資源簡介

1.1　物質結構研究的內容
【學習目標】
1.能結合已有知識描述常見物質的微觀結構,分析物質結構與其性質之間的關系。
2.能從物質的微觀結構出發解釋或預測物質的宏觀性質。
3.認識物質結構研究對化學科學發展的重要意義。
【合作探究】
【學習情境】
物質的結構如微粒之間的作用、分子的構型、手性等決定物質的物理性質、化學性質、生物活性和生理活性等。如研究鑭系元素結構和性質的關系,可以找到功能奇特的光、電、磁等材料;研究材料的結構和性能的關系,可以得到強度大、密度小、穩定性好、耐腐蝕的材料;又比如金剛石和石墨烯的組成元素相同,但性質差異很大:金剛石是自然界中天然存在的最硬的物質,其晶體呈空間網狀結構,金剛石的用途非常廣泛,常用于制造工藝品、切割工具等;石墨烯是一種由碳原子構成的呈蜂巢晶格的二維碳納米材料,它具有優異的光學、電學、力學特性,在材料學、微納加工、能源等方面具有重要的應用。石墨在高溫、高壓下形成人造金剛石。
任務1　認識物質的特征結構
【新知生成】
1.鈉原子在化學反應中容易　　　　最外電子層上的1個電子,形成帶1個單位正電荷的　　　　,鈉元素表現出強的　　　　性;氯原子最外層有7個電子,在化學反應中傾向于　　　　1個電子,形成帶1個單位負電荷的　　　　,氯元素表現出強的　　　　性。
2.反應+2H++2e-發生在乙醇分子的　　　　(填名稱)官能團上,即—OH失去1個H,與—OH相連的C原子上也失去1個H,形成新的　　　　,乙醇分子轉化成　　　　　分子(含　　官能團),這個過程也被稱為　　　　反應。
3.氮氣分子含有　　　　　鍵,在通常條件下很　　　　,難以參加化學反應。因此,在固氮研究中,需要改變反應條件,如　　　　、　　　　、　　　　　等,氮氣分子才能轉化為氮的化合物。研究物質的特征結構,可以幫助我們獲得很多有用的信息,設計反應的條件,解釋反應生成的產物等。
【答案】1.失去　Na+　金屬　獲得　Cl-　非金屬
2.羥基　C=O雙鍵　乙醛　醛基　氧化(去氫)　3.N≡N　穩定　升溫　加壓　加催化劑
【核心突破】
　　典例1　石墨烯是由碳原子構成的單層片狀結構的新材料(結構示意圖如右),可由石墨剝離而成,具有極好的應用前景。下列說法正確的是 (　　)
A.石墨烯與石墨互為同位素
B.0.12 g石墨烯中含有約6.02×1022個碳原子
C.石墨烯是一種有機物
D.石墨烯中碳原子間以共價鍵相結合
【答案】D
【解析】同位素的對象是核素,A項錯誤;0.12 g石墨烯中碳原子的物質的量為0.01 mol,所含碳原子數約為6.02×1021,B項錯誤;有機物一般含有碳、氫元素,是化合物,而石墨烯是單質,C項錯誤;石墨烯中碳原子間均通過共用電子對即共價鍵相結合,D項正確。
　　典例2　我國發射航天飛船時,火箭的起動炸藥為氫化鋰(LiH)、氘化鋰(LiD)和氚化鋰(LiT)。下列有關氫化鋰、氘化鋰和氚化鋰說法正確的是 (　　)
A.等物質的量的LiH、LiD和LiT中所含質子數不相同
B.LiH、LiD和LiT是氫元素的同素異形體
C.三種物質都能與水劇烈反應表現出較強還原性
D.三種物質的化學性質和物理性質完全不同
【答案】C
【解析】H、D、T是氫元素的不同原子,它們之間互為同位素。等物質的量的LiH、LiD和LiT中所含質子數相同,A項錯誤;同素異形體是指同種元素形成的不同單質,B項錯誤;
LiH能與水反應:LiH+H2OLiOH+H2↑,LiH表現出較強還原性,LiH、LiD和LiT的化學性質相似,C項正確;三種物質的化學性質相似,物理性質有差異,D項錯誤。
歸納總結　物質結構研究的內容
物質的結構包括構成物質的微粒(原子、分子、離子等)的結構以及微粒之間的相互作用(化學鍵、分子間作用力等)、分子的構型、手性等。
　　訓練1　化學與人類生活、社會可持續發展密切相關。下列說法正確的是 (　　)
A.“神舟十三號”運載火箭的結構部件中的鋁合金因其密度小、抗腐蝕性能好等優點成為關鍵材料
B.中科院首次實現了人工CO2合成淀粉,淀粉、蛋白質和油脂是人體必需的高分子營養物質
C.燃煤中加入CaO主要是為了減少溫室氣體的排放
D.T-碳是一種新型三維碳結構晶體,與C60互為同位素
【答案】A
【解析】鋁合金因其密度小、抗腐蝕性能好,故可以用于“神舟十三號”運載火箭的結構部件,A項正確;油脂是高級脂肪酸甘油酯,不是高分子化合物,B項錯誤;加入氧化鈣可與煤燃燒生成的二氧化硫在氧氣中發生反應生成硫酸鈣,二氧化硫排放量減少,但在高溫下反應生成二氧化碳,燃煤中加入CaO后可減少酸雨的發生,但不能減少溫室氣體的排放量,C項錯誤;T-碳與C60都是含碳元素的單質,互為同素異形體,D項錯誤。
任務2　揭示物質結構與性質的關系
【新知生成】
1.物質的結構在很大程度上決定了該物質的某些　　　。例如,白磷晶體是由白磷分子(P4)構成的　　晶體,分子呈　　　　　結構,分子中P—P鍵鍵長是221 pm,鍵角∠PPP是60°。因其中的P—P鍵彎曲而具有較大的　　　　,其鍵能　　,易　　　,所以白磷在常溫、常壓下就有　　　的反應活性。而紅磷的　　　　結構比較穩定,室溫下不與氧氣反應。
2.科學家從　　　入手預測物質可能的　　　,再通過反復實驗,以闡明物質　　　與　　　的關系。
【答案】1.性質　分子　正四面體　張力　較小　斷裂　很高　鏈狀　 2.結構　性質　 結構　 性質
【核心突破】
　　典例3　近期科學家獲得了極具理論研究意義的N4分子。N4分子結構如圖所示,下列說法正確的是 (　　)
A.N4屬于一種新型化合物
B.N4的摩爾質量為56
C.N4與N2互為同素異形體
D.N4轉化為N2屬于物理變化
【答案】C
【解析】N4是由一種元素組成的物質,因而是一種單質,而不是化合物;N4的摩爾質量為56 g·mol-1;N4和N2互為同素異形體;N4和N2是兩種不同的物質,所以兩者的轉化屬于化學變化。
　　典例4　我國科學家成功合成3 mm長的管狀定向碳納米管,長度居世界之首。這種碳纖維具有強度高、剛度(抵抗變形的能力)大、密度小(只有鋼的四分之一)、熔點高、化學穩定性好等特點,因而被稱為“超級纖維”。下列對這種碳纖維的說法不正確的是 (　　)
A.它是制造飛機的理想材料
B.它的主要組成元素是碳
C.它的結構與石墨不同
D.碳纖維復合材料是一種高分子化合物
【答案】D
【解析】碳纖維顯然主要是由碳元素組成的,B項正確,D項錯誤;碳纖維具有“強度高、剛度大、密度小、熔點高、化學穩定性好”等特點,是制造飛機的理想材料,A項正確;碳纖維的物理性質不同于石墨,它們的結構不同,C項正確。
歸納總結　結構與性質的關系
1.元素原子的結構決定元素的性質,這一點在元素周期表位、構、性的關系中得以表現。例如:同周期,隨著原子序數的遞增,元素的金屬性逐漸減弱,非金屬性逐漸增強。
2.同分異構體通常具有不同的性質。例如:C2H6O有兩種不同的結構——乙醇(C2H5OH)和二甲醚(CH3OCH3),二者在化學性質上有很大的不同。同分異構體的存在說明物質的結構是決定物質性質的重要因素。
3.分子組成不同,若結構相似,則其化學性質或物理性質有相似之處。如CO和N2結構相似,某些物理性質也很相似。
4.不同類型晶體的構成微粒和微粒間作用力不同,其性質也不同。例如:金屬晶體是電的良導體,具有延展性,具有良好的機械加工性能;離子晶體熔、沸點較高,難于揮發,一般具有較高硬度,難于壓縮,但質脆,不易進行機械加工等。
　　訓練2　科學家發現由磷原子構成的黑磷(黑磷的二維結構如圖所示)是比石墨烯更好的新型二維半導體材料。下列說法正確的是 (　　)
A.黑磷屬于化合物
B.黑磷導電屬于化學變化
C.黑磷高溫下在空氣中可以穩定存在
D.黑磷與白磷互為同素異形體
【答案】D
【解析】黑磷屬于單質,A項錯誤;黑磷導電屬于物理變化,B項錯誤;黑磷在高溫下會和空氣中的氧氣反應生成磷的氧化物,C項錯誤;同種元素形成的不同單質互為同素異形體,D項正確。
　　訓練3　日本科學家確認的N60與美國科學家發現的C60結構相似。N60在高溫或機械撞擊后,其中積蓄的巨大能量會在一瞬間釋放出來。下列關于N60的說法中,正確的是 (　　)
A.N60是由共價鍵構成的空心圓球形結構,所以它是一種共價晶體
B.N60與14N都是氮的同位素
C.還沒有發現N60的同素異形體
D.N60將來可能會成為很好的火箭燃料
【答案】D
【解析】N60是由60個N原子通過共價鍵結合而成的分子,極大數目的N60分子彼此通過范德華力結合而構成晶體,這種晶體(N60)是分子晶體,A項錯誤;N60是分子,而同位素是對原子而言的,B項錯誤;N60和N2都是氮元素的單質,互為同素異形體,C項錯誤;因N60在高溫或機械撞擊后,其中積蓄的巨大能量會在一瞬間釋放出來,可用來做功,D項正確。
課堂小結
【隨堂檢測】
1C的衰變反應為CXe,其半衰期(反應物的量被消耗到其初始量的一半需要的時間)為5730年。下列說法正確的是 (　　)
AC與X互為同位素
BC與X的中子數相同
CC和C的性質完全相同
D.某考古樣品中C的量應為其11460年前的
【答案】D
【解析】z=7C與X質子數不同,不互為同位素,A項錯誤C與X的中子數分別為14-6=8、14-7=7,中子數不同,B項錯誤C和C的核外電子數均為6,核外電子排布相同,則化學性質相同,而質量數不同,故性質并不完全相同,C項錯誤;根據半衰期的定義,某考古樣品中C的量應為其5730年前的,為5730×2=11460年前的,D項正確。
2.下列不屬于探索物質微觀結構的是 (　　)
A.探索氨分子的空間構型
B.乙醇(C2H6O)分子中各原子的連接方式
C.從濁液中用過濾的方法分離出BaSO4
D.金剛石堅硬的原因
【答案】C
3.碳納米管是一種納米尺度的、具有完整分子結構的新型材料,它是由一層碳原子卷曲而成的無縫、中空的管體,具有質輕、可彎曲、強度好、彈性強的特點。下列關于碳納米管的可能用途不正確的是 (　　)
A.用它可做成攀登月球的“太空天梯”
B.能解決室溫下,低氣壓、高容量儲存氫氣的難題
C.是一種優秀的絕緣材料
D.制成電腦芯片可大大提升計算機系統的計算能力
【答案】C
【解析】碳納米管由碳原子構成,能導電,不可作為絕緣材料。
4.理解微觀粒子的結構及物質結構與性質的關系對學好化學至關重要。
(1)與氬原子電子層結構相同的-2價陰離子的結構示意圖為　　　　。
(2)寫出表示含有8個質子、10個中子的原子的化學符號:　　　　。
(3)根據下列微粒回答問題:1H、2H、3H、14C、14N、16O、35Cl2、37Cl2。
①以上8種微粒共有　　　　種核素,共　　　　種元素。
②互為同位素的是　　　　。
③質量數相等的是　　　　,中子數相等的是　　　　。
(4)相同物質的量的14CO2與S18O2的質量之比為　　　　,中子數之比為　　　　,電子數之比為　　　　。
(5)質量相同的H2O和D2O與足量鈉反應,放出的氣體在標準狀況下的體積之比為　　　　。
(6)用電子式表示氯化鎂的形成過程:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(7)根據下列信息寫出有關短周期元素的符號:
①某元素電子層數與最外層電子數相等,該元素符號是　　　　。
②某元素最外層電子數是次外層電子數的2倍,該元素符號是　　　　。
③某元素次外層電子數是最外層電子數的2倍,該元素符號是　　　　。
【答案】(1)　(2)188O
(3)①6　5　②1H、2H、3H　③14C、14N　14C、16O
(4)23∶34　2∶3　11∶16　(5)10∶9
(6)
(7)①H、Be、Al　②C　③Li、Si
【解析】(1)符合題意的陰離子為S2-。
(2)含有8個質子的原子是氧原子。
(3)核素指的是原子,元素是指具有相同的質子數的一類原子,同位素是質子數相同而中子數不同的同一元素的不同原子。
(4)14CO2與S18O2的相對分子質量分別為46、68,中子數依次為24、36,電子數依次為22、32。
(5)質量相同的H2O和D2O與足量鈉反應,放出的氣體在標準狀況下的體積之比為∶=10∶9。
(6)氯化鎂為離子化合物,由離子形成離子鍵。
(7)①某短周期元素電子層數與最外層電子數相等,電子層數為1,且最外層電子數為1的元素是H;電子層數為2,且最外層電子數為2的元素是Be;電子層數為3,且最外層電子數為3的元素是Al。②最外層電子數不能超過8個,如果K層是最外層,則不能超過2個。某元素最外層電子數是次外層的2倍,其次外層只能是K層,則其最外層電子數是4,為C元素。③某元素次外層電子數是最外層電子數的2倍,如果L層為最外層,則其最外層電子數是1,為Li元素;如果M層是其最外層,則M層電子數為4,為Si元素。
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