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微项目　青蒿素分子的结构测定
——晶体在分子结构测定中的应用
［核心素养发展目标］　1.了解测定分子结构的一般思路与方法，认识晶体对于分子结构测定的独特意义。2.知道利用晶体X射线衍射能够测定原子坐标进而确定分子的空间结构，是测定分子结构的重要手段。3.体会分子结构测定对于建立与优化物质结构理论模型，认识、解释和预测物质性质具有重要价值。
【项目活动1】　了解利用晶体测定分子结构的意义
1.阅读教材对于青蒿素的测定，填写下表：
测定方法 获得的分子组成和结构的信息
2.借助晶体测定分子结构的方法
测定分子空间结构最普遍的方法是晶体的　　　　　　，利用数学和物理知识对衍射所得图像进行复杂处理，可以测定晶体的　　　　　(用于描述晶胞大小和形状的数据)，推算得到晶胞中所有原子的　　　　，从而计算出　　　　　　，判断哪些原子间存在化学键以及化学键的类型，确定分子的空间结构。
【思考·讨论】
1.为什么用一般的方法无法精确地测定青蒿素的分子结构？
2.晶体对于测定分子结构有什么意义？
【项目活动2】　借助原子位置确定分子空间结构
1.利用晶体X射线衍射确定分子结构的基本思路
确定　　　　 识别　　　　 建立　　　　 确定　　　　 获得　　　　　。
2.动手实践
(1)依据青蒿素晶体中碳、氧原子坐标，搭建出青蒿素分子中的碳、氧原子在三维空间中的位置。
(2)确定青蒿素分子中碳、氧原子的连接关系及成键类型，用竹签将青蒿素中的成键原子连接起来，获得青蒿素的大致分子骨架。
(3)确定各碳、氧原子连接的氢原子数目，并将相应数目的氢原子连接在所搭模型相应的原子上。
3.分享心得体会
展示汇报所搭建的青蒿素分子结构模型，并与同学分享搭建过程的体会与收获。
不同原子轨道能量高低的关系
用晶体X射线衍射技术测定物质结构的基本思路
1.我国科学家屠呦呦因发现植物黄花蒿叶中含抗疟疾的物质——青蒿素，而荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。科学家对青蒿素的结构进行进一步改良，合成药效更佳的双氢青蒿素、蒿甲醚。下列说法错误的是(　　)
A.利用黄花蒿叶研究青蒿素结构的基本步骤为分离、提纯→元素分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式
B.①②的反应类型分别为还原反应、取代反应
C.双氢青蒿素在水中的溶解度大于青蒿素
D.可用质谱法确定分子中含有何种官能团
2.下列分子结构测定的方法中，能确定相对分子质量的是　　　　(填字母，下同)，能确定分子中官能团的是　　　　，能确定原子的化学环境和数量的是　　　　，能确定分子空间结构的是　　　　。
a.晶体的X射线衍射 b.质谱法
c.核磁共振法 d.红外光谱法
3.(1)(2023·广东茂名期中)青蒿素晶胞(长方体，含4个青蒿素分子)及分子结构如图所示：
①用X射线衍射测定分子的空间结构。测量晶胞各处电子云密度大小，可确定原子的位置、种类。比较青蒿素分子中的C、H、O原子核附近的电子云密度大小：　　　　。
②测出青蒿素晶体的晶胞是长方体，三条棱长分别为a nm、b nm、c nm，棱的夹角都是90°，晶体的密度为　　　
g·cm-3(用NA表示阿伏加德罗常数的值；1 nm=10-9 m)。
(2)NiO为NaCl型晶体，晶胞结构如图所示。将其在氧气中加热，部分Ni2+变为Ni3+，晶体组成变为NixO(x<1)，测得其密度为6.47 g·cm-3。X射线衍射实验表明晶体仍为NaCl型结构，同时测得晶胞边长为0.416 nm。
①NixO中x的值为　　　　。
②晶体中Ni—Ni最短距离是　　　　nm。
(3)MgO具有NaCl型结构(如图，其中阴离子采用面心立方最密堆积方式)，X射线衍射实验测得MgO的晶胞参数为a=0.420 nm，则r(O2-)为　　　　nm。MnO也属于 NaCl型结构，晶胞参数为a'=0.448 nm，则r(Mn2+)为　　　　nm。
(4)某科学工作者通过X射线衍射分析推测胆矾中既含有配位键，又含有氢键，其结构可能如图所示，其中配位键和氢键均用虚线表示。
写出图中水合铜离子的结构简式(必须将配位键表示出来)：　　　　　　　　　。
答案精析
【项目活动1】
1.质谱法　相对分子质量　元素分析法　结合相对分子质量确定分子式　红外光谱实验　确定含有何种化学键和官能团　核磁共振谱图　碳、氢原子的种类和数量　晶体X射线衍射　确定分子结构
2.X射线衍射　晶胞参数　坐标　原子间的距离
【思考·讨论】
1.一般的测定方法只能帮助我们认识分子的官能团等结构特点并借此推测分子的结构，但对于所含原子数较多的分子来说，难以精准判断其空间结构。
2.利用晶体的X射线衍射，结合物理和数学知识对衍射所得图像进行复杂处理，可以测定晶体的晶胞参数，推算得到晶胞中所有原子的坐标，从而计算出原子间的距离，判断出原子间存在的化学键及其类型，确定分子的空间结构。
【项目活动2】
1.晶胞参数　原子位置　原子坐标　分子骨架　完整结构
跟踪训练
1.D　［反应①中CO键变成C—O键，为还原反应，反应②中醇羟基变为醚键，为取代反应，B项正确；双氢青蒿素分子中含有羟基，可与水分子形成氢键，在水中的溶解度较大，C项正确；质谱法用于确定有机物的相对分子质量，确定分子中含有何种官能团应该采用红外光谱，D项错误。］
2.b　d　c　a
3.(1)①O>C>H　②
(2)①0.92　②0.294　(3)0.148　0.076
(4)
解析　(2)①NixO为NaCl型晶体，则其密度为6.47 g·cm-3=，其中a=0.416 nm，可得M≈70 g·mol-1，则59×x+16=70，x≈0.92。②由于NixO晶体晶胞结构为NaCl型，所以晶胞中两个Ni原子之间的最短距离为晶胞面对角线长的，由晶胞边长可得晶胞面对角线长为×0.416 nm，则晶胞中Ni—Ni的最短距离约为0.294 nm。(共20张PPT)
第3章　
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青蒿素分子的结构测定
——晶体在分子结构测定中的应用
微项目
核心素养
发展目标
1.了解测定分子结构的一般思路与方法，认识晶体对于分子结构测定的独特意义。
2.知道利用晶体X射线衍射能够测定原子坐标进而确定分子的空间结构，是测定分子结构的重要手段。
3.体会分子结构测定对于建立与优化物质结构理论模型，认识、解释和预测物质性质具有重要价值。
【项目活动1】　了解利用晶体测定分子结构的意义
1.阅读教材对于青蒿素的测定，填写下表：
测定方法 获得的分子组成和结构的信息
_______ ____________
___________ ___________________________
_____________ ___________________________
_____________ _______________________
______________ _____________
质谱法
相对分子质量
元素分析法
结合相对分子质量确定分子式
红外光谱实验
确定含有何种化学键和官能团
核磁共振谱图
碳、氢原子的种类和数量
晶体X射线衍射
确定分子结构
2.借助晶体测定分子结构的方法
测定分子空间结构最普遍的方法是晶体的 ，利用数学和物理知识对衍射所得图像进行复杂处理，可以测定晶体的 (用于描述晶胞大小和形状的数据)，推算得到晶胞中所有原子的 ，从而计算出 ，判断哪些原子间存在化学键以及化学键的类型，确定分子的空间结构。
X射线衍射
晶胞参数
坐标
原子间的距离
【思考·讨论】
1.为什么用一般的方法无法精确地测定青蒿素的分子结构？
答案　一般的测定方法只能帮助我们认识分子的官能团等结构特点并借此推测分子的结构，但对于所含原子数较多的分子来说，难以精准判断其空间结构。
2.晶体对于测定分子结构有什么意义？
答案　利用晶体的X射线衍射，结合物理和数学知识对衍射所得图像进行复杂处理，可以测定晶体的晶胞参数，推算得到晶胞中所有原子的坐标，从而计算出原子间的距离，判断出原子间存在的化学键及其类型，确定分子的空间结构。
【项目活动2】　借助原子位置确定分子空间结构
1.利用晶体X射线衍射确定分子结构的基本思路
确定 ―→ 识别 ―→ 建立 ―→ 确定________
―→ 获得 。
2.动手实践
(1)依据青蒿素晶体中碳、氧原子坐标，搭建出青蒿素分子中的碳、氧原子在三维空间中的位置。
晶胞参数
原子位置
原子坐标
分子骨架
完整结构
(2)确定青蒿素分子中碳、氧原子的连接关系及成键类型，用竹签将青蒿素中的成键原子连接起来，获得青蒿素的大致分子骨架。
(3)确定各碳、氧原子连接的氢原子数目，并将相应数目的氢原子连接在所搭模型相应的原子上。
3.分享心得体会
展示汇报所搭建的青蒿素分子结构模型，并与同学分享搭建过程的体会与收获。
学习小结
用晶体X射线衍射技术测定物质结构的基本思路
1.我国科学家屠呦呦因发现植物黄花蒿叶中含抗疟疾的物质——青蒿素，而荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。科学家对青蒿素的结构进行进一步改良，合成药效更佳的双氢青蒿素、蒿甲醚。下列说法错误的是
跟踪训练
A.利用黄花蒿叶研究青蒿
素结构的基本步骤为分
离、提纯→元素分析确
定实验式→测定相对分
子质量确定分子式→波谱分析确定结构式
B.①②的反应类型分别为还原反应、取代反应
C.双氢青蒿素在水中的溶解度大于青蒿素
D.可用质谱法确定分子中含有何种官能团
跟踪训练
√
反应①中C==O键变成C—O
键，为还原反应，反应②中
醇羟基变为醚键，为取代反
应，B项正确；
双氢青蒿素分子中含有羟基，可与水分子形成氢键，在水中的溶解度较大，C项正确；
质谱法用于确定有机物的相对分子质量，确定分子中含有何种官能团应该采用红外光谱，D项错误。
跟踪训练
2.下列分子结构测定的方法中，能确定相对分子质量的是　　(填字母，下同)，能确定分子中官能团的是　　，能确定原子的化学环境和数量的是　　，能确定分子空间结构的是　　。
a.晶体的X射线衍射 b.质谱法
c.核磁共振法 d.红外光谱法
跟踪训练
b
d
c
a
3.(1)(2023·广东茂名期中)青蒿素晶胞(长方体，含4个青蒿素分子)及分子结构如图所示：
①用X射线衍射测定分子的空间
结构。测量晶胞各处电子云密度
大小，可确定原子的位置、种类。
比较青蒿素分子中的C、H、O
原子核附近的电子云密度大小：　　　　。
跟踪训练
O>C>H
②测出青蒿素晶体的晶胞是长方体，三条棱长分别为a nm、b nm、c nm，棱的夹角都是90°，晶体
的密度为　 　 　　g·cm-3(用NA
表示阿伏加德罗常数的值；1 nm
=10-9 m)。
跟踪训练
(2)NiO为NaCl型晶体，晶胞结构如图所示。将其
在氧气中加热，部分Ni2+变为Ni3+，晶体组成变为
NixO(x<1)，测得其密度为6.47 g·cm-3。X射线衍射
实验表明晶体仍为NaCl型结构，同时测得晶胞边
长为0.416 nm。
①NixO中x的值为　　。
跟踪训练
0.92
NixO为NaCl型晶体，则其密度为6.47 g·cm-3=，
其中a=0.416 nm，可得M≈70 g·mol-1，则59×x+16=
70，x≈0.92。
跟踪训练
②晶体中Ni—Ni最短距离是　　　nm。
跟踪训练
0.294
由于NixO晶体晶胞结构为NaCl型，所以晶胞中两个Ni原子之间的最短
距离为晶胞面对角线长的由晶胞边长可得晶胞面对角线长为×
0.416 nm，则晶胞中Ni—Ni的最短距离约为0.294 nm。
(3)MgO具有NaCl型结构(如图，其中阴离子采用
面心立方最密堆积方式)，X射线衍射实验测得MgO
的晶胞参数为a=0.420 nm，则r(O2-)为　 　　nm。
MnO也属于 NaCl型结构，晶胞参数为a'=0.448 nm，
则r(Mn2+)为　　　nm。
跟踪训练
0.148
0.076
(4)某科学工作者通过X射线衍射分
析推测胆矾中既含有配位键，又含
有氢键，其结构可能如图所示，其
中配位键和氢键均用虚线表示。
写出图中水合铜离子的结构简式(必须将配位键表示出来)：
　　　　　　　　。
跟踪训练

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