化学以创造新物质、发现新功能、实现新应用为特征，与人们的衣食住行息息相关。元素化学是化学的重要分支学科，支撑着能源、材料、环境、医药、农业、食品、航天、军事乃至整个物质科学的发展。
《非金属元素同素异形体综论》为大学化学、化工、材料及相关专业教师化学教学的辅助用书，其宗旨是以利于促进学生科学素养发展为出发点，突出创新思维和科学研究方法，以教师好使用、学生好自学为努力方向，以提高教学质量、促进人才培养为目标。
全书共11章，第0章绪论包括“元素同素异形体之新定义”和“元素同素异形体研究发展之原因”两节，其余10章分述非金属元素氢、硼、碳、硅、氮、磷、砷、氧、硫和硒的同素异形体研究发展状况，包括它们的分类、组成、性质、结构、制备和应用。撰写中力图体现内容紧跟科学前沿发展，突出文献使用，图文并茂，章末附有学习思考题。因此，本书内容也极适用于用于中学化学教师以及从事化学相关研究的科研人员和技术人员参考使用。
《非金属元素同素异形体综论》
高胜利 主编
北京：科学出版社，2023.2
ISBN 978-7-03-073675-8
郑兰荪院士为本书作序
高胜利教授等撰写的《非金属元素同素异形体综论》通过对非金属元素的各种结构与形态的描述，丰富和扩展了已有无机化学教材和教学参考书中有关非金属元素单质的内容，让读者有机会学习和了解无机化学发展的前沿与进展。该书特别地介绍了非金属元素单质的原子团簇和纳米材料。我个人认为，原子团簇是具有确定结构和组成的分子，原子团簇的发现和研究展示了种种新颖的结构，极大地丰富了结构化学的认知。各种非金属元素的纳米晶体实际上是其大块原子晶体在纳米尺度上的分割，虽然基本结构没有变化，但是具有更为丰富的形貌，而且由于更高的化学活性和量子效应等特殊性能，得到高度的关注。书中对这些新的结构和形态都分类进行详述，大大丰富了读者对非金属元素单质的认识，不仅可供教学参考，对于相关专业的研究人员也具有一定的参考价值。
在我国的化学分类中，无机化学的学科分类一直偏窄，影响了无机化学学科的发展。在本科教学中，各高校开设的无机化学的基础课程及所教授的无机化学基础知识也相应偏少。尽管“无机化学”课程是一年的课程，但是“无机化学（上）”（又称普通化学、化学概论等）所教授的内容主要是物理化学（包括结构化学）及分析化学的基础知识，为了实现与中学学习的化学知识的衔接。“无机化学（下）”（又称元素化学）才实际教授无机化学的专业知识，在各院校大都为 3 个学分，内容仅限于各种化学元素的介绍（包括配位化学的一些基础知识），这些内容显然不足以涵盖化学类专业学生所必须掌握的无机化学相关知识。近二十多年来，我国纳米化学和配位化学的发展，带动了无机化学学科的快速发展，大多数高校所教授的无机化学专业知识与学科发展的差距更显突出。
教育部高等学校化学类专业教学指导委员会曾按教育部要求制定了《高等学校化学类专业指导性专业规范》（简称《专业规范》）（高等教育出版社出版），在附件中以知识点的形式明列了所有化学类专业必须教授的化学专业知识；其后，在由教育部颁发的《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》（简称《教学质量标准》）中，简明地列出了这些知识点。必须强调的是，无论是《教学质量标准》或是《专业规范》，都是所有化学类专业的最低标准。但是据我了解，其中的一些知识点并没有在许多高校的本科生必修课程中教授。另一方面，教学指导委员会为了对新教材的内容编写更具指导性，细化和丰富了化学类专业教学内容的知识点，力求反映化学学科发展的前沿，已经以“建议”的形式在《大学化学》上发表。《非金属元素同素异形体综论》一书体现了教学指导委员会的要求和意图。
高胜利教授是化学教学界的前辈。多年来，他立足于丰厚的教学与科研经验积累及对学科发展前沿的跟踪，笔耕不辍，撰写了多部（套）教材和教学参考书，在化学教学界产生了重要影响。他及他主持编写的教材无论在内容还是形式上都注重改革与创新，将科研进展与教学实践紧密结合起来，弥补了化学教材相关方面的空白。我们应当以高老师为楷模，为我国化学学科的发展辛勤耕耘。
中国科学院院士
教育部高等学校化学类教学指导委员会主任
2022 年 8 月 12 日
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本书内容之特点
01
明确定义
明确提出了“元素同素异形体之新定义”。这个问题在有些教科书里是比较模糊的，而且从科学发展看，化学的有些概念也应该有随科学技术进步而发展或扩展。
02
内容系统
首次比较系统地归纳了“元素同素异形体研究发展之原因”。从“计算化学是同素异形体预测的利剑”、“极端条件技术是同素异形体发现的催化剂”和“热力学相图的完善和指导作用”三个方面，以极其生动、准确的实例加以印证，具有强烈的说服力。
03
内容前沿
内容上，本书就10个非金属元素的同素异形体的历史背景、重要科学发现、前沿研究，以１7０5篇文献的精华做了非常专业的介绍，具有重要参考和应用价值。
04
有创新性
本书作者全为教学一线有经验的教师，写作具有创新性教学思想，体现了教学研究与科学研究的紧密结合，内容构架也别开生面，非常适应目前的教学与教学改革形势和要求。
目录速览
第0章 绪论 1
0.1 元素同素异形体之新定义 1
0.1.1 元素同素异形体概念的演变 1
0.1.2 对概念的一般理解 2
0.1.3 严格定义的探讨 3
0.1.4 同素异形体与原子电子层结构的关系 3
0.1.5 同素异形体的稳定性判断 4
0.2 元素同素异形体研究发展之原因 5
0.2.1 背景分析 5
0.2.2 元素同素异形体快速研究发展之条件 7
0.3 教学提示 19
学习思考题 20
参考文献 21
第1章 氢元素单质的同素异形体 25
1.1 氢的一般介绍 25
1.1.1 氢的一般性质 25
1.1.2 氢在自然界的存在 26
1.1.3 氢的发现和命名 26
1.1.4 氢的成键特征 27
1.2 原子氢 28
1.3 氢气 29
1.3.1 氢气的制备 30
1.3.2 氢气的用途 35
1.4 三原子氢 38
1.5 金属氢 39
1.5.1 金属氢的发现史 39
1.5.2 金属氢的应用 43
1.6 反氢原子 45
1.6.1 反氢原子的定义和结构 45
1.6.2 反氢原子的研究发展史 45
1.7 教学提示 48
学习思考题 49
参考文献 49
第2章 硼元素单质的同素异形体 52
2.1 硼的一般介绍 52
2.1.1 硼的一般性质 52
2.1.2 硼在自然界的存在 53
2.1.3 硼的发现和命名 53
2.1.4 硼的成键特征 54
2.2 硼的同素异形体简介 55
2.3 无定形硼 55
2.4 晶态硼 56
2.4.1 α-菱形硼 56
2.4.2 β-菱形硼 57
2.4.3 四方相硼 57
2.4.4 正交相γ-B28 58
2.5 硼团簇是寻找硼富勒烯的基础 59
2.6 硼富勒烯及内嵌硼富勒烯 61
2.6.1 B80 61
2.6.2 B40 62
2.6.3 硼富勒烯固体相 64
2.7 硼纳米管 65
2.8 硼纳米线和纳米带 66
2.9 新型硼单层平面结构研究 67
2.10 硼烯（硼墨烯） 69
2.10.1 硼烯的发现及其结构 69
2.10.2 硼烯的应用 73
2.11 硼量子点 75
2.12 教学提示 76
学习思考题 77
参考文献 78
第3章 碳元素单质的同素异形体 82
3.1 碳的一般介绍 82
3.1.1 碳的一般性质 82
3.1.2 碳在自然界中的存在 83
3.1.3 碳的发现和命名 83
3.1.4 碳的成键特征 85
3.2 石墨 86
3.2.1 一般介绍 86
3.2.2 结构 87
3.2.3 无定形碳 87
3.2.4 制备 88
3.2.5 柔性石墨 88
3.3 金刚石类 88
3.3.1 一般介绍 88
3.3.2 结构 89
3.3.3 金刚石的人工合成 90
3.4 富勒烯碳原子簇 93
3.4.1 一般介绍 93
3.4.2 碳富勒烯 93
3.4.3 碳纳米材料 98
3.4.4 石墨烯 101
3.4.5 碳纳米纤维 106
3.4.6 石墨炔 106
3.4.7 从富勒烯碳原子簇到金刚石的转变 109
3.5 卡宾碳 109
3.5.1 漫长的研究史 110
3.5.2 结构 111
3.5.3 制备 112
3.5.4 应用 113
3.6 教学提示 113
学习思考题 114
参考文献 115
第4章 硅元素单质的同素异形体 123
4.1 硅的一般介绍 123
4.1.1 硅的一般性质 123
4.1.2 硅在自然界的存在 124
4.1.3 硅的成键特性 124
4.1.4 硅的发现和命名 124
4.2 硅纳米晶的不同物相类 125
4.2.1 一般介绍 125
4.2.2 制备和结构 125
4.2.3 应用 128
4.3 纳米结构硅物质 129
4.3.1 硅纳米线和硅纳米带 129
4.3.2 硅纳米管 131
4.3.3 硅空心球 134
4.4 硅原子簇 134
4.4.1 Si10 135
4.4.2 mSi20 135
4.4.3 Si136和Si24 136
4.4.4 hP12-Si 136
4.4.5 Si40 136
4.4.6 Si60 137
4.4.7 Si80 137
4.4.8 Si96 138
4.5 硅烯 139
4.5.1 制备 139
4.5.2 结构 140
4.5.3 应用 141
4.6 教学提示 141
学习思考题 142
参考文献 143
第5章 氮元素单质的同素异形体 148
5.1 氮的一般介绍 148
5.1.1 氮的一般性质 148
5.1.2 氮在自然界的存在 149
5.1.3 氮的发现和命名 149
5.1.4 氮的成键特征 150
5.2 氮的相图 152
5.2.1 相图的概念 152
5.2.2 氮的相转变 152
5.3 氮单质的同素异形体 153
5.3.1 氮分子 153
5.3.2 聚合氮 157
5.3.3 金属氮 165
5.3.4 原子簇氮 166
5.4 教学提示 171
学习思考题 172
参考文献 172
第6章 磷元素单质的同素异形体 176
6.1 磷的一般介绍 176
6.1.1 磷的一般性质 176
6.1.2 磷在自然界的存在 176
6.1.3 磷的发现和命名 178
6.1.4 磷的成键特征 179
6.2 块体磷 180
6.2.1 块体磷不同物相的一般介绍 180
6.2.2 块体磷的制备、结构和性质 182
6.3 磷纳米材料 193
6.3.1 磷纳米材料不同物相的一般介绍 193
6.3.2 零维磷纳米材料 194
6.3.3 一维磷纳米材料 199
6.3.4 二维磷纳米材料 202
6.4 教学提示 218
学习思考题 218
参考文献 220
第7章 砷元素单质的同素异形体 227
7.1 砷的一般介绍 227
7.1.1 砷的一般性质 227
7.1.2 砷的发现和命名 228
7.1.3 砷在自然界的存在 229
7.1.4 砷的毒性、污染及鉴定 229
7.2 块体砷单质的研究进展 230
7.2.1 灰砷 230
7.2.2 黑砷 233
7.2.3 黄砷 235
7.3 新型砷单质的研究进展 239
7.3.1 一维结构砷单质 239
7.3.2 二维结构砷单质 240
7.3.3 笼状及环状砷单质 242
7.4 教学提示 244
学习思考题 245
参考文献 246
第8章 氧元素单质的同素异形体 249
8.1 氧的一般介绍 249
8.1.1 氧的一般性质 249
8.1.2 氧在自然界的存在 249
8.1.3 氧的成键特性 250
8.1.4 氧的发现和命名 251
8.2 气态氧 252
8.2.1 氧气（O2） 252
8.2.2 臭氧（O3） 254
8.3 固态O2 256
8.3.1 一般介绍 256
8.3.2 固态O2的结构及性质 257
8.4 四聚氧（O4） 262
8.4.1 制备 262
8.4.2 结构与性质 263
8.5 教学提示 263
学习思考题 265
参考文献 266
第9章 硫元素单质的同素异形体 268
9.1 硫的一般介绍 268
9.1.1 硫的一般性质 268
9.1.2 硫在自然界的存在 268
9.1.3 硫的成键特点 270
9.1.4 硫的发现和命名 271
9.2 硫的相图 272
9.3 固态硫 274
9.3.1 环硫分子同素异形体 275
9.3.2 同素环硫的同素异形体 296
9.3.3 长链硫的同素异形体（聚合硫Sμ、Sψ和Sω） 298
9.4 气态硫 301
9.4.1 S2的制备和结构 301
9.4.2 S3的制备和结构 301
9.4.3 S4的制备和结构 302
9.4.4 S5的制备和结构 302
9.4.5 其他气态硫分子 302
9.5 液态硫 303
9.5.1 423 K以下的液态硫 303
9.5.2 432.4 K的液态硫 303
9.5.3 682 K以上的液态硫 303
9.5.4 不溶性硫黄 304
9.5.5 不溶性硫黄的制备 304
9.6 教学提示 306
学习思考题 306
参考文献 307
第10章 硒元素单质的同素异形体 311
10.1 硒的一般介绍 311
10.1.1 硒的一般性质 311
10.1.2 硒在自然界的存在 311
10.1.3 硒的成键特性 312
10.1.4 硒的发现和命名 313
10.2 气态硒 313
10.3 液态硒 314
10.4 固体硒 316
10.4.1 晶态硒 316
10.4.2 非晶态硒 319
10.5 纳米硒 322
10.5.1 零维纳米硒 323
10.5.2 一维纳米硒 335
10.5.3 二维纳米硒 341
10.5.4 三维纳米硒 343
10.6 硒团簇 346
10.6.1 理论计算 346
10.6.2 实验研究 348
10.7 教学提示 352
学习思考题 353
参考文献 354
（本期编辑：王芳）