1.3 物质结构研究的意义(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）

第三单元　物质结构研究的意义 课程标准 核心素养目标 　　1.知道物质结构的研究有助于发现具有预期性质的新物质，以及为设计与合成这些新物质提供理论基础。 2．了解生命科学中许多重大问题的解决均需要物质结构理论与分析测试技术的支持。 3．能认识到化学已经发展成为实验和理论并重的学科，能欣赏物质结构的研究及其理论发展对化学学科发展的贡献。 　　感受物质结构的研究对推动人类文明作出的巨大贡献；建立“物质结构的探索无止境”的观念，形成探索未知、崇尚真理的意识。 [对应学生用书P12] 一、促进了化学科学的发展 二、物质结构的探索无止境 1．为了人类社会的可持续发展，化学家们非常期望解决的问题很多，例如： (1)在充分了解光合作用、固氮作用机理和催化理论的基础上，实现农业的工业化，在工厂中生产粮食和蛋白质。 (2)建立零排放的、原子经济性的化工企业，倡导“绿色化学”。 (3)在了解酶催化作用机理的基础上，模拟天然酶制造人工催化剂。实现在最温和条件下进行化学反应，控制反应的方向和产物的手性。 2．量子力学在物质转化、物质制备等研究领域中具有指导作用。为此，化学家们需要回答更多的问题，需要发展量子力学，需要建立精确有效而又普遍适用的化学反应的量子力学理论。 3．随着化学反应的量子力学理论的建立和相关技术的进一步发展，人类将进入一个崭新的世界。 4．研究生命现象的化学机理对促进人类健康的重要作用 (1)化学键理论为现代分子生物学的建立奠定了基础。 (2)探寻人类和生物的生命运动的化学机理是21世纪化学科学亟待解决的重大课题之一。 研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，人们就能进行药物设计，有助于合成高效无毒副作用的药物；合成具有生物活性的分子，可以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”的目标能得以实现。 5．手性分子的研究 (1)手性药物：含有手性分子的药物称为手性药物。生物体内的大分子大多具有手性。人体里的氨基酸都是左旋的，只有用左旋的氨基酸才能合成蛋白质。 (2)手性催化剂与手性合成。 6．物质研究的方法有助于探索物质世界的奥秘 化学创立了研究物质结构的理论、研究方法和实验手段，初步揭示了物质的结构与性质之间的关系和规律，为设计具有各种特殊功能的新药物提供了有效的方法和手段。 ◆名师点拨 20世纪20年代中期提出的原子结构的量子力学模型，是现代物质结构学说。包含原子轨道理论，4个量子数：电子层、能级、原子轨道、自旋。 ◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”) (1)目前，人们能够合成自然界中不存在的物质，人们不能制造出自然界中不存在的元素。 (　　×　　) (2)元素周期律是1869年俄国化学家门捷列夫发现的。 (　　√　　) (3)化学键理论不属于物质结构的探索内容。 (　　×　　) (4)研究物质结构理论有利于寻找性能优异的材料。 (　　√　　) [对应学生用书P13] 探究一__物质结构研究促进了化学科学的发展 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。 [问题设计] (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： 测定方法 获得的分子组成和结构的信息 质谱仪 相对分子质量为282.33 元素分析 确定分子式为C15H22O5 化学反应测定方法 含有过氧基团的倍半萜内酯结构 红外光谱 确认含有酯基和过氧基团 核磁共振谱图 甲基、带有酯基的六元环、过氧基团 (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。 (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。 (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 3．化学科学的发展离不开对物质结构的探索和研究。 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，通过化学合成和分离手段得到的新物质的数量急剧增加，充分说明化学合成技术的巨大成就。 5．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1】 电影《厉害了，我的国》通过镜头将我国在改革开放和社会主义现代化建设上所取得的历史性成就，进行了全方位、多层次的展现。下列说法错误的是 (　　) A．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 B．“神舟十一号”宇宙飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分是硅酸盐 C．DF-5弹道导弹是国之利器，其含有金属钐(Sm)，钐的活动性介于钠与铝之间，工业上可通过电解法制备钐 D．中国天眼为我国探索宇宙提供了有力的保障，其中的防腐蚀材料磷酸钡属于强电解质 B　解析：聚甲基丙烯酸甲酯属于有机高分子，A正确；高温结构陶瓷包括高温氧化物和高温非氧化物(或称难熔化合物)两大类，如氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等，不是硅酸盐，B错误；钠与铝在工业上可通过电解法制备，则钐也可以通过电解法制备，C正确；磷酸钡是钡盐，属于强电解质，D正确。 1．据报道我国科学家最近研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料，其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成的。下列叙述不正确的是 (　　) A．它耐高温抗氧化 B．它比钢铁轻、硬，但质地较脆 C．它没有固定熔点 D．它是一种新型无机非金属材料 B　解析：由该材料主要成分的性质可知其应具有耐高温抗氧化的性能，A正确；题中给出信息“连续纤维增韧”航空材料，则说明该材料具有良好的韧性，B错误；该材料由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成，属于混合物，没有固定的熔、沸点，C正确；该材料由无机物复合而成，应为新型无机非金属材料，D正确。 探究二__物质结构的探索无止境 探寻人类和其他特征生命运动的化学机理，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。 [问题设计] 阅读教材P16页内容，总结哪些研究需要物质结构理论与分析测试技术的支持？ 提示： 这些研究都需要物质结构理论与分析测试技术的支持。 1．物质结构将探寻人类和其他生物生命运动的化学机理。 2．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。 3．物质结构对于保护生态环境、实现社会的可持续发展亦具有重大意义。 4．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。 6．创立了研究物质结构的理论、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。 【例2】 下列有关化学科学的形成与发展的认识及事实不正确的是 (　　) A．化学科学的发展可借助紫外光谱、核磁共振、红外光谱等手段 B．现代化学的发展可带动相关科学的进一步发展 C．屠呦呦因发现青蒿素而获得了诺贝尔奖 D．我国科学家人工合成的牛胰岛素是世界上首次人工合成的核糖核酸 D　解析：我国科学家人工合成的牛胰岛素是世界上首次人工合成的、具有生理活性的蛋白质，不是核糖核酸，D错误。 2．化学是一门在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科。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　解析：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，A正确；制陶、冶金及酿酒过程中，都有新物质生成，属于化学变化，B正确；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，C错误；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，D正确。 [对应学生用书P16]　　　　　　　　　　　　　 1．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　解析：合成氨技术，有新物质生成，属于化学学科研究领域，A错误；元素周期律属于化学学科研究领域，B错误；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，C正确；居里夫人发现镭，属于化学学科研究领域，D错误。 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　解析：MERS病毒疫苗的研制，是物质的制备，属于化学研究范畴，A不符合题意；出现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不符合题意；化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，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符合题意；钢铁厂冶炼特种钢属于物质的制备，属于化学研究范畴，D不符合题意。 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　解析：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错误；药物与生理学或医学奖更加密切，B错误；化学是自然科学的一种，是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科；创造新物质的科学，研究符合化学学科特点，C正确；细胞属于生物学范畴，D错误。 4．为中国近代化学发展作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　解析：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作出了突出贡献。 5．化学是一门从分子、原子或离子等层次上来研究物质的组成、结构、性质、相互变化以及变化过程中能量关系的自然学科。关于化学研究的意义，下列说法正确的是 (　　) ①保证人类的生存：诸如在解决人类粮食、能源、合理使用自然资源以及保护环境方面所作的努力和贡献；②提高人类的生活质量：诸如合成新的材料，物质的净化和纯化等，均使人类衣、食、住、行的条件有大幅度的改善和提高；③延长人类的寿命：诸如探明生命过程中的化学奥秘，合成新的药物等 A．只有①② B．只有①③ C．只有②③ D．①②③ 答案：D 6．中国科学家在合成氨(　ΔH<0)反应机理研究中取得新进展，首次报道了LiH-3d过渡金属这一复合催化剂体系，并提出了“氮转移”催化机理。如图所示，下列说法不正确的是 (　　) A．转化过程中有非极性键断裂与形成 B．复合催化剂降低了反应的活化能 C．复合催化剂能降低合成氨反应的焓变 D．低温下合成氨，能提高原料转化率 C　解析：合成氨为可逆反应，氮气和氢气在反应过程中有消耗和生成，故转化过程中有非极性键断裂与形成，A正确；催化剂能降低反应的活化能，加快反应速率，B正确；催化剂不能改变反应的焓变，焓变只与反应物和生成物总能量的相对大小有关系，C错误；合成氨的正反应为放热反应，降低温度，平衡向正向移动，能提高原料转化率，D正确。 物质结构研究的意义 学科网（北京）股份有限公司 $$