高中化学甲醇选择性必修2物质结构与性质（苏教版）.pdf

ISBN 978-7-5499-9277-59 787549 992775主 编 王祖浩副 主 编 吴 星 刘宝剑 王云生本 册 主 编 王祖浩本册副主编 吴 星 陈才锜亲爱的同学们，欢迎学习高中化学选择性必修课程物质结构与性质。初中的化学学习经历，虽然只是化学的启蒙，但大家已经初步了解了化学发展的历程，领略了化学科学的魅力，体验了探究的乐趣。通过高中化学必修课程的学习，我们进一步领悟了化学博大精深的科学思想，理解了化学与人类文明的密切关系，学到了更多有趣、有用的化学知识。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科。物质结构决定物质性质，而物质性质直接关系到物质的用途。时至今日，化学家们积累起来的知识虽不能解决与社会发展有关的全部问题，但也结出了丰硕的果实。与人类已知的几百万种生物相比，已知的化合物达上亿种，近年来每年创造的新物质就达数百万种。化学不仅与制药、石油、橡胶、造纸、建材、钢铁、食品、纺织、皮革、化肥等传统行业荣衰与共，还带动了信息、能源、航天、生命等高科技产业的发展。据统计，活跃在全球与化学相关领域中的科学家、工程技术人员，是一支最为庞大的研究队伍。为了保卫地球，化学家们开创了绿色化学时代。“绿色发展”已经成为我国可持续发展的基本国策。我们正在努力并且已经能够做到：使天空更清洁，从源头防治水污染，修复污染的土地，建构清洁低碳、安全高效的能源体系，实现绿色低碳的生活方式我细心观察过今天的高中学生，欣喜地发现，随着时代的进步，同学们的视野更为开阔，思维愈发活跃。教师们常常在为高中生各种新奇的创意与问题惊讶甚至烦恼的同时，不能不叹服他们对化学内涵的深刻理解，以及表现出来的巨大思维潜力。有了如此乐观的学习基础，在高中化学选择性必修课程的学习中，同学们能更多地体验实验探究的乐趣，掌握科学研究的方法，感受化学在解决人类面临的重大挑战时所作出的贡献。依据普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订），我们积极探索化学学习对促进学生核心素养发展的重要影响，从内容、思路和活动等多个方面对化学教材进行了修订，力求体现教材的全面育人功能。物质结构与性质作为继化学必修课程之后的选择性必修课程，将从原子、分子水平上帮助学生认识物质构成的规律；以原子结构、微粒之间的作用力和分子结构为线索，研究不同类型物质的有关性质，帮助同学们从物质结构决定性质的视角去解释一些简单的化学现象，形成有关物质构成的科学观念，学会科学思维的方法，提高分析问题和解决问题的能力。教材设置了丰富多彩的学生活动和大量生动的学习素材，循序渐进，引导同学们学好物质结构理论。教材的主要栏目设置了丰富多彩的学习活动， 帮助同学们在阅读过程中更好地理解化学。【温故知新】在新旧知识之间架起桥梁，引导同学们回顾已有知识和思维经验，寻找与新学知识之间的密切联系，激发探究新知识的欲望。【交流讨论】结合学习目标设置了一系列与内容有关的问题情境，引导同学们展开讨论，为理解知识和深化思维提供基础。【基础实验】要求同学们在学习中同步完成的必做实验，不仅要了解这些实验的基本原理，还要学会动手操作，切实提高自己观察、记录和分析实验现象的能力。【实验探究】引领同学们积极投身更多的实验活动，熟悉实验流程，设计探究方案，独立或合作完成实验操作，记录实验现象，基于实验证据进行推理。【观察思考】教师展示实验现象、模型、图表等，提出相关问题激发同学们思考，尝试解析其中蕴涵的化学原理，帮助同学们开启化学思维。【学以致用】在教材阐述新知识之后插入典型问题，启迪同学们运用所学知识去解决实际问题，提高知识的迁移能力。【方法导引】结合学习内容，介绍解决相关问题的一般方法和特殊方法，认识科学方法对化学研究和学习的重要性，帮助同学们形成思考和解决化学问题的正确思路。【调查研究】通过查阅资料、考察或访谈，收集生活和生产实际中的化学问题，运用已学知识和方法揭示化学现象的本质，体验化学知识应用的价值。【拓展视野】提供与学习内容相关的更多生动的素材，帮助同学们在完成学习任务之余，进一步开拓视野，领略化学的奇妙和魅力。【科学史话】选取相关的、意义重大的化学史实，生动地还原其发展过程，帮助同学们从科学家的角度去思考问题，感受中外科学家的创新精神。【学科提炼】以简洁的语言介绍与化学核心知识相关的基本原理、思想方法等，尝试探索化学科学的本质特点，揭示化学知识的教育功能。【批判性思维】通过对教材知识涉及的学科问题、科学实验、社会性议题的分析，提升同学们质疑批判和开放性思维的品质。【跨学科链接】运用化学知识解释生物、物理、能源和医学等相关领域的问题，从多角度展现化学科学的价值，提高同学们分析和解决复杂问题的能力。化学，伴随我们一生的科学。在过去的岁月中，我们渴望了解化学，为此我们有过喜悦，也有过失望，但探索的步伐一直没有停歇。今天，当我们以一种新的姿态学习高中化学，你眼中的物质世界将会变得更加绚丽多彩！让我们充满信心，用智慧和勤奋去迎接新的学习任务，探索更多的科学奥秘，攀登更高的科学台阶，创造更加美好的明天！ 王祖浩 2021年3月 1819世纪西方的工业革命极大地推动了科学技术的发展，也带动了实验技术的不断革新，在物理学领域取得了前所未有的重大突破。X射线、电子、天然放射现象的先后发现，促使人们对经典物理学进行深刻反思，提出了革命性的见解，形成了新的理论体系。19世纪20年代，量子力学的建立，有力地推动了化学物质结构理论及其实验技术的发展，为从微观层面研究物质及其反应的本质提供了理论和方法。本专题让我们循着科学家探索的足迹，去揭示物质结构蕴藏的奥秘。物质结构与性质2第一单元物质结构研究的内容在我们生活的世界中，物质资源丰富多样：有大自然赐予我们的，有人类通过自身的不断努力创造产生的。新物质的发现与人类的文明密切地联系在一起。要合理利用自然赐予我们的物质，创造性能更优异的物质，必须深入研究物质的组成以及物质结构与其性质之间的相互关系。物质的性质和变化都与其组成和结构有关。例如，石墨和金刚石的组成一样，在纯氧中燃烧的产物也都是CO2，但为什么石墨质软、易传热、能导电，而金刚石却不导电、硬度最大？这就需要我们揭示物质构成的奥秘以及物质结构与性质的关系，从中获得答案。要回答上述问题，必须深入研究原子的结构，特别是最外电子层上发生的变化，以此判断元素的性质。例如，钠原子、氯原子核外电子的结构如图1-1所示。钠原子在化学反应中容易失去最外电子层上的1个电子，形成带1个单位正电荷的阳离子（Na+），钠元素表现出强的金属性；氯原子最外层上有7个电子，不容易失去电子，在化学反应中倾向于获 通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到： 能结合已有知识描述常见物质的微观结构，分析物质结构与其性质之间的关系；能从物质的微观结构出发解释或预测物质的宏观性质；认识物质结构研究对化学科学发展的重要意义。目标预览 认识物质的特征结构我们已经知道，元素原子最外层电子排布的周期性是元素性质周期性变化的主要原因。元素的原子结构是如何决定元素性质的呢？元素的原子结构与元素的金属性和非金属性的强弱之间有什么关系？温故知新3揭示物质结构的奥秘专题1得1个电子，形成带1个单位负电荷的阴离子（Cl），氯元素表现出强的非金属性。因此，在钠与氯气的反应中，钠原子和氯原子通过电子的转移，分别形成稳定结构的钠离子和氯离子，再通过静电作用力形成氯化钠晶体。研究物质之间的化学反应，其本质就是研究从一种结构（反应物）如何转变为另一种新的结构（生成物），这就需要对反应物、生成物的特征结构进行针对性的研究，考察反应物中什么原子或原子团上的化学键容易发生断裂，继而在什么位置上生成新的化学键。图 1-1 氯化钠形成示意图上述反应发生在乙醇分子的羟基官能团上，即OH失去1个H，与OH相连的C上也失去1个H，形成新的CO双键，乙醇转化成乙醛分子（乙醛中含有醛基官能团），这个过程也被称为氧化（去氢）反应。氮分子含有氮氮三键，在通常条件下很稳定，难以参加化学反应，因此，在固氮研究中，需要通过改变反应条件，如升温、加压、使用催化剂等，氮分子才能转化为氮的化合物。因此，研究物质的特征结构，可以帮助我们获得很多有用的信息，设计反应的条件，解释反应生成的产物等。研究物质的特征结构，必须思考相关的一系列问题：同一元素或不同种元素的原子之间为什么能彼此结合？为什么物质中直接相邻原子之间的化学键类型不同？为什么原子、分子或离子可以构成不同的晶体？晶体中的微粒间是通过怎样的相互作用结合的？为什么分子具有一定的空间构型？为什么有机化合物有同分异构体现象？为什么有些元素能形成几种同素异形体？等等。NaClClClNa+Na+氯化钠晶体结构模型氯化钠晶体+17+17+112 8 1+112 8 7 8 28 8 2HCCOHHHHHHCCO + 2H+ + 2e-HHHClNa+物质结构与性质4物质的结构在很大程度上决定了该物质的某些性质。例如，白磷晶体是由白磷分子（P4）组成的分子晶体，分子呈正四面体结构，分子中PP键键长是221 pm，键角PPP是60 。因其中的PP键弯曲而具有较大的张力，其键能较小，易断裂，所以白磷在常温、常压下就有很高的反应活性。而红磷的链状结构比较稳定，室温下不与氧气反应。为揭示物质结构与物质性质之间的关系，必须研究有关的问题。例如，在晶体中，微粒和微粒间作用力的类型是怎样影响它们性质的？为什么金属晶体表现出导电性、延展性？分子的空间结构对物质性质有什么影响？为什么某些原子或离子可以和另一些原子、离子结合成像Ag(NH3)2+这样比较复杂的离子？因此，科学家从结构入手预测物质可能的性质，再通过反复实验，以阐明物质结构与性质的关系。由相同的碳元素可以组成不同的单质，为什么金刚石、石墨、富勒烯（C60）和碳纳米管等物质，它们的性质差异很大？图1-3从结构上分析了各类物质的性质和用途。白磷在潮湿的空气中发生缓慢的氧化反应，在40 左右即可发生自燃；而红磷在300 左右才能与氧气反应。两者组成的元素相同，为什么表现出的性质有如此明显的差异？温故知新 揭示物质结构与性质的关系请从物质的结构入手分析下列问题：1. 从分子组成上看，乙醇比乙烷多了1个氧原子，但性质差异很大。试依据两种物质的分子结构作分析。2. 过氧化氢具有强氧化性，其水溶液是医疗上常用的一种消毒液，生活中常用的漂白剂。过氧化氢中的氢原子和氧原子是怎样结合在一起的？学以致用图 1-2 白磷分子的 正四面体结构5揭示物质结构的奥秘专题1金刚石 碳原子间结合牢固。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质，可用于切割玻璃、金属。木炭 碳原子不规则结合，又称无定型碳。富勒烯结构 碳原子结合形状呈中空足球状，其中空部分可以填入其他原子或分子。碳纳米管结构 中空管状的富勒烯又称碳纳米管，它强度高、弹性佳，应用前景广泛。石墨 同一层上的碳原子之间形成六边形网状结构并层层重叠，层与层之间引力微弱，可以滑动，常用作润滑剂。C图 1-3 不同碳单质的结构与用途1. 为什么分子组成都是C2H6O的乙醇和二甲醚在性质上差异很大？例如，乙醇能与金属钠反应放出氢气而二甲醚却不能，乙醇易溶于水而二甲醚却不溶于水。2. 许多磷的化合物的结构与P4的正四面体有关，如白磷在空气中燃烧，生成的产物之一是P4O6。试从结构上对该反应进行解释。批判性思维图 1-4 乙醇和二甲醚的分子结构模型物质结构与性质61. 下列有关物质结构的认识中，正确的是（ ）A. 物质的结构决定物质的性质，物质的性质反映物质的结构B. 物质的结构仅包括构成物质的微粒间的相互作用和分子的结构C. 物质的结构随着人们的认识或研究的发展经常发生变化D. 物质的结构有宏观和微观两个方面的认识，从宏观上说物质是由元素组成的，从微观上说物质是由分子构成的2. 下列有关物质结构与性质的说法中，不正确的是（ ）A. N2通常条件下很稳定的原因是氮分子中氮氮三键的键能大B. 根据石墨易传热、能导电的性质，可以推测出石墨晶体中有自由移动的电子C. 熔融的氯化钠能导电是因为其中有自由移动的电子D. 研究材料结构与性质的关系，有助于新材料的研发3. 最近医学界通过用放射性14C来标记C60，发现C60的一种羧酸衍生物在特定条件下可通过断裂DNA来杀死细胞，从而抑制艾滋病（AIDS）。下列有关14C的叙述中，正确的是（ ）A. 与12C原子的化学性质不同B. 与14N含有的中子数相同C. 是C60的同素异形体D. 与12C互为同位素4. C60与金刚石互为同素异形体，两者的物理性质差异较大。下列关于C60的说法中，正确的是（ ）A. 易溶于水B. 易溶于氯化钠溶液C. 易溶于氨水D. 可溶于苯等有机溶剂5. 根据你学过的知识，说说物质结构的研究对发现新物质和预测新物质性质的作用和意义。6. 试结合实例，谈谈你对物质结构与性质关系的认识。 理解应用7揭示物质结构的奥秘专题1第二单元物质结构研究的范式与方法确定研究对象后，需要运用一定的范式与方法开展研究。根据分类依据的不同，物质结构研究的范式与方法各异。从研究范式上看，可分为归纳法和演绎法两种。从研究方法上看，可分为实验方法、模型方法和假说方法等。认识和掌握这些研究范式和方法，对我们研究物质结构具有极为重要的指导意义。物质结构研究有两种常见的范式：一是归纳范式，二是演绎范式。归纳范式归纳范式，其过程为“从个别到一般”。具体而言，根据事实进行概括归纳，抽象出共同点，上升为本质规律。例如，我们在学习有机化学知识时，就是利用归纳的方法，从甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）等的分子式中归纳出了饱和烷烃的碳链结构，写出其通式为CnH2n+2。我们在学习元素周期律时，通过比较120号元素的原子核外电子排布来认识前20号元素对应原子结构的不同，从中归纳出元素核外电子排布的规律，并从结构上解释了同族元素性质相似的原因。又如，研究含有双键和三键的不饱和烃时，大量的实验发现这类物质容易发生加成反应和氧化反应，结构特征分析也发现不饱和键具有不稳定的性质，最后根据结构与性质的关系归纳得出这类有机物的通性。 通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到： 认识物质结构研究的两种范式及其相互关系；能举例说明科学假说和论证、实验方法、模型方法等在物质结构研究中所起的重要作用；能描述现代仪器和手段为测定物质结构、建立相关理论作出的重要贡献；初步学会从宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等角度解决化学问题。目标预览 物质结构研究的范式物质结构与性质8演绎范式演绎范式，其过程通常为“从一般到个别”。具体而言，它是从某个一般结论出发，向从属于这一结论的多个要素进行推理的过程。例如，门捷列夫建立了元素周期表，为人们提供了元素间联系的一般理论。在元素理论的指导下，人们于1875年发现了“类铝”（镓），1879年发现了“类硼” （铊），1886年发现了“类硅” （锗）。这些都证明了运用演绎范式获得的成功。在物质结构研究中，难以对所有可能的结论一一加以实验论证。有时人们根据元素周期律和微粒间作用力的特征等，预测物质可能具有的某些性质，采用的往往就是演绎法。例如，根据钠原子最外电子层上1个电子极易失去表现出强还原性的特点，可以推出同族半径更大的钾、铷、铯元素具有更强的还原性的结论。又如，水是极性较强的分子，水分子之间存在较强的氢键，水分子既可为生成氢键提供H，又有孤电子对接受H。因此，从分子的结构可以推知，凡能为生成氢键提供和接受H的溶质分子，极性与水相似，如CH3CH2OH、CH3COOH等，均可通过氢键和水结合，在水中溶解度较大；碳氢化合物极性较小，也难以和水形成氢键，在水中溶解度很小。这就是著名的“相似相溶规则”。归纳范式和演绎范式作为一对普遍适用的逻辑方法，在化学研究中得到了广泛应用。两者不是孤立使用的，在实际研究中常常融合在一起。归纳与演绎的关系从科学研究的途径来看归纳和演绎的使用，一般为先归纳、后演绎。人们往往根据自己的研究目标，依据一定的理论基础，设计并进行实验；再从实验数据或现象中得出假说；通过实验或理论证明假说正确与否，使之上升为新的理论；最后运用新理论指导实验，获得新的结论。“实验假说理论新实验”的过程，本质上就是从个别到一般，再到个别的过程。演绎是从一般到个别，从理论推出新的事实。然而，演绎需要依赖于前提，而归纳恰好具备这种功能。尽管归纳的结果并不一定普遍准确，但它恰恰提供某种前提，这就为从归纳过渡到演绎准备了必要条件，这正是归纳和演绎往往综合使用的原因。归纳需要演绎作指导，以解决归纳研究的目的性、方向性和结果的正确性问题；而演绎需要归纳提供前提。在演绎的指导下归纳，在归纳的基础上演绎，两者互相联系、互为前提。学科提炼9揭示物质结构的奥秘专题1在物质结构的研究中，除借助科学仪器等物质手段，还需要借助化学研究的方法。常用的化学研究方法有科学假设和论证、实验、模型建构等。 物质结构研究的方法在实际的化学研究中，研究的具体对象千差万别，使得归纳和演绎的关系也更为复杂，往往需要归纳和演绎的串联、交叉运用，有时还需要与其他逻辑方法并用或交替使用。构成物质的微粒和物质的微观结构难以直接观测。但是，人们在长期的探索过程中，运用实验、模型等方法，通过分析、观察、推理，借助科学假说和论证，在揭示物质微观结构奥秘的探索中取得了巨大成就。阴极射线的发现、粒子散射实验、氢原子光谱的发现和研究，对揭示原子内部结构的奥秘具有极为重要的作用。道尔顿、汤姆生、卢瑟福、玻尔等人提出的原子结构模型对人类探索物质结构作出了巨大贡献。请你根据这些事例和科学家的研究说明科学假说和论证、实验方法、模型方法对探索物质的微观结构的重要性。交流讨论科学假设和论证科学家研究问题的第一步是观察，运用感官或借助仪器观察物质的宏观表现。在观察的基础上，科学家提出假设（hypothesis），即根据已有知识，对所研究的事物或现象作出初步的解释。它是人们关于某一事物或现象的一种理性推测。例如，1825年，英国科学家法拉第（M. Faraday, 17911867）首先发现了苯，但如何确定其结构成为化学家的难题。德国化学家凯库勒（F. A. Kekul，18291896）经过大量猜想假设，于1865年提出了苯的六元环结构，再经过后人的验证，确认了苯具有六边形结构。这是化学史中提出假说、推断和得出推论的典型实例。为了证明假设是否正确，必须通过不断的重复实验进行论证。凯库勒苯环假说的提出，虽具有非逻辑的直觉成分，但它也有一定的实验根据。若实验证明假设是正确的，科学家就接受这个假设；如果实验不支持假设，则必须对假设进行修改，并设计新的实验进行反复验证。物质结构与性质10经实验证明正确的假设还需通过建立理论来将这些知识组织起来，使之成为知识体系。理论（theory）是建立在大量的观察基础之上并为实验所证实的解释。例如道尔顿的原子理论，就是建立在很多化学家一次又一次观察和实验的基础之上的。当反常现象大量出现，而原有理论又不能很好地作出解释时，就需对原有理论加以修改，甚至需要提出新的理论（图1-6）。实验方法化学是一门以实验为基础的学科，人们往往需要借助实验观测的事实对假设的正确与否进行检验。为了进一步了解原子的内部结构，往往需要依赖新的实验方法。卢瑟福的粒子散射实验，启迪人们开始用轰击和对撞的实验来研究物质的内部结构，为我们提供了一种研究物质微观结构的思想方法。20世纪20年代，量子力学为化学研究提供了分析原子和分子结构的理论基础，极大地推进了物质结构的研究，包括物质结构研究的实验方法和实验技术，均取得很大的进步。17世纪发明的光学显微镜，虽然不能观察分子层次的物质结构，但为研究物质结构提供了非常重要的思想方法。到20世纪中后期，扫描隧道显微镜、原子力显微镜等一系列研究分子结构的仪器问世，各种光谱和晶体X射线衍射实验方法应用于研究原子、分子和晶体结构，使得原子和分子的微观世界不断被揭示。通过这些仪器与手段所获得的信息，为建立物质结构模型和相关理论提供了坚实的支撑。图 1-5 凯库勒与苯的六元环结构图 1-6 研究过程流程图观察假设实验修正理论修正后的理论HHHHHH11揭示物质结构的奥秘专题1现在，研究物质结构的实验方法和技术已经有了很大的进步，为化学家认识原子、分子的结构和性质积累了大量的实验资料，有力地推动了化学科学的进一步发展。模型方法科学家需要运用一定的逻辑推理与模型思维对实验结果进行处理。模型既可以是对原型的简化和纯化、抽象和近似，也可以是结合某种理论形态下建立的思维模型。常见的实物模型，有利于人们对事物作出整体认识，如汽车模型、飞机模型和建筑模型等，都是可观察到的物体的宏观模型；物质的微观层次结构，难以直接观察到，需要通过思维加工使抽象的微观世界以可视化的形式展现出来，也称微观结构模型（图1-9）。模型研究对科学家探索物质的微观结构具有非常重要的意义。图 1-7 晶体的X射线衍射图 1-8 测定物质组成和结构的仪器晶体铅板X射线衍射花纹X射线管源10 00040 000 V图 1-9 宏观模型和微观结构模型显微红外光谱仪电子显微镜原子吸收分光光度计X射线衍射仪物质结构与性质12在必修课程的学习中，我们接触到了很多物质结构的模型，最熟悉的就是各种原子结构模型，表示微粒间作用力的离子键模型、共价键模型和氢键模型，有机化合物的分子结构模型等。图 1-10 原子结构模型的演变图 1-11 乙烯、乙炔的球棍模型道尔顿汤姆生卢瑟福玻尔模型抽取了物质原型的关键要素，是对原型的简化。科学家从实验中获得的大量原始数据出发，抽象出一定的模型，然后选择合理的方法进行计算，最后得出科学的规律。因此，模型对沟通科学现象与其本质的认识过程，起到了重要的桥梁作用。同时，它给人以简单、清晰的物理图像和直观明确的物理含义，因此被广泛采用。利用模型深刻地认识物质的微观结构特点，揭示结构与性质的关系，是模型研究的重要功能。在化学学习中常用球棍模型来帮助我们观察和思考。例如，我们仅知道乙烯是平面结构，乙炔是直线结构，有时很难想象这些分子的空间形态，以及化学反应过程中化学键断裂的情况，有了球棍模型的配合，就一目了然了（图1-11）。乙烯乙炔13揭示物质结构的奥秘专题11. 在探索微观世界的过程中，科学家们常通过提出假说来把握物质的结构及特点，不断拓展认识的新领域。关于假说，下列表述中正确的是（ ）A. 假说是对现实中已知事物或现象的一种简化处理B. 假说是根据已知的科学事实和原理对未知领域的事物或现象的本质提出的一种推测C. 假说是对一个问题的所有幻想和假定D. 假说最终都可以变成科学理论2. 原子结构模型经历了五个主要阶段：1803年实心球模型1904年“葡萄干面包”模型1911年原子核式结构模型1913年轨道模型20世纪初量子力学的原子结构模型。对轨道模型贡献最大的科学家是（ ）A. 玻尔 B. 汤姆生 C. 卢瑟福 D. 道尔顿3. 化学中的模型有助于我们形成化学学科的思想和方法，其中，实物模型是依靠物质的基本形态所做的模仿。下列属于实物模型的是（ ） 理解应用A. 卢瑟福原子结构模型C. 氧化汞受热分解示意图B. CH4分子的结构模型D. 接触法制硫酸示意图黄铁矿矿渣经净化98.3硫酸空气沸腾炉接触室吸收塔尾气供稀释用硫酸催化剂催化剂SO2、 O2SO2、 O2SO24. 结合已有知识和实例，分别阐述归纳法和演绎法在化学学习中的作用。5. 请从物质结构研究的历史中选取一个主题，仔细查阅资料，整理出参与研究的科学家所作的贡献，阐述研究的方法，体会科学家坚持不懈、敢于批判的精神。 +OOOHgOHgHgHg物质结构与性质14第三单元物质结构研究的意义科学家运用化学研究的不同范式和方法，借助现代仪器与手段对物质结构进行不断地探索，揭示了物质结构的内在特征，设计并合成了大量的新物质，极大地提高了人类社会生产与生活的水平。科学家对于物质结构的探索步伐永不会停歇。化学科学的发展离不开对物质结构的探索和研究。1811年，意大利科学家阿伏加德罗（J. Avogadro，17761856）在总结气体参加化学反应时体积变化的基础上，提出了分子的概念，认为气体分子可以由几个原子组成。1860年，国际化学界接受了50年前阿伏加德罗提出的分子假说，确立了“原子分子论”，即不同元素代表不同原子，原子按一定方式结合成分子，分子组成物质，分子的结构直接决定分子的性质。到1869年，已有63种元素为科学家们所认识，测定相对原子质量的工作也取得了很大进展，对各种元素的物理及化学性质的研究成果也越来越丰富。在此基础上，俄国化学家门捷列夫（. . , 18341907）又把似乎互不相干的化学元素，按照相对原子质量的变化联系起来，发现了自然界的重要规律元素周期律，从而把化学元素及其相关知识纳入一个自然序列变化的规律之中，有助于从理论上指导化学元素的发现和应用。到20世纪40年代，人们已经发现了自然界中存在的92种化学元素。与此同时，人们又开始用粒子高能加速器来人工制造化学元素。 通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到： 认识物质结构研究对各种性能的新物质发现、设计与合成的重要意义；感受物质结构的研究对推动人类文明作出的巨大贡献；建立“物质结构的探索无止境”的观念，形成探索未知、崇尚真理的意识。目标预览 促进了化学科学的发展图 1-12 俄国化学家门捷列夫15揭示物质结构的奥秘专题119世纪中叶，化学家对有机化合物的认识也取得了重大进展。碳原子的四价、有机物中碳原子成键的立体结构、有机化合物分子中价键的饱和性等相继被发现，有机合成在一定程度上已可以做到“按图索骥”，而用不着仅凭经验摸索了。这些进展为有机立体化学的发展奠定了基础，对有机化学的进一步发展意义重大。从1900年至今，通过化学合成和分离手段得到的新物质的数量急剧增加，2003年达到4 500万种，2015年突破1亿，到2018年高达1.4亿种（图1-13）。这一事实充分说明化学合成技术的巨大成就。合成或从自然界分离出更多的新物质，能更好地满足人类的生活和社会可持续发展的需要。图 1-13 化学合成和分离得到的新物质种类图 1-14 部分新型材料研究物质结构，既能够为设计与合成新物质提供理论基础，也可以帮助我们预测物质的性能。例如，物质结构理论和方法是研究材料结构与性能关系的重要工具，有助于信息材料、纳米材料、新型合金、超导材料、可降解高分子材料等诸多新型材料的研制和应用（图1-14）。 半导体材料纳米陶瓷材料形状记忆合金超导材料可降解餐盒4 5002 650236.711019001945197020002003201520185510 00014 381?物质结构与性质16探寻人类和其他生物生命运动的化学机理，无疑是21世纪化学科学亟待解决的重大课题之一。20世纪经典生物学的最大突破是在分子水平上探索生命现象的本质，这一过程也离不开对物质结构的研究。到2017年，在已颁发的106次诺贝尔化学奖中，获奖最多的属于生物化学领域，高达50次。这些工作绝大多数与物质结构鉴定有关。研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，有助于进行手性生物分子和手性药物的开发，特别是人类亟待解决的抗癌药物的设计、制备和筛选，以及合成一大批高效、无毒副作用的药物；搞清楚食草动物胃内的酶是如何把植物纤维分解为小分子的，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础；合成具有生物活性的分子，可帮助人类揭示生命的奥秘；了解生物体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理，创造“新陈代谢”的目标就能得以实现而这些研究都需要物质结构理论与分析测试技术的支持。 物质结构的探索无止境进入21世纪以来，对手性药物的研究已成为全世界医药工业中最引人注目的领域之一；合成具有生物活性的分子是生命科学的研究前沿。你了解这些方面的信息吗？请查阅有关资料并与同学交流。交流讨论图 1-15 DNA双螺旋结构示意图图 1-16 瑞士科学家雅克迪波什（Jacques Dubochet）、美国科学家约阿基姆弗兰克（Joachim Frank）和英国科学家理查德亨德森（Richard Henderson）因“发展了冷冻电子显微镜技术确定溶液中生物分子的高分辨率结构”荣获2017年诺贝尔化学奖雅克迪波什约阿基姆弗兰克理查德亨德森17揭示物质结构的奥秘专题1量子化学是结构化学最重要的理论基础，结构化学是量子化学最直接的实验基础和推动力量。化学家利用化学反应实现物质转化，制备人类生活和生产所需要的物质，需要回答一系列与化学键相关的问题：两个或多个分子之间能否发生化学反应？能否生成预期的分子？需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应？如何在理论指导下控制化学反应？如何预测化学反应的速率？如何探索化学反应的途径？等等。这需要化学家建立精确有效而又普遍适用的化学反应的量子力学理论。随着化学反应的量子力学理论的进一步发展和技术的改善，人类将进入一个崭新的世界：合成氨不再需要高温、高压，光合作用不再是植物的“专利”，化工生产不再生成无实际用途的副产物，没有能源危机，也没有环境污染物质结构研究对于保护生态环境、实现社会的可持续发展亦具有重大意义。为了满足生活和生产的需要，人们每年都从实验室或工厂制造出成千上万种化学物质。新物质的制造，在提高人们生活质量的同时，也可能带来环境污染，人们迫切希望找到新物质的绿色合成方法，期望可以用简单、安全、对环境友好的操作，快速、定量地把价廉、易得的起始原料转化为人类所需求的物质。绿色合成方法的设计和实施，合成具有高活性和选择性的催化剂，都依赖于对物质转化规律、催化剂结构和催化机理的研究。环境的改善，将进一步提高人类的生活质量，促进社会的可持续发展。化学反应的实质是旧化学键断裂与新化学键形成的过程。那么，人们如何从物质的结构入手有效地调控化学反应呢？能否建立新的理论来指导化学反应的设计？能否找到在温和条件下即可反应、对环境友好的一系列催化剂？温故知新图 1-17 我国著名量子化学家唐敖庆（19152008）图 1-18 各种功能的催化材料物质结构与性质18在过去的100多年里，化学作为一门中心的、实用的、创造性的科学，已经为人类认识物质世界和人类文明的进步作出巨大贡献。用化学方法合成的数以千万计的物质，为阐明生命的起源、制备生物活性物质、合成新药物以及开发新材料奠定了理论和实验基础。化学创立了物质结构的理论、研究方法和实验手段，初步揭示了物质的结构和性质之间的关系和规律，为设计具有各种特殊功能的新物质提供了有效的方法和手段。对物质结构的进一步研究，将会使明天的世界变得更加绚丽多彩。物质结构探索的三重意义人们对物质结构永无止境的探索，有三重意义。一是哲学上的意义，证明世界的物质性和人类认识自然世界的永无止境。世界是由物质构成的，物质是由不同层次的微粒构成的复杂系统。物质运动是永恒的，小到诸如电子这样的微粒也在不停地运动，其运动规律符合微观世界的特征。在认识自然的过程中，人们找到了描述丰富多彩、变化万千的物质世界的最重要的概念元素，从而使物质世界变得简单、有序。二是科学理论和方法上的意义，丰富了人们关于物质世界的基本认识。科学家通过一系列实验，提出了原子结构模型、化学键模型、分子间作用力模型、分子结构模型等，可以用来解释和预测物质所表现的宏观性质，如物质的熔点、沸点、硬度、溶解性的大小，化学反应中具有特殊结构的反应物表现的活性，生命体的某些特征现象等，逐渐形成了从微观分析到揭示宏观现象的思维范式，也就是常说的“结构决定性质”。三是实践上的意义，物质结构研究获得的知识和方法可以指导人们解决很多实践中的问题。在搞清楚新物质结构特征的基础上，才能有目的地进行合成。如制备高效手性催化剂，必须运用立体选择性反应的方法获得手性分子的单一异构体，才能实现化学反应“环境友好”的需要；探明了特定物质的空间结构、手性、溶解性、基团的位置等具体信息，才能合成具有特效的药物。因此，探索物质结构，不仅能丰富化学学科的知识和方法，而且能揭示纷繁复杂的物质变化现象背后的本质，从中也能帮助人们形成认识物质世界的方法论。学科提炼19揭示物质结构的奥秘专题11. 由下列事实得出的结论中，不正确的是（ ）A. 维勒利用无机物合成了尿素，突破了无机物与有机物的界限 B. 门捷列夫在前人工作的基础上发现了元素周期律，表明科学研究既要继承又要创新C. C60是英国和美国化学家共同发现的，体现了国际科技合作的重要性D. 1998年，科恩和波普尔因理论化学方面的贡献获诺贝尔化学奖，意味着化学已成为 以理论研究为主的学科2. 查阅相关资料，了解人类探索物质结构的价值，说出你对“物质结构的探索是无止境的”这一观点的认识，并阐述在原子、分子层次上研究物质的意义。3. 阅读下面一段文字，并查阅相关资料，回答问题。2001年10月10日，瑞典皇家科学院宣布将本年度诺贝尔化学奖奖金的一半授予美国科学家诺尔斯（W. S. Knowles）和日本科学家野依良治（Ryoji Noyori），以表彰他们在“手性催化氢化反应”领域所作出的贡献；奖金另一半授予美国科学家夏普莱斯（K. B. Sharpless），以表彰他在“手性催化氧化反应”领域所取得的成就。过去想要合成手性化合物的某一个异构体是非常困难的。正是由于诺尔斯、野依良治和夏普莱斯三位有机化学家开创了不对称催化合成，我们现在能够很方便地合成许多手性化合物的单个异构体。1968年，诺尔斯应用手性催化剂催化烯烃的氢化反应，第一次实现了用少量手性催化剂控制氢化反应的对映异构体的选择性。经过不断改进，很快他就将这一反应的选择性提高，该反应从1974年起被用于生产治疗帕金森氏症的药物左旋多巴。1980年，野依良治等发现了一类能够适用于各种双键化合物氢化的有效手性催化剂，现在这类手性催化剂已经被广泛地应用于手性药物及其中间体的合成。同年，夏普莱斯发现用钛和酒石酸二乙酯形成的手性催化剂可以有效地催化烯丙醇化合物的环氧化反应，选择性非常高。后来，他又发现了催化不对称烯烃双羟基化的反应。（1）为什么手性催化合成又称不对称催化合成？（2）不对称催化合成有何重要意义？4. 20世纪80年代以来，我国科学家在物质结构研究方面取得了令人瞩目的成就。请分小组查阅并收集资料，出一期墙报。 理解应用物质结构与性质20揭示物质结构的奥秘认识物质的特征结构归纳范式科学假设和论证实验方法物质结构研究的内容物质结构研究的意义物质结构研究的范式与方法物质结构研究的范式物质结构研究的方法揭示物质结构与性质的关系演绎范式模型方法 建构整合21揭示物质结构的奥秘专题1 举例说明物质结构研究的对象。 钠原子、氯原子的核外电子层结构有什么特征？核外电子层结构与元素的性质有何关系？试从微观角度解释：钠原子和氯原子是如何形成氯化钠的？ 认识物质的特征结构时，可供思考的问题有哪些？ 比较白磷、红磷的结构差异，说明其性质的异同。 你能指出金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管和木炭的结构和性质的异同点吗？ 研究物质结构的常用范式和方法是什么？请举例说明。 测定物质结构的常用仪器有哪些？列举一种并说明其功能。 试举例说明模型方法在物质结构研究中所起的重要作用。 查阅原子结构模型的演变过程的相关资料，从中你能得到什么启发？ 列举实例说明物质结构的研究对化学科学发展的重大贡献。 100年来，用化学合成和分离手段得到的新物质的数量急剧增加，这说明了什么？ 选择诺贝尔化学奖中与生物大分子结构研究有关的一项工作，阐述其研究价值。 为什么说新物质的绿色合成与物质结构研究关系密切？ 你认为物质结构的研究在方法论上有哪些重大的意义？ 请参照下列问题或线索，回顾和总结本专题的学习内容。 回顾与总结 请参照下列问题或线索，回顾和总结本专题的学习内容。物质结构与性质221. 自1803年道尔顿提出原子假说以来，人类对原子结构的研究不断深入，通过实验事实不断完善原子结构理论。下列关于原子结构的说法中，正确的是（ ）A. 所有原子都含有质子、中子和电子三种基本构成微粒B. 所有原子中的质子、中子和电子三种基本构成微粒的个数都是相等的C. 原子核对电子的吸引作用的实质是原子核中的质子对核外电子的吸引D. 原子中的质子、中子和电子三种基本构成微粒不可能再进一步分成更小的微粒2. 我国科学家成功合成