高中化学 同位素 同素异形体 同系物 同分异构体和同种物质的比较概念辨析 新人教版.docx
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(概念辩析)同位素、同素异形体、同系物、同分异构体和同种物质的比较
。
同位素、同素异形体、同系物和同分异构体的比较
化学基本概念反映化学物质的本质属性,是化学的基础。
明确概念的内涵与外延,是正确把握知识的要素,也是正确判断和推理的基础,因此在概念的教学中,让学生掌握、运用概念,尤为重要。
同位素、同素异形体、同系物、同分异构体和同一种物质等化学中几个经常用到的概念,也是一些同学经常混淆的概念,下面就这几个概念的区别加以详细的说明。
对于同位素、同素异形体、同系物和同分异构体这四个概念,学习时应着重从其定义、对象、化学式、结构和性质等方面进行比较,抓住各自的不同点,从而理解和掌握。
这几个概念都表明了事物之间的关系,下表列出了比较了它们的异同:
同位素
同素异形体
同系物
同分异构体
定义
质子数相同,中子数不同的原子(核素)
由同一种元素组成的不同单质
结构相似,分子组成相差一个或若干个CH2基团的物质
分子式相同,结构不同的化合物
对象
原子
单质
化合物
化合物
化学式
元素符号表示不同,如
、
、
元素符号表示相同,分子式可以不同,如O2和O3
不同
相同
结构
电子层结构相同,原子核结构不同
单质的组成或结构不同
相似
不同
性质
物理性质不同,化学性质相同
物理性质不同,化学性质相同
物理性质不同,化学性质相似
物理性质不同,化学性质不一定相同
说明:
1、同位素的对象是原子,在元素周期表上占有同一位置,化学性质基本相同,但原子质量或质量数不同,从而其质谱行为、放射性转变和物理性质(例如在气态下的扩散本领)有所差异。
2、同素异形体的对象是单质,同素异形体的组成元素相同,结构不同,物理性质差异较大,化学性质有相似性,但也有差异。
如金刚石和石墨的导电性、硬度均不同,虽都能与氧气反应生成CO2,由于反应的热效应不同,二者的稳定性不同(石墨比金刚石能量低,石墨比金刚石稳定)。
同素异形体的形成方式有三种:
(1)组成分子的原子数目不同,例如:
O2和O3。
(2)晶格中原子的排列方式不同,例如:
金刚石和石墨。
(3)晶格中分子排列的方式不同,例如:
正交硫和单斜硫(高中不要求此种)。
注意:
同素异形体指的是由同种元素形成的结构不同的单质,如H2和D2的结构相同,不属于同素异形体。
3、同系物的对象是有机化合物,属于同系物的有机物必须结构相似,在有机物的分类中,属于同一类物质,通式相同,化学性质相似,差异是分子式不同,相对分子质量不同,在组成上相差一个或若干个CH2原子团,相对分子质量相差14的整数倍,如分子中含碳原子数不同的烷烃之间就属于同系物。
(1)结构相似指的是组成元素相同,官能团的类别、官能团的数目及连接方式均相同。
结构相似不一定是完全相同,如CH3CH2CH3和(CH3)4C,前者无支链,后者有支链,但二者仍为同系物。
(2)通式相同,但通式相同不一定是同系物。
例如:
乙醇与乙醚它们的通式都是CnH2n+2O,但他们官能团类别不同,不是同系物。
又如:
乙烯与环丁烷,它们的通式都是CnH2n,但不是同系物。
(3)在分子组成上必须相差一个或若干个CH2原子团。
但分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质却不一定是同系物,如CH3CH2Br和CH3CH2CH2Cl都是卤代烃,且组成相差一个CH2原子团,但二者不是同系物。
(4)同系物具有相似的化学性质,物理性质有一定的递变规律,如随碳原子个数的增多,同系物的熔、沸点逐渐升高;如果碳原子个数相同,则有支链的熔、沸点低,且支链越对称,熔、沸点越低。
如沸点:
正戊烷>异戊烷>新戊烷。
同系物的密度一般随着碳原子个数的增多而增大。
4、同分异构体的对象是化合物,属于同分异构体的物质必须化学式相同,结构不同,因而性质不同。
具有“五同一异”,即同分子式、同最简式、同元素、同相对原子式量、同质量分数、结构不同。
属于同分异构体的物质可以是有机物,如正丁烷和异丁烷;可以是有机物和无机物,如氰酸铵和尿素;也可以是无机物,如[Pu(H2O)4]Cl3和[Pu(H2O)2Cl2]·2H2O·Cl。
在有机物中,很多物质都存在同分异构体,中学阶段涉及的同分异构体常见的有以下几类:
(1)碳链异构:
指碳原子之间连接成不同的链状或环状结构而造成的异构。
如C5H12有三种同分异构体,即正戊烷、异戊烷和新戊烷。
(2)位置异构(官能团位置异构):
指官能团或取代基在在碳链上的位置不同而造成的异构。
如1—丁烯与2—丁烯、1—丙醇与2—丙醇、邻二甲苯与间二甲苯及对二甲苯。
(3)类别异构(又称官能团异构):
指官能团不同而造成的异构,如1—丁炔与1,3—丁二烯、丙烯与环丙烷、乙醇与甲醚、丙醛与丙酮、乙酸与甲酸甲酯、葡萄糖与果糖、蔗糖与麦芽糖等。
(4)其他异构方式:
如顺反异构、对映异构(也叫做镜像异构或手性异构)等,在中学阶段的信息题中屡有涉及。
各类有机物类别异构体情况:
⑴CnH2n+2:
只能是烷烃,而且只有碳链异构。
如CH3(CH2)3CH3、CH3CH(CH3)CH2CH3、C(CH3)4
⑵CnH2n:
单烯烃、环烷烃。
如CH2=CHCH2CH3、CH3CH=CHCH3、CH2=C(CH3)2、
、
⑶CnH2n-2:
炔烃、二烯烃、环烯烃。
如:
⑷CnH2n-6:
芳香烃(苯及其同系物)。
如:
⑸CnH2n+2O:
饱和脂肪醇、醚。
如:
CH3CH2CH2OH、CH3CH(OH)CH3、CH3OCH2CH3
⑹CnH2nO:
醛、酮、环醚、环醇、烯基醇。
如:
CH3CH2CHO、CH3COCH3、CH2=CHCH2OH、
、 、
⑺CnH2nO2:
羧酸、酯、羟醛、羟基酮。
如:
CH3CH2COOH、CH3COOCH3、HCOOCH2CH3、
HOCH2CH2CHO、CH3CH(OH)CHO、CH3COCH2OH
⑻CnH2n+1NO2:
硝基烷、氨基酸。
如:
CH3CH2NO2、H2NCH2COOH
⑼Cn(H2O)m:
糖类。
如:
C6H12O6:
CH2OH(CHOH)4CHO、CH2OH(CHOH)3COCH2OH
C12H22O11:
蔗糖、麦芽糖。
例1、下列各组物质中,两者互为同分异构体的是( )。
①CuSO4?
3H2O和CuSO4?
5H2O ②NH4CNO和CO(NH2)
2
③C2H5NO2和NH2CH2COOH ④[Pu(H2O)4]Cl3和[Pu(H2O)2Cl2]?
2H2O?
Cl
A、①②③ B、②③④ C、②③ D、③④
解析:
同分异构体是分子式相同,但结构不同。
CuSO4?
3H2O和CuSO4?
5H2O组成就不同,不是同分异构体;NH4CNO和CO(NH2)2分子式相同,二者结构不同,互为同分异构体;C2H5NO2和NH2CH2COOH,前者是硝基化合物,后者是氨基酸,分子式相同,属于类别异构;[Pu(H2O)4]Cl3和[Pu(H2O)2Cl2]?
2H2O?
Cl,前者表示四个水分子直接和Pu相结合,后者中是两分子的水和两个氯离子与Pu相结合,所以结构不同,互为同分异构体。
正确选项为B。
例2、下列各组物质,其中属于同系物的是( )。
(1)乙烯和苯乙烯
(2)丙烯酸和油酸 (3)乙醇和丙二醇
(4)丁二烯与异戊二烯 (5)蔗糖与麦芽糖
A.
(1)
(2)(3)(4) B.
(2)(4)
C.
(1)
(2)(4)(5) D.
(1)
(2)(4)
解析:
同系物是指结构相似,即组成元素相同,官能团种类、个数相同,在分子组成上相差一个或若干个CH2
原子团,即分子组成通式相同的物质。
乙烯和苯乙烯,后者含有苯环而前者没有;丙烯酸和油酸含有的官能团
都是双键和羧基,而且数目相同所以是同系物;乙醇和丙二醇官能团的数目不同;丁二烯与异戊二烯都是共轭
二烯烃,是同系物;蔗糖和麦芽糖是同分异构体而不是同系物。
正确选项为B。
例3、有下列各组微粒或物质:
CH3
A、O2和O3 B、
C和
C C、CH3CH2CH2CH3和CH3CH2CHCH3
H Cl CH3
D、Cl—C—Cl和Cl—C—H E、CH3CH2CH2CH3和CH3—CH—CH3
H H
(1) 组两种微粒互为同位素;
(2) 组两种物质互为同素异形体;
(3) 组两种物质属于同系物;
(4) 组两物质互为同分异构体;
(5) 组两物质是同一物质。
解析:
这道题主要是对几个带“同字”概念的考查及识别判断能力。
A项为都由氧元素形成的结构不同的单质,为同素异形体。
B项为质子数相同,中子数不同的原子,属于同位素。
C项均为烷烃结构,分子组成上相差一个CH2原子团,属于同系物。
D项均为甲烷的取代产物,因而是立体结构,是同种物质。
D项的分子式相同,结构不同(碳链异构),是同分异构体。
正确选项为:
(1)B
(2)A (3)C (4)E (5)D
例4.如果定义有机物的同系列是一系列结构简式符合:
(其中n=0、1、2、3……)的化合物。
式中A、B是任意一种基团(或氢原子),w为2价的有机基团,又称为该同系列的系差。
同系列化合物的性质往往呈现规律性变化。
下列四组化合物中,不可称为同系列的是:
A.CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH3
B.CH3CH=CHCHO CH3CH=CHCH=CHCHO CH3(CH=CH)3CHO
C.CH3CH2CH3 CH3CHClCH2CH3 CH3CHClCH2CHClCH3
D.ClCH2CHClCCl3 ClCH2CHClCH2CHClCCl3 ClCH2CHClCH2CHClCH2CHClCCl3
解析:
此题是95年全国高考题,也是一个信息题,信息中给出了一个新的概念同系列。
在课堂上我们学习过同系物这一概念。
这就形成了两个非常相近的概念,需要我们在理解新信息的基础上,进行对比、辨析,然后运用解题。
同系物是指结构相似,在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质。
而同系列是指结构相似,在结构上相差一个或若干个重复结构单元的物质。
据此可迅速作出判断,正确选项为C。
练习:
1.
在热核反应中没有中子辐射,作为能源时不会污染环境。
月球上
的储量足够人类使用1000年,地球上
含量很少。
和
两者互为( )
A.同素异形体 B.同位素 C.同系物 D.同分异构体
解析:
和
的质子数相同,中子数不同,二都均为原子,互为同位素。
答案:
B
2.美国和墨西哥研究人员将普通纳米银微粒分散到纳米泡沫碳(碳的第五种单质形态)中,得到不同形状的纳米银微粒,该纳米银微粒能有效杀死艾滋病病毒(HIV-1)。
纳米泡沫碳与金刚石的关系是
A.同素异形体 B.同分异构体 C.同系物 D.同位素
解析:
因纳米泡沫碳是碳的第五种单质形态,而金刚石也是碳的一种单持同,所以二者是由同种元素形成的结构不同的单质,故为同素异形体。
答案:
A
3.下列各对物质中属于同分异构体的是( )。
A.
C与
C B.O2与O3
解析:
A是同位素,B是同素异形体,C是同一物质,D是同分异构体。
答案:
D
4.下列各组物质中,互为同系物
的是( )。
A. —OH与 —CH3 B.HCOOCH3与CH3COOC3H7
C. —CH=CH2与CH3—CH=CH2 D.C6H5OH与C6H5CH2OH
解析:
A项二者相差一个氧原子,不是同系物。
B项均为酯,结构相似,又分子组成上相差一个CH2原子团,属于同系物。
C项不是同一类别的有机物,结构不相似,不是同系物。
D项的C6H5OH是苯酚,C6H5CH2OH是苯甲醇,不是同一类别的,结构不相似,不是同系物。
答案:
B
5.下列各组物质中一定互为同系物的是( )。
A.C3H8、C8H18 B.C2H4、C3H6 C.C2H2、C6H6 D.C8H10、C6H6
解析:
A项均为烷烃,分子组成上相差CH2原子团,是同系物。
B项不一定互为同系物,当二者都是烯烃时,是同系物;当C3H6是环丙烷时,不是同系物。
同理,C项结构不相似,不是同系物。
D项可以是不同的类别,不一定是同系物。
答案:
A
6、人们使用四百万只象鼻虫和它们的215磅粪物,历经30年多时间弄清了棉子象鼻虫的四种信息素的组成,它们的结构可表示如下:
以上四种信息素中互为同分异构体的是( )。
A ①和② B ①和③ C ③和④ D ②和④
解析:
这四种有机物均用键线式表示,其中①和③为同种物质;②和④的分子式相同,结构明显不同,互为同分异构体。
答案:
D
7、萘分子的结构可以表示为
或
,两者是等同的。
苯并[α]芘是强致癌物质(存在于烟囱灰、煤焦油、燃烧的烟雾和内燃机的尾气中)。
它的分子由5个苯环并合而成,其结构式可以表示为(Ⅰ)或(Ⅱ)式:
(Ⅰ) (Ⅱ)
这两者也是等同的。
现有结构式A B C D
A B C D
其中:
与(Ⅰ)、(Ⅱ)式等同的结构式是( );
与(Ⅰ)、(Ⅱ)式同分异构体的是( )。
解析:
以(Ⅰ)式为基准,图形从纸面上取出向右翻转180度后再贴回纸面即得D式,将D式在纸面上反时针旋转45度即得A式。
因此,A、D都与(Ⅰ)、(Ⅱ)式等同。
也可以(Ⅱ)式为基准,将(Ⅱ)式图形在纸面上反时针旋转180度即得A式,(Ⅱ)式在纸面上反时针旋转135度即得D式。
从分子组成来看,(Ⅰ)式是C20H12,B式也是C20H12,而C式是C19H12,所以B是Ⅰ、Ⅱ的同分异构体,而C式不是。
答案:
(1)AD
(2)B。
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