1.3 物质结构研究的意义（专项训练）化学苏教版选择性必修2

第三单元 物质结构研究的意义 题型01 物质结构研究促进了化学学科的发展 题型02 对物质结构探索的认识 题型01 物质结构研究促进了化学学科的发展 1．1860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“_______________”。 2．俄国化学家门捷列夫把似乎互不相干的化学元素，按照_______________的变化联系起来，发现了自然界的重要规律——_______________，从而把_______________及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_______________的发现和应用。 3．19世纪中叶，碳原子的_______________、有机物中碳原子成键的_______________结构、有机化合物分子中____________等相继被发现，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。 4．从1 900年至今，通过_______________和_______________得到的新物质的数量急剧增加。 5．研究物质结构与性能关系，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新型材料开发、研制及应用。 【典例1】进入近代，化学科学体系逐渐形成。下列关于化学发展史的说法正确的是 人物 拉瓦锡 阿伏加德罗 门捷列夫 道尔顿 贡献 A．提出原子学说 B．提出元素的概念 C．发现元素周期律 D．提出分子学说 【典例2】化学与材料科学息息相关，从一定意义上讲，材料是科学技术的先导，没有新材料的发展，就不可能使新的科学技术成为生产力。下列有关材料的说法不正确的是(　　 ) A．材料是为人类社会所需要并能用于制造有用器物的物质 B．人类使用和制造材料有悠久的历史，制造出的第一种材料是陶 C．由于空气的剧烈摩擦，飞机尖端的温度较高，故航天飞机的保护层可以采用镁铝合金 D．高分子分离膜是具有传统高分子材料的机械性能，又具有特殊分离功能的功能高分子材料制成的薄膜 【变式1-1】研究物质结构，可以帮助人们开发新型材料。下列哪项不属于新型材料 A．信息材料 B．光导纤维 C．纳米材料 D．可降解高分子材料 【变式1-2】下列由事实得出的结论错误的是 A．维勒用无机物合成了尿素，突破了无机物与有机物的界限 B．门捷列夫在前人工作的基础上发现了元素周期律，表明科学研究既要继承又要创新 C．C60是英国和美国化学家共同发现的，体现了国际科技合作的重要性 D．科恩和波普尔因理论化学方面的贡献获诺贝尔化学奖，意味着化学已成为以理论研究为主的学科 【变式1-3】下列关于人类对原子结构的认识错误的是(　　) A.伦琴发现X射线,将人类对原子结构的认识引入了新的历程 B.道尔顿认为“不同元素化合时,这些元素的原子按简单整数比结合成化合物” C.汤姆生通过α粒子散射实验总结出原子结构行星模型 D.法国物理学家贝克勒尔发现了铀的放射性 【变式1-4】阅读下面一段资料，并回答问题。 2001年10月10日，瑞典皇家科学院宣布将本年度诺贝尔化学奖奖金的一半授予美国科学家诺尔斯(William S. Knowles)和日本科学家野依良治(Ryoji Noyori)，以表彰他们在“手性催化氢化反应”领域所作出的贡献；奖金另一半授予美国科学家夏普菜斯(K Barry Sharpless)，以表彰他在“手性催化氧化反应”领域所取得的成就。 过去想要合成手性化合物的某一个异构体是非常困难的。正是由于诺尔斯、野依良治和夏普莱斯三位有机化学家开创了不对称催化合成，使我们现在能够很方便地合成许多手性化合物的单个异构体。 1968年，诺尔斯应用手性催化剂催化烯烃的氢化反应，第一次实现了用少量手性催化剂控制氢化反应的对映异构体的选择性。经过不断改进，很快他就将这一反应的选择性提高，该反应从1974年起被用于生产治疗帕金森氏症的药物——左旋多巴。1980年，野依良治等发现了一类能够适用于各种双键化合物氢化的有效手性催化剂，现在这类手性催化剂已经被广泛地应用于手性药物及其中间体的合成。同年，夏普莱斯发现用钛和酒石酸二乙酯形成的手性催化剂可以有效地催化烯丙醇化合物的环氧化反应，选择性非常高。后来，他又发现了催化不对称烯双烃基化反应。 （1）为什么手性催化合成又称不对称催化合成 ？ （2）不对称催化合成有何重要意义 ？ 题型02 对物质结构探索的认识 1．探寻人类和其他生物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。 （1）20世纪经典生物学的最大突破是在_______________上探索生命现象的本质，这一过程离不开对物质结构的研究。 （2）研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理；合成具有生物活性的分子；了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理等都需要物质结构理论与分析测试技术的支持。 2．___________是结构化学最重要的理论基础，结构化学是___________最直接的实验基础和推动力量。 3．物质结构研究对于保护生态环境、实现社会的可持续发展具有重大意义。 4．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。 【典例3】化学与科研、生产、生活密切相关，下列有关说法不正确的是 A．“嫦娥6号”抓取的月壤中含有的氦-3，可表示为 B．“神舟十八号”返回舱使用了多种耐腐蚀、耐高温的复合材料 C．工业上用石英制太阳能电池，在高温下用铝热法炼铁制备钢材 D．同位素的应用已经遍及医学、工业、农业、能源和科学研究的各个领域 【典例4】化学是人类进步的关键。下列对化学的认识不正确的是 A．化学既是一门具有创造性的科学，又是一门具有实用性的科学 B．化学学科是研究有毒、有害物质，我们应该远离化学 C．现代化学还将在能源与资源、材料科学、环境科学、医药与健康等领域产生广泛的影响 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 【变式2-1】“飞秒()化学”使运用激光光谱技术观测化学反应时分子中原子的运动成为可能，你认为利用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 【变式2-2】建立普遍适用的化学反应的量子力学理论，可以帮助化学家解决一系列问题，其中不属于化学反应的量子力学研究的问题的是(　　 ) A．两个或多个分子之间能否发生化学反应 B．需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应 C．如何在理论指导下控制化学反应 D．在化学反应过程中，原子能否分割与重新组合 【变式2-3】2022年10月诺贝尔化学奖授予发展点击化学和生物正交化学的科学家，该研究倡导“简单而有用”的化学。下列说法不正确的是 A．化学是一门具有创造性和实用性的科学 B．化学科学与其他科学之间存在交叉和相互渗透 C．人们可以利用先进的技术和设备通过化学变化制造出新的原子和新的分子 D．化学家在微观层面上可操纵分子和原子，组装分子材料，创造出更为优异的新物质 【变式2-4】通过对物质结构与性质的研究，能够解决许多问题。在生命科学领域，下列不能通过研究结构与性质的关系加以解决的问题是(　　) A．酶的催化机理 B．手性生物分子与手性药物的作用机制 C．指甲的长短与手指的灵活性的关系 D．抗癌药物的设计与筛选 【变式2-5】原子结构模型的演变历史给我们的启迪是 A．道尔顿原子学说存在着缺陷或错误，因而没有积极的作用 B．科学发现是有止境的 C．原子结构属于客观事实，没有必要去揭示它 D．没有科学实验，就没有科学发现 【变式2-6】我国科学家利用蜡虫肠道菌群，将塑料降解时间从500年缩减到24小时，并用同位素示踪法证实了聚乙烯降解为CO2。下列有关该过程说法不正确的是 A．一定发生了氧化反应 B．只涉及碳碳键的断裂 C．同位素示踪法是从微观角度识别物质的变化 D．该研究成果有利于缓解塑料垃圾引起的环境问题 【变式2-7】近日中国科学院天津工业生物技术研究所团队，采用一种类似搭积木的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。合成过程如图所示：下列说法错误的是： A．合成过程中使用的酶素催化剂可有效提高单位时间的转化率 B．科学家研究物质性质过程中可能用到了观察、实验、分类、比较等方法 C．该合成过程为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供一种新思路 D．第1步反应方程式为；其中做还原剂 / 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 第三单元 物质结构研究的意义 题型01 物质结构研究促进了化学学科的发展 题型02 对物质结构探索的认识 题型01 物质结构研究促进了化学学科的发展 1．1860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”。 2．俄国化学家门捷列夫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。 3．19世纪中叶，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，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。 4．从1 900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。 5．研究物质结构与性能关系，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新型材料开发、研制及应用。 【典例1】进入近代，化学科学体系逐渐形成。下列关于化学发展史的说法正确的是 人物 拉瓦锡 阿伏加德罗 门捷列夫 道尔顿 贡献 A．提出原子学说 B．提出元素的概念 C．发现元素周期律 D．提出分子学说 【答案】C 【解析】A．拉瓦锡提出氧化学说，使近代化学取得了革命性进展，A错误； B．阿伏加德罗提出分子学说，系统地解决了在物质组成和原子量测定方面存在的混乱问题，B错误； C．门捷列夫发现元素周期律，使化学研究变得有规律可循，C正确； D．道尔顿1803年提出原子学说，D错误； 故选C。 【典例2】化学与材料科学息息相关，从一定意义上讲，材料是科学技术的先导，没有新材料的发展，就不可能使新的科学技术成为生产力。下列有关材料的说法不正确的是(　　 ) A．材料是为人类社会所需要并能用于制造有用器物的物质 B．人类使用和制造材料有悠久的历史，制造出的第一种材料是陶 C．由于空气的剧烈摩擦，飞机尖端的温度较高，故航天飞机的保护层可以采用镁铝合金 D．高分子分离膜是具有传统高分子材料的机械性能，又具有特殊分离功能的功能高分子材料制成的薄膜 【答案】C　 【解析】当航天飞机返回地球大气层时，由于空气的剧烈摩擦，飞机尖端的温度可达1 000 ℃以上，镁铝合金是热的传导体，会造成飞机烧毁，一般采用耐高温的绝热材料，如碳纤维等。 【变式1-1】研究物质结构，可以帮助人们开发新型材料。下列哪项不属于新型材料 A．信息材料 B．光导纤维 C．纳米材料 D．可降解高分子材料 【答案】B 【解析】A．信息材料是为实现信息探测、传输、存储、显示和处理等功能使用的材料，属于功能材料，是研究物质结构开发的新型材料，A不符合题意； B．光导纤维的主要成分是SiO2，不是研究物质结构开发的新型材料，B符合题意； C．纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料，是研究物质结构开发的新型材料，C不符合题意； D．可降解高分子材料是在一段时间内，在热力学和动力学意义上均可降解的材料，可分为光降解材料、生物降解材料等，是研究物质结构开发的新型材料，D不符合题意； 故选B。 【变式1-2】下列由事实得出的结论错误的是 A．维勒用无机物合成了尿素，突破了无机物与有机物的界限 B．门捷列夫在前人工作的基础上发现了元素周期律，表明科学研究既要继承又要创新 C．C60是英国和美国化学家共同发现的，体现了国际科技合作的重要性 D．科恩和波普尔因理论化学方面的贡献获诺贝尔化学奖，意味着化学已成为以理论研究为主的学科 【答案】D 【解析】A项，有机物一般指含碳元素的化合物，无机物一般指不含碳元素的物质，维勒用无机物合成了有机物尿素，突破了无机物与有机物的界限，A正确； B项，门捷列夫在前人工作的基础上发现了元素周期律并编制了元素周期表，表明科学研究既要继承又要创新，B正确； C项，C60是英国和美国化学家共同发现的，体现国际科技合作的重要性，C正确； D项，虽然科恩和波普尔因理论化学方面的贡献获诺贝尔化学奖，但化学仍是以实验为主的学科，D错误； 故答案选D。 【变式1-3】下列关于人类对原子结构的认识错误的是(　　) A.伦琴发现X射线,将人类对原子结构的认识引入了新的历程 B.道尔顿认为“不同元素化合时,这些元素的原子按简单整数比结合成化合物” C.汤姆生通过α粒子散射实验总结出原子结构行星模型 D.法国物理学家贝克勒尔发现了铀的放射性 【答案】C 【变式1-4】阅读下面一段资料，并回答问题。 2001年10月10日，瑞典皇家科学院宣布将本年度诺贝尔化学奖奖金的一半授予美国科学家诺尔斯(William S. Knowles)和日本科学家野依良治(Ryoji Noyori)，以表彰他们在“手性催化氢化反应”领域所作出的贡献；奖金另一半授予美国科学家夏普菜斯(K Barry Sharpless)，以表彰他在“手性催化氧化反应”领域所取得的成就。 过去想要合成手性化合物的某一个异构体是非常困难的。正是由于诺尔斯、野依良治和夏普莱斯三位有机化学家开创了不对称催化合成，使我们现在能够很方便地合成许多手性化合物的单个异构体。 1968年，诺尔斯应用手性催化剂催化烯烃的氢化反应，第一次实现了用少量手性催化剂控制氢化反应的对映异构体的选择性。经过不断改进，很快他就将这一反应的选择性提高，该反应从1974年起被用于生产治疗帕金森氏症的药物——左旋多巴。1980年，野依良治等发现了一类能够适用于各种双键化合物氢化的有效手性催化剂，现在这类手性催化剂已经被广泛地应用于手性药物及其中间体的合成。同年，夏普莱斯发现用钛和酒石酸二乙酯形成的手性催化剂可以有效地催化烯丙醇化合物的环氧化反应，选择性非常高。后来，他又发现了催化不对称烯双烃基化反应。 （1）为什么手性催化合成又称不对称催化合成 ？ （2）不对称催化合成有何重要意义 ？ 【答案】（1）手性就是物质的分子与镜像不重合性，构成生物体的有机分子绝大多数是不对，因此手性催化合成又称为不对称催化合成 （2）使我们现在能够很方便地合成许多手性化合物的单个异构体 【解析】（1）可从手性的含义进行理解，手性是自然界中的普遍特征，其空间结构完全不同，就像人的左手与右手的关系，所以叫手性分子，人的左手和右手不能完全重合，一对手性异构体在空间上也不能完全重合，因此手性又和不对称有某种相似之处，人们把手性催化合成又称为不对称催化合成；故答案为手性就是物质的分子与镜像不重合性，构成生物体的有机分子绝大多数是不对，因此手性催化合成又称为不对称催化合成； （2）一些有机物的分子，特别是许多天然产物和人体内的活性分子，都是手性分子，在生命科学和医药领域有着广泛的应用，手性分子的特殊结构决定了它的特殊性质，使我们现在能够很方便地合成许多手性化合物的单个异构体；故答案为使我们现在能够很方便地合成许多手性化合物的单个异构体。 题型02 对物质结构探索的认识 1．探寻人类和其他生物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。 （1）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，这一过程离不开对物质结构的研究。 （2）研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理；合成具有生物活性的分子；了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理等都需要物质结构理论与分析测试技术的支持。 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．物质结构研究对于保护生态环境、实现社会的可持续发展具有重大意义。 4．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。 【典例3】化学与科研、生产、生活密切相关，下列有关说法不正确的是 A．“嫦娥6号”抓取的月壤中含有的氦-3，可表示为 B．“神舟十八号”返回舱使用了多种耐腐蚀、耐高温的复合材料 C．工业上用石英制太阳能电池，在高温下用铝热法炼铁制备钢材 D．同位素的应用已经遍及医学、工业、农业、能源和科学研究的各个领域 【答案】C 【解析】A．氦-3的正确符号为³He，质量数为3，质子数为2，A正确； B．返回舱需承受高温和腐蚀，使用复合材料合理，B正确； C．石英主要成分是SiO₂，不能直接制太阳能电池，需转化为高纯硅，工业上炼铁的设备是高炉，用焦炭作还原剂，铝热法不用于工业炼铁，也不能直接制备钢材，C错误； D．同位素的应用已经遍及医学、工业、农业、能源和科学研究的各个领域，D正确； 故选C。 【典例4】化学是人类进步的关键。下列对化学的认识不正确的是 A．化学既是一门具有创造性的科学，又是一门具有实用性的科学 B．化学学科是研究有毒、有害物质，我们应该远离化学 C．现代化学还将在能源与资源、材料科学、环境科学、医药与健康等领域产生广泛的影响 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 【答案】B 【解析】A．化学研究物质的组成、结构、性质、变化、制备和应用的自然科学，是一门具有创造性和实用性的科学，故A正确； B．药物化学的研究，某些人造器官的研制，新能源、新材料的开发均离不开化学学科研究，虽然有时不可避免接触有毒有害物质，但我们需要做好安全防护及有毒有害物质的环保回收、处理，使化学为人类服务，而不是远离，B错误； C．现代化学还将在能源与资源、材料科学、环境科学、医药与健康等新领域产生广泛的影响，C正确； D．化学是在原子、分子水平上认识物质的组成、结构、性质、变化、制备和应用的自然科学，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，D正确； 故答案选B。 【变式2-1】“飞秒()化学”使运用激光光谱技术观测化学反应时分子中原子的运动成为可能，你认为利用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 【答案】A 【解析】运用激光光谱技术观测的是化学反应时分子中原子的运动，分子的形成和分解都是由原子的运动完成的，化学反应的最小粒子是原子，原子参与反应，原子核不参与反应； 故答案为：A。 【变式2-2】建立普遍适用的化学反应的量子力学理论，可以帮助化学家解决一系列问题，其中不属于化学反应的量子力学研究的问题的是(　　 ) A．两个或多个分子之间能否发生化学反应 B．需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应 C．如何在理论指导下控制化学反应 D．在化学反应过程中，原子能否分割与重新组合 【答案】D　 【变式2-3】2022年10月诺贝尔化学奖授予发展点击化学和生物正交化学的科学家，该研究倡导“简单而有用”的化学。下列说法不正确的是 A．化学是一门具有创造性和实用性的科学 B．化学科学与其他科学之间存在交叉和相互渗透 C．人们可以利用先进的技术和设备通过化学变化制造出新的原子和新的分子 D．化学家在微观层面上可操纵分子和原子，组装分子材料，创造出更为优异的新物质 【答案】C 【解析】化学变化前后原子的个数和种类都不发生变化，不会产生新的原子，C错误，答案选C。 【变式2-4】通过对物质结构与性质的研究，能够解决许多问题。在生命科学领域，下列不能通过研究结构与性质的关系加以解决的问题是(　　) A．酶的催化机理 B．手性生物分子与手性药物的作用机制 C．指甲的长短与手指的灵活性的关系 D．抗癌药物的设计与筛选 【答案】C 【变式2-5】原子结构模型的演变历史给我们的启迪是 A．道尔顿原子学说存在着缺陷或错误，因而没有积极的作用 B．科学发现是有止境的 C．原子结构属于客观事实，没有必要去揭示它 D．没有科学实验，就没有科学发现 【答案】D 【解析】A．道尔顿的原子学说对化学的发展产生了重大而积极的影响，A错误； B．科学发现是无止境的，是在总结前人经验的基础上不断向前迈进的，B错误； C．只有揭示物质结构的奥秘，才能把握物质变化的实质，从而更好地造福人类，C错误； D．原子结构模型的每一次演变，都是从科学实验开始的，D正确； 故选D。 【变式2-6】我国科学家利用蜡虫肠道菌群，将塑料降解时间从500年缩减到24小时，并用同位素示踪法证实了聚乙烯降解为CO2。下列有关该过程说法不正确的是 A．一定发生了氧化反应 B．只涉及碳碳键的断裂 C．同位素示踪法是从微观角度识别物质的变化 D．该研究成果有利于缓解塑料垃圾引起的环境问题 【答案】B 【解析】A.聚乙烯降解为CO2的过程中，碳元素的化合价有变化，一定发生了氧化反应，故A正确； B.在反应过程中除了碳碳键的断裂之外，碳氢键也出现了断裂，故B错误； C.同位素示踪法是以放射性同位素标记研究对象进行标记的微量分析方法，目的就是为了研究分子层面的原子变动，故C正确； D.如果可以将聚乙烯降解，是有利于缓解白色污染的问题的，故D正确。 【变式2-7】近日中国科学院天津工业生物技术研究所团队，采用一种类似搭积木的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。合成过程如图所示：下列说法错误的是： A．合成过程中使用的酶素催化剂可有效提高单位时间的转化率 B．科学家研究物质性质过程中可能用到了观察、实验、分类、比较等方法 C．该合成过程为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供一种新思路 D．第1步反应方程式为；其中做还原剂 【答案】D 【解析】A．催化剂能加快反应速率，可有效提高单位时间的转化率，A正确； B．科学家研究物质性质过程中可能用到了观察、实验、分类、比较等方法，B正确； C．该合成过程是一种创新设计，首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成，为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供一种新思路，C正确； D．第1步反应方程式为，其中中碳元素化合价降低被还原，作氧化剂，D错误； 故选D。 / 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $