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第三单元　物质结构研究的意义
1.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。2.感受物质结构的研究对推动人类文明作出的巨大贡献。3.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。
物质结构研究促进了
化学科学的发展
学习任务一
1.人类探索物质结构的历史
阿伏加德罗
原子—分子论
门捷列夫
2.研究物质结构,既能够为 提供理论基础,也可以帮助我们预测物质的 。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。
设计与合成新物质
性能
探究　物质结构研究对新物质、新材料合成与发展的贡献
问题1:分析图中数据发现每年新增物质种类有什么规律
提示:逐年剧增,增速越来越快。
问题2:为什么会有上述现象
提示:物质结构的研究,促进了人类对物质结构的认识,为设计和合成新物质提供更好的理论支持,从而促进了合成技术的发展,所以加速了各类新物质的出现。
问题3:物质结构研究对新材料的开发与应用起到什么作用
提示:结构决定性质,物质结构理论的发展,更好、更快地促进了性能更优、用途更广泛的优质材料不断被研制出来。
1.某纪录片通过镜头将我国在改革开放和社会主义现代化建设上所取得的历史性成就,进行了全方位、多层次的展现。下列说法错误的是(　　)
A.大型客机C919机身表面含有耐紫外线的物质聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),PMMA属于有机高分子
B.“神舟十九号”载人飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分是硅酸盐
C.DF-5弹道导弹是国之利器,其含有金属钐(Sm),钐的活动性介于钠与铝之间,工业上可通过电解法制备钐
D.“墨子号”卫星的成功发射实现了光纤量子通信,光纤的主要成分为二氧化硅
B
【解析】 聚甲基丙烯酸甲酯属于有机高分子,A项正确;高温结构陶瓷包括高温氧化物和高温非氧化物(或称难熔化合物)两大类,如氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等,主要成分不是硅酸盐,B项错误;钠与铝在工业上可通过电解法制备,则钐也可以通过电解法制备,C项正确;光纤的主要成分是二氧化硅,D项正确。
2.我国科学家利用蜡虫肠道菌群,将塑料降解时间从500年缩减到24小时,并用同位素示踪法证实了聚乙烯可降解为CO2。下列有关该过程说法不正确的是(　　)
A.一定发生了氧化反应
B.只涉及碳碳键的断裂
C.同位素示踪法是从微观角度识别物质的变化
D.该研究成果有利于缓解塑料垃圾引起的环境问题
B
【解析】 有氧气参加的反应是氧化反应,A正确;塑料降解过程中不仅涉及碳碳键的断裂,还有碳氢键的断裂,B错误;同位素示踪法是从微观角度识别物质的变化,C正确;该研究成果有利于缓解塑料垃圾引起的白色污染,D正确。
物质结构的探索无止境
学习任务二
1.为了人类社会的可持续发展,化学家们期望解决的问题有很多,例如:
(1)通过研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理,开发 和手性药物。
(2)研究食草动物胃内的 如何把植物纤维分解为小分子,以充分利用自然界丰富的植物纤维资源。
(3)合成具有 的分子,帮助人类揭示生命的奥秘。
(4)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,实现创造“新陈代谢”的目标。
手性生物分子
酶
生物活性
2. 在物质转化、物质制备等研究领域中具有指导作用。为了更好地利用化学变化,通过化学反应实现物质的转化,制备人类生活和生产所需要的物质,化学家们需要回答更多的问题,需要发展量子力学,需要建立精确有效而又普遍适用的化学反应的量子力学理论。
量子力学
3.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 , 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……
4.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。
高温、高压
光合作用
我国研究人员从1973年初开始测定青蒿素的组成与结构。首先,研究人员利用高分辨质谱仪测定出青蒿素的相对分子质量为282.33。结合元素分析,确定其分子式为C15H22O5。然后,研究人员经过一系列复杂的氧化还原反应实验,推测青蒿素具有含过氧基团的倍半萜内酯结构。红外光谱实验结果表明,青蒿素分子中确实含有酯基和过氧基团。结合核磁共振谱图提供的关于碳、氢原子的种类和数量的信息,研究人员推定了青蒿素中甲基、过氧基团、带有酯基的六元环等部分结构片段。然而,单纯依靠这些研究方法还不能精确判断青蒿素分子中所有碳原子和氧原子以何种方式连接形成骨架。1975年,研究人员采用晶体X射线衍射的方法,确定了青蒿素的分子结构。
探究　青蒿素组成、结构的测定方法
问题1:在探究青蒿素分子组成和结构的过程中,研究人员使用了哪些测定方法 通过这些测定方法分别可以得到哪些关于分子组成和结构的信息
提示:
测定方法 获得的分子组成和结构的信息
质谱仪 相对分子质量为282.33
元素分析 确定分子式为C15H22O5
化学反应测定方法 含有过氧基团的倍半萜内酯结构
红外光谱 确认含有酯基和过氧基团
核磁共振氢谱 推定了青蒿素中甲基、过氧基团、带有酯基的六元环等部分结构片段
晶体X射线衍射 确定了青蒿素的分子结构
问题2:测定青蒿素分子中各原子的空间排列方式时,研究人员遇到了什么困难 为什么用一般的测定方法无法准确地测定青蒿素分子的空间结构
提示:无论是常规的实验方法还是质谱仪、红外光谱等仪器的测定手段,都只能帮助我们认识分子的官能团等结构特点,并据此推测分子的结构。但是对于青蒿素这种复杂的分子的空间结构,一般方法难以进行精准判断。
1.青蒿素的组成与结构
(1)分子式:C15H22O5。
(2)相对分子质量:282.33。
(3)结构特征:甲基、过氧基团、带有酯基的六元环。
归纳拓展
2.晶体X射线衍射法测定分子结构的程序
归纳拓展
3.探索物质结构在实践上的意义
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,如青蒿素的合成与生产。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,从中帮助人们形成认识物质世界的方法论。
归纳拓展
1.关于化学科学探索的意义,下列有关说法错误的是(　　)
A.通过化学探索可提高粮食产量、缓解能源危机、合理利用资源,以保障人类的
生存
B.通过化学探索可合成新物质,以提高人类的生活质量
C.通过化学探索可探明生命过程中的奥秘、合成新药物,以促进人类的身心健康
D.通过化学探索可制造出对环境无害的化学品及生活用品,完全杜绝对环境的影响
D
【解析】 人类的活动不可避免会对环境造成一定的影响,不可能完全杜绝,D项错误。
2.通过对物质结构与性质的研究,能够解决许多问题。在生命科学领域,下列不能通过研究物质结构与性质的关系加以解决的问题是(　　)
A.酶的催化机理
B.手性生物分子与手性药物的作用机制
C.指甲的长短与手指的灵活性的关系
D.抗癌药物的设计与筛选
C
【解析】 结构是内在的,而不是外在的,指甲的长短可以任意改变,C项符合题意。
3.我国科学家成功合成3 mm长的管状定向碳纳米管,长度居世界之首。这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)大、密度小(只有钢的四分之一)、熔点高、化学稳定性好的特点,因而被称为“超级纤维”。下列关于这种碳纤维的说法中,不正确的是(　　)
A.是制造飞机的理想材料
B.组成元素是碳
C.结构与石墨不同
D.是一种高分子化合物
D
【解析】 碳纤维具有强度高、刚度大、密度小、熔点高、化学稳定性好的特点,A正确;碳纳米管是碳元素的单质,由碳元素组成,B正确,D错误;由于碳纤维的物理性质不同于石墨,所以它们的结构不同,C正确。
知识整合
制冷剂是一种易被压缩、液化的气体,液化后在管内循环,蒸发时吸收热量,使环境温度降低,达到制冷目的。人们曾采用乙醚、NH3、CH3Cl等作制冷剂,但它们不是有毒,就是易燃,于是科学家根据元素性质的递变规律来开发新的制冷剂。据现有知识,某些元素化合物的易燃性、毒性变化趋势如下:
(1)氢化物的易燃性:
第2周期:　　　　>　　　　>H2O>HF;
第3周期:SiH4>PH3>　　　　>　　　　。
CH4
NH3
【解析】 (1)联想第2周期和第3周期元素的氢化物不难得出答案。
H2S
HCl
(2)化合物的毒性:PH3>NH3,H2S　　　H2O,CS2　　 CO2,CCl4　 　CF4。
(填“>”“<”或“=”)
>
【解析】 (2)由题给信息,毒性PH3>NH3可联想到同主族元素所形成的结构和组成相似的物质,从上而下毒性逐渐增大。
>
>
(3)已知CCl4的沸点为76.8 ℃,CF4的沸点为-128 ℃,新制冷剂的沸点范围应介于两者之间。经过较长时间反复实验,制冷剂氟利昂(CF2Cl2)终于诞生了,其他类似的还可以是　　　 　。
CFCl3(或CF3Cl)
【解析】 (3)由CF2Cl2的组成可联想出与其类似的物质,如CFCl3、CF3Cl等。
(4)这种制冷剂造成的某一环境问题是　 。
虽然这种制冷剂造成了环境问题,但是基于元素周期表中元素及其化合物的
　　　　(填字母)变化趋势,来开发制冷剂的科学思维方法是值得借鉴的。
①毒性　②沸点　③易燃性　④水溶性　⑤颜色
A.①②③　　　　　　　　B.②④⑤　　　　　　　　C.②③④
使大气臭氧层出现空洞
【解析】 (4)氟利昂(CF2Cl2)这种制冷剂对环境有危害,它会破坏臭氧层,所以开发新制冷剂要注意这种物质的毒性、沸点、可燃性及对环境的危害性因素。
A
命题解密与解题指导
情境解读:以制冷剂的选择与开发为情境,结合元素周期律综合运用归纳、演绎范式,考查物质性质递变规律及结构与性质的关系。
素养立意:落实证据推理与模型认知、科学态度与社会责任素养。
思路点拨:依据元素周期表解题时,要牢牢抓住同周期、同主族元素及其化合物性质的递变规律,综合运用研究物质结构、性质的归纳和演绎范式。

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