不同，故A、B错误。
二、非选择题（本题包括3个小题，共30分）
6．（8分）磷是存在于自然界和生物体内的重要元素，回答下列与磷及其化合物有关的问题。
（1）磷在自然界里主要以磷酸盐的形式存在于矿石中。磷的单质有多种同素异形体，其中最常见的是有毒的_________和无毒的_________。
（2）已知磷在氯气中燃烧可以生成+3价或+5价的氯化物，则磷在不充足的氯气中燃烧的化学方程式为______
____________________。
而在过量的氯气中燃烧的化学方程式则是_________。
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7．（8分）（思维拓展题）C60分子是由60个碳原子构成的，它的形状像足球，因此又称“足球烯”。碳的另一种单质——碳纳米管，它是由六边形环形成的碳原子构成的管状大分子。用你所学到的知识回答下列问题：
（1）金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管物理性质有较大差异的原因是____________________________。
（2）请你设计一个方案，证明足球烯和碳纳米管都是由碳元素组成的：______________________________ 21世纪教育网
________________________（文字简要叙述）。
【解析】（1）结构决定性质，四者的物质结构不同，故其物理性质有较大差距。
（2）同素异形体的组成元素相同，可以将上述物质燃烧，检验其燃烧产物的成分及含量。
答案：（1）金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管中，碳原子排列的方式各不相同，为四种不同的物质
（2）将足球烯、碳纳米管分别放在充满足量氧气的密闭容器中使之充分燃烧，测定其生成物只是CO2，且CO2里所含的碳的质量等于燃烧前足球烯或碳纳米管所减少的质量
［实验·探究］
8．（14分）臭氧层因为能吸收太阳光中的紫外线而成为人类和生物的保护伞，但因为其具有很强的氧化性，如果在人类生活空间的大气中臭氧的体积分数大于10－5%时，对人体和动植物会造成危害。某中学化学课外活动小组，想验证臭氧的氧化性强于氧气，通过资料收集和互联网查询最后筛选并设计实验原理和步骤如下：
①实验的反应原理：2KI+O3+H2O===2KOH+I2+O2淀粉溶液遇单质碘变蓝色
②实验用品：臭氧消毒碗柜、 a 溶液、碘化钾溶液、滤纸、玻璃片（两块）、温度计。
③实验步骤：
a.取a溶液与碘化钾溶液混合； 21世纪教育网
b.取两片用滤纸剪成的纸条，在a溶液和碘化钾溶液的混合液中湿润后分别置于两块洁净的玻璃片上（命名为玻璃片甲和乙）；
c.将玻璃片甲置于臭氧消毒碗柜中并接通电源生成臭氧。另将玻璃片乙置于可控温度的温箱里，尽量地使温箱的温度与臭氧消毒碗柜中的温度相等。
d.观察现象并进行记录：
请根据如上实验的原理、步骤及你所学的知识回答下列问题：
（1）实验药品中的a溶液是_____________溶液。
（2）整个实验过程要保持两块玻璃片所在环境的温度相同的原因是什么？ _____________________。
（3）写出在臭氧消毒柜中O2转化成O3的化学方程式
_________________________________________。
（4）从实验数据记录可以得出的结论是________（填序号）。
A．O3的氧化性比氧气强
B．氧气也能氧化碘化钾中的碘离子
C．空气中可能也有一定浓度的O3，所以实验数据不可靠，不能达到实验目的
D．O3不仅氧化I－的速率比氧气快，而且有漂白作用
【解析】（1）根据实验的反应原理：2KI+O3+H2O===2KOH+I2+O2，臭氧能够将KI中的I- 氧化成碘单质，而检验碘单质的生成，可以用淀粉溶液，所以a溶液是淀粉溶液。（2）做氧气和臭氧氧化KI的对比实验时，为了保证实验结果的准确性，反应温度的条件必须一致。（3）从表中的数据可以看出，玻璃片甲上的含淀粉溶液和碘化钾溶液的滤纸在45 min时开始变浅蓝色，而玻璃片乙上的含淀粉溶液和碘化钾溶液的滤纸在120 min时开始变浅蓝色，说明玻璃片乙上产生碘单质的速率慢，即氧气的氧化性比臭氧的弱。玻璃片甲上变浅蓝色的滤纸，在60 min～90 min时显蓝色，而到了120 min时又变成了浅蓝色，说明臭氧具有漂白作用。
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