科学网—杂说同“分”异“性”
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2026-6-30 07:37
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杂说同“分”异“性”
我们周围各种各样物质的性质与组成这些物质的成分有关。作为由化学元素组成的的物质，其性质当与其组成的元素有关。组成的元素不同，其性质也不同。例如，由氧元素和碳元素组成的二氧化碳，与由氧元素和铁元素组成的氧化铁，性质当然不一样。
即使组成的元素相同，但是，各元素所占的比例不同，物质的性质仍然不同。例如，同样由氧元素和碳元素组成的物质，如果氧原子与碳原子个数的比例为1：1（即一氧化碳）与其比例为2：1（即二氧化碳），两种物质的性质仍然不同。这是大家都熟悉的常识。
即使组成物质的各元素的比例一样，物质的性质仍然有可能不同。例如由碳元素和氢元素组成的化合物，碳元素与氢元素的原子数之比都为1：1，组成的化合物可以为C2H2（乙炔）、C4H4（环丁二烯）、C6H6（苯）、C8H8（苯乙烯）等等，它们的性质还是不同。
如果物质的分子式相同，但原子排列结构不同，它们的性质还是可能不同。 化学上把它称为同分异构现象。同分，就是分子式相同，异构，就是原子排列结构相异。所谓原子排列结构不同，又可以分为两种情况 。
一种情况是原子连接的次序不同。例如分子式同样为C2H6O，如果C2H5-是乙基或写为CH3CH2-，-OH是羟基，两个基团连在一起，就是乙醇；如果氧原子分别两个甲基CH3相连，写为CH3OCH3就是二甲醚。
乙醇与二甲醚的组成元素一样，都是C2H6O，性质就大不相同。乙醇即酒精，常温下为液体，能够与水以任意比例互溶，是我们所喝酒的主要有效成分。二甲醚在常温下是气体，闻多了会被麻醉，这些都与酒精完全不同。这是一种同分异构现象。
同分异构的另一种情况是分子中原子相互连接的情况也相同，但是在空间中方位不同，它们之间的性质也不相同，这种情况称为立体异构。
举一个例子，我们都知道牛奶放时间长了要变酸，那是牛奶中的乳糖氧化了，变成了乳酸，我们喝的酸奶里就有乳酸。乳酸的结构经过化学家测定，是 
也就是说，乳酸分子的中间是一个碳原子C，与这个C原子相连接的有4个基团，它们分别是氢原子H、羟基OH、甲基CH3和羧基COOH。
在动物（包括我们人类）的肌肉中，也有乳酸。经过测定，它与酸奶中的乳酸一样的成分、原子的连接方式也一样，但是，两种乳酸却有不同的熔点。酸奶中得到的的乳酸熔点只有十七八摄氏度，而肌肉中提取的乳酸的熔点则要高一些，有五十多摄氏度，如果不大很纯的话，熔点会下降得很厉害。
这是什么原因呢？我们需要看一看这个分子的立体结构。上面说过，乳酸是一个中心碳原子上连接着4个不同的基团。要注意，这4个基团并不都在一个平面上，它们分别位于以C原子为中心的四面体的四个角上。打一个比方，这是一个蛋黄粽子形的，C原子是粽子中间的蛋黄，那4个基团在粽子的4个角上。 
但是，四个基团的摆法却有两种，如上图左右两边所示，这就是乳酸的两个不同的构型。从肌肉中提取的乳酸，被证明是左边的构型，而酸奶里的乳酸则是上面两个构形的混合物，左右两个构型各占一半。我们用普通化学合成方法制备得到的乳酸也是两个构型各占一半的混合物。
同时我们也注意到，由于这是一个正四面体，可以翻来覆去掉个儿，但是无论怎么掉，摆法只有这两种。而这两种构型是对映的，如果上图中间的黑线代表一面镜子，那么如果一边是实物，另一面就是它在镜子里面的像。
这样的关系，正如我们的左右两手。请伸出你的双手看一下，双手的结构组成都是一样的，但是无论怎么样掉个儿，左手都成不了右手。而左右两手也正好各自成为对方在镜子里面的像，或者说，它们是对映的。因此，立体异构又称手性异构。
所谓“有机物”就是与生物（当然包括我们人类自己）有关的化合物，基本上都是碳元素的化合物。众所周知，碳最主要的化合价是4价，也就是说，每一个碳原子与另外四个原子连接，碳原子居于四面体的中心，就像上面乳酸的情况一样。如果与碳原子相连的4个基团都不相同（这样的碳原子被称为不对称碳原子），那么都会与乳酸一样，有与我们的双手类似的两种不同构型。这样的化合物，我们称之为手性化合物。当然，容易证明，中心碳原子上连接的基团如果有两个基团相同，就不会出现上面所说的两种不同的手性（这样的碳原子就不是不对称碳原子）。
这样，具有多个不对称碳原子的有机分子，总是有许许多多立体异构体。例如，我们常用的D-葡萄糖就有多个D-型立体异构体，它们的性质也多有不同： 
同分异构一般都用于有机化合物。
实际上，成分相同而性质（包括物理性质如熔点、沸点、旋光度等等）不同的现象不光存在于有机化合物。即使在严格意义上不存在“分子”的晶体化合物，也有成分相同而性质不同的现象。这就是本文的标题要用同“分”异“性”这样的词语的原因。这里的“分”是“成分”，“性”是“性质”。
举一个例子，碳酸钙（CaCO ₃ ）在自然界中主要存在 三种晶型矿物 ，其中方解石最稳定，文石次之，球霰石最不稳定 。
方解石是碳酸钙晶体在常温常压下 最稳定 的形态，地壳中分布也最广。该晶体属三方晶系，常见菱面体解理，敲击易碎成方形块。像石灰岩、大理石、冰洲石、白 垩、石钟乳等主要成分均为方解石。
文石（又称霰石） 是碳酸钙的亚稳态矿物，晶体属正交（斜方）晶系。常见于海洋生物贝壳、珊瑚骨骼及某些热液矿脉中，长期放置或受热易转变为方解石 。
而 球霰石是三种晶体中相对最不稳定 的亚稳态矿物，通常为球形或团簇状微晶。它比普通的碳酸钙容易溶解于水，生物兼容性也好，可以用于生物医药及其他工业领域 。
又如，只是单质的金属元素，也往往具有多种晶体结构。例如铁就具有α、γ、δ三种晶体结构 ，具体形态会随温度变化而改变。由于晶体结构不同，它们的许多物理性质，也不相同 。
再进一步说，在分子内部的电子所处的能级不同，也能够使得分子的性质不同。
例如，普通的氧单质，是由两个氧原子构成的O2分子。根据量子力学，由于必有两个电子会处于能级较高的反键分子轨道，如果这两个电子的自旋平行，其能量将低于两个自旋相反的状态。所以，氧分子的基态是三重态，而单重态的能量较高是激发态。据此，三重态氧分子的反应活性比单重态低。
这是分子内电子态的不同，引起的分子反应活性的不同。更是属于“同‘分’异‘性’”了。
在分子内部，由于原子核自旋的不同，也能够引起分子性质的不同。例如，对于原子核只有一个质子的氢原子组成的氢分子H2，由于质子自旋状态的不同，形成了物理性质（熔点、沸点等）略有不同的两种氢单质：正氢和仲氢。
对于有许多个质子的体系，从原则上说，也会有许多类似正氢和仲氢这样由核自旋引起的“同‘分’异‘性’”现象，但是质子数众多而由此引起性质的平均差别将会非常小，所以一般都不考虑了。
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