同素异形体

同素异形体

同素异形体:是指由同样的单一化学元素组成，因排列方式不同，而具有不同性质的单质。

同素异形体之间的性质差异主要表现在物理性质上，性质差异的原因是结构不同。

化学性质上也有着活性的差异。

例如磷的两种同素异形体，红磷和白磷，它们的着火点分别是240和40摄氏度，但是充分燃烧之后的产物都是五氧化二磷；

白磷有剧毒，可溶于二硫化碳，

红磷无毒，却不溶于二硫化碳。

同素异形体之间在一定条件下可以相互转化，这种转化是一种化学变化，但不属于氧化还原反应。

例如:氧气是没有颜色、没有气味的气体，而臭氧是淡蓝色、有鱼腥味的气体；氧气的沸点为-183℃，而臭氧的沸点为-112.4℃。

同素异形体的存在不是个别的孤立的现象，而是非金属元素（也包括周期表上对角线附近的少数金属）的最外层电子数较多，成键方式多样的宏观反映。稀有气体元素由于原子结构的稳定性，氢及卤素由于成键方式的单一性，都难以形成同素异形体。

同素异形体的化学性质相似。以熟知的金刚石与石墨为例，金刚石每个碳原子与相邻的四个碳原子以共价键连接，形成四面体结构，是一种原子晶体。而石墨中，碳原子呈层状排列，每一层的碳原子以共价键连接形成平面六边形，因此相对稳定，但层与层只见仅依靠微弱的分子间作用力连接，易发生相对滑动，因此石墨的化学性质与金刚石相比更为活泼，物理性质差异更加明显，金刚石是无色透明的晶体，熔点与硬度远大于石墨。而石墨是深灰色、质软、不透明，易导电的片状固体。

生活中最常见的同素异形体:

1\碳的同素异形体：金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔；

2\磷的同素异形体：白磷和红磷；

3\氧的同素异形体：氧气、臭氧、四聚氧和红氧。

4\硫的同素异形体：有许多同素异形体,最常见的是晶状的单斜硫和斜方硫

适用对象-----单质

形成方式-----原子排列方式与数目

化学式-----元素符号相同，分子式可以不同

物理性质-----有差异

化学性质-----有差异

※※与同分异构体关系

※※与同位素关系

(一) 形成方式

1．组成分子里原子个数不同，

如：氧气（O₂）和臭氧（O₃）。

2．晶体，

如：金刚石(正四面体空间网状结构的原子晶体)、石墨

(层状结构的混合型晶体)和C₆₀(存在单个分子的分子晶体)。

3．晶体里分子的排列方式不同;

如：斜方硫和单斜硫。

(二) 相互转化

在大气平流层的25km处，存在一厚度为20km臭氧层，臭氧浓度可达10ppm。在臭氧层中，存在O2和O3相互转化的动态平衡：O2⇌O3。在转化过程中吸收了大量的紫外线，所以，臭氧层是地球上生物免遭紫外线伤害的自然屏障。.

早在上个世纪30年代，就已经开始有石墨转化为金刚石的工业生产。目前，制得的金刚石虽达不到宝石级，但满足工业生产的要求还是绰绰有余的。90年代后，由石墨制得C60等球状分子和碳纳米管及其化合物C60H60、C60F60及笼形的金属化合物。2004年英国科学家又成功地从石墨晶体中剥离出单层的石墨片，这种世界上最薄的材料具有优异的导电导热性和其他特殊的性质，必将在社会生产的各种领域大有作为。

同素异形体的相互转化有时也会给人类带来危害。最典型的例子是白锡在13.2℃时开始转化为灰锡，低温或已有少量灰锡时，这种转变加速。由于白锡是金属晶体，密度较大，而灰锡是金刚石型的原子晶体，密度较小，所以白锡在低温转化为灰锡时体积迅速膨胀，生成的灰锡呈粉末状，造成锡制品的损坏。在不明真相的年代，这种现象被称为“锡瘟”。1873年英国的斯科特率领的南极探险队由于用锡焊制的油桶在低温下发生“锡瘟”致使燃油泄漏而遇难

相关示例

碳

碳的同素异形体有金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔；它们的不同性质是由微观结构的不同所决定的。

（1）金刚石

金刚石呈正四面体空间网状立体结构，碳原子之间形成共价键。当切割或熔化时，需要克服碳原子之间的共价键，金刚石是自然界已经知道的物质中硬度最大的材料，它的熔点高。上等无瑕的金刚石晶莹剔透，折光性好，光彩夺目，是人们喜爱的饰品，也是尖端科技不可缺少的重要材料。颗粒较小、质量略为低劣的金刚石常用在普通工业方面，如用于制作仪器仪表轴承等精密元件、机械加工、地质钻探等。钻石在磨、锯、钻、抛光等加工工艺中，是切割石料、金属、陶瓷、玻璃等所不可缺少的；用金刚石钻头代替普通硬质合金钻头，可大大提高钻进速度，降低成本；镶嵌钻石的牙钻是牙科医生得心应手的工具；镶嵌钻石的眼科手术刀的刀口锋利光滑，即使用一千倍的显微镜也看不到一点缺陷，是摘除眼睛内白内障普遍使用的利器。金刚石在机械、电子、光学、传热、军事、航天航空、医学和化学领域有着广泛的应用前景。

（2）石墨

石墨是片层状结构，层内碳原子排列成平面六边形，每个碳原子以三个共价键与其它碳原子结合，同层中的离域电子可以在整层活动，层间碳原子以分子间作用力（范德华力）相结合。石墨是一种灰黑色、不透明、有金属光泽的晶体。天然石墨耐高温，热膨胀系数小，导热、导电性好，摩擦系数小。石墨被大量用来做电极、坩埚、电刷、润滑剂、铅笔等。具有层状结构的石墨在适当条件下使某些原子或基团插入层内与C原子结合成石墨层间化合物。这些插入化合物的性质基本上不改变石墨原有的层状结构，但片层间的距离增加，称为膨胀石墨，它具有天然石墨不具有的可绕性，回弹性等，可作为一种新型的工程材料，在石油化工、化肥、原子能、电子等领域广泛应用。

（3）富勒烯

富勒烯（Fullerene) 是单质碳被发现的第三种同素异形体。任何由碳一种元素组成，以球状，

椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯，富勒烯指的是一类物质。富勒烯与石墨

结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。1985年Robert Curl等人

制备出了C60。1989年，德国科学家Huffman和Kraetschmer的实验证实了C60的笼型结构，从

此物理学家所发现的富勒烯被科学界推向一个崭新的研究阶段。富勒烯的结构和建筑师Fuller的

代表作相似，所以称为富勒烯。

碳60（[60]Fullerene），非金属单质，化学式C60。是一种由60个碳原子构成的分子，形似

足球，又名足球烯。C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形。其相对分子质量约为720。