同素异形体是只含一种元素吗（聊聊同素异形体）

学过化学的朋友都知道，钠是一种非常活泼的堿金属，它呈银白色，很轻很软，由于原子最外层只有一个电子，钠有很好的导电性，并且钠是不透明的。

事实上目前所有已知的金属对可见光都不透明，这是因为在金属表面有一层自由电子的“海洋”，当光子与金属表面碰撞后，其电场会激发金属表面的电子，使其发生弹性响应，于是光子大多数被反射出去，只有极少数光谱光子被吸收。那些与被吸收光量子耦合的自由电子，其跃迁主要发生在费米能级附近很小的能量范围内，因此远离能隙，它们只会产生热能，不会激发出新的光子，所以金属在理论和实际上对可见光不透明。钠是一种活泼的金属，它自然也是不透明的。

金属钠是银灰色活泼金属，它不透明

但如果将钠放在极高压力的环境下，情况就发生了显著的变化：在150万个大气压时，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！

为什么会出现这种情况？高压下的钠还是钠吗？钠还是钠，但它已经不再是金属钠了，所有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）。在极强的压力下，金属钠最外层的电子被挤走，与其它原子共价，这改变了钠的导电性，同时使其具有非常复杂的光学响应，甚至变成透明的绝缘体。钠的这些同素异形体吸收光谱显示出强烈的各向异性，也就是说它在一个方向上是光学透明的而在另一个方向上是反射的。

钠有可能会变成这个样子，你不可能将它拿在手上，这需要190万大气压

事实上，锂、钠和钾在极高压力下都会转变为具有极低导电性的同素异形体，其中一些会变得透明，事实上这些同素异形体已经失去了所有金属特征，它们不再是金属了。

同素异形体是指同样由单一化学元素组成，由于其原子的排列方式不同，而使之拥有了在同一相（固体、液体或气体相）内不同的物理和化学性质的单质。

我们最熟悉的莫过于石墨与钻石了，它们都是碳的同素异形体。石墨很又黑又软，徒手就能掰开，具有良好的导电性；而钻石几乎是世界上最硬的单质，它晶莹剔透，却几乎不导电。总之这一对同胞兄弟反差极大。虽然都是碳，但碳原子间的结合方式决定了石墨与钻石的巨大差异，这与钠及其同素异形体的差异是类似的。

钻石与石墨晶体结构不同造成了相同元素迥异的形态

对于有些元素，它们的同素异形体尽管相位相同，却有着不同的分子式。比如氧的同素异形体氧气（O₂）与臭氧（O₃），它们都可以以固态、液态和气态存在。而其它一些元素在不同阶段不能保持明显的同素异形体，例如磷（P）具有许多固体同素异形体，当熔化成液态时，它们都恢复到相同的P₄形式。

磷的四种同素异形体

一个耳熟能详的故事，说在拿破仑军队在1812年入侵的俄罗斯战役中，由于气温变得异常寒冷，以至于士兵制服上的锡制的纽扣都变成了粉末，许多军人因衣服扣不上而冻死，导致了大军队的失败。尽管故事的真实性不可考，但它反映了一个实际问题，那就是锡会因温度变化而发生物理性质的改变。

在常温下锡是金属态的，它被称为白锡或β-锡。但在温度低至13.2℃时，锡的原子间结构会发生改变，由β-锡转变为α-锡。α-锡是一种锡的同素异形体，它呈灰色，极脆，是一种具有金刚石立方晶体结构的非金属，一碰就碎成粉末，所以再拿来做扣子是不可能的。

在寒冷的条件下，β-锡倾向于自发地转变为α-锡，这种现象被称为“ 锡疫 ”或“锡病”。但锡合金中的锡由β-转变为α-的温度则要低得多，比如含有如铝、锌等杂质的锡合金的转变温度远低于0°C；如果在锡中添加锑或铋，可能根本不会发生转变。

锡病

除了α-锡和β-锡外，锡在高于161°C的温度和高于几GPa的压力下还会形成γ-锡和σ-锡等同素异形体。

同样的，我们非常熟悉的铁元素在不同的温度与压力下也会形成不同的同素异形体，如：铁素体（α-铁）、β-铁、奥氏体（γ-铁）、δ-铁和ε-铁。

在自然界的金属元素中，几乎有一半（27种）在环境压力下是同素异形的：Li，Be，Na，K，Ca，Ti，Mn，Fe，Co， Sr，Y，Zr，Sn，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Gd，Tb，Dy，Yb，Hf，Tl，Th，Pa和U.

而在非金属元素中的同素异形现象就更多了。除了前文提到的钻石与石墨，碳还有石墨烯等7种以上同素异形体，磷已知的同素异形体超过6种，硼有7种，氧也有4种同素异形体。

在距离地面25千米的高空，有一层约20千米厚的臭氧层，在强烈紫外线的激发下，氧气与臭氧会发生相互转化，O₂⇌O₃，臭氧对太阳紫外线的吸收保护了地球上众多的生命不被辐射伤害。

有些朋友会将同素异形体、同位素、相、同分异构体等等混淆起来，造成概念上的混乱。在这里我们需要简单进行厘清。

前边我们已经详细介绍了同素异形体，它是同一种元素在特定条件下的单质，只是由于原子间的结合方式不同，造成了这种元素不同物理、化学特性的表现。

同位素指的是同一种元素，由于其原子核内部中子数量的不同造成了元素的核子数不同，从而形成元素不同的变体。比如碳-12、碳-13和碳-14是元素碳的三种同位素，质量数分别为12、13和14。碳的原子序数为6，这意味着每个碳原子具有6个质子，因此这些同位素的中子数分别为6、7和8。

氢的三种同位素

相是指元素、分子或分子团在不同温度与压力下的不同形态，比如氢有固体、液体、气体和等离子体相，水也有固相、液相和气相。

同分异构体指的不是元素，而是离子或分子。一些分子尽管分子式或配方完全相同，但由于分子内部各键的位置或空间结构不同，导致其理化性质发生差异。一个典型的例子是丙醇和甲氧基乙烷，分子式都是C₃H₈O（或C₃H₇OH），但正丙醇（图I）和异丙醇（图II）彼此是位置异构体，因为羟基的位置在两者之间不同：它与第一异构体中的末端碳连接，在第二异构体中与中心碳连接；而甲氧基乙烷（图III）与丙醇的异构体不同，它具有与两个碳连接的氧，而不是与一个碳和一个氢连接的氧。甲氧基乙烷是醚，而不是醇，它缺少羟基，并且其化学性质与其他醚类似。

C₃H₇OH同分异构体，它们是三种不同的东西

钠在常温常压下是金属，它不可能透明，而当在极高的压力之下时，钠会变成一种同素异构体，它有可能是透明的非金属。

钠的同素异构体与金属钠的不同主要在于原子排列的方式，这使得钠的物理化学性质均发生了改变。

许多金属与非金属元素都有自己的同素异构体，只要条件合适，不同的同素异构体之间会发生转化。

同素异构体与同位素、同分异构体有本质的区别，我们需要加以厘清，不应混为一谈。