什么是同素异形体？有哪些？和同位素的区别

2023-04-27 16:12:09 作者：2200 3708

1.同素异形体

由同一元素的原子组成的结构单元不同的单质互称为同素异形体——可以理解为:元素组成相同，占据晶掩…结点上的粒子不同或占据晶格结点上的粒子相同而晶格结点之间的化学键不同的单质互为同素异形体型。

同素异形体

2.同素异形体和同位素的区别

(1)性质不同

①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。

②具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同核素互为同位素(Isotope)。

(2)组成不同

①同素异形体是指同种元素的不同单质，它们是单质，换句话说它是物质。比如石墨和金刚石，它们是物质，而且是同一种元素，但是结构不同，所以它们是同素异形体。

②同位素是中子数不同但质子数相同的同种元素的不同原子，它只是原子，比如，没有中子的₁H和有一个中子的₂H或者₂C1和₄C1，它们只是原子而已，它们不是单独的物质所以它们是同位素。

3.同素异形体包括哪些

以下将介绍氧、碳的同素异形体：

(1)氧的同素异形体有氧气，臭氧，四聚氧，八聚氧

①氧气

氧气，化学式O2，式量32.00，是无色无味的气体，也是氧元素最常见的单质形态。熔点为218.4℃，沸点为-183℃。液氧为天蓝色，固氧为蓝色晶体。且不易溶于水，1L水中可以溶解约30mL氧气。在空气中，氧气约占21% 。常温下不是很活泼，与许多物质都不易作用。但在高温下则很活泼，能与多种元素直接化合，这与氧原子的电负性仅次于氟有关。

②八聚氧(又名ε氧/红氧)

四聚氧的分子式是O₄，形成于正常大气压的54.36K(-218.79°C)以下。固态的氧气由于吸收红色光，像液氧一样，是浅蓝色透明物质。氧分子因它在分子磁化(molecular magnetization)上与晶体结构、电子排布、超导电性的关系而受到关注。氧分子是能承载磁矩的唯一的简单双原子分子(通常情况下纵使所有分子也只有少数能够如此)。它被认为是“受自旋控制(spin-controlled)”的晶体，并因此展现出不寻常的磁性规律。在极高压下，固氧从热绝缘材料变成金属的形态;而在极低温下，它甚至能变成超导体。对固氧的结构研究始于19世纪20年代，目前，已确定六种泾渭分明的晶体相。

③臭氧

臭氧(O₃)又称为超氧，是氧气(O₂)的同素异形体。在常温下，它是一种有特殊臭味的淡蓝色气体。臭氧主要存在于距地球表面20~35公里的同温层下部的臭氧层中。在常温常压下，稳定性较差，可自行分解为氧气。臭氧具有青草的味道，吸入少量对人体有益，吸入过量对人体健康有一定危害(不可燃，纯净物)。氧气通过电击可变为臭氧。

④四聚氧(又名过臭氧)

O4的预计构型为正四面体或者矩形，从两种构型中性分子O4，正一价分子O4+和负一价分子O4-的基态电子结构，并根据能量最低原则确定了各自的结构参数，从而得到了O4分子2种结构的基态总能量、一价电离能及电子亲合势能。O4与氧原子、普通氧分子O2和臭氧分子O3的计算结果比较，显示O4分子可以以正方形结构或正四面体结构形式存在，其中正方形结构更有可能是O4分子的真实空间结构。

四聚氧有极其猛烈的氧化性，其氧化性在单质中最强，远超氟气、二氟化氪和各类氟化氧等已知的超强氧化剂。可与绝大多数物质甚至部分稀有气体直接反应。近期甚至用O4与氩(Ar)直接化合制得了极不稳定的一氧化氩(ArO)。

(2)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。

②石墨烯

石墨烯(Graphene)是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。

石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子(氢原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。

③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，且熔点高。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。

④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。初步研究表明，富勒烯类化合物在抗HIV、酶活性抑制、切割DNA、光动力学治疗等方面有独特的功效。

⑤碳纳米管

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。

⑥石墨炔

石墨炔，是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后，一种新的全碳纳米结构材料，具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性，被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。由于其特殊的电子结构及类似硅优异的半导体性能，石墨炔有望可以广泛应用于电子、半导体以及新能源领域。