同位素、同素异形体、同系物和同分异构体的概念辩析

  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：

说明：

1、同位素的对象是原子，在上占有同一位置,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xx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C_nH_2n+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C_nH_2n,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：

⑴ C_nH_2n+2：只能是烷烃，而且只有碳链异构。如CH₃(CH₂)₃CH₃、CH₃CH(CH₃)CH₂CH₃、C(CH₃)₄

⑵ C_nH_2n：单烯烃、环烷烃。

如CH₂=CHCH₂CH₃、CH₃CH=CHCH₃、CH₂=C(CH₃)₂、           、

⑸ C_nH_2n+2O：饱和脂肪醇、醚。如：CH₃CH₂CH₂OH、CH₃CH(OH)CH₃、CH₃OCH₂CH­₃

⑹ C_nH_2nO：醛、酮、环醚、环醇、烯基醇。如：CH₃CH₂CHO、CH₃COCH₃、CH₂=CHCH₂OH、                  

⑺ C_nH_2nO₂：羧酸、酯、羟醛、羟基酮。如：CH₃CH₂COOH、CH₃COOCH₃、HCOOCH₂CH₃、

HOCH₂CH₂CHO、CH₃CH(OH)CHO、CH₃COCH₂OH

 ⑻ C_nH_2n+1NO₂：硝基烷、氨基酸。如：CH₃CH₂NO₂、H₂NCH₂COOH

⑼ C_n(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

③ C₂H₅NO₂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学科网

A．同素异形体       B．同分异构体        C．同系物          D．同位素 学科网

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。