一、同位素
同位素的研究对象是原子,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。
⒈ 概念:质子数相同,中子数不同的同一种元素的不同原子之间互为同位素。
⒉ 判断依据:质子数相同,中子数不同。
⒊ 结构:电子层结构相同,原子核结构不同。
⒋ 对象:原子之间。
⒌ 性质:物理性质不同,化学性质几乎完全相同。
⒍ 实例:11H、21H与31H,16O与18O。
⒎ 注意:
⑴ 由于存在同位素,原子种类比元素种类多;
⑵ 同位素的化学性质几乎相同;
⑶ 天然存在的某种元素中,不论是游离态还是化合态,各种同位素原子的含量不变。
二、同素异形体
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)。
⒈ 概念:同种元素组成的结构不同的单质之间互为同素异形体。
⒉ 判断依据:同种元素的不同单质。
⒊ 结构:单质的组成和结构不同。
⒋ 对象:单质之间。
⒌ 性质:物理性质不同,化学性质相似,一定条件下可以相互转变。
⒍ 实例:金刚石与石墨、C60;红磷与白磷。
⒎ 注意:
⑴ 由于结构不同,化学性质也有差异,如
白磷比
红磷活泼;
⑵ 同素异形体指的是由同种元素形成的结构不同的单质,H2、D2、T2的关系不是同素异形体也不是同位素。H2和D2的结构相同,不属于同素异形体。
⒏ 同素异形体的形成方式:
(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。
三、同分异构体
⒈ 概念:分子式相同,结构不同的化合物互为同分异构体。
⒉ 判断依据:分子式相同,结构不同,不一定是同一种物质。
⒊ 结构:不同。
⒋ 对象:一般为有机化合物之间。
⒌ 性质:物理性质不同,化学性质可能相似也可能不同。
⒍ 实例:CH3COOH与HCOOCH3。
⒎ 注意:
⑴ 因分子式相同故组成和式量也相同;
⑵ 式量相同的物质不一定是同分异构体,如HCOOH和CH3CH2OH的式量均为46。
⑶ 同分异构体可以是同类物质,也可以是不同类物质。
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、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。
四、同系物
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。
⒈ 概念:结构相似,在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质互称同系物。
⒉ 判断依据:结构相似,通式相同,组成相差n个CH2,相对分子质量不同(相差14n)。
⒊ 结构:相似。
⒋ 对象:有机化合物之间。
⒌ 性质:物理性质不同,化学性质相似。
⒍ 实例:甲烷、乙烷和丙烷;乙烯和丙烯;甲酸和乙酸。
⒎ 注意:
⑴ 具有同一通式;
⑵ 化学性质相似;
⑶ 物理性质随式量呈规律性变化。
⑷ 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。
⑸ 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。
⑹ 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。
⑺ 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。
五、主要区别
同位素、同素异形体、同分异构体、同系物的区别主要表现在以下5个方面:
⒈ 表述对象不同
⑴ 同位素:原子;
⑵ 同素异形体:单质;
⑶ 同分异构体:化合物(有机物、无机物);
⑷ 同系物:有机化合物。
⒉ 概念不同
⑴ 同位素:质子数相同,中子数不同的原子(核素)。
⑵ 同素异形体:由同一种元素组成的不同单质。
⑶ 同分异构体:分子式相同,结构不同的化合物。
⑷ 同系物:结构相似,分子组成相差一个或若干个CH2基团的物质。
⒊ 性质不同
⑴ 同位素:物理性质不同,化学性质相同。
⑵ 同素异形体:物理性质不同,化学性质相同。
⑶ 同分异构体:物理性质不同,化学性质不一定相同。
⑷ 同系物:物理性质不同,化学性质相似。
⒋ 化学式不同
元素符号表示不同,如元素符号表示相同,分子式可以不同。
⒌ 结构不同
电子层结构相同,原子核结构不同,单质的组成或结构不同。