資源簡(jiǎn)介

1.3　物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的意義
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究對(duì)各種性能的新物質(zhì)發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)與合成的重要意義。
2.感受物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究對(duì)推動(dòng)人類文明做出的巨大貢獻(xiàn)。
3.建立“物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索無止境”的觀念,形成探索未知、崇尚真理的意識(shí)。
【合作探究】
【學(xué)習(xí)情境】
研究物質(zhì)結(jié)構(gòu),揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系,可以幫助我們預(yù)測(cè)物質(zhì)的性質(zhì),在化學(xué)合成技術(shù)(如新型信息材料、低毒副作用的藥物、高效催化劑等的合成)、材料科學(xué)(信息材料、納米材料、超導(dǎo)材料等)、生命科學(xué)(如抗癌藥物的設(shè)計(jì)和篩選)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展等方面有著積極的意義。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)錢逸泰教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)以CCl4和金屬鈉為原料,在700 ℃時(shí)制造出了納米級(jí)金剛石粉末。該成果發(fā)表在世界權(quán)威雜志《科學(xué)》上,立刻被科學(xué)家們高度評(píng)價(jià)為“稻草變黃金”。社會(huì)發(fā)展需要深入研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘,以便合成或發(fā)現(xiàn)為人類文明起推動(dòng)作用的新物質(zhì)。
任務(wù)1　物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究促進(jìn)了化學(xué)科學(xué)的發(fā)展
【新知生成】
1.1860年,國際化學(xué)界接受了阿伏加德羅提出的　　　假說,確立了“原子—分子論”,即不同元素代表不同原子,原子按一定方式結(jié)合成　　　　,　　　　組成物質(zhì),分子的結(jié)構(gòu)直接決定分子的　　　　。
2.19世紀(jì)中葉,對(duì)有機(jī)化合物的認(rèn)識(shí)也取得了重大進(jìn)展。碳原子的　　　　、有機(jī)物中碳原子成鍵的　　　　　　、有機(jī)化合物分子中價(jià)鍵的　　　　性等相繼被發(fā)現(xiàn),這些進(jìn)展為有機(jī)立體化學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
3.從1900年至今,通過化學(xué)　　　　和　　　　手段得到的新物質(zhì)的數(shù)量急劇增加,到2018年高達(dá)1.4億種。這一事實(shí)充分說明化學(xué)合成技術(shù)的巨大成就。
4.研究　　　　　　,既能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)與合成新物質(zhì)提供理論基礎(chǔ),也可以幫助我們預(yù)測(cè)物質(zhì)的性能。物質(zhì)　　　　　　和　　　　是研究材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的重要工具,有助于信息材料、納米材料、新型合金、超導(dǎo)材料等諸多新型材料的開發(fā)、研制和應(yīng)用。
【答案】1.分子　分子　分子　性質(zhì)　2.四價(jià)　立體結(jié)構(gòu)　飽和　3.合成　分離　4.物質(zhì)結(jié)構(gòu)　結(jié)構(gòu)理論　方法
【核心突破】
　　典例1　據(jù)報(bào)道我國是世界上首個(gè)成功合成五氮陰離子鹽(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl(白色固體)的國家,這是全氮含能材料中里程碑式的突破。該鹽可簡(jiǎn)略表示如下,下列分析不合理的是 (　　)
A.五氮陰離子的化學(xué)式為
B.該鹽中氮元素的化合價(jià)均為-3價(jià)
C.該鹽遇強(qiáng)堿能釋放出NH3
D.該鹽中五氮陰離子具有還原性
【答案】B
【解析】根據(jù)物質(zhì)的電中性原則,可知(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl中的五氮陰離子的化學(xué)式為,A項(xiàng)正確;該鹽的N中氮元素的化合價(jià)為-3價(jià),中氮元素的化合價(jià)為-價(jià),B項(xiàng)錯(cuò)誤;該鹽中含有N,遇強(qiáng)堿能釋放出NH3,C項(xiàng)正確;中氮元素呈-價(jià),具有還原性,D項(xiàng)正確。
　　典例2　道爾頓的原子學(xué)說曾經(jīng)對(duì)化學(xué)科學(xué)的發(fā)展起了很大的作用,他的學(xué)說包含下述三個(gè)論點(diǎn):①原子是不能再分的粒子;②同種元素原子的各種性質(zhì)和質(zhì)量都相同;③原子是
微小的實(shí)心球體。從現(xiàn)在的觀點(diǎn)看,你認(rèn)為這三個(gè)論點(diǎn)中,哪些不確切
【答案】①②③均不確切。
【解析】從現(xiàn)在的觀點(diǎn)看:原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的;大多數(shù)元素存在同位素,不同同位素的質(zhì)量不同;原子核體積只占原子極小一部分,而核外電子的運(yùn)動(dòng)區(qū)域非常“空曠”。
歸納總結(jié)　人類探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史
人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是逐漸發(fā)展的,后人都是在前人的基礎(chǔ)上逐步完善。
(1)由于道爾頓最早提出了原子學(xué)說,合理地解釋了當(dāng)時(shí)的一些化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律,給化學(xué)奠定了唯物主義理論基石,所以道爾頓被譽(yù)為近代化學(xué)之父。
(2)從原子結(jié)構(gòu)模型的演變過程可以看出,人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)過程是逐步深入的。雖然很多科學(xué)家得到了一些錯(cuò)誤的結(jié)論,但對(duì)當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)真相做出了一定的貢獻(xiàn)。
(3)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)家已能利用電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡來拍攝表示原子圖像的照片并且能在晶體硅表面上用探針對(duì)原子進(jìn)行“搬遷”。
　　訓(xùn)練1　我國科學(xué)家在世界上第一次為一種名為“鈷酞菁”的分子(直徑為1.3 nm)恢復(fù)了磁性,“鈷酞菁”分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與人體內(nèi)的血紅素及植物體內(nèi)的葉綠素非常相似。下列說法中正確的是 (　　)
A.“鈷酞菁”和磁性氧化鐵一樣,屬于無機(jī)化合物
B.“鈷酞菁”分子分散在水中所形成的分散系帶電
C.此項(xiàng)工作可以用來改變分子的某些物理性質(zhì)
D.“鈷酞菁”分子分散在水中所形成的分散系為溶液
【答案】C
【解析】“鈷酞菁”分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與人體內(nèi)的血紅素及植物體內(nèi)的葉綠素非常相似,因此屬于有機(jī)化合物,A項(xiàng)錯(cuò)誤;“鈷酞菁”分子分散在水中所形成的分散系不帶電,呈電中性,B項(xiàng)錯(cuò)誤;“鈷酞菁”分子分散在水中所形成的分散系為膠體,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
　　訓(xùn)練2　我國科學(xué)家利用蠟蟲腸道菌群,將塑料降解時(shí)間從500年縮減到24小時(shí),并用同位素示蹤法證實(shí)了聚乙烯降解為CO2。下列有關(guān)該過程說法不正確的是 (　　)
A.一定發(fā)生了氧化反應(yīng)
B.只涉及碳碳鍵的斷裂
C.同位素示蹤法是從微觀角度識(shí)別物質(zhì)的變化
D.該研究成果有利于緩解塑料垃圾引起的環(huán)境問題
【答案】B
【解析】有氧氣參加的反應(yīng)是氧化反應(yīng),A項(xiàng)正確;塑料降解過程中不僅涉及碳碳鍵的斷裂,還有碳?xì)滏I的斷裂,B項(xiàng)錯(cuò)誤;同位素示蹤法是從微觀角度識(shí)別物質(zhì)的變化,C項(xiàng)正確;該研究成果有利于緩解塑料垃圾引起的白色污染,D項(xiàng)正確。
任務(wù)2　物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索無止境
【新知生成】
1.探尋人類和其他生物生命運(yùn)動(dòng)的　　　　　　,無疑是21世紀(jì)化學(xué)科學(xué)亟待解決的重大課題之一。20世紀(jì)經(jīng)典生物學(xué)的最大突破是　　　　　　探索生命現(xiàn)象的本質(zhì),這一過程也離不開對(duì)　　　　　　的研究。
2.研究配體小分子和受體生物大分子　　　　　的機(jī)理,有助于進(jìn)行　　　生物分子和　　　藥物的開發(fā),特別是人類亟待解決的抗癌藥物的設(shè)計(jì)、制備和篩選,以及合成一大批高效、無毒副作用的藥物。
3.　　　化學(xué)是　　　化學(xué)最重要的理論基礎(chǔ),　　　化學(xué)是　　　化學(xué)最直接的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和推動(dòng)力量。化學(xué)家利用化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化,制備人類生活和生產(chǎn)所需要的物質(zhì),需要回答一系列與　　　　相關(guān)的問題。這就要求化學(xué)家建立精確有效而又普遍適用的化學(xué)反應(yīng)的　　　　　理論。
【答案】1.化學(xué)機(jī)理　在分子水平上　物質(zhì)結(jié)構(gòu)　2.相互作用　 手性　 手性　3.量子　結(jié)構(gòu)　 結(jié)構(gòu)　量子　化學(xué)鍵 量子力學(xué)
【核心突破】
　　典例3　化學(xué)在古代與現(xiàn)代的科技發(fā)展中起了十分重要的作用,下列說法中正確的是 (　　)
A B C D
古代與現(xiàn)代的冶金均運(yùn)用了相同的化學(xué)原理 古代與現(xiàn)代的火箭發(fā)射均利用了液體燃料 古代搗碎中藥與現(xiàn)代中藥納米粉碎均是化學(xué)變化 古代風(fēng)箏與現(xiàn)代熱氣球飛行均無須物質(zhì)直接供給能量
　　【答案】A
【解析】金屬的冶煉是金屬元素由化合態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài),即金屬元素得電子被還原,故古代和現(xiàn)代的冶金技術(shù)不同,但原理相同,A項(xiàng)正確;古代的火箭用的燃料是火藥,而現(xiàn)代的火箭大多用的是液態(tài)燃料,B項(xiàng)錯(cuò)誤;無論是古代搗碎中藥還是現(xiàn)代中藥的納米粉碎,均無新物質(zhì)生成,故藥品的粉碎均為物理變化,C項(xiàng)錯(cuò)誤;現(xiàn)代熱氣球需要燃料燃燒來提供能量,從而使熱氣球中氣體的密度小于空氣,所以熱氣球才能浮起來,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
　　訓(xùn)練3　人造骨是一種具有生理功能的新型無機(jī)非金屬材料,它有類似于人骨和天然牙齒的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。人造骨可以依靠人體的體液中的某些離子形成新骨,可在骨骼接合界面發(fā)生反應(yīng),實(shí)現(xiàn)骨骼牢固結(jié)合,人造骨植入人體內(nèi)需要吸收人體中的下列哪些離子形成新骨 (　　)
A.Ca2+、P B.Cl-、Na+ C.Na+、Mg2+ D.S2-、I-
【答案】A
【解析】因Ca5(PO4)3OH、Ca3(PO4)2等無機(jī)鹽為骨骼的主要成分,所以人造骨植入人體內(nèi)需吸收人體中的Ca2+和P形成新骨。
課堂小結(jié)
【隨堂檢測(cè)】
1.原子結(jié)構(gòu)模型的演變歷史給我們的啟迪是 (　　)
A.道爾頓原子學(xué)說存在著缺陷或錯(cuò)誤,因而沒有積極的作用
B.科學(xué)發(fā)現(xiàn)是有止境的
C.原子結(jié)構(gòu)屬客觀事實(shí),沒有必要去揭示它
D.沒有科學(xué)實(shí)驗(yàn),就沒有科學(xué)發(fā)現(xiàn)
【答案】D
【解析】道爾頓的原子學(xué)說,對(duì)化學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了重大而積極的影響;原子結(jié)構(gòu)模型的每一次演變,都是從科學(xué)實(shí)驗(yàn)開始的;只有揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘,才能把握物質(zhì)變化的實(shí)質(zhì),更好地造福人類;科學(xué)發(fā)現(xiàn)是無止境的。
2.通過對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究,能夠解決許多問題。在生命科學(xué)領(lǐng)域,下列不能通過研究結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系加以解決的問題是 (　　)
A.酶的催化機(jī)理
B.手性生物分子與手性藥物的作用機(jī)制
C.指甲的長短與手指靈活性的關(guān)系
D.抗癌藥物的設(shè)計(jì)與篩選
【答案】C
3.方興未艾的“克隆”技術(shù)的關(guān)鍵之一是找到一些特殊的酶,這些酶能激活普通體細(xì)胞,使之像生殖細(xì)胞一樣發(fā)育成個(gè)體。下列有關(guān)酶的敘述中,錯(cuò)誤的是 (　　)
A.酶大多是具有催化作用的蛋白質(zhì)
B.酶的催化作用具有選擇性和專一性
C.高溫或重金屬鹽能降低酶的活性
D.酶只有在強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性條件下才能起作用
【答案】D
【解析】酶大多是具有催化作用的蛋白質(zhì),其催化作用具有選擇性和專一性,A、B兩項(xiàng)正確;高溫、重金屬鹽、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿條件下都會(huì)使蛋白質(zhì)變性而失去酶的催化作用,C項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
4.在探索生命奧秘的過程中,科學(xué)家們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到生命細(xì)胞的組成和元素周期律有著密切的關(guān)系,約占人體質(zhì)量99.97%的11種常量元素全部位于元素周期表前20號(hào)元素之內(nèi),這些元素除H、N、P外還有:
(1)能形成化合物種類最多的元素:　　　　(填元素符號(hào),下同)。
(2)原子結(jié)構(gòu)中,第二層比第三層電子多1個(gè)的元素:　　　　,與它處在同一周期并相鄰的非金屬元素:　　　　。
(3)其中,最活潑的金屬元素:　　　　,它的相鄰元素:　　　　、　　　　。
(4)剩余兩種元素,它們的離子電子層結(jié)構(gòu)相同,且?guī)щ娏恳蚕嗤?但電性相反,這兩種元素是　　　　和　　　　。
【答案】(1)C　(2)Cl　S　(3)K　Ca　Na　(4)Mg　O
5.元素在周期表中的位置,反映了元素的原子結(jié)構(gòu)和元素的性質(zhì),下圖是元素周期表的一部分:
(1)陰影部分元素Bi在元素周期表中的位置為第　　　　周期第　　　　族。根據(jù)元素周期律,請(qǐng)你預(yù)測(cè),H3AsO4、H3PO4的酸性強(qiáng)弱:H3AsO4　　　　H3PO4(填“>”、“<”或“=”)。
(2)根據(jù)NaH的存在,有人提議可把氫元素放在第ⅦA族,那么根據(jù)其最高正價(jià)與最低負(fù)價(jià)的絕對(duì)值相等,又可把氫元素放在周期表中的第　　　　族。
(3)元素甲是第三周期金屬元素中原子半徑最小的元素,該元素的離子與過量氨水反應(yīng)的離子方程式為　　　　　　　　。
(4)周期表中有10多種人體所需的微量元素,其中有一種被譽(yù)為“生命元素”的主族元素R,對(duì)延長人類壽命起著重要作用。已知R元素的原子有4個(gè)電子層,其最高價(jià)氧化物的分子式為RO3,則R元素的名稱為　　　　(填字母)。
A.硫　　　B.砷　　　C.硒　　　D.硅
(5)羰基硫(COS)分子結(jié)構(gòu)與二氧化碳分子結(jié)構(gòu)相似,所有原子的最外層都滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu),羰基硫分子的電子式為　　　　　。
【答案】(1)六　ⅤA　<　(2)ⅣA
(3)Al3++3NH3·H2OAl(OH)3↓+3N
(4)C
(5
2

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