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揭示物质结构的奥秘
专题1
课程标准要求 学科核心素养
1.初步认识物质的结构与性质之间的关系,知道对物质结构的研究有助于发现具有预期性质的新物质,以及为设计与合成这些新物质提供理论基础。
2.认识物质的空间结构可以借助某些实验手段来测定,通过这些手段所获得的信息为建立物质结构模型或相关理论解释提供支撑。知道原子光谱、分子光谱、晶体X射线衍射等是测定物质结构的基本方法和实验手段。 1.证据推理与模型认知:通过物质的特征结构认识物质的性质,建立根据物质结构分析物质性质的认知模型。通过认识研究物质结构的不同方法,形成观点、证据和结论之间的逻辑联系,建立认知模型,并能用模型解决实际化学问题。
2.科学态度与社会责任:了解物质结构研究的内容,深刻认识化学对社会的贡献,培养探索未知、崇尚真理的科学意识。认识化学对社会的贡献,能够积极参与有关化学问题的社会实践活动。
3.了解人类探索物质结构的过程,认同“物质结构的探索是无止境的”观点,了解从原子、分子、超分子等不同角度认识物质结构的意义。
4.认识研究物质结构有助于了解材料的结构与性能的关系,对优化物质结构、改善材料性能具有重要意义。了解生命科学中许多重大问题的解决均需要物质结构理论与分析测试技术的支持。 3.宏观辨识与微观探析:从不同层次认识物质的多样性以及研究物质性质的复杂性,能从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题。
4.科学探究与创新意识:通过对物质结构的探索,认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动,培养敢于质疑、勇于创新的核心素养。
第一单元　物质结构研究的内容
1.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。2.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。
认识物质的特征结构
学习任务一
1.原子结构与元素性质的关系
(1)元素原子 的周期性是元素性质周期性变化的主要原因。
(2)原子结构与元素的金属性和非金属性强弱的关系:原子半径 ,最外层电子数 ,失去电子能力 ,元素的金属性越强;原子半径 ,最外层电子数 ,得到电子能力 ,元素的非金属性越强。
最外层电子排布
越大
越少
越强
越小
越多
越强
(3)NaCl的形成。
钠原子在化学反应中容易 最外电子层上的 1个电子,形成Na+,钠元素表现出强的 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 1个电子,形成Cl-,氯元素表现出强的 性。钠原子和氯原子通过 的转移,分别形成稳定结构的Na+与Cl-,Na+与Cl-再通过 作用形成氯化钠晶体。
失去
金属
获得
非金属
电子
静电
2.研究物质之间化学反应的本质及过程
(1)本质:研究从 (反应物)如何转变为 (生成物)。
(2)研究过程:对反应物、生成物的 进行针对性研究。
(3)研究目的:了解反应物中什么 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。
一种结构
另一种新的结构
特征结构
原子或原子团
乙醇分子中 失去一个H,与—OH相连的C上失去一个H,形成新的 ,乙醇转化为乙醛,这个过程称为 反应。
(4)乙醇的氧化反应:
—OH
氧化(去氢)
3.研究物质特征结构的意义
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。如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。
探究　辨识不同物质的结构特征
提示:电子层数是3,故位于第3周期,最外层电子数是6,故位于ⅥA族。
问题2:指出下列物质含有的官能团。
提示:碳碳三键、碳碳双键、酯基、羧基和羟基。
问题3:判断干冰、食盐、金刚石的晶体类型、构成微粒。
提示:干冰是分子晶体,由分子构成;食盐是离子晶体,由阴、阳离子构成;金刚石属于共价晶体,由碳原子构成。
归纳拓展
认识物质的特征结构
1.原子结构特征——主要是最外层电子数
在原子结构中,核外电子是分层排布的,稀有气体的原子结构是一种相对稳定结构,其他原子的结构则为不稳定结构,在化学变化中有向稳定结构变化的趋势。在化学变化中,原子通过最外层电子的得失来实现稳定结构,而最外层电子数比较多的则容易得到电子,少的则易于失去电子,所以原子的化学性质取决于最外层电子数。
归纳拓展
2.有机化合物结构特征——官能团
官能团是有机化合物中比较活泼、容易发生反应并决定着某类有机化合物共同特性的原子或原子团。掌握官能团的知识,可以帮助我们更好地认识有机化合物的结构和性质。
归纳拓展
3.晶体结构特征——构成微粒及微粒间的作用
元素的原子间可以通过共用电子或得失电子形成化学键,故有的元素原子间形成的是共价键,有的元素原子间形成的是离子键。不同晶体中的微粒可能是原子,也可能是分子或离子。了解微粒间的不同作用有助于我们更好地认识晶体结构。
1.设NA为阿伏加德罗常数的值,下列说法正确的是(　　)
D
2.按要求用序号填空。
(1)有以下几组物质:
其中互为同位素的是　　 　 　,属于同素异形体的是　　　 　,属于同分异构体的是　　　　。
③
⑥
⑧
(2)现有①BaCl2、②金刚石、③NH4Cl、④干冰四种物质,熔化时需要破坏共价键的是　　　　,属于离子晶体的是　　　 　,晶体含有两种化学键的是　　　　,含有分子间作用力的是　　　　　　。
②
①③
③
④
揭示物质结构与性质的关系
学习任务二
1.物质结构与性质的关系
(1)关系:物质的结构在很大程度上 了物质的某些性质。
(2)物质结构与性质关系的研究过程。
决定
2.白磷与红磷的结构与性质
白磷分子(P4)呈 结构,键角∠PPP是 ,其中的P—P键弯曲而具有 ,其键能 ,易 ,所以白磷在常温、常压下有很高的反应活性。
红磷的 结构比较稳定,室温下不与氧气反应。
正四面体
60°
较大的张力
较小
断裂
链状
碳单质 结构 性质
金刚石 碳原子间结合 是自然界中天然存在的最坚硬的物质,可以用于
木炭 碳原子 结合 —
富勒烯 碳原子结合形状呈 中空部分可以填入
碳纳米管 强度高,弹性佳
石墨 碳原子之间形成 结构并层层重叠 层与层之间引力 ,可以滑动,常用作
3.不同碳单质的结构与性质
牢固
切割玻璃、金属
不规则
中空足球状
其他原子或者分子
中空管状
六边形网状
微弱
润滑剂
探究　物质结构决定物质性质
问题1:以卤族元素为例,从结构角度阐述元素性质的相似性与递变性原因。
提示:卤族元素原子最外层均有7个电子,反应中容易得到1个电子达到稳定结构,所以表现为具有相同的最低价为负一价;同族元素从上到下电子层数依次增加,原子半径增大,所以原子核对核外电子的吸引力逐渐减小,非金属性依次减弱。
提示:乙醇和二甲醚性质不同主要是因为两者的结构不同,乙醇分子中的
羟基(—OH)易失去氢原子,能被金属钠置换产生氢气。乙醇分子中羟基
(—OH)易与水分子形成氢键,因此易溶于水。
问题3:白磷在空气中燃烧,生成的产物之一为P4O6,试从结构角度进行解释。
提示:因为白磷分子中的P—P键弯曲,有较大的张力,易断裂,与氧气反应时,
P—P键断裂,氧原子与磷原子连接,形成P4O6,如图所示:
物质结构与性质的关系
1.元素原子结构决定其性质。元素周期表中的“位—构—性”关系规律。
2.分子组成相同,结构不同,其性质不同。如乙醇和二甲醚是同分异构体,同分异构体的存在说明物质的结构是决定其性质的重要因素。
3.分子组成不同,若结构相似,则化学性质或物理性质相似。
4.构成晶体的微粒不同,微粒的排列方式不同,微粒间的作用力不同,导致各类晶体有不同的性质。
归纳拓展
1.物质的结构决定物质的性质,下列关于物质结构与性质的说法不正确的是(　　)
A.红磷和白磷性质不同,是由于磷原子的排列方式不同
B.氧气和液氧的状态不同,是由于氧分子间隔不同
C.活性炭和木炭都具有吸附性,是由于它们都有疏松多孔的结构
D.CO和CO2的性质不同,是由于CO2比CO中的氧原子多
D
【解析】 红磷和白磷性质不同,是由于磷原子的排列方式不同,A正确;氧气和液氧的状态不同,是由于氧分子之间的间隔不同,B正确;木炭和活性炭都具有很强的吸附性,是由于这两种物质具有疏松多孔的结构,能把异味和色素等吸附,C正确;CO和CO2都是由碳元素和氧元素组成的,但是它们的分子结构不同,D不正确。
2.科学家已成功合成了少量O4,理论计算表明可能以亚稳态存在的O4分子有两种不同的结构(如图):一种是变形的正方形;另一种的形状像风车,三个氧原子排列在中心氧原子周围,形成平面正三角形的构型。O4具有较强的氧化性。下列有关O4的说法正确的是(　　)
A.O4与O3、O2互为同分异构体
B.O4比O2活泼的根本原因是O4中的化学键比O2中的易断裂
C.相同质量的O4与O3所含原子个数之比为4∶3
D.O4的两种结构互为同分异构体
B
【解析】 O4是一种新的氧分子,故与O3、O2互为同素异形体,A项错误;O2能在自然界稳定存在,化学性质较稳定,故O4中的化学键更容易断裂,B项正确;相同质量时,O4与O3中所含氧原子个数之比为1∶1,C项错误;两者均为单质,不属于同分异构体,D项错误。
3.下列说法正确的是(　　)
A.H2O的沸点较高是因为水分子间存在较强的化学键
B.HCl气体溶于水后,共价键被破坏,形成了H+和Cl-
C.H2S分子中所有原子最外电子层都具有8电子的稳定结构
D.NaOH和MgCl2所含化学键类型完全相同
B
【解析】 水的沸点较高是因为水分子间存在氢键,氢键是分子间作用力,不属于化学键,A错误;氯化氢气体溶于水时,H—Cl共价键断裂,形成H+和Cl-,B正确;H2S分子中H的最外电子层上有 2个电子,不具有8电子稳定结构,C错误;
NaOH含有离子键和共价键,MgCl2只含离子键,两者所含化学键类型不完全相同,D错误。
4.金刚石和石墨的物理性质存在着较大差异,原因是(　　)
A.它们是由不同元素组成的
B.它们各自的原子排列方式不同
C.它们具有不同的几何外形
D.石墨能导电而金刚石不能
B
【解析】 金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质,互为同素异形体,它们各自的原子排列方式不同,导致性质不同。
知识整合
据报道,科学家实现了铷原子气体超流体态与绝缘态的可逆转换,该成果将给量子计算机的研究带来重大突破。已知铷(Rb)是 37号元素,相对原子质量为85。根据相关知识回答下列问题:
(1)铷位于元素周期表的第　　　　周期　　　　族。
5
ⅠA
【解析】 (1)由Rb的原子序数是37可推知Rb位于第5周期ⅠA族。
(2)关于铷的结构和性质判断正确的是　　 　　(填序号)。
①与水反应比钠剧烈
②它的原子半径比钠原子的小
③它的氧化物暴露在空气中易吸收CO2
④它的阳离子最外层电子数和镁的相同
⑤它是还原剂
①③⑤
【解析】 (2)由Rb的原子结构可知②④不正确;又因Na和Rb同主族,根据同主族元素性质的递变规律知,Rb的金属性比Na的强,故①③⑤正确。
(3)现有铷和另一种碱金属形成的合金50 g,当它与足量水反应时,放出标准状况下的氢气22.4 L,这种碱金属可能是　　　　(填字母)。
A.Li　　　　　B.Na　　　　　C.K　　　　　D.Cs
AB
命题解密与解题指导
情境解读:以铷原子超流体态与绝缘态的可逆转换为情境考查原子结构与元素性质的关系。
素养立意:借助结构与性质的关系,培养证据推理与模型认知素养。
思路点拨:解决物质结构决定物质性质类型题目时,思考角度主要有原子结构决定元素性质,分子结构决定分子性质,晶体结构决定晶体性质,官能团的结构决定有机物的主要性质,化学键情况决定物质稳定性、反应活性等。

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