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第二单元　物质结构研究的范式与方法
1.认识物质结构研究的两种范式及其相互关系。2.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。3.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。4.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。
物质结构研究的范式
学习任务一
1.归纳范式
(1)归纳范式的过程为“ ”。即根据事实进行 ,抽象出 ,上升为 。
从个别到一般
概括归纳
共同点
本质规律
个别性质 一般规律
通过甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)等的分子式 归纳出饱和烷烃的通式为
通过比较1～20号元素的 认识前20号元素对应原子结构的不同 归纳出元素的原子核外 规律,并从结构上解释同族元素 的原因
通过研究含有双键和三键不饱和烃的 反应和 反应,发现不饱和键具有 的性质 根据结构与性质的关系归纳出这类有机物的
(2)归纳法应用实例。
CnH2n+2
原子核外电子排布
电子排布
性质相似
加成
氧化
不稳定
通性
2.演绎范式
(1)演绎范式的过程通常为“ ”。即从某一个一般结论出发,向从属于这一结论的 进行推理的过程。
从一般到个别
多个要素
一般规律 个别性质
门捷列夫建立了 人们发现了“类铝”( ),“类硼”( ),
“类硅”( )
根据钠原子最外电子层上1个电子极易失去表现出 性的特点 推出同族半径更大的钾、铷、铯元素具有
性的结论
(2)演绎法应用实例。
元素周期表
镓
钪
锗
强还原
更强的还原
水是 性较强的分子,水分子间存在较强的 ,水分子既可为生成氢键 ,又有孤电子对 CH3CH2OH、CH3COOH和水相似,均可通过 与水结合,在水中的溶解度 ;碳氢化合物 性较小,也难以和水形成
,在水中溶解度 ,这就是著名的“ ”
极
氢键
提供H
接受H
氢键
较大
极
氢键
很小
相似相溶规则
3.归纳和演绎的关系
(1)归纳和演绎的使用。
一般先 后 。“实验—假说—理论—新实验”的本质就是从
到 ,再到 的过程。
(2)归纳和演绎的关系。
归纳需要演绎作为指导,以解决归纳研究的目的性、方向性和结果的正确性问题;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,两者相互联系、互为前提。
归纳
演绎
个别
一般
个别
探究　归纳法与演绎法的应用
问题1:通过研究硫酸、盐酸、硝酸等一系列酸的性质获得酸的通性,这运用了什么逻辑方法
提示:由个别到一般属于归纳法。
问题2:根据酸性氧化物的通性预测二氧化硫的性质,运用了什么逻辑方法
提示:由一般到个别,运用了演绎的方法。
问题3:某小组同学通过研究大量金属氧化物的性质后总结出金属氧化物即为碱性氧化物的结论,然后应用这一结论研究金属铝的氧化物性质时,发现铝的氧化物既能跟强酸反应,也能与强碱反应,所以不属于碱性氧化物。通过多方考证,最后获得,碱性氧化物一定属于金属氧化物,但金属氧化物不一定属于碱性氧化物的结论。这个过程中,同学们运用了哪些逻辑方法
提示:综合运用了归纳法与演绎法,即归纳法—演绎法—归纳法。
归纳拓展
归纳与演绎的关系
(1)在化学研究中归纳和演绎往往并用、配合或交替使用。
(2)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提出假说;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。
(3)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。
1.根据元素周期律,由下列事实进行归纳推测,推测不合理的是(　　)
B
选项 事实 推测
A Mg与水反应缓慢,Ca与水反应较快 Ba(ⅡA族)与水反应会更快
B Si是半导体材料,同族的Ge也是半导体材料 ⅣA族的元素都是半导体材料
C HCl在1 500 ℃时分解,HI在230 ℃时分解 HBr的分解温度介于两者之间
D Si与H2高温时反应,S与H2加热能反应 P与H2在高温时能反应
【解析】 同主族金属元素由上至下金属性增强,与水反应剧烈程度增强,A正确;半导体材料通常位于元素周期表中金属元素和非金属元素的分界处,
ⅣA族元素并不都是半导体材料,B错误;同主族元素由上至下非金属性减弱,气态氢化物的热稳定性减弱,C正确;同周期元素(稀有气体元素除外)从左到右非金属性增强,与氢气化合难度减小,D正确。
2.下列有关物质结构研究的范式的说法正确的是(　　)
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
B
【解析】 由乙烯的性质推断丙烯的性质是从个别到个别,不是归纳范式,A错误;假说具有一般性,可能是科学的,C错误;归纳的结果不一定是正确的,有时需要验证,D错误。
物质结构研究的方法
学习任务二
(1)观察:运用 或 观察物质的 表现。
(2)假设:根据已有知识,对所研究的事物或现象作出 。
1.科学假设和论证
感官
借助仪器
宏观
初步的解释
(3)论证:通过 进行验证,若实验证明假设正确,接受假设;若实验不支持假设,对假设进行修改,并设计新的实验进行 验证。
(4)理论:将实验证明 通过建立理论组织起来,成为知识体系。
2.实验方法
(1)含义: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。
实验
反复
正确的假设
实验方法 意义
卢瑟福的 实验 启迪人们用粒子轰击和对撞的实验来研究物质的 ,提供了一种研究物质 的思想方法
光学显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等仪器出现,各种光谱和晶体X射线衍射实验方法应用于研究
的结构 使原子和分子的微观世界不断被揭示
(2)实验方法实例。
α粒子散射
内部结构
微观结构
原子、分子和晶体
3.模型方法
(1)含义:科学家运用一定 对实验结果进行处理。
(2)方法:模型既可以是对原型的 ,也可以是结合某种理论形态下建立的 。
逻辑推理与模型思维
简化和纯化、抽象和近似
思维模型
分类 宏观模型(实物模型) 微观结构模型
含义 可观察到的物质的宏观模型 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 的微观世界以 的形式展现出来
实例 如汽车模型、飞机模型和建筑模型 如原子结构模型、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
(3)分类。
抽象
可视化
(4)作用。
①对沟通科学现象与其本质的认识过程,起到重要的桥梁作用。
②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。
19世纪60年代,德国化学家凯库勒已经知道苯的分子式为C6H6,但它们是如何排列、连接的呢 他提出多种可能的排法,但经过推敲后都放弃了,他被这项工作弄得疲惫不堪。一天,他搁下写满字的厚厚一叠纸便朦胧地睡了。他在梦中看见6个碳原子组成了古怪的形状。6个碳原子组成的“蛇”不断“弯弯曲曲地蠕动着”。突然这条蛇似乎被什么东西所激怒,它狠狠地咬着自己的尾巴,后来牢牢地衔在尾巴尖,就此不动了。凯库勒哆嗦一下,醒了过来。多么奇怪的梦啊,虽然梦境短暂,但是在他眼前的原子和分子却没有消失,他记住了在梦中看见的分子中原子的排列顺序,也许这就是答案吧 他匆匆地在纸上写下了他所能够回想的一切。后来凯库勒提出了两点假设:苯的六个碳原子形成闭合环状,即平面六边形;每个碳原子均连接一个氢原子,各碳原子间存在着单、双键交替形式。(如图所示)
探究　物质结构研究方法
问题1:如果苯分子为上述假设结构,则其可能具有什么重要的化学性质 能否设计实验方案来证明
提示:若存在碳碳双键,则性质应与乙烯性质相似。可设计实验观察苯能否使溴的四氯化碳溶液褪色(发生加成反应)来验证,也可以设计实验观察苯能否使酸性高锰酸钾溶液褪色 (发生氧化反应)来验证。
问题2:向溴水中滴加苯,振荡后,液体分层,上层呈橙色,下层几乎无色,实验说明什么问题
提示:根据实验现象,说明苯中不具有像乙烯中那样的碳碳双键结构,单、双键交替的假设不成立。
提示:苯中的6个碳原子和氢原子位置等同,苯的一取代物只有一种。
物质结构的研究要不断深化和发展。虽然目前成熟的方法很多,像实验法、科学假说和论证、模型构建等。在此基础上也要关注多学科的合作。充分利用物理、数学、计算机信息等的发展,使化学真正成为一门中心学科。
归纳拓展
1.下列关于化学学习和研究的说法错误的是(　　)
A.化学模型有助于解释一些化学现象
B.质量守恒定律是大量实验事实的总结
C.化学家提出的假设都能被实验证实
D.化学基本原理的应用是有一定条件的
C
【解析】 化学家提出的假设并不一定完全正确,有的甚至是错误的,如凯库勒提出的苯分子结构曾经被认为能够解释苯分子的性质及其不饱和度问题,但是随后通过实验发现关于苯分子中存在碳碳双键的说法是错误的,故选C。
2.据报道:科学家们已大量制造出反物质中的反氢原子。反原子的原子核和核外电子电性与原子的电性刚好相反……假若发现反氯离子,请运用核外电子排布规律大胆设想反氯离子的结构示意图是(　　)
D
A B C D
【解析】 反原子的原子核和核外电子电性与原子的电性刚好相反,因为是反氯离子,原子核应带有17个单位负电荷,核外电子应带正电荷,故D正确。
3.建构数轴模型来研究化学问题,既直观又简洁。下列建构的数轴模型正确的是(　　)
D
4.1911年,英国物理学家卢瑟福把一束变速运动的α粒子(质量数为4的带2个单位正电荷的质子粒)射向一片极薄的金箔,他惊奇地发现,过去一直认为原子是“实心球”,而由这种“实心球”紧密排列而成的金箔,竟让大多数α粒子畅通无阻地通过,就像金箔不在那儿似的,但也有极少量的α粒子发生偏转或被笔直地弹回。
(1)根据以上实验现象能得出关于金箔中金原子结构的一些结论,试写出其中的三点:
①原子中存在　　　 　,且只占原子体积的很小一部分。
②金原子核带　　　　电荷,且电荷数远大于α粒子的电荷数,两者产生静电　　　　作用。
③金原子的质量远　　　　(填“大于”或“小于”)α粒子的质量。
原子核
正
排斥
【解析】 (1)极薄的金箔,竟让变速运动的大多数 α粒子畅通无阻地通过,证明原子不是实心的球体,内部有“广阔”的空间。有极少数α粒子被笔直地弹回,证明了原子核的存在,但占原子极小的体积,否则大部分α粒子不能畅通无阻地通过;同时证明金原子核的质量远大于α粒子的质量,否则金原子核将有被α粒子弹出的可能;还能证明金原子核所带电荷种类与α粒子相同,否则两者就会相互吸引。
(2)这是利用了物质结构研究的什么方法 　　　　　　　　　。
实验法
【解析】 (2)此方法是实验法。
知识整合
下表是元素周期表的一部分,表中所列的字母分别代表一种化学元素。
(1)表中元素f的氢化物的电子式是　　 　　　,这是利用了物质结构研究的
　　　　 　　　方法。
微观结构模型
【解析】 (1)f为硫元素,电子式是微观结构模型。
(2)某元素形成的气态氢化物中氢的含量是所有氢化物中最高的,该元素形成的化合物种类也最多,该元素是　　 　(填字母)。可由此元素不同的氢化物推断出此系列物质的分子通式,这种物质结构研究的范式是　　　　　　。
b
归纳范式
【解析】 (2)某元素形成的气态氢化物中氢的含量是所有氢化物中最高的,该元素形成的化合物种类也最多,则该元素是碳元素。从个别到一般是归纳范式。
(3)α粒子是　　　(填字母)原子所形成的一种粒子,1911年,卢瑟福根据α粒子轰击金箔的实验提出原子核式结构模型,下列选项中能正确表示这种模型的是　　　　(填字母)。
a
A B C D
C
【解析】 (3)α粒子是氦原子形成的一种粒子,卢瑟福等人的实验证明原子中心具有质量很大的原子核。
演绎
【解析】 (4)墨子认为如果物质不具备分割条件则不能被无限分割,所以用线段表示则不能再减小。从一般到个别是演绎范式。
命题解密与解题指导
情境解读:以揭示物质的构成奥秘为情境,探讨微观世界研究物质结构的范式与方法。
素养立意:通过物质构成奥秘的探究过程、方法,培养科学探究与创新意识、证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析的素养。
思路点拨:明确研究物质结构的范式,由个别到一般为归纳,由一般到个别为演绎;研究的方法主要有科学假设与论证、实验、模型构建等。

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