苏教版 (2019)选择性必修2第三单元 物质结构研究的意义学案及答案

第三单元　物质结构研究的意义

一、物质结构研究的意义——促进了科学的发展

1．科学家运用化学研究的不同范式和方法，借助现代仪器与手段对物质结构进行不断地探索，揭示了物质结构的内在特点，设计与合成了大量的新物质，极大地提高了人类社会生产与生活的水平。科学家对于物质结构的探索步伐永不会停歇。

2．化学科学的发展离不开对物质结构的探索和研究。1811年，意大利科学家阿伏加德罗(J.Avogadro，1776－1856)在总结气体参加化学反应时体积变化的基础上，提出了分子的概念，认为气体分子可以由几个原子组成。1860年，国际化学界接受了50年前阿伏加德罗提出的分子假说，确立了“原子－分子论”，即不同元素代表不同原子，原子按一定方式结合成分子，分子组成物质，分子的结构直接决定分子的性质。

3．1869年，俄国化学家门捷列夫在对已有63种元素测定相对原子质量的工作取得了很大进展，对各种元素的物理及化学性质的研究成果也越来越丰富。在此基础上，把似乎互不相干的化学元素，按照相对原子质量的变化联系起来，发现了自然界的重要规律——元素周期律，从而把化学元素及其相关知识纳入一个自然序列变化的规律之中，有助于从理论上指导化学元素的发现和应用。到20世纪40年代，人们已经发现了自然界中存在92种化学元素。与此同时，人们又开始用粒子高能加速器来人工制造化学元素。

4．19世纪中叶，化学家对有机化合物的认识也取得了重大进展。碳原子的四价、有机物中碳原子成键的立体结构、有机化合物分子中价键的饱和性等相继被发现，有机合成在一定程度上已可以做到“按图索骥”，而用不着单凭经验摸索了。这些进展为有机立体化学的发展奠定了基础，对有机化学的进一步发展意义重大。

5．从1900年至今，通过化学合成和分离手段得到的新物质的数量急剧增加，2003年达到4500万种，2015年突破1亿，到2018年高达1.4亿种。这一事实充分说明化学合成技术的巨大成就。合成或从自然界分离出更多的新物质，能更好地满足人类的生活和社会可持续发展的需要。

6．研究物质结构，既能够为设计与合成新物质提供理论基础，也可以帮助我们预测物质的性能。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。

　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)我国科学家成功合成结晶牛胰岛素，在世界上首次实现了蛋白质的人工合成。               (√)

(2)研发可降解高分子材料，可以减少“白色污染”。 (√)

(3)中国科学技术大学设计出一种“松果结构”的铂金属催化剂，催化剂的结构会影响催化效果。                            (√)

(4)大型客机C919机身表面含有耐紫外线的物质PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，PMMA属于有机高分子化合物。                            (√)

二、物质结构研究的意义——物质结构的探索永无止境

1．到2017年，在已颁发的106次诺贝尔化学奖中，获奖最多的属于生物化学领域，高达50次。这些工作绝大多数与物质结构鉴定有关。进入21世纪以来，对手性药物的研究已成为全世界医药工业中最引人注目的领域之一；合成具有生物活性的分子是生命科学的研究前沿。探寻人类和其他生物生命运动的化学机理，无疑是21世纪化学科学亟待解决的重大课题之一。20世纪经典生物学的最大突破是在分子水平上探索生命现象的本质，这一过程也离不开对物质结构的研究。

2．研究小分子和受体生物大分子相互作用的机理，需要物质结构理论与分析测试技术的支持。特别是人类亟待解决的抗癌药物的设计、制备和筛选，以及合成一大批高效、无毒副作用的药物；搞清楚食草动物胃内的酶是如何把植物纤维分解为小分子的，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础；合成具有生物活性的分子，可帮助人类揭示生命的奥秘；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，创造“新陈代谢”的目标就能得以实现……

3．量子化学是结构化学最重要的理论基础，结构化学是量子化学最直接的实验基础和推动力量。化学家利用化学反应实现物质转化，制备人类生活和生产所需要的物质，需要回答一系列与化学键相关的问题：两个或多个分子之间能否发生化学反应？能否生成预期的分子？需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应？如何在理论指导下控制化学反应？如何预测化学反应的速率？如何确定化学反应的途径？等等。这就要求化学家建立精确有效而又普遍适用的化学反应的量子力学理论。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：合成氨不再需要高温、高压，光合作用不再是植物的专利，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。为了满足人类生活和生产的需要，人类每年都从实验室或工厂制造出成千上万种化学物质。新物质的制造，在提高人们生活质量的同时，也可能带来环境污染，人们迫切希望找到新物质的绿色合成方法，期望可以用简单、安全、对环境友好的操作，快速、定量地把价廉、易得的起始原料转化为人类所需求的物质。绿色合成方法的设计和实施，合成具有高活性和选择性的催化剂，都依赖于对物质转化规律、催化剂结构和催化机理的研究。环境的改善，将进一步提高人类的生活质量，促进社会的可持续发展。

5．在过去的100多年里，化学作为一门中心的、实用的、创造性的科学，已经为人类认识物质世界和人类文明的进步作出巨大贡献。用化学方法合成的数以千万计的物质，为阐明生命的起源、制备生物活性物质、合成新药物以及开发新材料奠定了理论和实验基础。化学创立了物质结构的理论、研究方法和实验手段、初步揭示了物质的结构和性质之间的关系和规律、为设计具有各种特殊功能的新物质提供了有效的方法和手段。对物质结构的进一步研究，将会使明天的世界变得更加绚丽多彩。

　判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)在化学发展的历史进程中，德国化学家维勒通过蒸发氰酸铵的水溶液得到了尿素，尿素的合成揭开了人工合成有机化合物的序幕。维勒的这个发现推翻了当时阻碍化学发展的“生命力论”。              (√)

(2)光缆在信息产业中有广泛应用，制造光缆的主要材料是单质硅。 (×)

(3)纳米机器人“医生”能进入人体杀死癌细胞。 (√)

(4)我国科学家在合成氨反应机理研究中取得新进展，首次报道了LiH­3d过渡金属这一复合催化剂体系，并提出了“氮转移”催化机理，即低温下合成氨，能提高原料转化率。                            (√)

材料一　2015年10月，我国科学家屠呦呦获得诺贝尔生理学或医学奖。诺贝尔奖评选委员会的颁奖词中写道：“屠呦呦发现了青蒿素，这种药品有效降低了疟疾患者的死亡率”“对全球的影响及对人类福祉的改善是无可估量的”。在青蒿素的发现、提纯、组成与结构测定、合成与修饰及实际应用过程中，各个环节都有赖于化学科学的支持，饱含着一大批化学工作者的辛勤付出。

材料二　青蒿素的提取与研究从1967年开始，到1969年才刚刚获得其有效成分。1975年研究人员借助波谱数据和化学反应进行了大量研究，获知青蒿素分子的若干片段；1975年，研究人员利用X射线衍射技术攻克了许多难关，终于确定了青蒿素分子中各原子的空间位置。从1978年到1984年研究人员历时5年多实现了青蒿素的全合成。

青蒿素结构的测定和全合成的实现，为青蒿素衍生药物(如双氢青蒿素、蒿甲醚)的开发奠定了基础。1986年，青蒿素和双氢青蒿素获得一类新药证书。

[问题1]　在探究青蒿素分子组成和结构的过程中，科研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]　

[问题2]　测定青蒿素分子结构时，科研人员遇到了什么困难？

[提示]　不论是常规的实验方法还是质谱、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的结构特点。

[问题3]　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]　因为一般方法只能测定简单分子的官能团以及分子结构，但是对于青蒿素这种复杂的分子的结构，一般方法难以进行精准判断。

[问题4]　如何测定青蒿素分子的空间结构？

[提示]　晶体的X射线衍射法。

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：甲基、过氧基团、带有酯基的六元环。

2．晶体X射线衍射法测定分子结构的程序

1．下列可用于判断某物质为晶体的方法是(　　)

A．质谱法　　　　　 B．红外光谱法

C．核磁共振法 D．X射线衍射法

D　[质谱法用于测定有机物的相对分子质量，不能判断某物质为晶体，A错误；红外光谱仪能测定出有机物的官能团和化学键，不能判断某物质为晶体，B错误；核磁共振氢谱用于测定有机物分子中氢原子的种类和数目比，不能判断某物质为晶体，C错误；晶体与非晶体最本质的区别是组成物质的微粒在微观空间是否有序排列，X射线衍射可以看到微观结构，可以鉴别晶体与非晶体，D正确。]

2．我国女科学家屠呦呦发现青蒿素(青蒿素的化学式：C15H22O5)，它是一种用于治疗疟疾的药物，曾经挽救了数百万人的生命，2015年获得诺贝尔生理学或医学奖。下列关于青蒿素的叙述错误的是(　　)

A．青蒿素的一个分子中含有42个原子

B．青蒿素能够治疗疟疾可能与结构中存在过氧基团有关

C．青蒿素的摩尔质量为282

D．青蒿素中碳元素的质量分数约为63.8%

C　[由青蒿素的化学式可知，每个青蒿素分子中含有15个碳原子、22个氢原子和5个氧原子，共42个原子，故A正确； 在青蒿素分子中含有过氧基团，其他含有酯基及醚键的物质不具有治疗疟疾的功能，而青蒿素可以，说明其能够治疗疟疾可能与结构中存在过氧基团有关，正确；青蒿素的相对分子质量为12×15＋1×22＋16×5＝282，故摩尔质量为282 g· mol－1，故C错误；青蒿素中碳元素的质量分数为12×15÷282×100%≈63.8%，故D正确。]

3．联合国决定2011年为国际化学年，旨在纪念化学学科取得的成就及对人类的巨大贡献。下列科学家取得的成就与化学学科研究领域无关的是(　　)

A．哈伯发明合成氨技术

B．门捷列夫发现元素周期律

C．爱因斯坦提出相对论

D．居里夫人发现镭

C　[A．合成氨技术，有新物质生成，属于化学学科研究领域，故A错误；B．元素周期律属于化学学科研究领域，故B错误；C．相对论与化学无关，不属于化学学科研究领域，属于物理学研究的范畴，故C正确；D．居里夫人发现镭，属于化学学科研究领域，故D错误。]

4．1998年诺贝尔化学奖授予科恩(美)和波普尔(英)以表彰他们在理论化学领域作出的重大贡献。他们的工作使实验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质，引起整个化学领域正在经历一场革命的变化。下列说法正确的是(　　)

A．化学不再是纯实验科学

B．化学不再需要实验

C．化学不做实验，就什么都不知道

D．未来化学的方向还是经验化

A　[A．化学离不开实验，也需要理论的指导，A正确；B．化学是一门以实验为基础的科学，化学不再需要实验是错误的，B错误；C．化学也需要理论研究，离不开理论的指导，C错误；D．化学无论何时，都需要实验来验证，故D错误。]

5．化学是一门从分子、原子层次上研究物质的性质、组成、结构与变化规律的自然学科。下列说法不正确的是(　　)

A．化学的特征就是认识分子和制造分子，具有创造性和实用性

B．制陶、冶金及酿酒的过程中，都一定发生了化学变化

C．随着先进仪器的不断使用，研究化学已不再需要通过实验方法

D．化学家可以在微观层面上操纵分子和原子，组装分子器件和分子机器等

C　[A．认识分子和制造分子，是化学的特征，体现了化学的创造性和实用性，故A正确；B．制陶、冶金及酿酒过程中，都有新物质生成，属于化学变化，故B正确；C．化学是以实验为基础的学科，不会离开使用试管、烧杯等仪器动手实验，故C错误；D．科学的发展非常迅速，化学家可以在微观层面上操纵分子和原子，从而用分子或原子来组装分子材料、分子器件和分子机器等，故D正确]。

物质结构研究的意义

1．1999年度诺贝尔化学奖授予了开创“飞秒(10－15s)化学”新领域的科学家，使运用激光光谱技术观测化学反应时分子中原子运动成为可能。你认为该技术不能观察到的是(　　)

A．原子中原子核的内部结构

B．化学反应中原子的运动

C．化学反应中生成物分子的形成

D．化学反应中反应物分子的分解

A　[由于原子是化学变化中的最小微粒，即在化学反应中原子是不能再分的。根据信息“使运用激光光谱技术观测化学反应时分子中原子运动成为可能”可知不能观测到原子内部的质子、中子、电子的运动，所以该技术不能观察到原子中原子核的内部结构，其余选项均是可以的，答案选A。]

2．随着科学的发展，学科间的交叉和综合越来越多，学科之间的界限越来越不明显，“边缘科学”即代表了一个新名词，说明了学科间的相互联系。但目前的科学研究，学科间的分工依然存在，各自的研究领域仍有所不同。下列变化不属于化学研究范畴的是(　　)

A．MERS病毒疫苗的研制

B．近期出现雾霾原因的探究

C．朝鲜的原子弹爆炸实验

D．济南钢铁集团冶炼特种钢

C　[A．MERS病毒疫苗的研制，是物质的制备，属于化学研究的范畴，A项错误；B．雾霾的原因探究是物质组成和性质的研究，属于化学研究范畴，B项错误；C．化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、变化、制备和应用的自然科学，原子弹的爆炸属于原子核的变化，原子种类发生了变化，属于核物理研究范畴，C项正确；D．钢铁厂冶炼特种钢属于物质的制备，属于化学研究范畴，D项错误。]

3．两位美国科学家彼得·阿格雷和罗德里克·麦金农，因为发现细胞膜水通道，以及对离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献而获得2003年诺贝尔化学奖。他们之所以获得诺贝尔化学奖而不是生理学或医学奖是因为(　　)

A．他们的研究与化学物质水有关

B．他们的研究有利于研制针对一些神经系统疾病和心血管疾病的药物

C．他们的研究深入到分子、原子的层次

D．他们的研究没有深入到细胞的层次

C　[A．不管是物理、化学还是生物，物质水深入各个学科，并没有体现化学学科特点，A项错误；B．药物与生理学或医学奖更加密切，B项不符合题意；C．化学是自然科学的一种，在分子、原子层次上研究物质的组成、性质、结构与变化规律；创造新物质的科学，研究符合化学学科特点，C项正确；D．细胞属于生物学范畴，D项不符合题意]。

4．为中国近代化学发展做出突出贡献的科学家是(　　)

A．李四光　　　 B．华罗庚

C．侯德榜 D．钱学森

C　[20世纪20年代，我国著名化学家侯德榜制出纯碱，打破了制碱业的垄断，为中国近代化学工业做出了突出贡献。]

5．如图展示了近代化学发展的几个重要里程碑。下列说法正确的是(　　)

A．1661年波义耳提出了元素的概念并发现了同位素

B．1774年拉瓦锡提出燃烧的氧化学说并揭示了氧化还原反应的本质

C．1803年道尔顿提出原子学说并揭示了原子构成的奥秘

D．1869年门捷列夫发现了元素周期律并制成了第一张元素周期表

D　[A．1661年英国科学家波义耳提出化学元素的概念，标志着近代化学的诞生，并没有发现同位素，A错误；B．1774年法国科学家拉瓦锡建立燃烧的氧化学说，使近代化学取得了革命性的进展，并没有揭示氧化还原反应的本质，B错误；C．1803年英国科学家道尔顿提出原子学说，为近代化学的发展奠定了坚实的基础，没有揭示原子构成的奥秘，C错误；D．1869年俄国科学家门捷列夫发现元素周期律，把化学元素及其化合物纳入一个统一的理论体系，并制成了第一张元素周期表，D正确。]