同素異形體和異構體的區別

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簡介

瑞典化學家永斯·雅各布·貝採利烏斯提出了異構體和同素異形體的概念。同素異形體的概念於 1841 年提出。氧氣的同素異形體 O₂ 和 O₃ 於 1860 年被發現。1827 年，弗里德里希·維勒首次注意到異構體的特性，並透過製備氰酸進行了研究。儘管氰酸和雷酸具有相同的元素組成，但它們的性質卻不同。在維勒進行的一些額外發現中，尿素和氰酸銨是相同的，永斯·雅各布·貝採利烏斯引入了“異構體”一詞。這兩個術語是非常重要的概念，在科學領域有著廣泛的應用。

什麼是異構體？

異構體是指具有不同化學和物理性質但含有相同數量相同原子的分子或具有相同分子式的現象。而表現出這種性質的化合物被稱為異構體。所有分子都是可移動的化合物，可以進行多種運動，從而導致不同的形狀。而化合物中存在的分子這種旋轉運動是造成異構體的原因。異構體主要分為兩種型別：結構異構體和立體異構體。

結構異構體也稱為構造異構體，因為它們在化合物中存在的分子連線方式上存在差異。結構異構體進一步包括官能異構體、位置異構體和鏈異構體。烴類，如甲烷 (CH₃)、乙烷 (CH₃ CH₃) 和丙烷 (CH₃ CH₂ CH₃) 沒有結構異構體。因為它們的連線方式無法改變。而烴類的第四和第五個成員則具有結構異構體。它們是：

1840460mahesh，烷烴結構 3，CC BY-SA 4.0

因此，很容易觀察到，隨著分子中原子數量的增加，結構異構體的可能性也會增加。

具有不同空間取向但化學組成相同的化合物是立體異構體。立體異構體進一步分為對映異構體和非對映異構體。順反異構體是非對映異構體的一種。例如，在乙烷分子中，單鍵中分子的旋轉將導致形成兩種型別的立體異構體。它們是交叉式乙烷和重疊式乙烷。如下圖所示

Dissolution，交叉式和重疊式，CC BY-SA 3.0

異構體的例子

異構體的例子可以是 1-戊烯和 2-戊烯是兩種結構異構體。

$$\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH=CH_2 -1-戊烯.}$$

$$\mathrm{CH_3-CH_2-CH=CH-CH_2-2-戊烯.}$$

乙醇和二甲醚是官能異構體的例子。也就是說：

順式和反式異構體丁-2-烯如下所示。

什麼是同素異形體？

不同的化合物只包含一種型別的原子，這就是同素異形體。而元素以這些形式存在的能力或特性稱為同素異形現象。13 族到 16 族元素更容易出現同素異形現象。因此，表現出同素異形現象的元素具有不同的形式。因此，化學元素以兩種或多種不同形式存在稱為同素異形現象或同素異形。這樣形成的同素異形體的物理和化學性質是不同的。碳的同素異形體是大家常聽到的，它們是金剛石和石墨。從外觀上我們就能看出，這兩種化合物完全不同。金剛石是最堅硬的物質，具有閃亮的外觀，而石墨是一種柔軟的物質，沒有光澤。儘管兩者都含有碳元素，但它們之間的鍵合方式使它們成為不同的化合物。金剛石中的鍵合方式是碳原子以四面體方式鍵合。而在石墨的情況下，它具有分層或片狀結構。

Diamond_and_graphite.jpg：使用者：Itub 衍生作品：Materialscientist（討論），金剛石和石墨 2，CC BY-SA 3.0

石墨烯和富勒烯也是碳的同素異形體。氧氣的同素異形體是 O₂（雙氧）和 O₃（臭氧）。這些同素異形體具有一個特性，即它們可以以不同的相存在，例如固態、液態和氣態。

同素異形體的例子

一些元素的同素異形體列在下表中。

元素名稱	同素異形體
碳	金剛石 木炭 石墨 煤 富勒烯 石墨烯
砷	黃色砷 白色砷 灰色砷
磷	白磷 黑磷 紅磷
氧	O2，雙氧 O3，臭氧
錫	白錫 灰錫
硫	斜方硫 單斜硫
矽	無定形矽 晶體矽

異構體和同素異形體有什麼區別？

同素異形體和異構體的區別列在下表中。

異構體	同素異形體
這些化合物具有不同的結構式，但具有相同的化學式。	同素異形體是同一化學元素的不同形式。
它們具有相似的分子式。	不同的化學式，但相同的元素。
分子結構不同。	原子結構不同。
異構體的某些原子是相同的。	某些原子是不同的。
某些化學性質相似，但物理性質不同。	不同的化學和物理性質。
丁烷和異丁烷是異構體的例子。	石墨和金剛石是碳的同素異形體。

關於同素異形體和異構體的趣味知識

碳的同素異形體是最常見和討論的話題。許多石墨和金剛石。碳是非金屬，外觀不閃亮。但碳原子連線形成的同素異形體則表現出不同的外觀。碳的同素異形體金剛石是碳的同素異形體，但它具有閃亮的外觀。石墨也是碳的同素異形體，它沒有這種外觀。下一個重要的特性是金剛石是最堅硬的材料，用於切割玻璃。而石墨是一種柔軟的材料。並且用於鉛筆。因此，即使石墨和金剛石是由基本元素碳組成的，它們的性質也存在如此大的差異。

異構體具有不同的化學和物理性質。例如，異構體丁烷和異丁烷具有不同的性質。丁烷的沸點為 1 攝氏度，而異丁烷的沸點為 -11 攝氏度。丁烷具有汽油般的氣味，而異丁烷則無味。因此，即使它們具有相同的分子式和相同數量的組成原子，它們的性質也完全不同。

結論

同素異形體和異構體是與化合物相關的兩個重要術語。僅由一種型別的原子組成但分子式不同的不同化合物是同素異形體。而異構體是具有相似分子式和某些原子但結構式不同的化合物。同素異形體在物理和化學方面是完全不同的化合物。但異構體在某些方面表現出相似性。金剛石和石墨是碳的重要同素異形體。丁烷和異丁烷是異構體。不同的化合物表現出異構現象，可能是結構異構體或立體異構體。不同的元素，如氧、磷、錫、碳、硫等，表現出不同的同素異形體。

常見問題

1. 什麼是多晶型現象？它與同素異形現象有何不同？

多晶型現象描述了一種化合物存在幾種晶體形式。結晶化合物表現出這種現象。而同素異形現象則涉及同一化學元素的不同形式。碳酸鈣的兩種多晶型物是方解石和文石。

2. 哪種元素的同素異形體最多？

碳是具有最多同素異形體的元素。已經發現了 40 多種碳的同素異形體。並且通常以無定形形式存在。

3. 水是同素異形體嗎？

水是一種化學化合物，包含一個氧原子和兩個氫原子，化學式為 H₂O。因此，它不是同素異形體，而是一種化學化合物。同素異形體只包含一種型別的化學元素。

4. 什麼是對映異構體和非對映異構體？

彼此互為映象的立體異構體是對映異構體。而那些不是映象的是非對映異構體。化學化合物右旋乳酸和左旋乳酸是對映異構體。化學化合物 D-蘇糖和 D-赤蘚糖是非對映異構體的例子。

5. 什麼是同位素？

同位素是指質量數相同但原子序數不同的原子。^1H、^2H、^3H 是氫的同位素