新教材2023年高中化学第3章不同聚集状态的物质与性质微项目青蒿素分子的结构测定__晶体在分子结构测定中的应用导学案鲁科版选择性必修2

晶体在分子结构测定中的应用

1．了解测定分子结构的一般思路与方法，认识晶体对于分子结构测定的独特意义。

2．知道利用晶体X射线衍射能够测定原子坐标进而确定分子的空间结构，是测定分子结构的重要手段。

3．体会分子结构测定对于建立与优化物质结构理论模型，认识、解释和预测物质性质具有重要价值。

项目活动1　了解利用晶体测定分子结构的意义

分子具有一定的空间结构，分子的结构可以通过一定的实验方法来测定，测定分子结构的物理、化学方法很多。在青蒿素分子组成和结构的测定过程中，使用的测定方法及获得的信息如下表所示：

测定分子空间结构最普遍的方法是晶体的X射线衍射，利用数学和物理知识对衍射所得图像进行复杂处理，可以测定晶体的晶胞参数(用于描述晶胞的大小和形状的数据)，推算得到晶胞中所有原子的坐标，从而计算出原子间的距离，判断哪些原子间存在化学键以及化学键的类型，确定分子的空间结构。

项目活动2　借助原子位置确定分子空间结构

借助晶体X射线衍射测定分子结构的基本思路

借助晶体X射线衍射测定原子坐标，我们可以得到分子的结构，获得键长、键角等反映结构特点的重要数据。单键、双键、三键等价键模型的完善，杂化轨道、分子轨道等理论模型的建立，都离不开这些结构参数的支持。物质的宏观性质、微观结构以及关于结构的理论模型三者有效互动，共同推动了人们对物质结构的认识不断走向深入。

项目成果展示

题组小练

以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置，称作原子分数坐标。CsSiB3O7属正交晶系(长方体形)。晶胞参数为a pm、b pm、c pm。下图为沿y轴投影的晶胞中所有Cs原子的分布图和原子分数坐标。据此推断该晶胞中Cs原子的数目为________。CsSiB3O7的摩尔质量为M g·mol－1，设NA为阿伏加德罗常数的值，则CsSiB3O7晶体的密度为________ g·cm－3(用代数式表示)。

答案　4　×1030

解析　原子分数坐标为(0.5,0.2,0.5)的Cs原子位于晶胞体内，原子分数坐标为(0,0.3,0.5)及(1.0,0.3,0.5)的Cs原子位于晶胞的yz面上，原子分数坐标为(0.5,0.8,1.0)及(0.5,0.8,0)的Cs原子位于晶胞xy面上，原子分数为(0,0.7,1.0)(1.0,0.7,1.0)(0,0.7,0)(1.0,0.7,0)的Cs原子位于晶胞平行于y轴的棱上，利用均摊法可计算该晶胞中共含有Cs原子4个，代入晶胞密度求算公式可得：ρ＝＝＝×1030 g·cm－3。

课时作业

一、选择题(本题共8小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．研究有机物一般经过以下几个基本步骤：分离、提纯→确定实验式→确定分子式→确定结构式，以下用于研究有机物的方法错误的是(　　)

A．蒸馏常用于分离提纯液态有机混合物

B．燃烧法是研究确定有机物成分的有效方法之一

C．核磁共振氢谱通常用于分析有机物的相对分子质量

D．对有机物分子红外光谱图的研究有助于确定有机物分子中的官能团

答案　C

解析　通常用于分析有机物的相对分子质量的是质谱法。

2．化合物A的相对分子质量为136，分子式为C8H8O2。A分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，其红外光谱和核磁共振氢谱如图所示。下列关于化合物A的说法中不正确的是(　　)

A．化合物A属于酯类化合物，在一定条件下能发生水解反应

B．化合物A在一定条件下可与3 mol H2发生加成反应

C．符合题中化合物A分子结构特征的有机物有1种

D．与化合物A含有相同官能团的同分异构体只有2种

答案　D

解析　苯环上只有一个取代基，则苯环上有三种氢原子，苯基(C6H5—)的相对分子质量是77，则取代基的相对分子质量是59，对照核磁共振氢谱可知，取代基上的氢原子是等效的，对照红外光谱可判断，A的结构简式是，故A、B、C均正确。与A含有相同官能团的同分异构体有、、、、，共5种，故D错误。

3．质谱法能够对有机分子进行结构分析。其方法是让极少量的(10－9 g)化合物通过质谱仪的离子化室，样品分子大量离子化，少量分子碎裂成更小的离子。如C2H6离子化可得到C2H、C2H、C2H……然后测定其质荷比。其有机物样品的质荷比如图所示(假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子的多少有关)，则该有机物可能是(　　)

A．甲醇(CH3OH)  B．甲烷

C．丙烷  D．乙烯

答案　B

解析　质谱中最大的离子质量通常就是相对分子质量。

4．将甲、乙两种有机混合物在常温常压下分离，已知它们的物理性质如下：

则应采用的分离方法是(　　)

A．分液  B．蒸馏 

C．干馏  D．萃取

答案　B

解析　由表中数据可知，甲、乙互溶，能溶于水，且沸点相差较大，故应用蒸馏法分离。

5．下列说法正确的是(　　)

A．蒸馏和干馏都是物理变化

B．重结晶是提纯固态有机物的常用方法，被提纯的有机物在所选溶剂中的溶解度受温度的影响较大

C．分离和提纯都只用物质的物理性质，不需要利用物质的化学性质

D．萃取操作静置分层后，打开分液漏斗活塞，依次将下层液体和上层液体分别放出

答案　B

解析　A项，干馏是化学变化，错误；C项，分离和提纯优先考虑物理性质，但若难以达到目的，可以利用化学性质，错误；D项，分液漏斗中下层液体从下口放出，上层液体从上口倒出，错误。

6．将CH3CHO(易溶于水，沸点为20.8 ℃的液体)和CH3COOH分离的正确方法是(　　)

A．加热蒸馏

B．加入Na2CO3后，通过萃取的方法分离

C．先加入烧碱溶液之后蒸出乙醛，再加入浓硫酸，蒸出乙酸

D．和Na反应后进行分离

答案　C

解析　A项，均易挥发，不能直接蒸馏；B项，乙酸与Na2CO3反应，与乙醛混溶，不能萃取分离；C项，CH3COOH与NaOH反应生成CH3COONa，增大与CH3CHO沸点差异，先蒸馏出乙醛，再加浓硫酸，与CH3COONa反应生成CH3COOH，再蒸馏出乙酸；D项，CH3COOH与Na反应生成CH3COONa，不能再转化为CH3COOH。综上所述，选C。

7．为测定某有机物的结构，用核磁共振仪处理后得到如图所示的核磁共振氢谱，则该有机物可能是(　　)

A．C2H5OH  B．

C．CH3CH2CH2COOH  D．

答案　A

解析　由图可知，该有机物有3种氢，A项，C2H5OH 3种；B项，2种；C项，CH3CH2CH2COOH 4种；D项，2种，故选A。

8．下列化合物的核磁共振氢谱图中吸收峰数目正确的是(　　)

答案　D

解析　核磁共振氢谱图吸收峰数目即氢原子的种数。A为2个，B为3个，C为4个，D为1个，故选D。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

9．下列说法错误的是(　　)

A．蒸馏时应调整温度计的水银球于蒸馏烧瓶支管口附近

B．提纯液体混合物常用重结晶法

C．萃取是利用溶质在两种互不相溶的溶剂中溶解度的不同，使溶质从一种溶剂内转移到另一种溶剂内的操作

D．常用红外光谱法进行有机物相对分子质量的测定

答案　BD

解析　提纯液体混合物常用蒸馏法或萃取法，B错误；用质谱法测定有机物的相对分子质量，红外光谱法用来测量官能团或化学键种类，D错误。

10．下列物质的核磁共振氢谱图中，有5个吸收峰的是(　　)

答案　B

解析　A中三个甲基相同，共有2种不同类型的氢原子；B中苯环上有3种不同类型氢原子，共有5种不同类型的氢原子；C、D中均有4种氢原子。

11．二甲醚(CH3—O—CH3)和乙醇是同分异构体，其鉴别可采用化学方法及物理方法，下列方法中不能对两者进行鉴别的是(　　)

A．利用金属钠或者金属钾

B．利用元素分析仪

C．利用红外光谱法

D．利用核磁共振氢谱

答案　B

解析　A项，乙醇可以和金属钠或者金属钾反应放出H2，二甲醚不可以，可以鉴别，正确；B项，两者所含元素相同，无法用元素分析仪鉴别，错误；C项，红外光谱可得到分子中官能团的信息，二甲醚(CH3—O—CH3)和乙醇的官能团不同，可以鉴别，正确；D项，核磁共振氢谱用来测定氢原子的种类，在二甲醚中有一种H，在乙醇中有3种H，核磁共振氢谱不同，可以鉴别，正确。

12．已知某有机物A的核磁共振氢谱如图所示，下列说法中错误的是(　　)

A．若A的分子式为C3H6O2，则其结构简式为CH3COOCH3

B．由核磁共振氢谱可知，该有机物分子中有3种不同化学环境的氢原子，且个数之比为1∶2∶3

C．仅由其核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数

D．若A的分子式为C3H6O2，则其同分异构体有2种

答案　AD

解析　由核磁共振氢谱可知，其分子中含有3种不同化学环境的氢原子，峰的面积之比等于其原子个数之比为1∶2∶3，但不能确定具体个数，故B、C正确；由A的分子式C3H6O2可知，其同分异构体至少有3种：CH3CH2COOH、HCOOCH2CH3、，故A、D错误。

三、非选择题(本题共3小题)

13．KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料，具有钙钛矿型的立方结构，边长为a＝0.446 nm，晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置，如图所示。K与O间的最短距离为________nm，与K紧邻的O的个数为________。

答案　0.315　12

解析　分析KIO3晶胞结构可知，K与O间的最短距离是晶胞面对角线的，即为(×0.446) nm≈0.315 nm。与K原子紧邻的O的个数为12。

14．MgO具有NaCl型结构(如图)，其中阴离子采用面心立方最密堆积方式，X射线衍射实验测得MgO的晶胞参数为a＝0.420 nm，则r(O2－)为________ nm。MnO也属于NaCl型结构，晶胞参数为a′＝0.448 nm，则r(Mn2＋)为________ nm。

答案　0.148　0.076

解析　因为O2－采用面心立方最密堆积方式，晶胞面对角线是O2－半径的4倍，即4r(O2－)＝a，解得r(O2－)＝(×0.420) nm≈0.148 nm；MnO也属于NaCl型结构，在每一个小晶胞(大晶胞的)中阴、阳离子的半径之和等于小晶胞的棱长( nm)，故Mn2＋半径为0.224 nm－0.148 nm≈0.076 nm。

15．碳的另一种单质C60可以与钾形成低温超导化合物，晶体结构如图所示。K位于立方体的棱上和立方体的内部，此化合物的化学式为____________；其晶胞参数为1.4 nm，晶体密度为________ g·cm－3(结果保留两位小数)。

答案　K3C60　2.03

解析　K位于立方体的棱上和立方体的内部，则1个晶胞含有K的个数为12×＋9＝12，C60位于立方体的顶点和面心，含有C60个数为8×＋6×＝4，此化合物的化学式为K3C60；1 mol晶胞的质量为(4×837) g，其体积为[(1.4×10－7)3×NA] cm3，根据晶体密度等于质量除以体积，故密度为

≈2.03 g·cm－3。