同素异形体 百科内容来自于: 百度百科

同素异形体,是相同元素组成,不同形态的单质。如碳元素就有金刚石、石墨、无定形碳等同素异形体。同素异形体由于结构不同,彼此间物理性质有差异;但由于是同种元素形成的单质,所以化学性质相似。

化学性质

同素异形体(allotropes)的化学性质相似。
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-183℃,而臭氧的沸点-111.5℃;氧气比臭氧稳定,没有臭氧的氧化
同素异形体

同素异形体

性强等。一定要是单质。比如氧气和臭氧,一个是O₂一个是O₃。
金刚石和石墨,都是碳。
同素异形体之间的转化不一定属于化学变化(例如:单斜硫斜方硫)。

形成方式

有多种:
如:
1.组成分子的原子数目不同,例如:氧气(O₂)和臭氧(O₃)。
2.晶格中原子的排列方式不同,例如:金刚石和石墨和C₆₀。
3.晶格中分子排列的方式不同,例如:正交硫单斜硫
4. 还有红磷和白磷。

性质特点

化学性质:略有差异。
物理性质:不相同。

相关示例

碳的同素异形体有金刚石、石墨和C60(富勒烯),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1000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。
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。
(2)C60:1985年,美国德克萨斯洲罗斯大学的科学家们制造出了第三种形式的单质碳C60, C60是由60个碳原子形成的封闭笼状分子,形似足球,C60为黑色粉末,易溶于二硫化碳、苯等溶剂中。人们以建筑大师B·富勒的名字命名了这种形式的单质碳,称为富勒烯(fullarene)。这是因为富勒设计了称为球状穹顶的建筑物,而某些富勒烯的结构正好与其十分相似。C60曾又被称足球烯、巴基球等,它属于球碳族,这一类物质的分子式可以表示为Cn,n为28到540之间的整数值,在这些分子中,碳原子与另外三个碳原子形成两个单键和一个双键,它们实际上是球形共轭烯。
富勒烯分子由于其独特的结构和性质,受到了广泛的重视。人们发现富勒烯分子笼状结构具有向外开放的面,而内部却是空的,这就有可能将其他物质引入到该球体内部,这样可以显著地改变富勒烯分子的物理和化学性质。例如化学家已经尝试着往这些中空的物质中加进各种各样的金属,使之具有超导性,已发现C60和某些碱金属化合得到的超导体其临界温度高于研究时以前研究过的各种超导体,也有设想将某些药物置入C60球体空腔内,成为缓释型的药物,进入人体的各个部位。在单分子纳米电子器件等方面有着广泛的应用前景,富勒烯已经广泛地影响到物理、化学、材料科学、生命及医药科学各领域。
(3)碳纳米管
碳纳米管可分单层及多层的碳纳米管,它是由单层或多层同心轴石墨层卷曲而成的中空碳管,管直径一般为几个纳米到几十个纳米,多层碳纳米管是管壁的石墨层间距为0.34纳米,与平面石墨层的间距一样,不论是单层还是多层碳纳米管,前后末端类似半圆形,结构基本上与碳六十相似,使整个碳管成为一个封闭结构,故纳米碳管也是碳族的成员之一。碳纳米管非常微小,5万个并排起来才有人的一根头发丝宽,是长度和直径之比很高的纤维。
碳纳米管强度高具有韧性、重量轻、比表面积大,性能稳定,随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性,场发射性能优良。自1991年单层碳纳米管的发现和宏观量的合成成功以来,由于具有独特的电子结构和物理化学性质,碳纳米管在各个领域中的应用已引起了各国科学家的普遍关注,已成为富勒烯和纳米科技领域的研究热点。
利用碳纳米管可以制成高强度碳纤维材料和复合材料,如其强度为钢的100倍,重量则只有钢的1/6,被科学家称为未来的“超级纤维”;在航天事业中,利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳,不仅可以为卫星供电,还可以耐受很高的温度而不会烧毁;用金属灌满碳纳米管,然后把碳层腐蚀掉,还可以得到导电性能非常好的纳米尺度的导线;利用碳纳米管做为锂离子电池的正极和负极材料可以延长电池寿命,改善电池的充放电性能;利用碳纳米管制成极好的发光、发热、发射电子的准点光源,制成平面显示器等,使壁挂电视成为可能;在电子工业上、用碳纳米管生产的晶体管,体积只有半导体的1/10,用碳基分子电子装置取代电脑芯片,将引发计算机的新的革命;碳纳米管可以在较低的气压下存储大量的氢元素,利用这种方法制成的燃料不但安全性能高,而且是一种清洁能源,在汽车工业将会有广阔的发展前景;碳纳米管还可作为催化剂载体和膜材料。

氧的同素异形体有氧气,臭氧,过臭氧。
(1)氧气
氧气是空气的组分之一。
物理性质:
①色,味,态:无色无味气体(标准状况)。
②熔沸点:熔点-218℃(标准状况)<-218℃淡蓝色雪花状的固体。
沸点-183℃(标准状况)<-183℃蓝紫色液体 >-183℃ 无色无嗅无味。
③密度:大于空气,在标准状况(0℃和大气压强101325帕)下密度为1.429克/升。
水溶性:不易溶于水。
⑤贮存:天蓝色钢瓶。
化学性质:
一、氧气跟金属反应:
2Mg+O₂==2MgO,剧烈燃烧发出耀眼的强光,放出大量热,生成白色固体
3Fe+O₂==2Fe₃O₄,红热的铁丝剧烈燃烧,火星四射,放出大量热,生成黑色固体。
2Cu+O₂==2CuO,加热后亮红色的铜丝表面生成一层黑色物质。
二、氧气跟非金属反应:
C+O₂==CO₂,剧烈燃烧,发出白光,放出热量,生成使石灰水变浑浊的气体。
S+O₂==SO₂,发生明亮的蓝紫色火焰,放出热量,生成有刺激性气味的气体。
4P+5O₂==2P₂O₅,剧烈燃烧,发出明亮光辉,放出热量,生成白烟。
三、氧气跟一些有机物反应,如甲烷乙炔、酒精、石蜡、甘醇等能在氧气中燃烧生成水和二氧化碳。
CH₄+2O₂==CO₂+2H₂O
2C₂H₂+5O₂==4CO₂+2H₂O
(2)臭氧
理化性质
【中文名称】臭氧
【英文名称】Ozone
【结构或分子式
O原子以sp2杂化轨道形成离域π键(三中心四电子体)。分子形状为V形。极性分子
【相对分子量或原子量】48.00
密度气体密度( 0℃,g/L)2.144;液体密度(-150℃,g/cm 3 )1.473
熔点(℃)】(固)-251.4
沸点(℃)】(液)-112.4
性状
气态臭氧厚层带蓝色,有刺激性腥臭气味,浓度高时与氯气气味相像;液态臭氧深蓝色,固态臭氧紫黑色。
用途
用于水的消毒和空气的臭氧化,在化学工业中用作强氧化剂
【制备或来源】
主要的制臭氧技术有:电解法、核辐射法、紫外线等离子体及电晕放电法等几种。应用比较广泛的是臭氧发生器放电氧化空气或纯氧气成臭氧,紫外线杀菌灯分解空气中的氧气形成臭氧。即应用高能量交互式电流作用空气中的氧气使氧气分子电离而成臭氧。高锰酸盐和强酸反应可以生成臭氧(O₃)。
分子式:O₃
特别注意:因为臭氧特殊的π键,故臭氧转化为氧气是一个氧化还原反应
2O₃=放电=3O₂,转移电子数为4/3mol。
大气中臭氧层对地球生物的保护作用现已广为人知——它吸收太阳释放出来的绝大部分紫外线,使动植物免遭这种射线的危害。为了弥补日渐稀薄的臭氧层乃至臭氧层空洞,人们想尽一切办法,比如推广使用无氟制冷剂,以减少氟利昂等物质对臭氧的破坏。世界上还为此专门设立国际保护臭氧层日。由此给人的印象似乎是受到保护的臭氧应该越多越好,其实不是这样,如果大气中的臭氧,尤其是地面附近的大气中的臭氧聚集过多,对人类来说臭氧浓度过高反而是个祸害。
臭氧是地球大气中一种微量气体,它是由于大气中氧分子太阳辐射分解成氧原子后,氧原子又与周围的氧分子结合而形成的,含有3个氧原子。大气中90%以上的臭氧存在于大气层的上部或平流层,离地面有10~50千米,这才是需要人类保护的大气臭氧层。还有少部分的臭氧分子徘徊在近地面,仍能对阻挡紫外线有一定作用。但是,研究发现地面附近大气中的臭氧浓度有快速增高的趋势,就令人感到不妙了。
这些臭氧是从哪里来冒出来的呢?同铅污染、硫化物等一样,它也是源于人类活动,汽车、燃料、石化等是臭氧的重要污染源。在车水马龙的街上行走,常常看到空气略带浅棕色,又有一股辛辣刺激的气味,这就是通常所称的光化学烟雾。臭氧就是光化学烟雾的主要成分,它不是直接被排放的,而是转化而成的,比如汽车排放的氮氧化物,只要在阳光辐射及适合的气象条件下就可以生成臭氧。随着汽车和工业排放的增加,地面臭氧污染在欧洲、北美、日本以及中国的许多城市中成为普遍现象。根据专家当时所掌握的资料估计,到2005年,近地面大气臭氧层将成为影响中国华北地区空气质量的主要污染物
研究表明,空气中臭氧浓度在0.012ppm水平时——这也是许多城市中典型的水平,能导致人皮肤刺痒,眼睛、鼻咽、呼吸道受刺激,肺功能受影响,引起咳嗽、气短和胸痛等症状;空气中臭氧水平提高到0.05ppm,入院就医人数平均上升7%~10%。原因就在于,作为强氧化剂,臭氧几乎能与任何生物组织反应。当臭氧被吸入呼吸道时,就会与呼吸道中的细胞、流体和组织很快反应,导致肺功能减弱和组织损伤。对那些患有气喘病、肺气肿和慢性支气管炎的人来说,臭氧的危害更为明显。
从臭氧的性质来看,它既可助人又会害人,它既是上天赐与人类的一把保护伞,有时又像是一剂猛烈的毒药。对于臭氧的正面作用以及人类应该采取哪些措施保护臭氧层,人们已达成共识并做了许多工作。但是,对于臭氧层的负面作用,人们虽然已有认识,但除了进行大气监测和空气污染预报外,还没有真正切实可行的方法加以解决。
臭氧消毒原理可以认为是一种氧化反应
【1】臭氧对细菌灭活的机理:
臭氧对细菌的灭活反应总是进行的很迅速。与其它杀菌剂不同的是:臭氧能与细菌细胞壁脂类双键反应,穿入菌体内部,作用于蛋白和脂多糖,改变细胞的通透性,从而导致细菌死亡。臭氧还作用于细胞内的核物质,如核酸中的嘌呤和嘧啶。
【2】臭氧对病毒的灭活机理:
臭氧对病毒的作用首先是病毒的衣体壳蛋白的四条多肽链,并使RNA受到损伤,特别是形成它的蛋白质。噬菌体被臭氧氧化后,电镜观察可见其表皮被破碎成许多碎片,从中释放出许多核糖核酸,干扰其吸附到寄存体上。
臭氧杀菌的彻底性是不容怀疑的。
破坏臭氧层,危害我们每一个人。
紫外线从多方面影响着人类健康。人体会发生如晒斑、眼病、免疫系统变化、光变反应和皮肤病(包括皮肤癌)等。皮肤癌是一种顽固的疾病,紫外线的增长会使患这种病的危险性增大。紫外线光子有足够的能量去破裂双键。中短波紫外线会透人皮肤深处,使人的皮肤产生炎症,人体的遗传物质DNA(脱氧核糖核酸)受到损害,使正常生长的细胞蜕变成癌细胞并继续生长成整块的皮肤癌。也有说太阳光渗透进皮肤的表层。紫外线辐射轰击着皮肤细胞核内的DNA基本单位,使许多单位溶化成失去作用的碎片。这些毛病的修复过程可能会出现不正常,从而导致癌变。流行病学已证实厂非黑瘤皮肤癌的发病率与日晒紧密相关。各种类型皮肤的人都有患非黑瘤皮肤癌的可能,但在浅色皮肤人群中发病率较高。动物实验发现,紫外线中,紫外线B波长区是致癌作用最强的波长区域。
(3) 四聚氧和八聚氧(又名ε氧/红氧
四聚氧的分子式是O₄,1924年,吉尔伯特·牛顿·路易斯首先预测了它的存在。1999年,科学家认为固态氧的ε相(压强大于10GPa下存在)中氧的存在形式为O4。然而2006年时,X射线晶体学表明这种被称作ε氧或红氧的稳定相实际上是O₄。

磷的同素异形体有多种,常见的有白磷、红磷。
(1)红磷
理化常数:
国标编号:41001
CAS号:7723-14-0
英文名称:Phosphorus red
别 名:赤磷
分子式:P
外观与性状:紫红色无定形粉末,无臭,具有金属光泽,暗处不发光。
分子量:123.90
蒸汽压:4357kPa(590℃)
熔 点:590℃(4357kPa)
溶解性:不溶于水、二硫化碳,微溶于无水乙醇,溶于碱液
密 度:相对密度(水=1)2.20;相对密度(空气=1)4.77。
稳定性:稳定
危险标记:8(易燃固体)
主要用途:用于制造火柴、农药,及用于有机合成。
对环境的影响:
该物质对环境有害。
一、健康危害、侵入途径:吸入、食入、经皮吸收。健康危害:经常吸入此种粉尘,可引起慢性磷中毒。可致皮炎。
二、毒理学资料及环境行为 毒性:属低毒类。危险特性:遇明火、高热、摩擦、撞击有引起燃烧的危险。与氧化剂混合能形成有爆炸性的混合物。燃烧时放出有毒的刺激性烟雾。化学反应活性较高,与氟、氯等能发生剧烈的化学反应。燃烧(分解)产物:氧化磷、磷烷。
现场应急监测方法:
直接进水样气相色谱法。
实验室监测方法:
气相色谱法(《作业环境空气中有毒物质检测方法》,陈安之主编)。
应急处理处置方法:
一、泄漏应急处理 隔离泄漏污染区,周围设警告标志,切断火源。建议应急处理人员戴好防毒面具,穿相应的工作服。用水润湿,使用无火花工具收集于干燥净洁有盖的容器中,倒至空旷的地方,干燥后即自行燃烧。如果大量泄漏,与有关技术部门联系,确定清除方法。
二、防护措施 呼吸系统防护:佩带防尘口罩。眼睛防护:必要时戴安全防护眼镜。身体防护:穿工作服。手防护:戴防护手套。其它:工作现场严禁吸烟。工作后,淋浴更衣。注意个人清洁卫生。
三、急救措施 皮肤接触:脱去污染的衣着,立即用清水彻底冲洗。就医。眼睛接触:立即提起眼睑,用流动清水或生理盐水冲洗至少15分钟。吸入:迅速脱离现场至空气新鲜处。必要时进行人工呼吸。就医。食入:误服者给充分漱口、饮水,就医。灭火方法:干粉、砂土。
(2)白磷
白磷是磷的一种同素异形体,分子是由四个磷原子构成的正四面体, 键角60°,有6molP-P键,化学式为P₄。为白色蜡状固体,遇光会逐渐变为淡黄色晶体(所以又称为黄磷),有大蒜的气味,有毒。着火点很低,能自燃,在空气中发光。用于制造磷酸、燃烧弹和烟雾弹。白磷的危险性 白磷是一种易自燃的物质,其燃点为40 ℃,但因摩擦或缓慢氧化而产生的热量有可能使局部温度达到40 ℃而燃烧。因此,不能说气温在40 ℃以下白磷不会自燃。
白磷是一种剧毒的物质。人的中毒剂量为15mg,致死量为50mg。误服白磷后很快产生严重的胃肠道刺激腐蚀症状。大量摄入可因全身出血、呕血、便血和循环系统衰竭而死。若病人暂时得以存活,亦可由于肝、肾、心血管的功能不全而慢慢死去。皮肤被磷灼伤面积达7%以上时,可引起严重的急性溶血性贫血,以至死于急性肾功能衰竭。常期吸入磷蒸气,可导致气管炎、肺炎及严重的骨骼损害。
白磷的贮存:
由于白磷非常危险,因此不能将白磷露置于空气中。根据白磷不溶于水,且比水的密度大,可以将少量的白磷放入盛有冷水的广口试剂瓶中,并经常注意保持足够的水量。通过水的覆盖,既可以隔绝空气,又能防止白磷蒸气的逸出,同时还能保持白磷处于燃点之下。不常用的白磷可以贮存于封口的试剂瓶中,并埋入沙地里。
白磷的取用:
由于白磷的燃点低,人的手温就容易使它燃烧,所以取用白磷时必须用镊子去取,绝对不能用手指去接触,否则手就会被灼烧,造成疼痛难愈的灼伤。如果遇到大块白磷需要切割成小块时,必须把它放在盛有水的水槽中,用小刀在水面下切割,绝不能暴露在空气中进行,否则切割时摩擦产生的热也容易使白磷燃烧。
白磷的用途:
白磷虽然危险,但也有很多用途。
在工业上用白磷制备高纯度的磷酸。利用白磷易燃产生烟(P₂O₅)和雾(P₂O₅与水蒸气形成H₃PO₄),在军事上常用来制烟幕弹。还可用白磷制造红磷三硫化四磷有机磷酸酯、燃烧弹、杀鼠剂等。
白磷又叫黄磷,为白色至黄色蜡性固体,熔点44.1°C,沸点280°C,密度1.82克/厘米&sup3;。白磷活性很高,必须储存在水里,人吸入0.1克白磷就会中毒死亡。白磷在没有空气的条件下,加热到250°C或在光照下就会转变成红磷红磷无毒,加热到400°C以上才着火。
在高压下,白磷可转变为黑磷,它具有层状网络结构,能导电,是磷的同素异形体中最稳定的。如果氧气不足,在潮湿情况下,白磷氧化很慢,并伴随有磷光现象。白磷可溶于热的浓碱溶液,生成磷化氢和次磷酸二氢盐;干燥的氯气与过量的磷反应生成三氯化磷,过量的氯气与磷反应生成五氯化磷。磷在充足的空气中燃烧可生成五氧化二磷,如果空气不足则生成三氧化二磷
接触白磷的物品的处理 由于白磷的毒性大且易自燃,接触过白磷的实验用品必须进行适当的处理。所用的刀子和镊子要在通风厨中用酒精灯灼烧。擦过上述工具或用于吸干白磷的纸片不能丢在废纸篓里。也要在通风厨中烧掉。实验中用过的水槽要冲洗数遍。人接触白磷后的急救方法人的手接触到白磷后,要立即用水冲洗,然后用2%的CuSO₄溶液(或2%的AgNO₃溶液)轻抹,再用3%~5%的NaHCO₃溶液湿敷。禁止用油脂性的烧伤药膏。如果误服白磷而中毒时,要尽快用CuSO₄溶液洗胃,发生的反应为:2P+5CuSO₄+8H₂O=5Cu+2H₃PO₄+5H₂SO₄ 11P+15CuSO₄+24H₂O=5Cu₃P↓+6H₃PO₄+15H₂SO₄ 通过上述反应将剧毒的白磷转化为无毒的H₃PO₄或不溶于酸的Cu₃P沉淀。

与同位素关系

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。
而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。
H₂和H₃:H₃是3个氢原子,H 2是两个氢原子,它们是不同的物质,它们是同素异形体。

异构现象

同分异构现象是指化合物具有相同的分子式,但具有不同结构的现象。
常见的异构类型
1.碳链异构由于分子中碳链形状不同而产生的异构现象.如正丁烷异丁烷
2.位置异构由于取代基官能团碳链上或碳环上的位置不同而产生的异构现象。
如: 1-丁炔 与 2-丁炔
1-丙醇与 2-丙醇
3.官能团异构分子中由于官能团不同而产生的异构现象。
如:单烯烃与环烷烃,醇与醚,醛与酮,炔烃与二烯烃,酯和羧酸,酚和芳香醇
4.立体异构:结构相似,但由于微小偏差导致结构不同。
(1)顺反异构:立体异构的一种,由于双键不能自由旋转引起的,一般指烯烃的双键或多取代环烃的取代基位于环的不同侧造成的同分异构
(2)光学异构:构造相同的分子,如使其一平面偏振光向右偏转,另一侧向左。则两种互为光学异构体。
(3)手性异构:手性异构就是光学异构。手性异构的两分子像人的左右手一样镜像对称。
5.构象异构:同一种化合物的构象,可通过单键旋转由一种变为另一种,则这两种互为构象异构体。
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