1.1 物质结构研究的内容-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修2 （苏教版2019，闽苏桂蒙陕冀）

第一单元　物质结构研究的内容 [核心素养发展目标]　1.能结合已有的知识描述常见物质的微观结构，分析物质结构与其性质之间的关系。2.能从物质的微观结构出发解释或预测物质的宏观性质。3.认识物质结构研究对化学科学发展的重要意义。 一、认识物质的特征结构 1．从原子结构认识化学反应 (1)元素性质周期性变化的主要原因是元素原子最外层电子排布的周期性。 (2)人们通过深入研究原子的结构，特别是最外电子层上发生的变化，以此判断元素的性质。如钠原子在化学反应中容易失去最外电子层上的1个电子，形成Na＋，钠元素表现出强的金属性；氯原子在化学反应中倾向于获得1个电子，形成Cl－，氯元素表现出强的非金属性，Na＋和Cl－再通过静电作用力形成氯化钠晶体。 2．从化学键认识化学反应 研究物质之间的化学反应，其本质就是研究从一种结构(反应物)如何转变为另一种新的结构(生成物)，这就需要对反应物、生成物的特征结构进行针对性的研究，考察反应物中什么原子或原子团上的化学键容易发生断裂，继而在什么位置上生成新的化学键。 (1)乙醇氧化为乙醛——氧化反应 ―→＋2H＋＋2e－ 上述反应中，乙醇分子中—OH失去1个H，与—OH相连的C上也失去1个H，形成新的C==O双键，乙醇转化成乙醛分子，这个过程也被称为氧化(去氢)反应。 (2)固氮研究中反应条件的选择 氮分子含有氮氮三键，在通常条件下很稳定，难以参加化学反应。所以固氮时需要改变反应条件，氮气在高温、高压、催化剂的条件下，能与氢气化合生成NH3，反应的化学方程式是N2＋3H22NH3。 (1)物质的结构仅包括构成物质的微粒间的相互作用和分子的结构( × ) (2)物质随着人们的认识或研究的发展，经常发生一些小的变化( √ ) (3)物质有宏观和微观两个方面的认识，从宏观上说物质是由元素组成的，从微观上说物质是由分子构成的( × ) (4)原子失去电子数越多，金属性越强，得电子数越多，非金属性越强( × ) 1．假设你是一位化学科研工作者，在研究物质的特征结构时需要思考哪些问题？ 提示　同一元素或不同种元素的原子之间为什么能彼此结合？为什么物质中直接相邻原子之间的化学键类型不同？为什么原子、分子或离子可以构成不同的晶体？晶体中的微粒间是通过怎样的相互作用结合的？为什么分子具有一定的空间构型？为什么有机化合物有同分异构体现象？为什么有些元素能形成几种同素异形体？等等。 2．为什么O2比N2活泼？ 提示　氧气比氮气活泼可从原子结构和分子结构两方面找原因，以分子结构因素为主。N2分子以共价三键结合，比O2分子的键能大得多。N2分子化学键不易断裂，性质稳定，O2分子化学键较易断裂，一旦断裂，O原子又比N原子易得电子，所以氧气比氮气更活泼。 3．写出过氧化氢的电子式和结构式，指出其分子中存在的化学键，试从氧元素化合价的角度解释过氧化氢具有强氧化性的原因。 提示　，H—O—O—H。过氧化氢分子中存在两个O—H键和一个O—O键。分子中氧的化合价为－1价，容易得一个电子形成稳定的－2价氧原子，因而过氧化氢具有强氧化性。 1．如图形象地表示了氯化钠的形成过程。下列相关叙述不正确的是(　　) A．钠原子易失去一个电子，氯原子易得到一个电子 B．钠离子与钠原子有相似的化学性质 C．钠原子与氯原子作用生成NaCl后，其稳定性增强 D．氯化钠是离子化合物 答案　B 解析　钠原子最外层只有1个电子，当它失去1个电子后形成的Na＋具有最外层8个电子的稳定结构，氯原子最外层有7个电子，当它得到1个电子后形成的Cl－具有最外层8个电子的稳定结构，Na＋和Cl－通过静电作用力形成离子化合物NaCl。 2．从化学键的角度看化学变化的实质是“旧化学键的断裂，新化学键的形成”。下列变化中既有旧化学键断裂，又有新化学键形成的是(　　) A．碘升华 B．酒精溶于水 C．氢氧化钠晶体受热熔化 D．一定条件下O3转化为O2 答案　D 解析　碘升华，酒精溶于水，均属于物理变化，没有化学键断裂和形成，故不选A、B；氢氧化钠晶体受热熔化，属于物理变化，氢氧化钠电离为自由移动的钠离子和氢氧根离子，有离子键断裂，没有化学键形成，故不选C；O3转化成O2是化学变化，既有旧化学键断裂，又有新化学键形成，故选D。 二、揭示物质结构与性质的关系 物质的结构决定物质的性质，物质的性质反映物质的结构。 1．同素异形体 (1)概念：由同一种元素形成的不同单质。 (2)性质：同素异形体的物理性质不同，化学性质相似。同素异形体性质不同的原因是组成它们的结构的微粒排列方式不同。 2．磷的两种同素异形体——白磷和红磷 白磷晶体是由白磷分子组成的分子晶体，分子结构为，呈正四面体结构，键角为60°，因其中的P—P键弯曲而具有较大的张力，其键能较小，易断裂，所以白磷在常温、常压下有很高的反应活性。而红磷呈链状结构，比较稳定，室温下不与氧气反应。 3．碳的五种同素异形体 (1)金刚石 碳原子间结合牢固。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质，可用于切割金属、玻璃。 (2)木炭 碳原子不规则结合，又称无定型碳。 (3)富勒烯结构 碳原子结合形状呈中空足球状，其中空部分可以填入其他原子或分子。 (4)碳纳米管结构 中空管状的富勒烯又称碳纳米管，它强度高、弹性佳，应用前景广泛。 (5)石墨 同一层上的碳原子之间形成六边形网状结构并层层重叠，层与层之间引力微弱，可以滑动，常用作润滑剂。 1．为什么分子组成都是C2H6O的乙醇和二甲醚在性质上差异很大？例如，乙醇能与金属钠反应放出氢气而二甲醚却不能，乙醇易溶于水而二甲醚却不溶于水。 提示　乙醇的结构式为，二甲醚的结构式为，由于组成乙醇、二甲醚的微粒的排列方式不同，造成它们的性质差异很大；在乙醇中含有—OH，所以能和Na反应放出H2，—OH能和H2O之间形成氢键，所以乙醇易溶于水。 2．许多磷的化合物的结构与P4的正四面体有关，如白磷在空气中燃烧，生成的产物之一是P4O6。试从结构上对该反应进行解释。 提示　白磷的正四面体结构为，其中因P—P键弯曲而具有较大的张力，其键能较小，易断裂，，每个P—P键之间插入1个O原子，所以生成物之一为P4O6。 1．下列说法正确的是 (　　) A．红磷转化为白磷，属于物理变化 B．石墨导电，金刚石不导电，故二者不是同素异形体 C．氧气和臭氧的分子式不同，性质相同 D．硫有S2、S4、S6等单质，它们都是硫的同素异形体 答案　D 2．下列说法正确的是(　　) A．通常情况下，氮气的性质不活泼是因为氮元素的非金属性很弱 B．1H216O和2H218O表示不同的水分子 C．红磷因P—P键弯曲具有较大的张力，所以有很高的反应活性 D．水很稳定(1 000 ℃以上才会部分分解)是因为水分子间存在大量的氢键 答案　B 解析　通常情况下，氮气的性质不活泼是因为氮气分子中含有N≡N键，很稳定，故A错误；白磷因P—P键弯曲具有较大的张力，易断裂，所以有很高的反应活性，故C错误；水很稳定是因为水中含有的H—O键非常稳定，与水分子间存在氢键无关，故D错误。 3．科学家已成功合成了少量O4，理论计算表明可能以亚稳态存在的O4分子有两种不同的结构：一种是变形的正方形，另一种的形状像风车，三个氧原子排列在中心氧原子周围，形成平面正三角形结构。O4具有较强的氧化性。下列有关O4的说法正确的是(　　) A．O4与O3、O2互为同分异构体 B．O4比O2活泼的根本原因是O4中的化学键比O2中的易断裂 C．相同质量的O4与O3所含原子个数比为4∶3 D．O4的两种结构互为同分异构体 答案　B 解析　O4是一种新的氧分子，故与O3、O2互为同素异形体，A项错误；O2能在自然界稳定存在，化学性质较稳定，故O2中的化学键不如O4中的化学键更容易断裂，B项正确；相同质量时，O4与O3中所含氧原子个数比为1∶1，C项错误；两者均为单质，不互为同分异构体，D项错误。 同素异形体等“四同”的比较和辨别 同位素 同素异形体 同系物 同分异 构体 定义 质子数相同，中子数不同的原子(核素) 由同一种元素组成的不同单质 结构相似，分子组成相差1个或若干个“CH2”原子团的有机化合物 分子式相同，结构不同的化合物 对象 原子 单质 化合物 化合物 表示其组成的化学用语 核素符号不同 一般用该非金属元素的元素符号表示其单质，有确切分子式的用分子式来表示。例：金刚石和石墨都可以用C表示，氧气和臭氧分别用O2和O3来表示 分子式不同 分子式相同 结构 电子层结构相同 单质的组成或结构不同 相似 不同 性质 物理性质不同，化学性质几乎相同 物理性质不同，化学性质相似 物理性质不同，化学性质相似 物理性质不同，化学性质不一定相同 题组一　物质的特征结构 1．下列说法正确的是(　　) A．原子是不可再分的 B．原子中肯定含有中子 C．原子由原子核和核外电子构成，原子核又可以分为质子和中子，然后不能再分 D．随着科学的发展，人们发现原子组成中还存在更小的微粒，如夸克 答案　D 2．原子的种类决定于原子的(　　) A．相对原子质量大小 B．核内质子数和中子数 C．最外层电子数 D．核电荷数 答案　B 3．下列有关稀土元素中Ce与Ce的说法正确的是(　　) A.Ce与Ce互为同位素 B.Ce与Ce的质量数相同 C.Ce与Ce是同一核素 D.Ce与Ce的核外电子数和中子数均为58 答案　A 4．13C-NMR(核磁共振)、15N-NMR可用于测定蛋白质、核酸等生物大分子的空间结构， Kurt Wuthrich等人为此获得了2002年诺贝尔化学奖。下面有关13C、15N叙述正确的是(　　) A．13C与15N有相同的中子数 B．13C与C60互为同素异形体 C．15N与14N互为同位素 D．15N的核外电子数与中子数相同 答案　C 解析　根据质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)，可得13C、15N的中子数分别为7、8；15N的核外电子数与中子数分别为7、8。 5．下列表达方式正确的是(　　) A．用电子式表示HCl的形成过程： B．质子数为17、中子数为20的氯原子：Cl C．HClO的结构式：H—O—Cl D．NH4Cl的电子式： 答案　C 解析　HCl为共价化合物，用电子式表示其形成过程：，故A错误；质子数为17、中子数为20的氯原子，其质量数为37，可表示为Cl，故B错误；HClO中O原子分别与H原子和Cl原子形成共价键，故其结构式为H—O—Cl，故C正确；NH4Cl是由NH和Cl－构成的离子化合物，其电子式为，故D错误。 题组二　物质结构与性质的关系 6．碳纳米管是一种纳米尺度的、具有完整分子结构的新型材料，它是由一层碳原子卷曲而成的无缝、中空的管体，具有质轻、可弯曲、强度好、弹性强的特点。下列关于碳纳米管的可能用途不正确的是(　　) A．用它可做成攀登月球的“太空天梯” B．能解决室温下，低气压、高容量储存氢气的难题 C．作为优秀的绝缘材料 D．制成电脑芯片可大大提升计算机系统的计算能力 答案　C 解析　碳纳米管由碳原子构成，能导电，不可作为绝缘材料。 7.科学家发现由磷原子构成的黑磷(黑磷的磷原子二维结构如图)是比石墨烯更好的新型二维半导体材料。下列说法正确的是(　　) A．黑磷属于化合物 B．黑磷导电属于化学变化 C．黑磷高温下在空气中可以稳定存在 D．黑磷与白磷互为同素异形体 答案　D 8．核磁共振(NMR)技术已广泛应用于复杂分子结构的测定和医学诊断等高科技领域。已知质子数或中子数为奇数的原子核才有NMR现象，而质子数和中子数均为偶数的原子不产生核磁共振，下列原子组一定能产生NMR现象的是(　　) A．18O、31P、119Sn B．27Al、19F、12C C．12C、32S、19F D．1H、13C、35Cl 答案　D 解析　A项，18O的质子数为8、中子数为10，不符合题意；B项，12C的质子数和中子数均为6，不符合题意；C项，12C的质子数、中子数均为6,32S的质子数和中子数均为16，不符合题意；D项，1H质子数为1,13C中子数为7,35Cl质子数为17，符合题意。 9．已知下列数据： 碳原子核间距离/10－10 m 断裂碳碳键所需能量/(kJ·mol－1) H3C—CH3 1.54 348 H2C==CH2 1.33 615 HC≡CH 1.20 812 下列事实可用上述数据解释的是(　　) A．乙烯的熔、沸点比乙烷的低 B．乙炔在水中的溶解度比乙烯的大 C．乙炔燃烧时有浓烟产生 D．乙烯、乙炔都易发生加成反应 答案　D 解析　乙烯、乙炔熔、沸点的高低取决于分子间作用力的大小，与键能、键长无关，故A错误；键长和键能与物质的溶解度无关，故B错误；是否产生浓烟与含碳量有关，与键长、键能无关，故C错误；乙烯和乙炔中的双键和三键并不是碳碳单键的加和，平均键能比碳碳单键的小，所以乙烯和乙炔易发生加成反应，故D正确。 10．(2023·苏州高二质检)下列说法正确的是(　　) A．H2O的沸点较高是因为水分子间存在较强的化学键 B．HCl气体溶于水后，共价键被破坏，形成了H＋和Cl－ C．H2S分子中所有原子最外电子层都具有8电子的稳定结构 D．NaOH和MgCl2所含化学键类型完全相同 答案　B 解析　水的沸点较高是因为水分子间存在氢键，氢键是分子间作用力，不属于化学键，A错误；氯化氢气体溶于水时，H—Cl共价键断裂，形成H＋和Cl－，B正确；H2S分子中H的最外电子层上有2个电子，不具有8电子稳定结构，C错误；NaOH含有离子键和共价键，MgCl2只含离子键，两者化学键类型不完全相同，D错误。 11．科学家根据自然界存在的N2制取N3，其后又陆续制取出N5、含N的化合物及N60，N极不稳定，需保存在－80 ℃的干冰中；N由于其极强的爆炸性，又称为“盐粒炸弹”；N60与C60结构相似，并在受热或机械撞击后，其中积蓄的巨大能量会在瞬间释放出来。分析上述材料，下列说法不正确的是(　　) A．N常温下会剧烈爆炸，体积急剧膨胀，放出大量的热 B．N60的发现开辟了能源世界的新天地，将来可能成为很好的火箭燃料 C．N2、N3、N5、N、N60互为同素异形体 D．含N的化合物中既有离子键又有共价键 答案　C 解析　N2、N3、N5、N60互为同素异形体，N不是单质，故C错误；N中氮原子之间以共价键结合，N与其他阴离子之间以离子键结合，故D正确。 12．NH3是一种重要的化工原料，在半导体光催化的作用下，N2分子被光催化材料捕获进而实现N2―→NH3的转化(过程如图)。下列说法错误的是(　　) A．N2在光催化材料表面断开了N≡N键 B．该反应中，N2被还原 C．该反应过程中有旧化学键断裂和新化学键形成 D．该反应的类型是化合反应 答案　D 解析　该反应中，N2转变为氨气，氮元素化合价从0降低到－3，被还原，B正确；该反应过程中N2、水参加反应，生成氨气、氧气，有旧化学键断裂和新化学键形成，C正确；由图知，反应中有氨气、氧气生成，则该反应的类型不可能是化合反应，D不正确。 13．下列有关物质性质、结构的表述均正确，且存在因果关系的是(　　) 选项 表述Ⅰ 表述Ⅱ A NaCl的水溶液能导电 NaCl溶于水后在电流的作用下产生自由移动动的Na＋、Cl－ B 通常条件下，CH4分子比PbH4分子稳定性高 Pb与C位于同一主族，Pb的非金属性弱于C，CH4比PbH4稳定 C 在形成化合物时，同一主族元素的化合价相同 同一主族元素原子的最外层电子数相同 D P4O10、C6H12O6溶于水后均不导电 P4O10、C6H12O6均属于共价化合物 答案　B 解析　A选项，NaCl的水溶液能导电，是其溶于水后电离出自由移动的离子，而不是在电流的作用下电离，表述Ⅱ错误；B选项，元素的非金属性越强，其简单氢化物越稳定，正确；C选项，元素形成化合物不一定都是最高价或最低价，同一种元素在不同条件下可以形成不同价态的化合物，表述Ⅰ错误；D选项，因P4O10溶于水时和水发生反应生成H3PO4，溶液导电，表述Ⅰ错误。 14．据报道，科研人员应用电子计算机模拟出了类似C60的物质N60。已知N60分子中每个氮原子之间均以氮氮共价键结合三个氮原子，所有的氮原子都具有最外层为8个电子的稳定结构。N—N键键能为167 kJ·mol－1，N==N键键能为418 kJ·mol－1，N≡N键键能为942 kJ·mol－1。 试回答： (1)根据键能和物质化学变化中的能量变化原理计算，1 mol N60全部分解为N2所吸收或放出的能量(热量)为________ kJ。 (2)根据(1)的计算结论推断，下列N60的用途正确的是________(填字母)。 A．可用作高能炸药 B．可用作高能燃料 答案　(1)13 230　(2)AB 解析　(1)1 mol N60分子含有90 mol N—N键，它分解生成30 mol N≡N键。1 mol N60分子中化学键断裂吸收的能量为90 mol×167 kJ·mol－1＝15 030 kJ，30 mol N2分子中化学键的形成放出的能量为30 mol×942 kJ·mol－1＝28 260 kJ。放出的总能量比吸收的总能量多13 230 kJ，化学反应是放热反应。 (2)由于N60的分解放出大量的热，因此N60可用作高能炸药和高能燃料。 15．科学家正在设法探寻“反物质”。所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电量，但电荷符号相反。 (1)若有α粒子(即氦离子)的反粒子，称为反α粒子，则该粒子的质量数为_________，电荷数为_________，反α粒子的符号可表示为_______________。 (2)近几年，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布，他们分别制出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步。试推测反氢原子的构造是________(填字母)。 A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成 B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成 C．由一个不带电荷的中子与一个带负电荷的电子构成 D．由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成 答案　(1)4　 －2　He2－　(2)B 解析　所谓“反物质”，它的原子核是由反质子和反中子构成的，反质子的质量数为1，带负电荷，反中子的质量数也为1，不带电；核外是反电子，质量可忽略不计，带正电荷。正常的氢原子是由一个质子和一个电子构成的，反氢原子则是由一个反质子和一个反电子构成的。 学科网（北京）股份有限公司 $$