同素异形体
本是同根生,相差何其大


文章出自:博物 2011年第04期 作者: 王魏 

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也许你曾经诧异过,同样由碳元素组成,可金刚石和石墨的长相,差距咋就这么大呢?类似情况在自然界中还有:红磷与白磷、氧气与臭氧……几乎风马牛不相及,科学家给它们起了一个很贴切的名字——同素异形体。
金刚石

同源不同型

一块橡皮泥,在一百个人手中能捏出一百种形状。其实在我们的世界里,只由一种原料组成的不同东西,远比橡皮泥捏出来的精彩多了,比如馒头和面条,或者钉子和菜刀。但这些都是人类按照自己的意愿加工而成,不像接下来要说到的这些物质,它们是自然状态下,只靠一种元素形成的几种完全不同的东西——这就是“同素异形体”。

顾名思义,“同素异形体”都是由同一种元素组成的,而且还必须是单质,也就是说,它们只由一种原子组成。而原子要汇聚成物质,组合的方式可以有很多种:围成一圈、站成一排,甚至叠罗汉,结构各异,所以造成了同一种原子,可以形成不同的物质。

富勒烯
石墨
碳氏家族
碳是同素异形体种类最多的元素,除了天然形成的石墨和金刚石,还有人工制造的富勒烯等。金刚石的结构非常稳定,能耐高温而且硬度极高,可以切割任何金属和石料;石墨就不同了,因为空间结构松散,既软又易碎,但也正是因此,电子能在其间通畅自由地游走,导电性极佳。富勒烯又叫“足球稀”,它的结构跟传统足球的外皮一样,由五边形和六边形围合成球形,但它目前只停留在科研阶段,还没有付诸实用。

我们长得也太不像了!

DNA一致的双胞胎有可能越长越不像,但你还是能看出他们有很多相似之处,可同素异形体就不同了,你很难从外观上发现它们有什么“血缘关系”,因为它们毫无相似之处,就像金刚石和石墨,都是由碳元素组成,但一个生得光彩熠熠,另一个却是灰头土脸。这样的组合还有好几个:磷有红磷、白磷、黑磷三兄弟,氧气还有一个叫臭氧的大哥……

氧气
臭氧
氧氏家族
单质氧有氧气和臭氧两种形态。氧气想必不用多说,几乎所有的生命都需要,而且又是化学反应中出镜率最高的物质。臭氧其实并不臭,只是味道有些“腥”,它在主要分布于大气的平流层中,靠牺牲自我变成氧气,来替人类吸收系外线。

不过,任它衍生出的种类再多,组成的原子只有一种,所以,这些物质的化学性质几乎完全相同,比如白磷和红磷燃烧后都生成五氧化二磷。但因原子排列方式不同,它们的物理性质却差异巨大,比如原子站成排的就很容易被拆散,摞得严严实实的更耐高温。

责任编辑 / 郭亦城 

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