1.2 物质结构研究的范式与方法(Word教参)-【优化指导】2025-2026学年高中化学选择性必修第二册（苏教版2019）

第二单元　物质结构研究的范式与方法 课程标准 核心素养目标 　　1.认识物质结构研究的两种范式及其相互关系。 2．能举例说明科学假设和论证、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、建立相关理论作出的重要贡献。 　　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：归纳范式、演绎范式。 2．归纳范式的过程为“从个别到一般”。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。 3．演绎范式的过程为“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。 二、物质结构研究的方法 1．常用的化学研究方法有科学假设和论证、实验和模型建构等方法。 2．构成物质的微粒和物质的微观结构难以直接观测，可以运用实验、模型等方法，通过分析、观察、推理，借助科学假说和论证。 3．科学研究问题的第一步是观察，在观察的基础上，科学家提出假设，即根据已有知识，对所研究的事物或现象作出初步的解释。 4．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。 5．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。 ◆拓展延伸 1．归纳法与演绎法有很大的区别，这是由它们的特点决定的： (1)归纳是从认识个别的、特殊的事物推出一般的原理和普遍的事物；而演绎则由一般到个别。演绎法和归纳法在认识发展过程方面，方向是正好相反的。 (2)归纳(指不完全归纳)是一种或然性的推理；而演绎则是一种必然性推理，其结论的正确性取决于前提是否正确，以及推理形式是否符合逻辑规则。 2．归纳法和演绎法在应用上并不矛盾，有些问题可采用前者，有些则采用后者。而更多情况，将两者结合着应用，则能收到更好的效果。 ◆图示概念 [对应学生用书P8] 探究一__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，用小刀就可毫不费力地切开，你知道这种金属是什么吗？它就是铯。 材料二　许多化学家试图从氢氟酸中提取出单质氟，但都因在实验中吸入过量氟化氢气体而死亡，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年制得了单质氟，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。 [问题设计] (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六周期ⅠA族。铯很活泼，遇水立即燃烧、爆炸，保存时要密闭干燥。 (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元素周期表的右上角，是氟(F)。 (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能发现什么？ 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。 (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，由于第二、三周期没有过渡元素，所以同周期ⅡA族与ⅢA族原子序数相差1；第四、五周期有10种过渡元素，所以同周期ⅡA族与ⅢA族原子序数相差11；第六、七周期有24种过渡元素，所以同周期ⅡA族与ⅢA族原子序数相差25。 (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。厘清原子序数与元素位置的“序数差值”规律。 提示：①若为ⅠA族、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．物质结构研究的范式 2．归纳与演绎的关系 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。 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。 3．归纳与演绎法举例 (1)归纳法应用实例 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 总结出饱和烷烃的链状结构，其通式为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的原因 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 (2)演绎法应用实例 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”(钪)，“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 CH3CH2OH、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” 【例1】 利用归纳范式得通式。 (1)下图为一种无限长单链状结构的多硼酸根，其化学式为________________(用n表示)。 (2)分析下表中各项的排布规律，按此规律排布第26项应为________。 1 2 3 4 5 C2H4 C2H6 C2H6O C2H4O2 C3H6 6 7 8 9 10 C3H8 C3H8O C3H6O2 C4H8 C4H10 答案：(1)[BO2] (2)C8H18 解析：把它分为4循环，循环顺序为CnH2n、CnH2n＋2、CnH2n＋2O、CnH2nO2，26＝4×6＋2，也就是说第24项为C7H14O2，接着后面就是第25项为C8H16，第26项为C8H18。 1．既可以和酸反应生成盐和水，又可以和碱反应生成盐和水的氧化物称为两性氧化物。TeO2是两性氧化物，试写出TeO2分别和稀硫酸、NaOH溶液反应的离子方程式：________________________________________________________________________。 答案：TeO2＋4H＋===Te4+＋2H2O、TeO2＋2OH－===TeO＋H2O 探究二__物质结构研究的方法 材料一　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相对分子质量为78，分子式为C6H6。 材料二　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。后来因梦产生灵感，凯库勒提出了两点假设。 [问题设计] (1)凯库勒在1865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。 (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。 (3)苯的一取代物有几种？为何？ 提示：苯中的6个碳原子和氢原子位置等同，苯的一取代物只有一种。 1．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，像科学假设和论证、实验方法、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。 2．科学假设和论证 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。通过实验进行验证，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。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。 3．实验方法 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。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。 4．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。模型研究对科学探索物质的微观结构具有非常重要的意义。 【例2】 下列有关物质结构研究的范式的说法正确的是 (　　) 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 B　解析：由乙烯的性质推断丙烯的性质是“一般到个别”，是演绎范式，A错误；假说具有一般性，可能是科学的，C错误；归纳的结果不一定是正确的，有时需要验证，D错误。 2．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。下列关于假说的表述正确的是 (　　) 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：B [对应学生用书P11] 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．丁达尔效应可用于区别溶液与胶体，云、雾均能产生丁达尔效应 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　解析：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正确；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正确；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；注意催化剂具有选择性，D正确。 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 (　　) 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　解析：同主族金属元素由上至下金属性逐渐增强，与水反应剧烈程度逐渐增强，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，ⅣA族元素并不都是半导体材料，B错误；同主族非金属元素由上至下非金属性逐渐减弱，气态氢化物的热稳定性逐渐减弱，C正确；同周期非金属元素从左到右非金属性逐渐增强，与氢气化合难度逐渐减弱，D正确。 3．下列说法正确的是 (　　) 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　解析：通式为CnH2n＋2(n≥1)的有机物一定属于烷烃，A正确；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；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；通式为CnH2n＋2O(n≥2)的有机物不一定属于醇，也可能是醚，D错误。 4．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　解析：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，B正确。 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　解析：假说法根据已有知识，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，题目未提出推测性说明，①错误；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，②正确；没有分门别类地对物质及其变化进行研究，③错误；金属钠和铁分别放在表面皿中，采取对比方法来研究它们在空气中的稳定性，④正确。所以采取的方法为实验法、比较法，②④正确，D正确。 [课时梯级训练(2)P108] 学科网（北京）股份有限公司 $$