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同位素、同素異形體、同系物和同分異構體的概念辯析
? 化學基本概念反映化學物質的本質屬性，是化學的基礎。明確概念的內涵與外延，是正確把握知識的要素，也是正確判斷和推理的基礎，因此在概念的教學中，讓學生掌握、運用概念，尤為重要。同位素、同素異形體、同系物、同分異構體和同一種物質等化學中幾個經常用到的概念，也是一些同學經常混淆的概念，下面就這幾個概念的區別加以詳細的說明。
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對于同位素、同素異形體、同系物和同分異構體這四個概念，學習時應著重從其定義、對象、化學式、結構和性質等方面進行比較，抓住各自的不同點，從而理解和掌握。這幾個概念都表明了事物之間的關系，下表列出了比較了它們的異同：
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同位素
同素異形體
同系物
同分異構體
定義
質子數相同，中子數不同的原子(核素)
由同一種元素組成的不同單質
結構相似，分子組成相差一個或若干個CH2基團的物質
分子式相同，結構不同的化合物
對象
原子
單質
化合物
化合物
化學式
元素符號表示不同，如 、 、
元素符號表示相同，分子式可以不同，如O2和O3
不同
相同
結構
電子層結構相同，原子核結構不同
單質的組成或結構不同
相似
不同
性質
物理性質不同，化學性質相同
物理性質不同，化學性質相同
物理性質不同，化學性質相似
物理性質不同，化學性質不一定相同
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說明：
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1、同位素的對象是原子，在元素周期表上占有同一位置,化學性質基本相同,但原子質量或質量數不同,從而其質譜行為、放射性轉變和物理性質(例如在氣態下的擴散本領)有所差異。
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2、同素異形體的對象是單質，同素異形體的組成元素相同，結構不同，物理性質差異較大，化學性質有相似性，但也有差異。如金剛石和石墨的導電性、硬度均不同，雖都能與氧氣反應生成CO2，由于反應的熱效應不同，二者的穩定性不同（石墨比金剛石能量低，石墨比金剛石穩定）。
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同素異形體的形成方式有三種：　
　(1)組成分子的原子數目不同，例如： O2和O3 。　　(2)晶格中原子的排列方式不同，例如：金剛石和石墨。??? (3)晶格中分子排列的方式不同，例如：正交硫和單斜硫(高中不要求此種)。
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注意：同素異形體指的是由同種元素形成的結構不同的單質，如H2和D2的結構相同，不屬于同素異形體。
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3、同系物的對象是有機化合物，屬于同系物的有機物必須結構相似，在有機物的分類中，屬于同一類物質，通式相同，化學性質相似，差異是分子式不同，相對分子質量不同，在組成上相差一個或若干個CH2原子團，相對分子質量相差14的整數倍，如分子中含碳原子數不同的烷烴之間就屬于同系物。
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?? (1)結構相似指的是組成元素相同，官能團的類別、官能團的數目及連接方式均相同。結構相似不一定是完全相同，如CH3CH2CH3和(CH3)4C，前者無支鏈，后者有支鏈，但二者仍為同系物。
(2)通式相同，但通式相同不一定是同系物。例如：乙醇與乙醚它們的通式都是CnH2n+2O,但他們官能團類別不同,不是同系物。又如：乙烯與環丁烷,它們的通式都是CnH2n,但不是同系物。
(3) 在分子組成上必須相差一個或若干個CH2原子團。但分子組成上相差一個或若干個CH2原子團的物質卻不一定是同系物，如CH3CH2Br和CH3CH2CH2Cl都是鹵代烴，且組成相差一個CH2原子團，但二者不是同系物。
(4)同系物具有相似的化學性質，物理性質有一定的遞變規律，如隨碳原子個數的增多，同系物的熔、沸點逐漸升高；如果碳原子個數相同，則有支鏈的熔、沸點低，且支鏈越對稱，熔、沸點越低。如沸點：正戊烷＞異戊烷＞新戊烷。同系物的密度一般隨著碳原子個數的增多而增大。
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4、同分異構體的對象是化合物，屬于同分異構體的物質必須化學式相同，結構不同，因而性質不同。具有“五同一異”，即同分子式、同最簡式、同元素、同相對原子式量、同質量分數、結構不同。屬于同分異構體的物質可以是有機物，如正丁烷和異丁烷；可以是有機物和無機物，如氰酸銨和尿素；也可以是無機物，如[Pu(H2O)4]Cl3和[Pu(H2O)2Cl2]·2H2O·Cl。
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在有機物中，很多物質都存在同分異構體，中學階段涉及的同分異構體常見的有以下幾類：?
(1)碳鏈異構：指碳原子之間連接成不同的鏈狀或環狀結構而造成的異構。如C5H12有三種同分異構體，即正戊烷、異戊烷和新戊烷。
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(2)位置異構(官能團位置異構)：指官能團或取代基在在碳鏈上的位置不同而造成的異構。如1—丁烯與2—丁烯、1—丙醇與2—丙醇、鄰二甲苯與間二甲苯及對二甲苯。
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(3)類別異構(又稱官能團異構)：指官能團不同而造成的異構，如1—丁炔與1，3—丁二烯、丙烯與環丙烷、乙醇與甲醚、丙醛與丙酮、乙酸與甲酸甲酯、葡萄糖與果糖、蔗糖與麥芽糖等。
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(4)其他異構方式：如順反異構、對映異構（也叫做鏡像異構或手性異構）等，在中學階段的信息題中屢有涉及。
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各類有機物類別異構體情況：
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⑴ CnH2n+2：只能是烷烴，而且只有碳鏈異構。如CH3(CH2)3CH3、CH3CH(CH3)CH2CH3、C(CH3)4
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⑵ CnH2n：單烯烴、環烷烴。
CH2—CH2
CH2—CH2
CH2
CH2—CH
—CH3
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如CH2=CHCH2CH3、CH3CH=CHCH3、CH2=C(CH3)2、? ?????????、
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CH—CH
CH2—CH2
⑶ CnH2n-2：炔烴、二烯烴、環烯烴。如：CH≡CCH2CH3、CH3C≡CCH3、CH2=CHCH=CH2、
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—CH3
—CH3
—CH3
CH3
—CH3
CH3—
⑷ CnH2n-6：芳香烴（苯及其同系物）。如：?????????? 、????????? 、
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⑸ CnH2n+2O：飽和脂肪醇、醚。如：CH3CH2CH2OH、CH3CH(OH)CH3、CH3OCH2CH3
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⑹ CnH2nO：醛、酮、環醚、環醇、烯基醇。如：CH3CH2CHO、CH3COCH3、CH2=CHCH2OH、??????????? ??????
CH2
CH2—CH
—OH
CH2—CH2
O??? CH2
O
CH2—CH
—CH3
?????? ???????????????、????????? 、
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⑺ CnH2nO2：羧酸、酯、羥醛、羥基酮。如：CH3CH2COOH、CH3COOCH3、HCOOCH2CH3、
HOCH2CH2CHO、CH3CH(OH)CHO、CH3COCH2OH
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?⑻ CnH2n+1NO2：硝基烷、氨基酸。如：CH3CH2NO2、H2NCH2COOH
⑼ Cn(H2O)m：糖類。如： C6H12O6：CH2OH(CHOH)4CHO、CH2OH(CHOH)3COCH2OH
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C12H22O11：蔗糖、麥芽糖。
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例1、下列各組物質中，兩者互為同分異構體的是(????? )
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
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解析：同分異構體是分子式相同，但結構不同。CuSO4?3H2O和CuSO4?5H2O組成就不同，不是同分異構體；NH4CNO和CO(NH2)2分子式相同，二者結構不同，互為同分異構體；C2H5NO2和NH2CH2COOH，前者是硝基化合物，后者是氨基酸，分子式相同，屬于類別異構；[Pu(H2O)4]Cl3和[Pu(H2O)2Cl2] ?2H2O?Cl，前者表示四個水分子直接和Pu相結合，后者中是兩分子的水和兩個氯離子與Pu相結合，所以結構不同，互為同分異構體。正確選項為B。
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例2、下列各組物質，其中屬于同系物的是(????? )　　
(1)乙烯和苯乙烯　 ????(2)丙烯酸和油酸　 ????(3)乙醇和丙二醇　
(4)丁二烯與異戊二烯　 (5)蔗糖與麥芽糖　　A．(1)(2)(3)(4)　 ????????B．(2)(4)　　C．(1)(2)(4)(5)　??????? ?D．(1)(2)(4)　
解析：同系物是指結構相似，即組成元素相同，官能團種類、個數相同，在分子組成上相差一個或若干個CH2原子團，即分子組成通式相同的物質。乙烯和苯乙烯，后者含有苯環而前者沒有；丙烯酸和油酸含有的官能團都是雙鍵和羧基，而且數目相同所以是同系物；乙醇和丙二醇官能團的數目不同；丁二烯與異戊二烯都是共軛二烯烴，是同系物；蔗糖和麥芽糖是同分異構體而不是同系物。正確選項為B。
例3、有下列各組微粒或物質：
?????????????????????????????????????????????????????????????????? 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）??????????????? 組兩種微粒互為同位素；
（2）??????????????? 組兩種物質互為同素異形體；
（3）??????????????? 組兩種物質屬于同系物；
（4）??????????????? 組兩物質互為同分異構體；
（5）??????????????? 組兩物質是同一物質。
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解析：這道題主要是對幾個帶“同字”概念的考查及識別判斷能力。A項為都由氧元素形成的結構不同的單質，為同素異形體。B項為質子數相同，中子數不同的原子，屬于同位素。C項均為烷烴結構，分子組成上相差一個CH2原子團，屬于同系物。D項均為甲烷的取代產物，因而是立體結構，是同種物質。D項的分子式相同，結構不同(碳鏈異構)，是同分異構體。
正確選項為：（1）B? ??（2）A ??（3）C? ??（4）E? ??（5）D
例4．如果定義有機物的同系列是一系列結構簡式符合： (其中n=0、1、2、3……)的化合物。式中A、B是任意一種基團(或氫原子)，w為2價的有機基團，又稱為該同系列的系差。同系列化合物的性質往往呈現規律性變化。下列四組化合物中，不可稱為同系列的是：　　A．CH3CH2CH2CH3 　 ????CH3CH2CH2CH2CH3　　　 ???CH3CH2CH2CH2CH2CH3　　B．CH3CH＝CHCHO 　? ?CH3CH＝CHCH＝CHCHO　 　 ?CH3(CH=CH)3CHO　　C．CH3CH2CH3 　 　 ???CH3CHClCH2CH3　　　　 ??CH3CHClCH2CHClCH3　　D．ClCH2CHClCCl3　? ??ClCH2CHClCH2CHClCCl3　　? ClCH2CHClCH2CHClCH2CHClCCl3解析：此題是95年全國高考題，也是一個信息題，信息中給出了一個新的概念同系列。在課堂上我們學習過同系物這一概念。這就形成了兩個非常相近的概念，需要我們在理解新信息的基礎上，進行對比、辨析，然后運用解題。同系物是指結構相似，在分子組成上相差一個或若干個CH2原子團的物質。而同系列是指結構相似，在結構上相差一個或若干個重復結構單元的物質。據此可迅速作出判斷，正確選項為C。
練習：
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1． 在熱核反應中沒有中子輻射，作為能源時不會污染環境。月球上 的儲量足夠人類使用1000年，地球上含量很少。和兩者互為（??? ）
A．同素異形體　? 　B．同位素　?? 　C．同系物　??? 　D．同分異構體
解析： 和 的質子數相同，中子數不同，二都均為原子，互為同位素。答案： B
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2．美國和墨西哥研究人員將普通納米銀微粒分散到納米泡沫碳（碳的第五種單質形態）中，得到不同形狀的納米銀微粒，該納米銀微粒能有效殺死艾滋病病毒(HIV－1)。納米泡沫碳與金剛石的關系是21世紀教育網
A．同素異形體?????? B．同分異構體???? ???C．同系物??????? ? D．同位素 21世紀教育網
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解析：因納米泡沫碳是碳的第五種單質形態，而金剛石也是碳的一種單持同，所以二者是由同種元素形成的結構不同的單質，故為同素異形體。答案：A
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3．下列各對物質中屬于同分異構體的是（?????? ）
A. C與 C???? ????????????????????B.O2與O3
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解析：A是同位素，B是同素異形體，C是同一物質，D是同分異構體。答案：D
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4．下列各組物質中，互為同系物的是（ ??????）?????????????????????????????????????????????????????????????????????????
A.??? —OH與??? —CH3?????????? ?????B. HCOOCH3 與CH3COOC3H7 ????????????????????????????
C.??? —CH=CH2 與CH3—CH=CH2?????? D. C6H5OH與C6H5CH2OH??
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解析：A項二者相差一個氧原子，不是同系物。B項均為酯，結構相似，又分子組成上相差一個CH2原子團，屬于同系物。C項不是同一類別的有機物，結構不相似，不是同系物。D項的C6H5OH是苯酚，C6H5CH2OH是苯甲醇，不是同一類別的，結構不相似，不是同系物。答案： B
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5．下列各組物質中一定互為同系物的是（ ??????）
A．C3H8、C8H18 ???B． C2H4、C3H6????? C． C2H2、C6H6? ???D． C8H10、C6H6
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解析：A項均為烷烴，分子組成上相差CH2原子團，是同系物。B項不一定互為同系物，當二者都是烯烴時，是同系物；當C3H6是環丙烷時，不是同系物。同理，C項結構不相似，不是同系物。D項可以是不同的類別，不一定是同系物。答案： A

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