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第一章 揭示物质结构的奥秘
学习目标
1.能从物质的微观结构出发解释或预测物质的宏观性质。
2．认识物质结构研究的两种范式及其相互关系。
3．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。
一、物质结构研究的内容
1、认识物质的特征结构
e-
Na
Cl
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，在化学反应中倾向于获得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。
一、物质结构研究的内容
在化学反应中，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，再通过静电作用力生成氯化钠。
一、物质结构研究的内容
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）
断裂
生成
一、物质结构研究的内容
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P—P键键长是221 pm，键角∠PPP是60°。因其中的P—P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。
红磷的链状结构比较稳定，室温下不与氧气反应。
磷的同素异形体
2、揭示物质结构与性质的关系
碳的同素异形体
一、物质结构研究的内容
结构 性质
金刚石 碳原子间结合牢固 是自然界中天然存在的最硬的物质，可用于切割玻璃、金属
木炭 碳原子不规则结合 —
富勒烯 碳原子结合形状呈中空足球状 中空部位可以填入其他原子或分子
碳纳米管 中空管状 强度高，弹性佳
石墨 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
一、物质结构研究的内容
典例解析
例1．意大利罗马大学的Fulvio Cacace等人获得了极具理论研究意义的N4分子。N4分子结构如图所示，下列说法正确的是(　　)
C
A．N4属于一种新型的化合物B．N4的摩尔质量为56C．N4与N2互为同素异形体D．N4转化为N2属于物理变化
二、物质结构研究的范式与方法
1、物质结构研究的范式
归纳范式
演绎范式
物质结构研究的范式
由个别到一般
由一般到个别
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。
二、物质结构研究的范式与方法
其过程为“由个别到一般”。
1、归纳范式
二、物质结构研究的范式与方法
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。
核外电子排布规律的归纳
有机物通式的归纳
有机物通性的归纳
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。
通过书写1～20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，并从结构上解释了元素化合价规律性变化的原因。
归纳范式的应用
二、物质结构研究的范式与方法
2、演绎范式
其过程通常为“从一般到个别”，
从理论到新的事实。
从属于此结论的要素1
从属于此结论的要素3
从属于此结论的要素2
某个一般结论
二、物质结构研究的范式与方法
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ROH、RCOOH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。
预测物质具有的性质
利用元素理论发现新元素
相似相溶规则
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）
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。
演绎范式的应用
二、物质结构研究的范式与方法
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实验、科学假说和模型建构等方法。
2、物质结构研究的方法
二、物质结构研究的范式与方法
1、科学假设和论证
科学假设和论证研究过程流程图
二、物质结构研究的范式与方法
2、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α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。
二、物质结构研究的范式与方法
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。
二、物质结构研究的范式与方法
3、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。
实物模型
微观结构模型
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。
二、物质结构研究的范式与方法
原子结构模型的演变
二、物质结构研究的范式与方法
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。
模型抽取了物质原型的关键要素，是对原型的简化。
典例解析
B
例1、下列有关物质结构研究的范式说法正确的是(　　)A．由乙烯的性质推断丙烯的性质是归纳范式B．归纳范式和演绎范式是相辅相成的C．假说都是不科学的D．归纳的结果一定是正确的，不需要验证
课堂小结
物质结构研究的内容
物质结构研究的范式与方法
不良反应
认识物质的特征结构
揭示物质结构与性质的关系
物质结构研究的范式
归纳范式 演绎范式
物质结构研究的方法
科学假设和论证
实验方法
模型方法
随堂练习
1、化学工作者把烷烃、烯烃、环烷烃、炔烃……的通式转化成键数的通式，给研究有机物分子中键能大小的规律带来了很大的方便。烷烃中碳原子数跟键数的关系通式为CnH3n＋1，烯烃(视双键为两条单键)、环烷烃中碳原子数跟键数的关系通式为CnH3n，则苯的同系物中碳原子数跟键数的关系通式为(　　)A．CnH3n－1 B．CnH3n－2C．CnH3n－3 D．CnH3n－4
C
随堂练习
2.自从1803年英国化学家、物理学家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、不断发展，通过实验事实不断地丰富、完善原子结构理论。请判断下列关于原子结构的说法不正确的是(　　)A．所有的原子中的质子、电子两种微粒的个数都是相等的B．所有的原子都含有质子、中子和电子三种基本构成微粒C．不同原子含有的质子数有可能相同D．不同原子含有的中子数有可能相同
B
谢谢观看
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