淺議初中化學(xué)中的同素異形體

陳鑫

摘 要：同素異形體是一個(gè)十分重要的化學(xué)概念，在初中化學(xué)的教學(xué)過(guò)程中已經(jīng)有了初步的接觸。從初中化學(xué)中提到的同素異形體出發(fā)，將同素異形體的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行闡述，希望能夠引起學(xué)生對(duì)于化學(xué)學(xué)科的興趣。

關(guān)鍵詞：初中化學(xué)；同素異形體；問(wèn)題

同素異形體指的是由相同元素組成，不同形態(tài)的單質(zhì)。初中化學(xué)課程中已經(jīng)有了初步的認(rèn)識(shí)，例如碳元素的同素異形體包含金剛石、石墨、C60、碳納米管、石墨烯等，而磷元素的同素異形體包括黃磷和紅磷等。這些物質(zhì)雖然都是碳單質(zhì)，但其性能有著很大的區(qū)別。

一、同素異形體化學(xué)性質(zhì)不同

初中化學(xué)課本中明確說(shuō)明：“碳元素的各種同素異形體都有同樣的化學(xué)性質(zhì)”，在初中化學(xué)的知識(shí)體系層面上，或許這句話(huà)是正確的，但是隨著學(xué)習(xí)的深入，我們發(fā)現(xiàn)，同素異形體不僅物理性質(zhì)有很大的差異，就是化學(xué)性質(zhì)也不盡相同?；瘜W(xué)性質(zhì)包括物質(zhì)能否反應(yīng)、反應(yīng)的條件等，這一點(diǎn)十分值得商榷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者查閱資料，金剛石在空氣中需要加熱到777℃才能夠燃燒，石墨在空氣中只要加熱到687℃就可以燃燒，而無(wú)定型碳在空氣中燃燒所需的溫度更低。從這一方面看出，同素異形體之間的化學(xué)性質(zhì)是不盡相同的。又比如，金剛石通常是不能夠與酸堿等化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)的，但是比它活潑的石墨就能夠在加熱的情況下與硫酸或者高錳酸鉀發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)石墨的氧化或者磺化，更有甚者，活性更大的石墨烯或者碳納米管雖然也是碳元素的同素異形體，但是在較低的溫度下就可以與酸性物質(zhì)或者氧化物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。

二、化學(xué)性質(zhì)不同的內(nèi)在原因

初中化學(xué)已經(jīng)精確指出，分子是保持一種物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小單位。在化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，原子是不會(huì)產(chǎn)生也不會(huì)消失的，而是從一種分子中移動(dòng)到了另一種分子中去。化學(xué)性質(zhì)實(shí)際上就是分子的性質(zhì)，在單質(zhì)物質(zhì)中，也就是原子。更確切地說(shuō)是物質(zhì)最表層的原子的性質(zhì)，而這些原子的化學(xué)性質(zhì)實(shí)際上取決于它們?cè)颖韺与娮拥臄?shù)量以及狀態(tài)。在上面的例子中，金剛石是一種三維網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，碳原子最外層的四個(gè)電子分別與令一個(gè)碳原子的一個(gè)電子形成共價(jià)鍵，從而使其失去活性，在高溫的狀態(tài)下，原子本身和電子的移動(dòng)速度加快，當(dāng)超過(guò)了共價(jià)鍵的鍵能之后，共價(jià)鍵才能夠斷裂從而釋放出電子與氧氣進(jìn)行反應(yīng)生成新的碳氧鍵；石墨是一種層狀的結(jié)構(gòu)，每一層中的一個(gè)碳原子與周?chē)娜齻€(gè)碳原子形成了三個(gè)共價(jià)鍵，另一個(gè)電子成為自由電子與另外一層的碳原子中的一個(gè)電子形成了分子鍵，而分子鍵的鍵能相對(duì)于共價(jià)鍵就差了很多，這就為化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供了可能性。另外，在石墨分子的邊緣處的碳原子，由于自由電子是有很大的活性的，雖然表層的原子數(shù)目不是很多，但是在化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中能起到較大的作用；將石墨的每一層進(jìn)行分離，那么就得到了單層的石墨，也就是石墨烯的概念，這部分已經(jīng)超出了初中化學(xué)的范圍，在此討論能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)于化學(xué)的更大興趣。石墨烯由于其所有的原子都是表層原子，每一個(gè)碳原子至少擁有一個(gè)自由電子，甚至在邊緣處或者缺陷處每一個(gè)碳原子都包含一個(gè)以上的自由電子，這就使得石墨烯的化學(xué)活性已經(jīng)比較高了，很容易進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的促成。

從上面的同素異形體化學(xué)活性對(duì)比，我們可以看出，化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是化學(xué)鍵的斷裂和重組，而化學(xué)鍵的斷裂又與反應(yīng)的條件息息相關(guān)，比如溫度或者介質(zhì)等。從這個(gè)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，即使是同一種元素，如果其原子的排列結(jié)構(gòu)不同，造成其化學(xué)活性的不同也是一種十分常見(jiàn)的事情。比如紅磷和黃磷，黃磷在空氣中很容易自燃，著火點(diǎn)40℃，而紅磷磷則顯得比較穩(wěn)定，著火點(diǎn)200℃以上，這也是因?yàn)槎叩慕M織結(jié)構(gòu)有較大的區(qū)別。如果順著這條思路往前探索，那么就不僅僅是同素異形體有這樣的現(xiàn)象，影響化學(xué)性質(zhì)的不僅僅是元素本身，還有元素結(jié)合的結(jié)構(gòu)和比例等。理解了結(jié)構(gòu)對(duì)于化學(xué)的重要性，對(duì)于今后學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)物和高分子化學(xué)等就有十分積極的意義。

三、同素異形體與物質(zhì)、同位素的關(guān)系

從概念上來(lái)講，同素異形體同屬于同一種物質(zhì)，并且只能是單質(zhì)。如果化合物具有類(lèi)似的現(xiàn)象，叫做化合物的同分異構(gòu)體。同素異形體雖然由同一種元素構(gòu)成，但是它們并不是同一種物質(zhì)，因?yàn)槲镔|(zhì)的概念是：“任何有特定分子標(biāo)識(shí)的有機(jī)物質(zhì)或無(wú)機(jī)物質(zhì)?！蓖禺愋误w的分子結(jié)構(gòu)不同使它們不能被稱(chēng)為同一種物質(zhì)，就像金剛石和石墨不是同一種物質(zhì)一樣。同位素指的是具有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)的同一元素的不同核素，由于它們具有相同的電子結(jié)構(gòu)，因此通常來(lái)說(shuō)同位素的化學(xué)性質(zhì)是不會(huì)有明顯變化的。

同素異形體是初中化學(xué)中一個(gè)十分重要并且十分有趣的學(xué)習(xí)內(nèi)容，能夠讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)，感受到自然科學(xué)的魅力以及大千世界的奇妙，同時(shí)為他們今后對(duì)化學(xué)的深入學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)，值得廣大師生花費(fèi)一些時(shí)間和精力對(duì)其進(jìn)行研究。

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？誗編輯 薛直艷