同素异形体和异构体的区别

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简介

瑞典化学家永斯·雅各布·贝采利乌斯提出了异构体和同素异形体的概念。同素异形体的概念于 1841 年提出。氧气的同素异形体 O₂ 和 O₃ 于 1860 年被发现。1827 年，弗里德里希·维勒首次注意到异构体的特性，并通过制备氰酸进行了研究。尽管氰酸和雷酸具有相同的元素组成，但它们的性质却不同。在维勒进行的一些额外发现中，尿素和氰酸铵是相同的，永斯·雅各布·贝采利乌斯引入了“异构体”一词。这两个术语是非常重要的概念，在科学领域有着广泛的应用。

什么是异构体？

异构体是指具有不同化学和物理性质但含有相同数量相同原子的分子或具有相同分子式的现象。而表现出这种性质的化合物被称为异构体。所有分子都是可移动的化合物，可以进行多种运动，从而导致不同的形状。而化合物中存在的分子这种旋转运动是造成异构体的原因。异构体主要分为两种类型：结构异构体和立体异构体。

结构异构体也称为构造异构体，因为它们在化合物中存在的分子连接方式上存在差异。结构异构体进一步包括官能异构体、位置异构体和链异构体。烃类，如甲烷 (CH₃)、乙烷 (CH₃ CH₃) 和丙烷 (CH₃ CH₂ CH₃) 没有结构异构体。因为它们的连接方式无法改变。而烃类的第四和第五个成员则具有结构异构体。它们是：

1840460mahesh，烷烃结构 3，CC BY-SA 4.0

因此，很容易观察到，随着分子中原子数量的增加，结构异构体的可能性也会增加。

具有不同空间取向但化学组成相同的化合物是立体异构体。立体异构体进一步分为对映异构体和非对映异构体。顺反异构体是非对映异构体的一种。例如，在乙烷分子中，单键中分子的旋转将导致形成两种类型的立体异构体。它们是交叉式乙烷和重叠式乙烷。如下图所示

Dissolution，交叉式和重叠式，CC BY-SA 3.0

异构体的例子

异构体的例子可以是 1-戊烯和 2-戊烯是两种结构异构体。

$$\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH=CH_2 -1-戊烯.}$$

$$\mathrm{CH_3-CH_2-CH=CH-CH_2-2-戊烯.}$$

乙醇和二甲醚是官能异构体的例子。也就是说：

顺式和反式异构体丁-2-烯如下所示。

什么是同素异形体？

不同的化合物只包含一种类型的原子，这就是同素异形体。而元素以这些形式存在的能力或特性称为同素异形现象。13 族到 16 族元素更容易出现同素异形现象。因此，表现出同素异形现象的元素具有不同的形式。因此，化学元素以两种或多种不同形式存在称为同素异形现象或同素异形。这样形成的同素异形体的物理和化学性质是不同的。碳的同素异形体是大家常听到的，它们是金刚石和石墨。从外观上我们就能看出，这两种化合物完全不同。金刚石是最坚硬的物质，具有闪亮的外观，而石墨是一种柔软的物质，没有光泽。尽管两者都含有碳元素，但它们之间的键合方式使它们成为不同的化合物。金刚石中的键合方式是碳原子以四面体方式键合。而在石墨的情况下，它具有分层或片状结构。

Diamond_and_graphite.jpg：用户：Itub 衍生作品：Materialscientist（讨论），金刚石和石墨 2，CC BY-SA 3.0

石墨烯和富勒烯也是碳的同素异形体。氧气的同素异形体是 O₂（双氧）和 O₃（臭氧）。这些同素异形体具有一个特性，即它们可以以不同的相存在，例如固态、液态和气态。

同素异形体的例子

一些元素的同素异形体列在下表中。

元素名称	同素异形体
碳	金刚石 木炭 石墨 煤 富勒烯 石墨烯
砷	黄色砷 白色砷 灰色砷
磷	白磷 黑磷 红磷
氧	O2，双氧 O3，臭氧
锡	白锡 灰锡
硫	斜方硫 单斜硫
硅	无定形硅 晶体硅

异构体和同素异形体有什么区别？

同素异形体和异构体的区别列在下表中。

异构体	同素异形体
这些化合物具有不同的结构式，但具有相同的化学式。	同素异形体是同一化学元素的不同形式。
它们具有相似的分子式。	不同的化学式，但相同的元素。
分子结构不同。	原子结构不同。
异构体的某些原子是相同的。	某些原子是不同的。
某些化学性质相似，但物理性质不同。	不同的化学和物理性质。
丁烷和异丁烷是异构体的例子。	石墨和金刚石是碳的同素异形体。

关于同素异形体和异构体的趣味知识

碳的同素异形体是最常见和讨论的话题。许多石墨和金刚石。碳是非金属，外观不闪亮。但碳原子连接形成的同素异形体则表现出不同的外观。碳的同素异形体金刚石是碳的同素异形体，但它具有闪亮的外观。石墨也是碳的同素异形体，它没有这种外观。下一个重要的特性是金刚石是最坚硬的材料，用于切割玻璃。而石墨是一种柔软的材料。并且用于铅笔。因此，即使石墨和金刚石是由基本元素碳组成的，它们的性质也存在如此大的差异。

异构体具有不同的化学和物理性质。例如，异构体丁烷和异丁烷具有不同的性质。丁烷的沸点为 1 摄氏度，而异丁烷的沸点为 -11 摄氏度。丁烷具有汽油般的气味，而异丁烷则无味。因此，即使它们具有相同的分子式和相同数量的组成原子，它们的性质也完全不同。

结论

同素异形体和异构体是与化合物相关的两个重要术语。仅由一种类型的原子组成但分子式不同的不同化合物是同素异形体。而异构体是具有相似分子式和某些原子但结构式不同的化合物。同素异形体在物理和化学方面是完全不同的化合物。但异构体在某些方面表现出相似性。金刚石和石墨是碳的重要同素异形体。丁烷和异丁烷是异构体。不同的化合物表现出异构现象，可能是结构异构体或立体异构体。不同的元素，如氧、磷、锡、碳、硫等，表现出不同的同素异形体。

常见问题

1. 什么是多晶型现象？它与同素异形现象有何不同？

多晶型现象描述了一种化合物存在几种晶体形式。结晶化合物表现出这种现象。而同素异形现象则涉及同一化学元素的不同形式。碳酸钙的两种多晶型物是方解石和文石。

2. 哪种元素的同素异形体最多？

碳是具有最多同素异形体的元素。已经发现了 40 多种碳的同素异形体。并且通常以无定形形式存在。

3. 水是同素异形体吗？

水是一种化学化合物，包含一个氧原子和两个氢原子，化学式为 H₂O。因此，它不是同素异形体，而是一种化学化合物。同素异形体只包含一种类型的化学元素。

4. 什么是对映异构体和非对映异构体？

彼此互为镜像的立体异构体是对映异构体。而那些不是镜像的是非对映异构体。化学化合物右旋乳酸和左旋乳酸是对映异构体。化学化合物 D-苏糖和 D-赤藓糖是非对映异构体的例子。

5. 什么是同位素？

同位素是指质量数相同但原子序数不同的原子。^1H、^2H、^3H 是氢的同位素