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高中化学苏教版 (2019)选择性必修2第二单元 物质结构研究的范式与方法导学案
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这是一份高中化学苏教版 (2019)选择性必修2第二单元 物质结构研究的范式与方法导学案，共13页。学案主要包含了物质结构研究的范式，物质结构研究的方法等内容，欢迎下载使用。
第二单元 物质结构研究的范式与方法
学 习
任 务
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、建立相关理论做出的重要贡献。
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。
一、物质结构研究的范式
1．物质结构研究有两种常见的范式，一是归纳范式，二是演绎范式。
①归纳范式
归纳范式，其过程为“由个别到一般”。具体而言，根据事实进行概括归纳，抽象出共同点，上升为本质规律。
例如，我们在学习有机化学知识时，就是利用归纳的方法，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。
又如，我们在学习元素周期律时，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，并从结构上解释了同族元素性质相似的原因。
再如，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。
②演绎范式
演绎范式，其过程通常为“从一般到个别”。具体而言，它是从某个一般结论出发，向从属于这一结论的多个要素进行推理的过程。
例如，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)。这些都证明了运用演绎范式获得的成功。
2．物质结构常用的研究方法
①在物质结构研究中，难以对所有可能的结论一一加以实验论证。有时人们根据元素周期律和微粒间作用力的特征等，预测物质可能具有的某些性质，采用的往往就是演绎法。
②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。
③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CH3CH2OH、CH3COOH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。这就是著名的“相似相溶规则”。
④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。
3．归纳与演绎的关系
①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得出假说；通过实验或理论证明假说正确与否，使之上升为新的理论；最后使用新理论指导实验，获得新的结论。“实验—假说—理论—新实验”的过程，本质上就是从个别到一般，再到个别的过程。
②演绎是从一般到个别，从理论推出新的事实。然而，演绎需要依赖于前提。而归纳恰好具备这种功能，尽管归纳的结果并不一定准确，但它恰恰提供某种前提。这就为从归纳过渡到演绎准备了必要条件。这正是归纳和演绎往往综合使用的原因。
③归纳需要演绎作指导，以解决归纳研究的目的性、方向性和结果的正确性问题；而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，两者互相联系、互为前提。
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的并用或交替使用。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)符合通式CnH2n(n≥2)的烃一定是烯烃。 (×)
(2)由Fe跟Cl2直接化合可得FeCl3，类推出Fe跟I2直接化合可得FeI3。 (×)
(3)金属镁失火不能用CO2灭火，类推出金属钠失火也不能用CO2灭火。 (√)
(4)CO2与Na2O2反应生成Na2CO3和O2，类推出SO2与Na2O2反应生成Na2SO3和O2。 (×)
(5)烷烃同分异构体之间，支链越多，沸点越高。 (×)
(6)相同温度下CaCO3的溶解度比Ca2的溶解度小，类推出Na2CO3的溶解度也小于NaHCO3的溶解度。 (×)
二、物质结构研究的方法
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科学假设和论证、实验、模型建构等方法。
①研究物质结构涉及的实验与科学发展密切相关：如，阴极射线的发现、α粒子散射实验、氢原子光谱的发现和研究，对揭示原子内部结构的奥秘具有极为重要的作用。
②很多科学家运用模型构建方法实现了重大理论突破：如，道尔顿、汤姆生、卢瑟福、玻尔等人提出的原子结构模型对人类探索物质结构作出了巨大贡献。
③科学假设和论证
科学家研究问题的第一步是观察，运用感官或借助仪器观察物质的宏观表现。在观察的基础上，科学家提出假设(hypothesis)，即根据已有知识，对所研究的事物或现象作出初步的解释。它是人们关于某一事物或现象的一种理性推测。
为了证明假设是否正确，必须通过不断的重复实验进行论证。凯库勒苯环假说的提出，虽具有非逻辑的直觉成分，但它也有一定的实验根据。若实验证明假设是正确的，科学家就接受这个假设；如果实验不支持假设，则必须对假设进行修改，并设计新的实验进行反复验证。
经实验证明正确的假设还需通过建立理论来将这些知识组织起来，使之成为知识体系。理论(theory)是建立在大量的观察基础之上并为实验所证实的解释。例如道尔顿的原子理论，就是建立在很多化学家一次又一次观察和实验的基础之上的。当反常现象大量出现，而原有理论又不能很好地作出解释时，就需对原有理论加以修改，甚至需要提出新的理论。
④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。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。
⑤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。常见的实物模型，是可观察到的物体的宏观模型；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，称微观结构模型。模型研究对科学家探索物质的微观结构具有非常重要的意义。
模型抽取了物质原型的关键要素，是对原型的简化。科学家从实验中获得的大量原始数据出发，抽象出一定的模型，然后选择合理的方法进行计算，最后得出科学的规律。因此，模型对沟通科学现象与其本质的认识过程，起到了重要的桥梁作用。同时，它给人以简单、清晰的物理图像和直观明确的物理含义，因此被广泛采用。
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。在化学学习中常用球棍模型来帮助我们观察和思考。例如，我们仅知道乙烯是平面结构，乙炔是直线结构，有时很难想象这些分子的空间形态，以及化学反应过程中化学键断裂的情况，有了球棍模型的配合，就一目了然了。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)研究物质的性质时，常用观察、实验、分类、比较、模型、假说等方法。 (√)
(2)科学家提出的假说一定能成为科学理论。 (×)
(3)使用模型有助于人们研究物质的性质。 (√)
(4)模型一般可分为实物模型和思维模型。 (√)
(5)化学注重理论分析、推理，而不需要做化学实验。 (×)
归纳范式与演绎范式的实践应用
材料一 在我们的印象里，金属一般都是“硬骨头”但有一种金属却是出了名的软骨头，用小刀就可毫不带力地切开，你知道这种金属是什么吗？它就是铯。有一天，本生在观察刚采到的一瓶杜尔汉矿泉水，把它烧开、蒸发后，再浓缩，放到分光镜里一照，他看到了钠、钾、锂、锶等许多熟悉的光谱，同时，还意外地发现了两条从未见过的天蓝色的光谱线。铯被发现了，铯就是天蓝色的意思。
材料二 许多化学家试图从氢氟酸中提取出单质氯，但都因在实验中吸入过量氟化氢气体而死，于是被迫放弃了实验。莫瓦桑设计了一整套抑制氟剧烈反应的办法，终于在1886年制得了单质氯，擒获了“死亡元素”。
材料三 布瓦博德朗发现了镓并将此消息发布，不久就收到了一封来自俄罗斯的信，信中这样写道：“尊敬的布瓦博德朗先生，您所说的镓就是我四年前预言的类铝，它的比重应为5.9，而不是您所说的4.70，请您再测一下吧……”，信尾署名是门捷列夫。布瓦博德朗将信将疑地在实验室里重测了镓的比重，结果果然是自己错了，他对门捷列夫佩服得五体投地。
材料四 1867年俄国化学家门捷列夫在研究中开始触及元素分类的规律性。为了进一步将元素进行分类，他把当时已发现的63种元素中相对原子质量相近的元素排列在一起，并进行反复研究，探索元素之间的规律性。门捷列夫克服了许多困难，终于在1869年2月编制了第一张元素周期表。利用周期表，门捷列夫成功的预测了当时尚未发现的元素的特性。1913年英国科学家莫塞莱利用阴极射线撞击金属产生X射线，发现原子序数越大，X射线的频率就越高，因此他认为核内正电荷决定了元素的化学性质，并把元素依照核内正电荷数(即质子数或原子序数)排列，经过多年修订后才成为当代的周期表。
[问题1] 铯在元素周期表中的位置是第几周期第几主族？预测金属铯与水反应的情况，如果实验室有金属铯的话，你认为应如何保存？
[提示] 铯在元素周期表中的位置是第6周期ⅠA族。铯很活泼，遇水立即燃烧、爆炸，保存时要密闭干燥。
[问题2] 氟元素的非金属性在元素周期表中是否是最强的？
[提示] 非金属性最强的元素位于周期表的右上角，是氟(F)。
[问题3] 查元素周期表找到“镓”，根据所学的知识对比其性质与金属铝的性质发现了什么？
[提示] 金属镓与金属铝位于同一主族，镓在铝的下一周期，所以镓与铝的化学性质相似，但是镓的金属性比铝强。
[问题4] 观察元素周期表，思考同一周期ⅡA族与ⅢA族原子序数相差的数值是多少？为什么？
[提示] ⅡA族与ⅢA族之间间隔了过渡元素，由于第2、3周期没有过渡元素，所以同周期ⅡA族与ⅢA族原子序数相差1；第4、5周期有10种过渡元素，所以同周期ⅡA族与ⅢA族原子序数相差11；第6、7周期有24种过渡元素，所以同周期ⅡA族与ⅢA族原子序数相差25。
[问题5] 分析ⅠA族、ⅦA族上下两个周期元素原子序数的差值，总结同一主族元素原子序数的变化规律。理清原子序数与元素位置的“序数差值”规律。
[提示] ①若为ⅠA、ⅡA族元素，则原子序数的差等于上周期元素所在周期的元素种类数。②若为ⅢA族至0族元素，则原子序数的差等于下周期元素所在周期的元素种类数。
1．逻辑方法在自然科学中的应用，往往是多种方法的并用、配合或交替。归纳和演绎在化学研究中的应用也是如此。
2．从化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得出假说；通过实验或理论证明假说正确与否，使之上升为新的理论；最后使用新理论指导实验，获得新的结论。“实验—假说—理论—新实验”的过程，本质上就是从个别到一般，再到个别的过程。
3．演绎是从一般到个别，从理论到新的事实。然而，演绎需要依赖于前提。而归纳恰好具备这种功能，尽管归纳的结果并不一定准确，但它恰恰提供一般前提。假说不一定是科学的，但它具有一般性。这就为从归纳过渡到演绎准备了必要条件。这正是归纳和演绎往往综合使用的原因。归纳需要演绎作指导，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，两者互相联系、互为前提。
4．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，还有与其他逻辑方法的并用或交替使用。
1．下列说法不正确的是( )
A．研究物质的性质，常用观察、实验、分类、比较等方法；研究物质的结构，常利用模型、假说等方法
B．丁达尔现象可用于区别溶液与胶体，云、雾均能产生丁达尔现象
C．单晶硅应用广泛，常用来制造光导纤维
D．三位美日科学家因分别研究“有机物合成过程中钯催化交叉偶联”而获得2010年度诺贝尔化学奖
C [A，物质的性质要通过实验获得，要做实验必须采用观察、分类、比较等方法来对性质进行总结、归纳；研究物质的结构，结构是微观的，不能用实验的方法研究，通常采用形象的模型或假设的方法进行研究，A选项正确；B，胶体能产生丁达尔效应，但溶液不能产生丁达尔效应，所以能用丁达尔效应区分胶体和溶液，云和雾都是胶体，所以能产生丁达尔效应，B选项正确；C，单晶硅常用于制造半导体材料和太阳能电池，光导纤维的主要原料是二氧化硅，C错误；D，注意催化剂具有选择性，D选项是正确的。]
2．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( )
选项
事实
推测
A
12Mg与水反应缓慢，20Ca与水反应较快
56Ba(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的分解温度介于二者之间
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
B [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，第ⅣA族元素并不都是半导体材料；同主族非金属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；同周期非金属元素从左到右非金属性增强，与氢气化合难度减小，D正确。]
3．下列说法中错误的是( )
①化学性质相似的有机物是同系物
②分子组成相差一个或几个CH2原子团的有机物是同系物
③若烃中碳、氢元素的质量分数相同，它们必定是同系物
④互为同系物的两种有机物的物理性质有差别，但化学性质相似
A．①②③ B．②③
C．③④ D．①②③④
A [①同系物化学性质相似，但化学性质相似物质不一定是同系物，如乙烯与1，3丁二烯，故①错误；②同系物在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团，但相差一个或若干个CH2原子团的有机物不一定是同系物，如乙酸与乙酸乙酯，故②错误；③同系物中碳、氢元素的质量分数不一定对应相同，如甲烷与乙烷、烃中碳、氢元素的质量分数对应相同，不一定是同系物如乙炔与苯，故③错误。]
物质结构研究的方法
材料一 俗话说：“无醛不成胶，无苯不成漆。”大部分人只知道甲醛有毒，而忽略了苯的危害。苯是一种无色、具有特殊芳香气味的液体。国际卫生组织已经把苯定为强烈致癌物质，苯可以引起白血病和再生障碍性贫血也被医学界公认。室内环境检测中心检测发现，某些室内空气中的苯严重超标，超过国家标准5倍以上。
材料二 1825年，英国科学家法拉第在煤气灯中首先发现苯，并测得其含碳量，确定其最简式为CH；1834年，德国科学家米希尔里希制得苯，并将其命名为苯；之后，法国化学家日拉尔等确定其分子量为78，苯分子式为C6H6。
材料三 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，他被这件工作弄得疲惫不堪。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，总共只有一瞬间的梦，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。
[问题1] 凯库勒在1866年提出两点假设：
(1)苯的六个碳原子形成闭合环状，即平面六边形；
(2)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。
如果苯分子为上述结构，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：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看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] 请根据苯的结构和性质讨论：向溴水中滴加苯，振荡后，会有什么现象？
[提示] 溶液分层，上层橙色，下层几乎无色。
[问题3] 苯的一取代物有几种？为何？
[提示] 苯中的6个C原子和H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的深化和发展。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。
1．(双选)B3N3H6的结构和性质与苯相似，被称为无机苯，其结构如下图所示。下列关于苯和无机苯的叙述正确的是( )
A．苯和无机苯都是极性分子
B．苯和无机苯分子都是平面正六边形结构
C．苯和无机苯分子具有相同的电子数
D．在铁粉催化下，苯和无机苯与液溴反应均只能产生一种取代物
BC [A．苯和无机苯都是中心对称分子，均为非极性分子，A错误；B．苯和无机苯分子结构相似，苯分子是平面六边形结构，所以无机苯分子也是平面六边形结构，B正确；C．C的电子数为6，B的电子数为5，N的电子数为7，所以两者分子具有的电子数相同，C正确；D．无机苯中存在2种不同化学环境的氢原子，所以与溴取代后生成两种取代物，D错误。]
2．建构数学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( )
A．钠在氧气中燃烧后得到的氧化产物：
B．铁在Cl2中燃烧后得到的氧化产物：
C．FeBr2溶液中通入Cl2，铁元素存在形式：
D．NH3与Cl2反应，反应产物：
D [A．钠在氧气中燃烧只生成Na2O2，故A错误；B．铁在Cl2中燃烧，只生成FeCl3，故B错误；C．因为还原性：Fe2＋>Br―，氯气先氧化Fe2＋，再氧化Br―，向FeBr2溶液中通入少量Cl2，只发生Cl2＋2Fe2＋===2Fe3＋＋2Cl―，所以两者比为1/2时，Fe2＋全部被氧化，故C错误；D．NH3与Cl2反应，NH3少量时：2NH3＋3Cl2===6HCl＋N2，NH3过量时：8NH3＋3Cl2===N2＋6NH4Cl，所以两者之比为2/3时，恰好完全反应生成HCl和N2，两者之比为8/3时，恰好完全反应生成NH4Cl和N2，故D正确。]
1．有下列说法，其中正确的是( )
A．通式为CnH2n＋2(n≥1)的有机物一定属于烷烃
B．通式为CnH2n(n≥2)的有机物一定属于烯烃
C．通式为CnH2n－2(n≥2)的有机物一定属于炔烃
D．通式为CnH2n＋2O(n≥2)的有机物一定属于醇
A [A．通式为CnH2n＋2(n≥1)的有机物一定属于烷烃，A正确；B．通式为CnH2n(n≥2)的有机物不一定属于烯烃，也可能是环烷烃，B错误；C．通式为CnH2n－2(n≥2)的有机物不一定属于炔烃，也可能是二烯烃，C错误；D．通式为CnH2n＋2O(n≥2)的有机物不一定属于醇，也可能是醚类，D错误，答案选A。]
2．据《科学》杂志报道：科学家们已大量制造出反物质中的反氢原子，认为反物质研究领域的前景“正前所未有的光明”。反原子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 [反原子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，因此原子核应带有17个负电荷，核外电子应带正电荷，故选项D正确。]
3．对比饱和链烃、不饱和链烃的结构和性质，苯的独特性质具体来说是( )
A．难氧化，易加成，难取代
B．易取代，能加成，难氧化
C．易氧化，易加成，难取代
D．因是单双键交替结构，故易加成为环己烷
B [在50～60 ℃条件下，苯就能跟混酸(浓硫酸与浓硝酸混合而成)发生取代反应，反应较易进行。在加热加压并有催化剂存在时，苯能跟H2发生加成反应，但不能跟溴水发生加成反应。也就是说，苯的加成反应能进行，但较难。苯很难被氧化(燃烧除外)，不能使酸性KMnO4溶液褪色。故苯易取代、能加成、难氧化，故选B。]
4．化学实验可以验证化学假说，获得化学事实，下列实验仪器常用于物质分离的是( )
①普通漏斗 ②量筒 ③蒸馏烧瓶 ④滴定管 ⑤分液漏斗 ⑥容量瓶
A．③⑤⑥ B．②⑤⑥
C．①③⑤ D．②④⑥
C [①普通漏斗可以用来过滤分离难溶性固体与可溶性液体混合物，①正确；②量筒用来量取一定体积的液体物质，不能用于分离混合物，②错误；③蒸馏烧瓶可分离沸点不同的互溶的液体混合物，③正确；④滴定管用来进行滴定，测定物质的含量或浓度，不能用于分离混合物，④错误；⑤分液漏斗用于分离互不相溶的两层液体物质，⑤正确；⑥容量瓶是准确配制一定体积一定物质的量浓度的溶液的仪器，不能用于分离混合物，⑥错误；综上所述可知，可用于分离混合物的仪器是①③⑤。]
5．某同学将一小块金属钠和一块铁分别放在表面皿中，研究它们在空气中的稳定性，该学生采用的研究方法是( )
①假说法 ②实验法 ③分类法 ④比较法
A．①② B．①③
C．②③ D．②④
D [①假说法是以客观事实材料和科学理论为依据，对未知事实或规律所提出的一种推测性说明，题目未提出推测性说明，故①错误；②通过两金属暴露于空气中，以实验研究它们在空气中的稳定性，故②正确；③没有分门别类地对物质及其变化进行研究，故③错误；④金属钠和铁片分别放在表面皿中，采取对比方法来研究它们在空气中的稳定性，故④正确；所以采取的方法为实验法、比较法，②④正确。]
第二单元 物质结构研究的范式与方法
学 习
任 务
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、建立相关理论做出的重要贡献。
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。
一、物质结构研究的范式
1．物质结构研究有两种常见的范式，一是归纳范式，二是演绎范式。
①归纳范式
归纳范式，其过程为“由个别到一般”。具体而言，根据事实进行概括归纳，抽象出共同点，上升为本质规律。
例如，我们在学习有机化学知识时，就是利用归纳的方法，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。
又如，我们在学习元素周期律时，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，并从结构上解释了同族元素性质相似的原因。
再如，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。
②演绎范式
演绎范式，其过程通常为“从一般到个别”。具体而言，它是从某个一般结论出发，向从属于这一结论的多个要素进行推理的过程。
例如，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)。这些都证明了运用演绎范式获得的成功。
2．物质结构常用的研究方法
①在物质结构研究中，难以对所有可能的结论一一加以实验论证。有时人们根据元素周期律和微粒间作用力的特征等，预测物质可能具有的某些性质，采用的往往就是演绎法。
②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。
③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CH3CH2OH、CH3COOH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。这就是著名的“相似相溶规则”。
④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。
3．归纳与演绎的关系
①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得出假说；通过实验或理论证明假说正确与否，使之上升为新的理论；最后使用新理论指导实验，获得新的结论。“实验—假说—理论—新实验”的过程，本质上就是从个别到一般，再到个别的过程。
②演绎是从一般到个别，从理论推出新的事实。然而，演绎需要依赖于前提。而归纳恰好具备这种功能，尽管归纳的结果并不一定准确，但它恰恰提供某种前提。这就为从归纳过渡到演绎准备了必要条件。这正是归纳和演绎往往综合使用的原因。
③归纳需要演绎作指导，以解决归纳研究的目的性、方向性和结果的正确性问题；而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，两者互相联系、互为前提。
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的并用或交替使用。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)符合通式CnH2n(n≥2)的烃一定是烯烃。 (×)
(2)由Fe跟Cl2直接化合可得FeCl3，类推出Fe跟I2直接化合可得FeI3。 (×)
(3)金属镁失火不能用CO2灭火，类推出金属钠失火也不能用CO2灭火。 (√)
(4)CO2与Na2O2反应生成Na2CO3和O2，类推出SO2与Na2O2反应生成Na2SO3和O2。 (×)
(5)烷烃同分异构体之间，支链越多，沸点越高。 (×)
(6)相同温度下CaCO3的溶解度比Ca2的溶解度小，类推出Na2CO3的溶解度也小于NaHCO3的溶解度。 (×)
二、物质结构研究的方法
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科学假设和论证、实验、模型建构等方法。
①研究物质结构涉及的实验与科学发展密切相关：如，阴极射线的发现、α粒子散射实验、氢原子光谱的发现和研究，对揭示原子内部结构的奥秘具有极为重要的作用。
②很多科学家运用模型构建方法实现了重大理论突破：如，道尔顿、汤姆生、卢瑟福、玻尔等人提出的原子结构模型对人类探索物质结构作出了巨大贡献。
③科学假设和论证
科学家研究问题的第一步是观察，运用感官或借助仪器观察物质的宏观表现。在观察的基础上，科学家提出假设(hypothesis)，即根据已有知识，对所研究的事物或现象作出初步的解释。它是人们关于某一事物或现象的一种理性推测。
为了证明假设是否正确，必须通过不断的重复实验进行论证。凯库勒苯环假说的提出，虽具有非逻辑的直觉成分，但它也有一定的实验根据。若实验证明假设是正确的，科学家就接受这个假设；如果实验不支持假设，则必须对假设进行修改，并设计新的实验进行反复验证。
经实验证明正确的假设还需通过建立理论来将这些知识组织起来，使之成为知识体系。理论(theory)是建立在大量的观察基础之上并为实验所证实的解释。例如道尔顿的原子理论，就是建立在很多化学家一次又一次观察和实验的基础之上的。当反常现象大量出现，而原有理论又不能很好地作出解释时，就需对原有理论加以修改，甚至需要提出新的理论。
④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。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。
⑤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。常见的实物模型，是可观察到的物体的宏观模型；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，称微观结构模型。模型研究对科学家探索物质的微观结构具有非常重要的意义。
模型抽取了物质原型的关键要素，是对原型的简化。科学家从实验中获得的大量原始数据出发，抽象出一定的模型，然后选择合理的方法进行计算，最后得出科学的规律。因此，模型对沟通科学现象与其本质的认识过程，起到了重要的桥梁作用。同时，它给人以简单、清晰的物理图像和直观明确的物理含义，因此被广泛采用。
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。在化学学习中常用球棍模型来帮助我们观察和思考。例如，我们仅知道乙烯是平面结构，乙炔是直线结构，有时很难想象这些分子的空间形态，以及化学反应过程中化学键断裂的情况，有了球棍模型的配合，就一目了然了。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)研究物质的性质时，常用观察、实验、分类、比较、模型、假说等方法。 (√)
(2)科学家提出的假说一定能成为科学理论。 (×)
(3)使用模型有助于人们研究物质的性质。 (√)
(4)模型一般可分为实物模型和思维模型。 (√)
(5)化学注重理论分析、推理，而不需要做化学实验。 (×)
归纳范式与演绎范式的实践应用
材料一 在我们的印象里，金属一般都是“硬骨头”但有一种金属却是出了名的软骨头，用小刀就可毫不带力地切开，你知道这种金属是什么吗？它就是铯。有一天，本生在观察刚采到的一瓶杜尔汉矿泉水，把它烧开、蒸发后，再浓缩，放到分光镜里一照，他看到了钠、钾、锂、锶等许多熟悉的光谱，同时，还意外地发现了两条从未见过的天蓝色的光谱线。铯被发现了，铯就是天蓝色的意思。
材料二 许多化学家试图从氢氟酸中提取出单质氯，但都因在实验中吸入过量氟化氢气体而死，于是被迫放弃了实验。莫瓦桑设计了一整套抑制氟剧烈反应的办法，终于在1886年制得了单质氯，擒获了“死亡元素”。
材料三 布瓦博德朗发现了镓并将此消息发布，不久就收到了一封来自俄罗斯的信，信中这样写道：“尊敬的布瓦博德朗先生，您所说的镓就是我四年前预言的类铝，它的比重应为5.9，而不是您所说的4.70，请您再测一下吧……”，信尾署名是门捷列夫。布瓦博德朗将信将疑地在实验室里重测了镓的比重，结果果然是自己错了，他对门捷列夫佩服得五体投地。
材料四 1867年俄国化学家门捷列夫在研究中开始触及元素分类的规律性。为了进一步将元素进行分类，他把当时已发现的63种元素中相对原子质量相近的元素排列在一起，并进行反复研究，探索元素之间的规律性。门捷列夫克服了许多困难，终于在1869年2月编制了第一张元素周期表。利用周期表，门捷列夫成功的预测了当时尚未发现的元素的特性。1913年英国科学家莫塞莱利用阴极射线撞击金属产生X射线，发现原子序数越大，X射线的频率就越高，因此他认为核内正电荷决定了元素的化学性质，并把元素依照核内正电荷数(即质子数或原子序数)排列，经过多年修订后才成为当代的周期表。
[问题1] 铯在元素周期表中的位置是第几周期第几主族？预测金属铯与水反应的情况，如果实验室有金属铯的话，你认为应如何保存？
[提示] 铯在元素周期表中的位置是第6周期ⅠA族。铯很活泼，遇水立即燃烧、爆炸，保存时要密闭干燥。
[问题2] 氟元素的非金属性在元素周期表中是否是最强的？
[提示] 非金属性最强的元素位于周期表的右上角，是氟(F)。
[问题3] 查元素周期表找到“镓”，根据所学的知识对比其性质与金属铝的性质发现了什么？
[提示] 金属镓与金属铝位于同一主族，镓在铝的下一周期，所以镓与铝的化学性质相似，但是镓的金属性比铝强。
[问题4] 观察元素周期表，思考同一周期ⅡA族与ⅢA族原子序数相差的数值是多少？为什么？
[提示] ⅡA族与ⅢA族之间间隔了过渡元素，由于第2、3周期没有过渡元素，所以同周期ⅡA族与ⅢA族原子序数相差1；第4、5周期有10种过渡元素，所以同周期ⅡA族与ⅢA族原子序数相差11；第6、7周期有24种过渡元素，所以同周期ⅡA族与ⅢA族原子序数相差25。
[问题5] 分析ⅠA族、ⅦA族上下两个周期元素原子序数的差值，总结同一主族元素原子序数的变化规律。理清原子序数与元素位置的“序数差值”规律。
[提示] ①若为ⅠA、ⅡA族元素，则原子序数的差等于上周期元素所在周期的元素种类数。②若为ⅢA族至0族元素，则原子序数的差等于下周期元素所在周期的元素种类数。
1．逻辑方法在自然科学中的应用，往往是多种方法的并用、配合或交替。归纳和演绎在化学研究中的应用也是如此。
2．从化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得出假说；通过实验或理论证明假说正确与否，使之上升为新的理论；最后使用新理论指导实验，获得新的结论。“实验—假说—理论—新实验”的过程，本质上就是从个别到一般，再到个别的过程。
3．演绎是从一般到个别，从理论到新的事实。然而，演绎需要依赖于前提。而归纳恰好具备这种功能，尽管归纳的结果并不一定准确，但它恰恰提供一般前提。假说不一定是科学的，但它具有一般性。这就为从归纳过渡到演绎准备了必要条件。这正是归纳和演绎往往综合使用的原因。归纳需要演绎作指导，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，两者互相联系、互为前提。
4．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，还有与其他逻辑方法的并用或交替使用。
1．下列说法不正确的是( )
A．研究物质的性质，常用观察、实验、分类、比较等方法；研究物质的结构，常利用模型、假说等方法
B．丁达尔现象可用于区别溶液与胶体，云、雾均能产生丁达尔现象
C．单晶硅应用广泛，常用来制造光导纤维
D．三位美日科学家因分别研究“有机物合成过程中钯催化交叉偶联”而获得2010年度诺贝尔化学奖
C [A，物质的性质要通过实验获得，要做实验必须采用观察、分类、比较等方法来对性质进行总结、归纳；研究物质的结构，结构是微观的，不能用实验的方法研究，通常采用形象的模型或假设的方法进行研究，A选项正确；B，胶体能产生丁达尔效应，但溶液不能产生丁达尔效应，所以能用丁达尔效应区分胶体和溶液，云和雾都是胶体，所以能产生丁达尔效应，B选项正确；C，单晶硅常用于制造半导体材料和太阳能电池，光导纤维的主要原料是二氧化硅，C错误；D，注意催化剂具有选择性，D选项是正确的。]
2．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( )
选项
事实
推测
A
12Mg与水反应缓慢，20Ca与水反应较快
56Ba(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的分解温度介于二者之间
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
B [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，第ⅣA族元素并不都是半导体材料；同主族非金属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；同周期非金属元素从左到右非金属性增强，与氢气化合难度减小，D正确。]
3．下列说法中错误的是( )
①化学性质相似的有机物是同系物
②分子组成相差一个或几个CH2原子团的有机物是同系物
③若烃中碳、氢元素的质量分数相同，它们必定是同系物
④互为同系物的两种有机物的物理性质有差别，但化学性质相似
A．①②③ B．②③
C．③④ D．①②③④
A [①同系物化学性质相似，但化学性质相似物质不一定是同系物，如乙烯与1，3丁二烯，故①错误；②同系物在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团，但相差一个或若干个CH2原子团的有机物不一定是同系物，如乙酸与乙酸乙酯，故②错误；③同系物中碳、氢元素的质量分数不一定对应相同，如甲烷与乙烷、烃中碳、氢元素的质量分数对应相同，不一定是同系物如乙炔与苯，故③错误。]
物质结构研究的方法
材料一 俗话说：“无醛不成胶，无苯不成漆。”大部分人只知道甲醛有毒，而忽略了苯的危害。苯是一种无色、具有特殊芳香气味的液体。国际卫生组织已经把苯定为强烈致癌物质，苯可以引起白血病和再生障碍性贫血也被医学界公认。室内环境检测中心检测发现，某些室内空气中的苯严重超标，超过国家标准5倍以上。
材料二 1825年，英国科学家法拉第在煤气灯中首先发现苯，并测得其含碳量，确定其最简式为CH；1834年，德国科学家米希尔里希制得苯，并将其命名为苯；之后，法国化学家日拉尔等确定其分子量为78，苯分子式为C6H6。
材料三 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，他被这件工作弄得疲惫不堪。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，总共只有一瞬间的梦，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。
[问题1] 凯库勒在1866年提出两点假设：
(1)苯的六个碳原子形成闭合环状，即平面六边形；
(2)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。
如果苯分子为上述结构，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：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看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] 请根据苯的结构和性质讨论：向溴水中滴加苯，振荡后，会有什么现象？
[提示] 溶液分层，上层橙色，下层几乎无色。
[问题3] 苯的一取代物有几种？为何？
[提示] 苯中的6个C原子和H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的深化和发展。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。
1．(双选)B3N3H6的结构和性质与苯相似，被称为无机苯，其结构如下图所示。下列关于苯和无机苯的叙述正确的是( )
A．苯和无机苯都是极性分子
B．苯和无机苯分子都是平面正六边形结构
C．苯和无机苯分子具有相同的电子数
D．在铁粉催化下，苯和无机苯与液溴反应均只能产生一种取代物
BC [A．苯和无机苯都是中心对称分子，均为非极性分子，A错误；B．苯和无机苯分子结构相似，苯分子是平面六边形结构，所以无机苯分子也是平面六边形结构，B正确；C．C的电子数为6，B的电子数为5，N的电子数为7，所以两者分子具有的电子数相同，C正确；D．无机苯中存在2种不同化学环境的氢原子，所以与溴取代后生成两种取代物，D错误。]
2．建构数学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( )
A．钠在氧气中燃烧后得到的氧化产物：
B．铁在Cl2中燃烧后得到的氧化产物：
C．FeBr2溶液中通入Cl2，铁元素存在形式：
D．NH3与Cl2反应，反应产物：
D [A．钠在氧气中燃烧只生成Na2O2，故A错误；B．铁在Cl2中燃烧，只生成FeCl3，故B错误；C．因为还原性：Fe2＋>Br―，氯气先氧化Fe2＋，再氧化Br―，向FeBr2溶液中通入少量Cl2，只发生Cl2＋2Fe2＋===2Fe3＋＋2Cl―，所以两者比为1/2时，Fe2＋全部被氧化，故C错误；D．NH3与Cl2反应，NH3少量时：2NH3＋3Cl2===6HCl＋N2，NH3过量时：8NH3＋3Cl2===N2＋6NH4Cl，所以两者之比为2/3时，恰好完全反应生成HCl和N2，两者之比为8/3时，恰好完全反应生成NH4Cl和N2，故D正确。]
1．有下列说法，其中正确的是( )
A．通式为CnH2n＋2(n≥1)的有机物一定属于烷烃
B．通式为CnH2n(n≥2)的有机物一定属于烯烃
C．通式为CnH2n－2(n≥2)的有机物一定属于炔烃
D．通式为CnH2n＋2O(n≥2)的有机物一定属于醇
A [A．通式为CnH2n＋2(n≥1)的有机物一定属于烷烃，A正确；B．通式为CnH2n(n≥2)的有机物不一定属于烯烃，也可能是环烷烃，B错误；C．通式为CnH2n－2(n≥2)的有机物不一定属于炔烃，也可能是二烯烃，C错误；D．通式为CnH2n＋2O(n≥2)的有机物不一定属于醇，也可能是醚类，D错误，答案选A。]
2．据《科学》杂志报道：科学家们已大量制造出反物质中的反氢原子，认为反物质研究领域的前景“正前所未有的光明”。反原子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 [反原子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，因此原子核应带有17个负电荷，核外电子应带正电荷，故选项D正确。]
3．对比饱和链烃、不饱和链烃的结构和性质，苯的独特性质具体来说是( )
A．难氧化，易加成，难取代
B．易取代，能加成，难氧化
C．易氧化，易加成，难取代
D．因是单双键交替结构，故易加成为环己烷
B [在50～60 ℃条件下，苯就能跟混酸(浓硫酸与浓硝酸混合而成)发生取代反应，反应较易进行。在加热加压并有催化剂存在时，苯能跟H2发生加成反应，但不能跟溴水发生加成反应。也就是说，苯的加成反应能进行，但较难。苯很难被氧化(燃烧除外)，不能使酸性KMnO4溶液褪色。故苯易取代、能加成、难氧化，故选B。]
4．化学实验可以验证化学假说，获得化学事实，下列实验仪器常用于物质分离的是( )
①普通漏斗 ②量筒 ③蒸馏烧瓶 ④滴定管 ⑤分液漏斗 ⑥容量瓶
A．③⑤⑥ B．②⑤⑥
C．①③⑤ D．②④⑥
C [①普通漏斗可以用来过滤分离难溶性固体与可溶性液体混合物，①正确；②量筒用来量取一定体积的液体物质，不能用于分离混合物，②错误；③蒸馏烧瓶可分离沸点不同的互溶的液体混合物，③正确；④滴定管用来进行滴定，测定物质的含量或浓度，不能用于分离混合物，④错误；⑤分液漏斗用于分离互不相溶的两层液体物质，⑤正确；⑥容量瓶是准确配制一定体积一定物质的量浓度的溶液的仪器，不能用于分离混合物，⑥错误；综上所述可知，可用于分离混合物的仪器是①③⑤。]
5．某同学将一小块金属钠和一块铁分别放在表面皿中，研究它们在空气中的稳定性，该学生采用的研究方法是( )
①假说法 ②实验法 ③分类法 ④比较法
A．①② B．①③
C．②③ D．②④
D [①假说法是以客观事实材料和科学理论为依据，对未知事实或规律所提出的一种推测性说明，题目未提出推测性说明，故①错误；②通过两金属暴露于空气中，以实验研究它们在空气中的稳定性，故②正确；③没有分门别类地对物质及其变化进行研究，故③错误；④金属钠和铁片分别放在表面皿中，采取对比方法来研究它们在空气中的稳定性，故④正确；所以采取的方法为实验法、比较法，②④正确。]
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