同素异形体

常见的同素异形体：碳的同素异形体有三维的金刚石、二维的石墨烯、一维的碳纳米管、零维的富勒烯等结构[4]。氧可以形成氧气、臭氧、四聚氧和红氧。[5]磷的同素异形体：白磷和红磷。[6]

历史缘由

同素异形体的概念最早可追溯到1841年，瑞典科学家Berzelius第一次提出该概念，但当时并未引起足够重视。直到1860年阿伏加德罗定律（Avogadro’s hypothesis）被接受后，人们才了解到，元素能以多原子的形式存在，并逐渐承认氧元素有同素异形体O_{2和O3。二十世纪初期大发展，陆续发现碳、硫等因不同晶体结构而形成的同素异形体。1912年，奥斯特瓦尔德（Ostwald）注意到元素的同素异形现象，只是化合物同质多晶形（polymorphism）的特殊状态，他提出应该用同质多晶形物（polymorph）和同质多晶形性（polymorphism）来取代同素异形体和同素异形性。[7]}

1817年，瑞典的贝齐里乌斯从硫酸厂的铅室底部的红色粉状物物质中制得硒。他还发现到硒的同素异形体。他通过还原硒的氧化物，得到了橙色无定形硒；缓慢冷却熔融的硒，又得到灰色晶体硒；在空气中让硒化物自然分解，得到黑色晶体硒。[8][9]

形成方式

同一种元素形成同素异形体的方式有三种：[10]

①构成分子的原子数目不同，例如，氧气(O_{2)和臭氧(O3)；}

②晶格中原子的排列方式不同，例如，金刚石、石墨和C_60；

③晶格中分子排列的方式不同，例如，正交硫和单斜硫。

影响同素异形体形成的关键因素。

原子的电子层结构对同素异形体的形成至关重要。

原子中含有2个或2个以上的未成对电子的非金属元素，可以形成多种同素异形体；

同一种元素的原子因为成键不同而形成多种同素异形体。[11]

性质介绍

同素异形体之间物理性质有很大的差异，性质差异的原因是结构排列方式不同；化学性质存在着一定的相似性，但化学性质也不尽相同[12]。

物理性质的差异主要表现在硬度、强度、形状、颜色和状态等方面；化学性质的相似，如碳的三种同素异形体,在空气或氧气中都能燃烧生成二氧化碳；但是，由于物理性质的巨大差异，导致其反应条件不同。[13]

相互转化

同素异形体之间在一定条件下可以相互转化，这种转化有的是化学变化，有的则是物理变化；石墨转化为金刚石：C(graphite)→C(diamond)，构成分子的原子数目不同且原子间排列方式不同导致化学键发生改变时，所引起的变化属于化学变化；[14]

S(单斜)⇌S(斜方)（条件为95.5℃），由于只是S分子间排列方式不同，为物理变化。[15]

同素异形体之间相互转化的常见条件为高温、高压。

例如磷的两种特殊同素异形体黑磷和紫磷，黑磷由白磷在12000大气压下加热转化而成[16]；

锡是一种既怕冷也怕热的金属，因为金属锡有3种不同的形态，常温下性质很稳定，称为白锡，如果温度升高160℃以上就会变成一碰就碎的“脆锡”，当温度低于零下13.2℃以下时会由银白色金属逐渐变成煤灰状粉末——灰锡。[17]

常见示例介绍

碳的同素异形体

金刚石

由于金刚石是目前地球上天然物质中最坚硬的，主要用途可分为装饰品用和工业用两大方面。

纯度较高且完整的金刚石晶体属于绝缘体。[18]

石墨

石墨的每个碳原子连结的三个碳原子(排列方式呈蜂巢式的多个六边形)以共价键结合，构成共价分子，最终形成片、层状结构。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。

石墨主要性质特点就是耐高温、强度大、导电性优良、导热效率高、润滑效果优秀。石墨在常温下具备良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀；可塑性和韧性好，可碾成很薄的薄片；常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，抗震性好。[19]

富勒烯

富勒烯(Fullerene)或巴基球(Bucky ball)是指一族碳原子化合物，最初命名为C_{60，因为是球形，所以被命名为巴克明斯特富勒烯（Buckminstfullerene）。富勒烯是由碳五元环和六元环相互排列组成的封闭中空分子的统称，是继石墨和金刚石之后人们发现的第三种碳的同素异形体。[20]}

碳纳米管

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料。碳纳米管主要由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的同轴中空无缝管状结构，其管壁大都是由六边形碳原子网格组成。

碳纳米管具备良好的电学性能、力学性能、导热性能和吸附性能。[21]

石墨烯

石墨烯（Graphene）是一种由单层碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的片状结构的新材料，是只有一个碳原子厚度的二维晶体材料。

把石墨烯卷成圆筒形，就是一维的碳纳米管，把石墨烯堆起来，就成为三维的石墨。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学的二位物理学家成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，从而证实它可以单独存在。[22] 

石墨烯是世上最薄的材料；石墨烯是人类已知强度最高的物质，它比钻石还坚硬；石墨烯电阻率极低，电子迁移的速度极快；石墨烯材料几乎完全透光，透光率在97%以上。

石墨炔

1968年著名理论家Baughman通过计算认为石墨炔结构可稳定存在；

直至 2010年，李玉良课题组在石墨炔的制备方面取得了重要突破，成功地在铜片表面上通过化学方法合成了大面积(3.61cm2)具有二维结构的高分子石墨炔( graphdiyne)薄膜，并且第一次被李玉良等研究人员用汉语命名为“石墨炔”。[23]

氧的同素异形体

氧气

氧气（oxygen），化学式O₂。氧气是我们人类生命不可或缺的重要组成，空气中氧气体积约占21% 。

氧气最重要的作用就是供给呼吸，除此，氧气的应用领域也十分广泛，如化学工业、国防工业和医疗保健。[24]

臭氧

1840年，德国科学家先贝因在进行硫酸电解实验时又闻到了类似的臭味，这与火花放电及大气中发生闪电时出现的气味类似，先贝因将产生此种异味的物质命名为臭氧。臭氧的名称来源于希腊文，意为气味难闻。

在地球诞生40亿年以后，由于大气中氧含量的逐渐增加及复杂的光化学反应的不断发生，大气中的臭氧层吸收了阳光的大量紫外线，生物才开始能够大规模地向陆地。[25]

四聚氧

四聚氧（oxozone），非金属单质，化学式O_{4，为正四面体或者矩形。吉尔伯特·牛顿·路易斯于1924年预测了四聚氧的存在。}

四聚氧的结构复杂，O_{4的预计构型为正四面体或者矩形；一价电离能及电子亲合势能与氧原子、普通氧分子O2和臭氧分子O3的计算结果比较，显示O4分子可以以正方形结构或正四面体结构形式存在，其中正方形结构更有可能是O4分子的真实空间结构。[5]}

磷的同素异形体

白磷（P_4）

白磷在贮存时，由于受光和杂质的影响易变为淡黄色，故习惯上称为黄磷，其外观为黄色蜡状固体，质软，可用刀切割，熔点44.1℃，沸点280℃，不溶于水，微溶于醇，易燃，在34℃即自行燃烧，必须贮存在水中，切割也需在水为冷发光，其气味恶臭，毒性极强。[26]

红磷

紫红或略带棕色的无定形粉末，无毒无味；有光泽；易吸潮，加热至416℃升华，在43kPa下加热至590℃可熔融，气化后再冷凝则得白磷；不溶于水和二硫化碳，乙醚、氨等，略溶于无水乙醇。稳定性比白磷好，在常温下稳定，不发磷光，难与氧反应。200℃以上易燃。

红磷阻燃剂是非卤高效阻燃剂，广泛用于PET、PC、PBT、PA等富含氧元素的材料的阻燃。[27][6]

硫（S）

硫是固态同素异形体数量最多的元素。

最为常见的是斜方晶硫(也称菱形硫、a-硫，相对密度为2.06，熔点为385.8K)和单斜晶硫(也称β-硫,相对密度为1.99，熔点392K)。[28]

硒（Se）

硒的同素异形体，可分为气态硒、液态硒、固体硒、纳米硒和硒团簇等5类。

最为常见的两种同素异形体：灰硒和无定型态的红硒。[29]

硼（B）

硼元素由于成键方式很复杂，可以形成多种多样单质晶体结构；硼较为常见的两种同素异形体有无定形硼和结晶形硼。

无定形硼为暗棕色粉末，无定形硼可用于生产硼钢，硼钢主要用于制造喷气发动机和核反应堆的控制棒。

结晶形硼是有光泽的灰色晶体，硬度与金刚石相近，但很脆；[30]

锑（Sb）

金属锑的同素异形体包括两方面：块体锑(灰锑、爆炸性锑、黑锑、黄锑)和纳米锑(锑烯、锑纳米管)。[31]

钠（Na）

将钠放在150万大气压时，钠的颜色从银色变为黑色；当压强达到190万大气压时，钠开始变得透明，呈红色；而在300万大气压下，钠变成了透明的固体。

这些钠的高压同素异形体都是绝缘体和非常规无机电子晶体（electride）。[32]

锡（Sn）

锡是白色光泽的金属，具有耐变色、柔软、无毒 和延展性好等特点，单质锡有三种同素异形体：α-Sn也称灰锡，为金刚石形立方晶系；β-Sn也称白锡， 为四方晶系；γ-Sn也称脆锡，为正交晶系。[33]

钴（Co）

钴有两种同素异形体：六角形和立方形，六角形在室温下比立方形更稳定。[34]

铁（Fe）

固态的铁有三种同素异形体：

α-铁：体心立方点阵；γ-铁：面心立方点阵；δ-铁：体心立方点阵；[35]

易混淆概念

[36]

参考资料

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