資源簡介

1.2　物質結構研究的范式與方法
【學習目標】
1.認識物質結構研究的兩種范式及其相互關系。
2.能舉例說明科學假說和論證、實驗方法、模型方法等在物質結構研究中所起的重要作用。
3.能描述現代儀器和手段為測定物質結構、建立相關理論做出的重要貢獻;初步學會從宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知等角度解決化學問題。
【合作探究】
【學習情境】
范式是科學哲學家托馬斯·庫恩在《科學革命的結構》一書中首先提出的(1962) 。庫恩認為,科學家之所以能對共同研究的課題使用大體相同的語言、方式和規則,是由于他們具有一種解決問題的標準方式,即范式,包括在實踐時所持有的觀點、假設、價值準則、方法論以及檢驗的標準和精確度等。也可以說,在同一學科中不同思想流派是在不同范式中工作的。研究方法是指研究者為獲取研究對象的數據信息而采用的手段與途徑,研究范式是研究共同體進行科學研究時所遵循的模式與框架。
任務1　物質結構研究的范式
【新知生成】
1.歸納范式,其過程為“從　　　　到　　　　”。具體而言,根據事實進行　　　　　　,抽象出共同點,上升為　　　　　。例如,我們在學習元素周期律時,通過比較1~20號元素的原子核外電子排布來認識前20號元素對應　　　　　的不同,從中歸納出元素核外電子排布的　　　　,并從結構上解釋了同族元素性質相似的原因。
2.演繹范式,其過程通常為“從 　　　　到　　　　”。例如,門捷列夫建立了元素周期表,為人們提供了元素間聯系的一般理論。在元素理論的指導下,人們于1875年發現了“類鋁”(鎵),1879年發現了“類硼”(鉈),1886年發現了“類硅”(鍺)。這些都證明了運用演繹范式獲得的成功。在物質結構研究中,難以對所有可能的結論一一加以實驗論證。有時人們根據元素周期律和微粒間作用力的特征等,　　　　　物質可能具有的某些性質,采用的往往就是　　　　法。
【答案】1.個別　一般　概括歸納　本質規律　 原子結構 規律　 2.一般　個別　預測　演繹
【核心突破】
　　典例1　在元素周期表中,元素的金屬性和非金屬性及其強弱比較與周期序數(n)和主族序數(A)有如下經驗公式:K=(K為A與n的比值)。下列推理正確的是 (　　)
A.當A一定時,K值越小,則元素的非金屬性越強
B.當K=0時,則該元素是同一周期中最活潑的金屬元素
C.當n一定時,隨著K值增大,則元素的非金屬性逐漸增強
D.當K=l時,則該元素是過渡元素
【答案】C
【解析】元素的金屬性和非金屬性及其強弱比較與周期序數(n)和主族序數(A)有如下經驗公式:K=(K為A與n的比值)。當A一定時,K值越小,則周期數n越大,元素的金屬性越強,非金屬性越弱,A項錯誤;當K=0時,A為0,為0族元素,即該元素為稀有氣體元素,是同一周期中最不活潑的非金屬元素,B項錯誤;當n一定時,K值越大,則主族序數A越大,元素的非金屬性越強,C項正確;當K=l時,周期數=主族序數,如Be、Al等,則該元素為兩性元素,不是過渡元素,D項錯誤。
　　典例2　門捷列夫在描述元素周期表時,許多元素尚未發現,但他為第4周期的三種元素留下了空位,并對它們的一些性質做了預測,X是其中的一種“類硅”元素,后來被德國化學家文克勒發現,并證實門捷列夫當時的預測相當準確。根據元素周期律,下列有關元素X性質的描述中錯誤的是 (　　)
A.X單質不易與水反應
B.XO2可被碳或氫氣還原為X單質
C.XCl4的沸點比SiCl4的高
D.XH4的穩定性比SiH4的強
【答案】D
【解析】“類硅”元素和硅元素同為ⅣA族元素,根據元素周期律,同主族元素隨著原子序數的增大,非金屬性減弱,氣態氫化物的穩定性減弱,故D項錯誤。
歸納總結　邏輯方法在自然科學中的應用,往往是多種方法的并用、配合或交替。從化學研究的途徑來看歸納和演繹的使用,一般為先歸納、后演繹。人們往往根據自己的研究目標,依據一定的理論基礎,設計并進行實驗;再從實驗數據或現象中得出假說;通過實驗或理論證明假說正確與否,使之上升為新理論;最后使用新理論指導實驗,獲得新結論。
　　訓練1　據權威刊物報道,1996年科學家在宇宙中發現H3分子。甲、乙、丙、丁四位同學對此報道的認識正確的是 (　　)
A.甲認為上述發現絕對不可能,因為H3分子違背了共價鍵理論
B.乙認為宇宙中還可能存在另一種氫單質,因為氫元素有三種同位素必然有三種同素異形體
C.丙認為H3分子實質上是H2分子與H+以特殊共價鍵結合的產物,應寫成
D.丁認為如果上述發現得到證實,則證明傳統的價鍵理論有一定的局限性,有待繼續發展
【答案】D
【解析】H3分子中3個氫原子通過共用3個電子形成共價鍵,這并不違背共價鍵理論,只說明傳統的價鍵理論有一定的局限性,有待繼續發展。
任務2　物質結構研究的方法
【新知生成】
1.科學家研究問題的第一步是觀察,在觀察的基礎上,科學家提出　　　　,即根據已有知識,對所研究的事物或現象做出初步的　　　　。為了證明假設是否正確,必須通過不斷的　　　　　　　　　進行論證。經實驗證明正確的假設還需通過建立　　　　　來將這些知識組織起來,使之成為知識體系?！　　　∈墙⒃诖罅康挠^察基礎之上并為實驗所證實的解釋。
2.化學是一門以實驗為基礎的學科,人們往往需要借助實驗觀測的事實對假設的正確與否進行　　　　　　　。20世紀20年代,　　　　為化學研究提供了分析原子和分子結構的理論基礎。到20世紀中后期,掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等一系列研究分子結構的儀器問世,各種光譜和晶體　　　　　　　方法應用于研究原子、分子和晶體結構,使得原子和分子的微觀世界不斷被揭示。
3.科學家需要運用一定的　　　　　　　　與　　　　　　　對實驗結果進行處理。模型既可以是對原型的簡化和純化、抽象和近似,也可以是結合某種理論形態下建立的思維模型。常見的實物模型,有利于人們對事物形成整體認識,都是可觀察到的物體的宏觀模型;物質的微觀層次結構,難以直接觀察到,需要通過思維加工使抽象的微觀世界以可視化的形式展現出來,也稱　　　　　模型。　　　　　對科學家探索物質的微觀結構具有非常重要的意義。
【答案】1.假設　解釋　 重復實驗　理論　理論　2.檢驗 量子力學　X射線衍射實驗　3.邏輯推理　模型思維　微觀結構　模型研究
【核心突破】
　　典例3　在探索微觀世界的過程中,科學家們常通過建立假說模型來把握物質的結構及特點,不斷拓展認識新領域。關于假說,有如下表述,其中正確的是 (　　)
A.假說是對現實中已知事物或現象的一種簡化處理
B.假說是對未知領域的事物或現象提出的一種推測
C.假說是對一個問題的所有幻想和假定
D.假說最終都可以變成科學理論
【答案】B
【解析】假說是科學家在探索的過程中,為把握物質的結構及特點而建立的一種模型,它是對未知領域的事物或現象提出的一種推測,然后通過實驗或推理去驗證它的正確與否。
　　典例4　我國參與研制的阿爾法磁譜儀隨美國“發展號”航天飛機升入太空,探索宇宙中是否存在“反物質”(又稱為“暗物質”)。反物質的主要特征是電子帶正電荷,質子帶負電荷。物質和其相應的反物質相遇后發生湮滅,所有的質量完全轉化為能量。根據上述信息回答下列問題:
(1)根據你所學過的知識推測制造阿爾法磁譜儀核心部件的材料是　　　　(填字母,下同)。
A.FeO B.Fe2O3 C.Fe3O4 D.Fe3C
(2)反物質發生中和反應的離子方程式為　　　　。
A.H-+OH+H2O
B.H++OH+H2O
C.H-+OH-H2O
D.H++OH-H2O
(3)畫出反物質氫離子的結構示意圖:　 。
　　【答案】(1)C　(2)A　(3)
【解析】(1)鐵的化合物中,有磁性的是Fe3O4。從阿爾法磁譜儀的名稱可以看出,磁譜儀的核心部件是由具有磁性的物質構成的。(2)抓住中和反應和反物質的特征即可,常見H+帶正電荷,其反物質為H-;OH-帶負電荷,其反物質為OH+。(3)書寫反物質H-的結構示意圖時要注意質子帶負電荷。
歸納總結　研究物質結構的一般方法
(1)
(2)分析原子、分子結構的理論基礎:量子力學。
(3)現代研究物質結構的實驗方法:光譜和衍射實驗。
(4)幾種測定物質組成和結構的儀器
①紅外光譜儀;②電子顯微鏡;③原子吸收分光光度計;④X射線衍射儀等。
　　訓練2　已知含氧酸可用通式(OH)mXOn來表示,如X是S,m=2,n=2,則這個式子表示H2SO4。一般而言,該式中n值越大,酸性越強。下列含氧酸中酸性最強的是 (　　)
A.HClO B.HMnO4
C.H2CO3 D.HNO2
【答案】B
【解析】將HClO改寫為(OH)Cl,非羥基氧原子數目為0;將HMnO4改寫為(OH)MnO3,非羥基氧原子數目為3;將H2CO3改寫為(OH)2CO,非羥基氧原子數目為1;將HNO2
改寫為(OH)NO,非羥基氧原子數目為1。HMnO4中非羥基氧原子數目最大,則HMnO4的酸性最強。
　　訓練3　下列有關物質的化學用語表示正確的是 (　　)
A.16O的原子結構示意圖:
B.BeCl2分子的電子式為
C.CO2的空間填充模型:
D.乙醇分子的球棍模型:
【答案】D
【解析】16O原子的質子數和核外電子數都是8,質量數是16,A項錯誤;Be原子最外層只有2個電子,沒有6個電子,B項錯誤;CO2分子中,中間碳原子的半徑比氧原子的半徑大,C項錯誤。
課堂小結
【隨堂檢測】
1.下列關于化學學習和研究的說法錯誤的是 (　　)
A.化學模型有助于解釋一些化學現象
B.質量守恒定律是大量實驗事實的總結
C.化學家提出的假設都能被實驗證實
D.化學基本原理的應用是有一定條件的
【答案】C
【解析】化學家提出的假設并不一定完全正確,有的甚至是錯誤的。
2.借助堿金屬和鹵族元素的遞變性分析下面的推斷,其中正確的是 (　　)
A.已知Ca是第4周期ⅡA族的元素,故Ca(OH)2的堿性比Mg(OH)2的堿性弱
B.已知As是第4周期ⅤA族的元素,故AsH3的穩定性比NH3的穩定性強
C.已知Cs的原子半徑比Na的原子半徑大,故Cs與水反應不如Na與水反應劇烈
D.已知Cl的核電荷數比F的核電荷數多,故Cl的原子半徑比F的原子半徑大
【答案】D
【解析】由堿金屬元素和鹵族元素的遞變性可知,同主族元素從上到下元素的金屬性增強,非金屬性減弱,最高價氧化物對應水化物的堿性增強,金屬活動性增強,非金屬氣態氫化物穩定性減弱,A、B、C三項錯誤;同主族元素隨核電荷數的增大,原子半徑增大,D項正確。
3.下列由事實得出的結論錯誤的是 (　　)
A.維勒用無機物合成了尿素,突破了無機物與有機物的界限
B.門捷列夫在前人工作的基礎上發現了元素周期律,表明科學研究既要繼承又要創新
C.C60是英國和美國化學家共同發現的,體現了國際科技合作的重要性
D.科恩和波普爾因理論化學方面的貢獻獲諾貝爾化學獎,意味著化學已成為以理論研究為主的學科
【答案】D
【解析】理論化學與實踐應相輔相成而不是以誰為主、誰為輔的問題,D項錯誤。
4.BGO是我國研制的一種閃爍晶體材料,曾用于諾貝爾獎獲得者丁肇中的著名實驗。它是鍺酸鉍的簡稱。已知:
①在BGO中,鍺處于其最高價態;
②在BGO中,鉍的價態與鉍和氯形成某種共價氯化物時所呈現的價態相同,在此氯化物中鉍原子具有最外層8個電子穩定結構;
③BGO可看成是由鍺和鉍兩種元素的氧化物所形成的復雜氧化物,且在BGO晶體的化學式中,這兩種氧化物所含氧的總質量相同。
請回答下列問題:
(1)鍺和鉍的元素符號分別是　　　　、　　　　。
(2)BGO晶體中所含鉍的氧化物的化學式是　　　　。
(3)BGO晶體的化學式是　　　　　　　　。
【答案】(1)Ge　Bi
(2)Bi2O3
(3)Bi4(GeO4)3(或2Bi2O3·3GeO2)
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