浅议初中化学中的同素异形体

陈鑫

摘 要：同素异形体是一个十分重要的化学概念，在初中化学的教学过程中已经有了初步的接触。从初中化学中提到的同素异形体出发，将同素异形体的几个问题进行阐述，希望能够引起学生对于化学学科的兴趣。

关键词：初中化学；同素异形体；问题

同素异形体指的是由相同元素组成，不同形态的单质。初中化学课程中已经有了初步的认识，例如碳元素的同素异形体包含金刚石、石墨、C60、碳纳米管、石墨烯等，而磷元素的同素异形体包括黄磷和红磷等。这些物质虽然都是碳单质，但其性能有着很大的区别。

一、同素异形体化学性质不同

初中化学课本中明确说明：“碳元素的各种同素异形体都有同样的化学性质”，在初中化学的知识体系层面上，或许这句话是正确的，但是随着学习的深入，我们发现，同素异形体不仅物理性质有很大的差异，就是化学性质也不尽相同。化学性质包括物质能否反应、反应的条件等，这一点十分值得商榷。通过实验或者查阅资料，金刚石在空气中需要加热到777℃才能够燃烧，石墨在空气中只要加热到687℃就可以燃烧，而无定型碳在空气中燃烧所需的温度更低。从这一方面看出，同素异形体之间的化学性质是不尽相同的。又比如，金刚石通常是不能够与酸碱等化学物质进行反应的，但是比它活泼的石墨就能够在加热的情况下与硫酸或者高锰酸钾发生氧化还原反应，从而实现石墨的氧化或者磺化，更有甚者，活性更大的石墨烯或者碳纳米管虽然也是碳元素的同素异形体，但是在较低的温度下就可以与酸性物质或者氧化物质进行反应。

二、化学性质不同的内在原因

初中化学已经精确指出，分子是保持一种物质化学性质的最小单位。在化学反应的过程中，原子是不会产生也不会消失的，而是从一种分子中移动到了另一种分子中去。化学性质实际上就是分子的性质，在单质物质中，也就是原子。更确切地说是物质最表层的原子的性质，而这些原子的化学性质实际上取决于它们原子表层电子的数量以及状态。在上面的例子中，金刚石是一种三维网状的结构，碳原子最外层的四个电子分别与令一个碳原子的一个电子形成共价键，从而使其失去活性，在高温的状态下，原子本身和电子的移动速度加快，当超过了共价键的键能之后，共价键才能够断裂从而释放出电子与氧气进行反应生成新的碳氧键；石墨是一种层状的结构，每一层中的一个碳原子与周围的三个碳原子形成了三个共价键，另一个电子成为自由电子与另外一层的碳原子中的一个电子形成了分子键，而分子键的键能相对于共价键就差了很多，这就为化学反应的发生提供了可能性。另外，在石墨分子的边缘处的碳原子，由于自由电子是有很大的活性的，虽然表层的原子数目不是很多，但是在化学反应的过程中能起到较大的作用；将石墨的每一层进行分离，那么就得到了单层的石墨，也就是石墨烯的概念，这部分已经超出了初中化学的范围，在此讨论能够激发学生对于化学的更大兴趣。石墨烯由于其所有的原子都是表层原子，每一个碳原子至少拥有一个自由电子，甚至在边缘处或者缺陷处每一个碳原子都包含一个以上的自由电子，这就使得石墨烯的化学活性已经比较高了，很容易进行氧化还原反应的促成。

从上面的同素异形体化学活性对比，我们可以看出，化学反应的本质是化学键的断裂和重组，而化学键的断裂又与反应的条件息息相关，比如温度或者介质等。从这个观点来看，即使是同一种元素，如果其原子的排列结构不同，造成其化学活性的不同也是一种十分常见的事情。比如红磷和黄磷，黄磷在空气中很容易自燃，着火点40℃，而红磷磷则显得比较稳定，着火点200℃以上，这也是因为二者的组织结构有较大的区别。如果顺着这条思路往前探索，那么就不仅仅是同素异形体有这样的现象，影响化学性质的不仅仅是元素本身，还有元素结合的结构和比例等。理解了结构对于化学的重要性，对于今后学生学习有机物和高分子化学等就有十分积极的意义。

三、同素异形体与物质、同位素的关系

从概念上来讲，同素异形体同属于同一种物质，并且只能是单质。如果化合物具有类似的现象，叫做化合物的同分异构体。同素异形体虽然由同一种元素构成，但是它们并不是同一种物质，因为物质的概念是：“任何有特定分子标识的有机物质或无机物质。”同素异形体的分子结构不同使它们不能被称为同一种物质，就像金刚石和石墨不是同一种物质一样。同位素指的是具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同核素，由于它们具有相同的电子结构，因此通常来说同位素的化学性质是不会有明显变化的。

同素异形体是初中化学中一个十分重要并且十分有趣的学习内容，能够让学生在学习知识的同时，感受到自然科学的魅力以及大千世界的奇妙，同时为他们今后对化学的深入学习打下良好的基础，值得广大师生花费一些时间和精力对其进行研究。

参考文献：

[1]朱定国.也谈同素异形体互变是化学变化吗[J].化学教育，1989（05）.

[2]侯前进.小议同素异形体现象[J].课程教育研究，2014（18）.

？誗编辑 薛直艳