1.2 物质结构研究的范式与方法-2023-2024学年度高二化学同步精品讲义（苏教选择性必修2）

专题1 揭示物质结构的奥秘第二单元 物质结构研究的范式与方法目标导航1．认识物质结构研究的两种范式及其相互关系。2．能举例说明物质结构的研究方法在物质结构研究中所起的重要作用。3．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。知识精讲知识点01 物质结构研究的范式物质结构研究有两种常见的范式：归纳范式和演绎范式。1．归纳范式（1）归纳范式的过程为“从个别到一般”。即：根据事实进行概括归纳，抽象出共同点，上升为本质规律。（2）归纳法应用实例：2．演绎范式（1）演绎范式的过程通常为“从一般到个别”。即从某一个一般结论出发，向从属于这一结论的多个要素进行推理的过程。（2）演绎法应用实例：3．归纳和演绎的关系（1）归纳和演绎的使用一般先归纳后演绎。“实验——假说——理论——新实验”的本质就是从个别到一般，再到个别的过程。（2）归纳和演绎的关系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，两者相互联系、互为前提。知识点02 物质结构研究的方法物质结构研究需要借助科学仪器等物质手段，还需要借助化学研究的方法。常用的方法有科学假设和论证、实验、模型建构等。1．科学假设和论证（1）观察：运用感官或借助仪器观察物质的宏观表现。（2）假设：根据已有知识，对所研究的事物或现象作出初步的解释。（3）论证：通过实验进行验证，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反复验证。（4）理论：将实验证明正确的假设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。（2）实验方法实例：3．模型方法（1）含义：科学家运用一定逻辑推理与模型思维对实验结果进行处理。（2）方法：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。（3）分类（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。【即学即练1】在探索微观世界的过程中，科学家们常通过提出假说来把握物质的结构及特点，不断拓展认识的新领域。关于假说，下列表述中正确的是（ ）A．假说是对现实中已知事物或现象的一种简化处理B．假说是根据已知的科学事实和原理对未知领域的事物或现象的本质提出的一种推测C．假说是对一个问题的所有幻想和假定D．假说最终都可以变成科学理论答案：D解析：假说是根据已有知识，对所研究的事物或现象作出初步的解释。【即学即练2】原子结构模型经历了五个主要阶段：1803年实心球模型→1904年“葡萄干面包” 模型→1911年原子核式结构模型→1913年轨道模型→20世纪初量子力学的原子结构模型。对轨道模型贡献最大的科学家是（ ）A．玻尔 B．汤姆生 C．卢瑟福 D．道尔顿答案：A【即学即练3】化学中的模型有助于我们形成化学学科的思想和方法，其中，实物模型是依靠物质的基本形态所做的模仿。下列属于实物模型的是（ ） A．卢瑟福原子结构模型 B．CH4分子的结构模型 C．氧化汞受热分解示意图 D．接触法制硫酸示意图答案：D能力拓展考法01 归纳与演绎的关系1．归纳与演绎的不同(1)思维进程不同。①归纳推理的思维进程是由个别到一般。②演绎推理是从一般到个别的推理。(2)结论所断定的知识范围不同。演绎推理的结论没有超出前提所断定的知识范围。归纳推理除了完全归纳推理之外，结论都超出了前提所断定的知识范围。(3)前提与结论间的联系程度不同。演绎推理的前提与结论间的联系是必然的，也就是说，前提真实，推理形式正确，结论就必然是真的。归纳推理除了完全归纳推理前提与结论间的联系是必然的外，前提真实，推理形式也正确，但不能必然推出真实的结论。2．归纳与演绎的联系(1)演绎推理如果要以一般性知识为前提(演绎推理未必都要以一般性知识为前提)，则通常要依赖归纳推理来提供一般性知识。(2)归纳推理离不开演绎推理。①为了提高归纳推理的可靠程度，需要运用已有的理论知识，对归纳推理的个别性前提进行分析，把握其中的因果性、必然性，这就要用到演绎推理。②归纳推理依靠演绎推理来验证自己的结论。例如，俄国化学家门捷列夫通过归纳发现元素周期律，指出，元素的性质随元素相对原子质量的增加而呈周期性变化。后用演绎推理发现，原来测量的一些元素的相对原子质量是错的。于是，他重新安排了它们在周期表中的位置，并预言了一些尚未发现的元素，指出周期表中应留出空白位置给未发现的新元素。【典例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，不需要验证答案：B解析：A.由乙烯的性质推断丙烯的性质是个别到个别，是演绎范式，错误；C.假说具有一般性，可能是科学的，错误；D.归纳的结果不一定是正确的，有时需要验证。考法02 物质结构研究的方法1．科学假设和论证(1)研究过程流程图(2)注意事项①为了验证假设是否正确，必须通过不断地重复实验进行论证。正确的假设要接受，如果实验不支持假设，就要对假设进行修改并设计新的实验进行验证。②正确的假设还要建立理论将知识组织起来使之成为体系理论。2．实验方法材料的化学成分分析除了传统的化学分析技术外，还包括质谱分析、紫外、可见光、红外光谱分析，气、液相色谱，核磁共振，电子自旋共振等。(1)质谱能够提供该化合物的相对分子质量和元素组成的信息。(2)色谱中特别是裂解气相色谱(PGC)能较好显示高分子类材料的组成特征。(3)X射线衍射实验鉴别晶体和非晶体。(4)扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。(5)原子力显微镜是通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。3．模型方法(1)模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种特有形式。模型舍去了原型的一些次要的细节、非本质的联系，以简化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系，是连接理论和应用的桥梁。(2)模型实际上是假设的一种特殊形式，也可以说是科学性和假定性的辩证统一。它不仅要在时间中接受检验，而且还要在实践中扩展、补充和修正。【典例2】1909年，新西兰出生的物理学家——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”“小于”或“等于”)α粒子的质量。(2)这是利用了物质结构研究的什么方法？__________________________。答案：(1)①原子核　②正　排斥　③大于　(2)实验法解析：(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；又能证明金原子核所带电荷数远大于α粒子，否则偏转的就不会是α粒子，而是金原子核。(2)此方法是实验法。(3)从科学态度上进行回答。分层提分题组A 基础过关练1．化学实验模型有助于我们形成化学学科的思想和方法，其中属于微观结构模型的是(　　)答案：A解析：难以直接观察到原型的模型为微观结构模型。2．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答案：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。3．19世纪中叶，门捷列夫总结出如下表所示的元素化学性质的变化情况。请完成下列问题：(1)门捷列夫的突出贡献是(　　)A．提出了原子学说　　　　 B．提出了分子学说C．发现元素周期律 D．发现能量守恒定律(2)关于该表下列说法正确的是(　　)A．事物的性质总是在不断地发生变化B．根据归纳法可以推断元素周期表中最右上角的氦元素是非金属性最强的元素C．由ⅡA族元素的金属性演绎ⅢA族元素也全具有金属性D．物质发生量变到一定程度必然引起质变(3)按照表中元素的位置，认真观察从ⅢA族的硼到ⅦA族的砹连接的一条折线，我们能从分界线附近找到(　　)A．耐高温材料 B．新型农药材料C．半导体材料 D．新型催化剂材料(4)据报道，美国科学家制得一种新原子 eq \o\al(\s\up1(283),\s\do1(116)) X，它属于一种新元素116号元素(元素符号暂用X代替)，利用假设法关于它的推测正确的是(　　)A．这种原子的中子数为116B．它位于元素周期表中第6周期C．这种元素一定是金属元素D．这种元素的原子易与氢化合答案：(1)C　(2)D　(3)C　(4)C解析：(1)门捷列夫的贡献是发现了元素周期律，并根据元素周期律制得第一张元素周期表。(2)A项同主族元素的性质是相似的，同周期元素的性质是递变的，所以错误。B项中氦是稀有气体元素，非金属性最强的元素是氟，所以错误。ⅢA族元素不都是金属元素，故C项错误。D项随着原子序数的递增，同周期元素由金属元素变化到非金属元素，同主族元素由非金属元素过渡到金属元素(ⅡA和ⅦA族除外)，即由量变引起质变，所以正确。(3)因为分界线是金属和非金属元素的分界线，所以能找到半导体材料。非金属性较强的区域可找到制农药的元素，如F、Cl、S、P等。过渡区金属可用来制造耐高温、耐腐蚀的材料，也可寻找特殊反应的催化剂。(4)根据同主族元素性质的相似性，可知116号元素是金属元素，因为同主族上周期钋元素是金属。根据同主族元素的递变性知该元素不易和氢化合，因为从上到下与氢化合的能力由易到难。个别性质一般规律通过甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)等的分子式总结出饱和烷烃的通式为CnH2n＋2通过1～20号元素的原子核外电子排布认识前20号元素对应原子结构的不同总结出元素核外电子排布规律，解释同族元素性质相似原因通过研究含有双键和三键不饱和烃的加成反应和氧化反应，发现不饱和键具有不稳定性质根据结构与性质的关系归纳出这类有机物的通性一般规律个别性质门捷列夫建立了元素周期表人们发现了“类铝”(镓)，“类硼”(铊)，“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水是极性较强的分子，水分子间存在较强的氢键，水分子即可为生成氢键提供H，又有孤电子对接受HCH3CH2OH、CH3COOH和水相似，均可通过氢键与水结合，在水中的溶解度较大；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”实验方法意义卢瑟福的α粒子散射实验启迪人们用轰击和对撞的实验来研究物质的内部结构，提供了一种研究物质微观结构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射线衍射实验应用于研究原子、分子和晶体结构使原子和分子的微观世界不断被揭示分类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微观层次结构，难以直接观察到，需要通过思维加工使抽象化的微观世界以可视化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