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（同步讲义）化学鲁科版选择性必修2

教材知识解读·讲透重点难点·方法能力构建·同步分层测评 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 教习目标 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。 重点和难点 测定分子结构的一般思路与方法，建立与优化物质结构理论模型。 ◆知识点一 测定分子结构及组成 1、测定分子结构及组成的方法 （1）质谱法：用______和______将运动的______(带电荷的原子、分子或分子碎片，有分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、多电荷离子、负离子和离子—分子相互作用产生的离子)按它们的______分离后进行检测的方法。可以进行相对______________________________等。 （2）红外光谱法：将分子吸收红外光的情况用仪器记录就得到该试样的红外吸收光谱图，利用光谱图中__________________来判断分子中的______，对分子进行结构分析。 （3）核磁共振谱法：NMR是研究原子核对____________的吸收，它是对各种有机和无机物的______、______进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。 （4）X射线衍射法：使用X射线探测__________________的科研方法。 2、分子空间结构的测定程序 分析图像→测定晶胞参数→推算原子坐标→计算原子距离→判断化学键及其类型→确定分子结构。 3、借助晶体X射线衍射测定分子结构的基本思路 即学即练 1.我国科学家屠呦呦因发现植物黄花蒿叶中含抗疟疾的物质——青蒿素，而荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。科学家对青蒿素的结构进行进一步改良，合成药效更佳的双氢青蒿素、蒿甲醚。下列说法错误的是 （　　） A.利用黄花蒿叶研究青蒿素结构的基本步骤为分离、提纯→元素分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式 B.①②的反应类型分别为还原反应、取代反应 C.双氢青蒿素在水中的溶解度大于青蒿素 D.可用质谱法确定分子中含有何种官能团 2.（1）青蒿素晶胞（长方体，含4个青蒿素分子）及分子结构如图所示： ①用X射线衍射测定分子的空间结构。测量晶胞各处电子云密度大小，可确定原子的位置、种类。比较青蒿素分子中的C、H、O原子核附近的电子云密度大小：　　　　。  ②测出青蒿素晶体的晶胞是长方体，三条棱长分别为a nm、b nm、c nm，棱的夹角都是90°，晶体的密度为　　　　g·cm-3（用NA表示阿伏加德罗常数的值；1 nm=10-9 m）。  （2）NiO为NaCl型晶体，晶胞结构如图所示。将其在氧气中加热，部分Ni2+变为Ni3+，晶体组成变为NixO（x<1），测得其密度为6.47 g·cm-3。X射线衍射实验表明晶体仍为NaCl型结构，同时测得晶胞边长为0.416 nm。 ①NixO中x的值为　　　　。  ②晶体中Ni—Ni最短距离是　　　　nm。  （3）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。  （4）某科学工作者通过X射线衍射分析推测胆矾中既含有配位键，又含有氢键，其结构可能如图所示，其中配位键和氢键均用虚线表示。 写出图中水合铜离子的结构简式（必须将配位键表示出来）：　　　　。  ◆知识点二 利用晶体测定分子结构 1.对于青蒿素的测定，填写下表： 测定方法 获得的分子组成和结构的信息 质谱法 元素分析法 红外光谱实验 核磁共振谱图 晶体X射线衍射 2.借助晶体测定分子结构的方法 测定分子空间结构最普遍的方法是晶体的____________，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____________（用于描述晶胞大小和形状的数据），推算得到晶胞中所有原子的______，从而计算出__________________，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。 2.借助原子位置确定分子空间结构 （1）依据青蒿素晶体中碳、氧原子坐标，搭建出青蒿素分子中的碳、氧原子在三维空间中的______。 （2）确定青蒿素分子中碳、氧原子的连接关系及成键类型，用竹签将青蒿素中的成键原子连接起来，获得青蒿素的大致分子______。 （3）确定各碳、氧原子连接的氢原子数目，并将相应______的氢原子连接在所搭模型相应的原子上。 即学即练 1.在研究有机物的组成和结构时，可用于确定化学键和官能团信息的方法是 (　　) A.质谱法 B.红外光谱法 C.核磁共振氢谱法 D.燃烧法 2.测定分子空间结构最普遍的方法是 (　　) A.质谱法 B.红外光谱法 C.核磁共振法 D.X射线衍射法 3.青蒿素的结构简式如图所示，下列有关青蒿素的叙述不正确的是 (　　) A.组成青蒿素的三种元素C、H、O中，O元素的第一电离能最大 B.青蒿素分子结构中存在极性键、非极性键、离子键 C.青蒿素分子中的共价键包括σ键和π键 D.红外光谱显示青蒿素有三种官能团 一、青蒿素的组成与结构的测定 1.用晶体X射线衍射技术测定物质结构的基本思路 2.方法与程序 测定方法 获得的分子组成与结构信息 高分辨质谱仪 测定出青蒿素的相对分子质量为282.33，结合元素分析，确定其分子式为C15H22O5 氧化还原反应实验 推测青蒿素具有含过氧基团的倍半萜内酯结构 红外光谱 青蒿素分子中含有酯基和过氧基团 核磁共振谱 结合核磁共振谱图提供的关于碳、氢原子的种类和数量的信息，推定了青蒿素中甲基、过氧基团、带有酯基的六元环等部分结构片段 晶体X射线衍射 确定了青蒿素的分子结构 实践应用 1.中国女药学家屠呦呦因发现青蒿素对疟疾的治疗作用而成为2015年诺贝尔生理学或医学奖获得者之一。下列说法不正确的是 (　　) A.利用青蒿研究青蒿素结构的基本步骤：元素分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式 B.青蒿素的分子式为C15H22O5，它属于有机物 C.人工合成青蒿素经过了长期的实验研究，实验是化学研究的重要手段 D.现代化学分析测试中，可用元素分析仪确定青蒿素中的C、H、O元素 2.中国女药学家屠呦呦因创制新型抗疟药青蒿素和双氢青蒿素而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。关于青蒿素和双氢青蒿素(结构如下)的下列说法，错误的是 (　　) A.青蒿素的分子式为C15H22O5 B.由青蒿素制备双氢青蒿素的反应属加成反应 C.青蒿素分子中含有过氧键和酯基、醚键 D.双氢青蒿素分子中不含有不对称碳原子 3.我国科学家屠呦呦因发现青蒿素(一种用于治疗疟疾的药物)而获得诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素(C15H22O5)的结构如图所示。请回答下列问题： （1）组成青蒿素的三种元素电负性由大到小的排序是________，基态O原子核外存在________对自旋相反的电子。 （2）下列关于青蒿素的说法正确的是________(填序号)。 a.青蒿素中既存在极性键又存在非极性键 b.在青蒿素分子中，所有碳原子均处于同一平面 c.图中数字标识的五个碳原子均只以σ键与其他原子相连 （3）在确定青蒿素结构的过程中，可采用NaBH4作为还原剂，其制备方法为4NaH＋B(OCH3)3→NaBH4＋3CH3ONa ①NaH为______晶体，如图是NaH晶胞结构，则NaH晶体的配位数是________，若晶胞结构棱长为a，则Na原子间最小核间距为________。 ②B(OCH3)3中B采用的杂化类型是_______。写出两个与B(OCH3)3具有相同空间结构的分子或离子______。 ③NaBH4结构如图所示，结构中存在的作用力有_______。 考点一 利用晶体测定分子结构 【例1】我国药学家屠呦呦因发现植物黄花蒿叶中含抗疟疾的物质青蒿素而荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。科学家对青蒿素的结构进行进一步改良，合成药效更佳的双氢青蒿素、蒿甲醚。下列说法错误的是 (　　) A．利用黄花蒿叶研究青蒿素结构的基本步骤为分离、提纯元素分析确定实验式测定相对分子质量确定分子式波谱分析确定结构式 B．①②的反应类型分别为还原反应、取代反应 C．双氢青蒿素在水中的溶解度大于青蒿素 D．可用质谱法确定分子中含有何种官能团 【变式1-1】我国屠呦呦等科学家通过下列哪种方法最终测定了青蒿素的分子结构 ( ) A．X射线衍射法 B．红外光谱法 C．核磁共振氢谱 D．质谱法 【变式1-2】青蒿素是治疗疟疾耐药性效果最好的药物之一、青蒿素(分子式为(C15H22O5)为无色针状结晶，易溶于乙醚、氯仿、丙酮和苯等有机溶剂，几乎不溶于水。屠呦呦研究小组成功从中药中提取并分离得到青蒿素，还测定了其分子结构。下列说法正确的是 ( ) A．使用乙醚从中药中提取青蒿素利用了固液萃取原理 B．核磁共振氢谱通常用于分析有机物的相对分子质量 C．利用元素分析和红外光谱能确定青蒿素的分子式 D．利用质谱能确定青蒿素的分子结构 考点二 借助原子位置确定分子空间结构 【例2】青蒿素结构简式如图，下列有关叙述正确的是 (　　) A．青蒿素极易溶于水 B．1 mol青蒿素与足量NaOH溶液反应最多消耗4 mol NaOH C．青蒿素含有过氧键，有较强氧化性 D．青蒿素分子式为C15H21O5 【变式2-1】下列关于物质研究方法的说法中错误的是 (　 　) A．用官能团的特征反应可推测有机物可能的结构 B．氢核磁共振谱能反映出未知有机物中不同环境氢原子的种类和个数 C．根据红外光谱图的分析可以初步判断有机物中具有哪些基团 D．质谱法可测定有机物的相对分子质量 【变式2-2】青蒿素的结构如图所示，在测定青蒿素结构的过程中充分利用了仪器分析法。下列有关说法不正确的是 ( ) A．现代化的元素分析仪可帮助我们得出青蒿素的分子式 B．质谱法可帮助我们分析青蒿素的相对分子质量和结构 C．红外光谱和核磁共振谱可帮助我们确定青蒿素分子中的酯基和甲基等结构片段 D．通过X射线晶体衍射我国科学家最终测定了青蒿素的分子结构 基础达标 1．下列可用于判断某物质为晶体的方法是 (　　) A．质谱法 B．红外光谱法 C．核磁共振谱法 D．X射线衍射法 2．能够测定分子结构和化学键的方法是 ( ) A．质谱法 B．红外光谱 C．核磁共振氢谱 D．元素定量分析法 3．下列有关叙述错误的是 ( ) A．X射线衍射仪可以确定菁蒿素的分子结构 B．质谱仪可测定有机分子的相对分子质量和分子结构 C．红外光谱仪可以确定新戊烷分子中只有一种化学环境的氢原子 D．元素分析仪可以确定果糖和蔗糖所含元素相同 4．化学分析的手段通常有定性分析、定量分析、仪器分析等，现代化学中仪器分析是研究物质结构的基本方法和实验手段。下列仪器分析手段的运用科学可行的是 (　　) A．光谱分析：利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素 B．质谱分析：利用质荷比来测定分子空间结构 C．红外光谱分析：利用分子吸收与化学键振动频率相同的红外线来测定晶体晶型 D．X射线衍射图谱分析：利用X射线透过物质时记录的分立斑点或谱线来测定分子结构 5．光学分析法是融合物理学和化学实验技术的一类重要仪器分析方法。在青蒿素分子结构(相对分子质量282)测定中，使用下列方法不能得到对应结论的是 ( ) A B C D 分析方法 质谱法 红外光谱 核磁共振氢谱 X射线衍射 结论 相对分子质量282 分子中含有酯基 分子中含有过氧基 测定分子结 6．证明某有机化合物属于烃，应完成的实验内容必须是 (　　) A．只要证明它完全燃烧后产物只有H2O和CO2 B．测定该样品的质量及样品完全燃烧后生成H2O或CO2的质量 C．只测定其燃烧产物中H2O与CO2的质量之比 D．测定该样品的质量及样品完全燃烧后生成H2O和CO2的质量 7．有机化合物的分子结构可通过现代分析仪器测定，下列说法错误的是 ( ) A．元素分析仪可用于分析有机物中的元素组成 B．核磁共振氢谱常用于测定有机物相对分子质量 C．根据红外光谱图可获得分子中含有的化学键或官能团的信息 D．通过X射线衍射可获得有机物分子结构的有关数据，如键长、键角等 8．科学技术在物质结构的研究中具有非常重要的作用。下列说法不正确的是 (　　) A．光谱分析可以用于鉴定元素 B．质谱仪可以测定分子的相对分子质量 C．X射线衍射可以测定有机化合物的晶体结构 D．核磁共振氢谱可以获得有机物分子中有几个不同类型的氢原子 9．下列关于物质研究方法的说法中错误的是 ( ) A．X射线衍射法利用X射线透过晶体时记录的分立斑点或衍射峰测定分子结构 B．核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境氢原子的种类和个数 C．根据红外光谱图的分析可以初步判断有机化合物中具有哪些基团 D．质谱法可测定有机化合物的相对分子质量 10．测定青蒿素结构(如图所示)要用到仪器分析法。下列有关说法不正确的是 ( ) A．通过质谱仪可测定青蒿素的相对分子质量 B．通过元素分析仪可测定青蒿素的分子式 C．通过红外光谱仪和核磁共振氢谱仪可测定青蒿素分子中的酯基和甲基等结构片段 D．通过X射线衍射仪，我国科学家最终测定了青蒿素的分子结构 综合应用 11．某气态有机物X只含C、H、O三种元素，已知下列条件，现欲确定X的分子式，所需最少条件是(　　) ①X中含碳质量分数　②X中含氢质量分数　③X在标准状况下的体积　④X对H2的相对密度　⑤X的质量 A．①② B．①②④ C．①②⑤ D．③④⑤ 12．下列说法中，不正确的是 (　　) A．NH5中所有原子的最外层都符合相应稀有气体原子电子结构，1 mol NH5中含有4NA个N—H键 B．金属键无方向性，金属晶体中原子尽可能采取紧密堆积 C．凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采用sp2杂化轨道成键 D．乙醇与水互溶可以用“相似相溶”原理和氢键来解释 13．化合物NH3与BF3可以通过配位键形成NH3·BF3，下列说法正确的是 (　　) A．NH3与BF3都是极性分子 B．NH3与BF3都是平面三角形结构 C．可以通过晶体X射线衍射等技术测定BF3的结构 D．NH3·BF3中，NH3提供空轨道，BF3提供孤电子对 14．南京理工大学团队成功合成了能在室温稳定存在的五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl，经X射线衍射测得晶体结构，其局部结构如图所示(其中N的空间结构是平面五元环)。下列说法正确的是 (　　) A．所有N原子的价电子层均有孤电子对 B．氮氮键的键能：N>H2N—NH2 C．原子总数相等、价电子总数也相等的微粒互为等电子体，则盐中两种阳离子是等电子体 D．该盐中的阴、阳离子之间只存在离子键 15．历史上对过氧化氢的分子结构有过不同观点，下图两种对结构的猜测中有一种正确，下列实验可以证明的是 (　　) A．测定过氧化氢的沸点 B．测定过氧化氢分解时吸收的能量 C．测定过氧化氢分子中的氢氧键与氢氧键键长 D．观察过氧化氢细液流在电场中是否发生偏转 16．85岁中国女药学家屠呦呦因创制新型抗疟药青蒿素和双氢青蒿素而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。关于青蒿素和双氢青蒿素(结构如下)的下列说法，错误的是 (　　) A．青蒿素的分子式为C15H22O5 B．由青蒿素制备双氢青蒿素的反应属于还原反应 C．青蒿素分子中含有过氧键、酯基和醚键 D．双氢青蒿素分子中有2个六元环和2个七元环 17．（1）X射线衍射测定等发现，I3AsF6中存在I离子。I离子的空间结构为_______，中心原子的杂化类型为________。 （2）CS2分子中，C原子的杂化轨道类型是____________。 （3）F2通入稀NaOH溶液中可生成OF2，OF2分子结构为_______，其中氧原子的杂化方式为________。 （4）CH3COOH中C原子轨道杂化类型为__________。 18．青蒿素(C12H22O5)是治疗疟疾的有效药物，白色针状晶体，溶于乙醇和乙醚，对热不稳定。青蒿素晶胞(长方体，含4个青蒿素分子)及分子结构如下图所示。 （1）提取青蒿素：在浸取、蒸馏过程中，发现用沸点比乙醇低的乙醚(C2H5OC2H5)提取，效果更好。 ①乙醚沸点低于乙醇，原因是 。 ②用乙醚提取效果更好，原因是 。 （2）确定结构 ①青蒿素分子中含有 个不对称碳原子。 ②能确定晶体中哪些原子间存在化学键、并能确定键长和键角，从而得出分子空间结构的一种方法是 。 a．质谱法    b．X射线衍射    c．核磁共振氢谱    d．红外光谱 （3）修饰结构，提高疗效：一定条件下，用将青蒿素选择性还原生成双氢青蒿素。 ①双氢青蒿素分子中碳原子的杂化方式为 。 ②1 mol BH4-中有 mol σ键，BH4-的空间结构为 。 ③比较水溶性：双氢青蒿素 (填“”)青蒿素。 拓展培优 19．铜在我国有色金属材料的消费中仅次于铝，广泛地应用于电气、机械制造、国防等领域。回答下列问题： （1）用晶体的X射线衍射法可以测得阿伏加德罗常数。对金属铜的测定得到以下结果：晶胞为面心立方最密堆积，边长为361 pm。又知铜的密度为9．00 g·cm－3，阿伏加德罗常数为________[已知Ar(Cu)＝63．6]； （2）氯化钾与不同价态的铜可生成两种化合物，这两种化合物都可用于催化乙炔聚合，其阴离子均为无限长链结构(如图)，a位置上Cl原子的杂化轨道类型为________。已知其中一种化合物的化学式为KCuCl3，另一种的化学式为__________； （3）金属铜单独与氨水或单独与过氧化氢都不能反应，但可与氨水和过氧化氢的混合溶液反应，其原因是__________，反应的化学方程式为__________。 20．某钙钛型复合氧化物(如图)，以A原子为晶胞的顶点，A位可以是Ca、Sr、Ba或Pb，当B位是V、Cr、Mn、Fe时，这种化合物的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化(巨磁电阻效应)。 （1）用A、B、O表示这类特殊晶体的化学式______________。 在图中，与A原子配位的氧原子数目为_________________。 （2）基态Cr原子的核外电子排布式为____________________。 其中电子的运动状态有________种。 （3）某些钙钛型复合氧化物能够催化NO直接分解为N2和O2 ，N和O的基态原子中，未成对的电子数目比为__________。 （4）如表是几种碳酸盐的热分解温度和阳离子半径： 碳酸盐 CaCO3 SrCO3 BaCO3 热分解温度/℃ 900 1 172 1 360 阳离子半径/pm 99 112 135 请解释碳酸钙热分解温度最低的原因： __________________________________。 （5）用晶体的X射线衍射法可以测得阿伏加德罗常数。对金属钙的测定得到以下结果：晶胞为面心立方最密堆积，边长为a pm，阿伏加德罗常数的值为NA，金属钙的密度为_________g·cm－3(用含a和NA的式子表示)。 21．我国科学家屠呦呦因发现青蒿素(一种用于治疗疟疾的药物)而获得诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素(C15H22O5)的结构如图所示。请回答下列问题： （1）组成青蒿素的三种元素电负性由大到小的顺序是________，基态O原子核外存在________对自旋方向相反的电子。 （2）下列关于青蒿素的说法正确的是_________ (填字母)。 A．青蒿素中既存在极性键又存在非极性键 B．在青蒿素分子中，所有碳原子均处于同一平面 C．图中数字标识的五个碳原子均只以σ键与其他原子相连 （3）在确定青蒿素结构的过程中，可采用NaBH4作为还原剂，其制备方法为4NaH+B(OCH3)3NaBH4+3CH3ONa。 ①NaH为________晶体，NaH的晶胞结构如图，则NaH晶体的配位数是　　　　，若晶胞棱长为a，则Na原子间最小核间距为________。 ②B(OCH3)3中B采用的杂化类型是_________；写出两个与B(OCH3)3具有相同空间结构的分子或离子：________。 ③NaBH4结构如图所示，结构中存在的作用力有________ 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $ 教材知识解读·讲透重点难点·方法能力构建·同步分层测评 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 教习目标 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。 重点和难点 测定分子结构的一般思路与方法，建立与优化物质结构理论模型。 ◆知识点一 测定分子结构及组成 1、测定分子结构及组成的方法 （1）质谱法：用电场和磁场将运动的离子(带电荷的原子、分子或分子碎片，有分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、多电荷离子、负离子和离子—分子相互作用产生的离子)按它们的质荷比分离后进行检测的方法。可以进行相对分子质量测定、化学式的确定及结构鉴定等。 （2）红外光谱法：将分子吸收红外光的情况用仪器记录就得到该试样的红外吸收光谱图，利用光谱图中吸收峰的波长、强度和形状来判断分子中的基团，对分子进行结构分析。 （3）核磁共振谱法：NMR是研究原子核对射频辐射的吸收，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。 （4）X射线衍射法：使用X射线探测某些分子或晶体结构的科研方法。 2、分子空间结构的测定程序 分析图像→测定晶胞参数→推算原子坐标→计算原子距离→判断化学键及其类型→确定分子结构。 3、借助晶体X射线衍射测定分子结构的基本思路 即学即练 1.我国科学家屠呦呦因发现植物黄花蒿叶中含抗疟疾的物质——青蒿素，而荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。科学家对青蒿素的结构进行进一步改良，合成药效更佳的双氢青蒿素、蒿甲醚。下列说法错误的是 （　　） A.利用黄花蒿叶研究青蒿素结构的基本步骤为分离、提纯→元素分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式 B.①②的反应类型分别为还原反应、取代反应 C.双氢青蒿素在水中的溶解度大于青蒿素 D.可用质谱法确定分子中含有何种官能团 【答案】D 【解析】反应①中CO键变成C—O键，为还原反应，反应②中醇羟基变为醚键，为取代反应，B项正确；双氢青蒿素分子中含有羟基，可与水分子形成氢键，在水中的溶解度较大，C项正确；质谱法用于确定有机物的相对分子质量，确定分子中含有何种官能团应该采用红外光谱，D项错误。 2.（1）青蒿素晶胞（长方体，含4个青蒿素分子）及分子结构如图所示： ①用X射线衍射测定分子的空间结构。测量晶胞各处电子云密度大小，可确定原子的位置、种类。比较青蒿素分子中的C、H、O原子核附近的电子云密度大小：　　　　。  ②测出青蒿素晶体的晶胞是长方体，三条棱长分别为a nm、b nm、c nm，棱的夹角都是90°，晶体的密度为　　　　g·cm-3（用NA表示阿伏加德罗常数的值；1 nm=10-9 m）。  （2）NiO为NaCl型晶体，晶胞结构如图所示。将其在氧气中加热，部分Ni2+变为Ni3+，晶体组成变为NixO（x<1），测得其密度为6.47 g·cm-3。X射线衍射实验表明晶体仍为NaCl型结构，同时测得晶胞边长为0.416 nm。 ①NixO中x的值为　　　　。  ②晶体中Ni—Ni最短距离是　　　　nm。  （3）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。  （4）某科学工作者通过X射线衍射分析推测胆矾中既含有配位键，又含有氢键，其结构可能如图所示，其中配位键和氢键均用虚线表示。 写出图中水合铜离子的结构简式（必须将配位键表示出来）：　　　　。  【答案】（1）①O>C>H　② （2）①0.92　②0.294　（3）0.148　0.076 （4） 【解析】（2）①NixO为NaCl型晶体，则其密度为6.47 g·cm-3=，其中a=0.416 nm，可得M≈70 g·mol-1，则59×x+16=70，x≈0.92。②由于NixO晶体晶胞结构为NaCl型，所以晶胞中两个Ni原子之间的最短距离为晶胞面对角线长的，由晶胞边长可得晶胞面对角线长为×0.416 nm，则晶胞中Ni—Ni的最短距离约为0.294 nm。 ◆知识点二 利用晶体测定分子结构 1.对于青蒿素的测定，填写下表： 测定方法 获得的分子组成和结构的信息 质谱法 相对分子质量 元素分析法 结合相对分子质量确定分子式 红外光谱实验 确定含有何种化学键和官能团 核磁共振谱图 碳、氢原子的种类和数量 晶体X射线衍射 确定分子结构 2.借助晶体测定分子结构的方法 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。 2.借助原子位置确定分子空间结构 （1）依据青蒿素晶体中碳、氧原子坐标，搭建出青蒿素分子中的碳、氧原子在三维空间中的位置。 （2）确定青蒿素分子中碳、氧原子的连接关系及成键类型，用竹签将青蒿素中的成键原子连接起来，获得青蒿素的大致分子骨架。 （3）确定各碳、氧原子连接的氢原子数目，并将相应数目的氢原子连接在所搭模型相应的原子上。 即学即练 1.在研究有机物的组成和结构时，可用于确定化学键和官能团信息的方法是 (　　) A.质谱法 B.红外光谱法 C.核磁共振氢谱法 D.燃烧法 【答案】B 【解析】质谱法用于测定有机物的相对分子质量，不能测定出有机物的化学键和官能团，A错误；红外光谱仪能测定出有机物的官能团和化学键，B正确；核磁共振氢谱用于测定有机物分子中氢原子的种类和数目，不能测定出有机物的化学键和官能团，C错误；燃烧法用于元素的定性分析和定量测定，不能确定化学键和官能团信息，D错误。 2.测定分子空间结构最普遍的方法是 (　　) A.质谱法 B.红外光谱法 C.核磁共振法 D.X射线衍射法 【答案】D 【解析】质谱法用于测定有机物的相对分子质量，不能测定分子的空间结构，A错误；红外光谱可以测定出有机物的官能团和化学键，不能测定分子的空间结构，B错误；核磁共振氢谱用于测定有机物分子中氢原子的种类和数目，不能测定分子的空间结构，C错误；测定分子的空间结构最普遍的方法是X射线衍射法，X射线衍射可以看到微观结构，可以测定晶体的晶胞参数，从而确定分子的空间结构，D正确。 3.青蒿素的结构简式如图所示，下列有关青蒿素的叙述不正确的是 (　　) A.组成青蒿素的三种元素C、H、O中，O元素的第一电离能最大 B.青蒿素分子结构中存在极性键、非极性键、离子键 C.青蒿素分子中的共价键包括σ键和π键 D.红外光谱显示青蒿素有三种官能团 【答案】B 【解析】C、H、O的第一电离能：C<H<O，A项正确；青蒿素分子中不含离子键，B项错误；青蒿素分子中的共价键包括σ键和π键，C项正确；青蒿素中含过氧键、醚键、酯基三种官能团，D项正确。 一、青蒿素的组成与结构的测定 1.用晶体X射线衍射技术测定物质结构的基本思路 2.方法与程序 测定方法 获得的分子组成与结构信息 高分辨质谱仪 测定出青蒿素的相对分子质量为282.33，结合元素分析，确定其分子式为C15H22O5 氧化还原反应实验 推测青蒿素具有含过氧基团的倍半萜内酯结构 红外光谱 青蒿素分子中含有酯基和过氧基团 核磁共振谱 结合核磁共振谱图提供的关于碳、氢原子的种类和数量的信息，推定了青蒿素中甲基、过氧基团、带有酯基的六元环等部分结构片段 晶体X射线衍射 确定了青蒿素的分子结构 实践应用 1.中国女药学家屠呦呦因发现青蒿素对疟疾的治疗作用而成为2015年诺贝尔生理学或医学奖获得者之一。下列说法不正确的是 (　　) A.利用青蒿研究青蒿素结构的基本步骤：元素分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式 B.青蒿素的分子式为C15H22O5，它属于有机物 C.人工合成青蒿素经过了长期的实验研究，实验是化学研究的重要手段 D.现代化学分析测试中，可用元素分析仪确定青蒿素中的C、H、O元素 【答案】A 【解析】利用青蒿研究青蒿素结构的基本步骤为分离、提纯→元素分析确定实验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式，A不正确；青蒿素属于有机物，B正确；实验是化学研究的重要手段之一，C正确；现代化学分析测试中，可用元素分析仪确定青蒿素中的C、H、O元素，D正确。 2.中国女药学家屠呦呦因创制新型抗疟药青蒿素和双氢青蒿素而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。关于青蒿素和双氢青蒿素(结构如下)的下列说法，错误的是 (　　) A.青蒿素的分子式为C15H22O5 B.由青蒿素制备双氢青蒿素的反应属加成反应 C.青蒿素分子中含有过氧键和酯基、醚键 D.双氢青蒿素分子中不含有不对称碳原子 【答案】D 【解析】由结构简式可知青蒿素的分子式为C15H22O5，故A正确；青蒿素与氢气发生加成反应生成双氢青蒿素，属于加成反应，故B正确；由结构简式可知青蒿素分子中含有过氧键和酯基、醚键，故C正确；由结构可知，双氢青蒿素中存在同碳上连接四个不同基团的碳原子，故D错误。 3.我国科学家屠呦呦因发现青蒿素(一种用于治疗疟疾的药物)而获得诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素(C15H22O5)的结构如图所示。请回答下列问题： （1）组成青蒿素的三种元素电负性由大到小的排序是________，基态O原子核外存在________对自旋相反的电子。 （2）下列关于青蒿素的说法正确的是________(填序号)。 a.青蒿素中既存在极性键又存在非极性键 b.在青蒿素分子中，所有碳原子均处于同一平面 c.图中数字标识的五个碳原子均只以σ键与其他原子相连 （3）在确定青蒿素结构的过程中，可采用NaBH4作为还原剂，其制备方法为4NaH＋B(OCH3)3→NaBH4＋3CH3ONa ①NaH为______晶体，如图是NaH晶胞结构，则NaH晶体的配位数是________，若晶胞结构棱长为a，则Na原子间最小核间距为________。 ②B(OCH3)3中B采用的杂化类型是_______。写出两个与B(OCH3)3具有相同空间结构的分子或离子______。 ③NaBH4结构如图所示，结构中存在的作用力有_______。 【答案】（1）O＞C＞H　3　（2）a　（3）①离子　6　a　②sp2　SO3、CO(合理即可)　③离子键、配位键、共价键 【解析】（1）组成青蒿素的三种元素为H、C、O，根据元素的非金属性越强，电负性越强可知，非金属性：O＞C＞H，则H、C、O三种元素的电负性由大到小的顺序是O＞C＞H；在基态O原子中，核外有8个电子，其中有3个轨道有成对电子，则核外存在3对自旋相反的电子。（2）a.青蒿素中存在O—O键、C—C键，为非极性键，C—O键、C—H键为极性键，正确；b.含有饱和碳原子，具有烷烃的结构，则所有碳原子不处于同一平面，错误；c.C===O键含有π键，错误。（3）①NaH为离子晶体，NaH晶体中每个Na周围有6个H，若晶胞棱长为a，则Na原子间最小核间距为a。②B(OCH3)3中B与3个O原子成键，为sp2杂化，B(OCH3)3的空间结构为平面三角形，与B(OCH3)3具有相同空间结构的分子或离子可为SO3、CO。③B原子核最外层有3个电子，NaBH4中存在离子键、配位键和共价键。 考点一 利用晶体测定分子结构 【例1】我国药学家屠呦呦因发现植物黄花蒿叶中含抗疟疾的物质青蒿素而荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。科学家对青蒿素的结构进行进一步改良，合成药效更佳的双氢青蒿素、蒿甲醚。下列说法错误的是 (　　) A．利用黄花蒿叶研究青蒿素结构的基本步骤为分离、提纯元素分析确定实验式测定相对分子质量确定分子式波谱分析确定结构式 B．①②的反应类型分别为还原反应、取代反应 C．双氢青蒿素在水中的溶解度大于青蒿素 D．可用质谱法确定分子中含有何种官能团 【答案】D 【解析】研究有机物的一般思路：先分离、提纯，然后据元素定量分析确定实验式，测定相对分子质量确定分子式，最后通过波谱分析确定结构式，A项正确；反应①中C===O变成C—O，为还原反应，反应②中醇羟基变为醚键，为取代反应，B项正确；双氢青蒿素分子中含有羟基，可与水分子形成氢键，在水中的溶解度较大，C项正确；质谱法可以确定有机物的相对分子质量，确定分子中含有何种官能团应该采用红外光谱法，D项错误。 【变式1-1】我国屠呦呦等科学家通过下列哪种方法最终测定了青蒿素的分子结构 ( ) A．X射线衍射法 B．红外光谱法 C．核磁共振氢谱 D．质谱法 【答案】A 【解析】A项，测定分子的空间结构最普遍的方法是X射线衍射法，可以看到微观结构，可以测定晶体的晶胞参数，从而确定分子的结构，故A正确；B项，红外光谱法可以测定有机物的官能团和化学键，不能测定分子的空间结构，故B错误；C项，核磁共振氢谱只能测定氢原子的种类和数目，不能测定分子的空间结构，故C错误；D项，质谱法用于测定有机物的相对分子质量，不能测定分子的空间结构，故D错误；故选A。 【变式1-2】青蒿素是治疗疟疾耐药性效果最好的药物之一、青蒿素(分子式为(C15H22O5)为无色针状结晶，易溶于乙醚、氯仿、丙酮和苯等有机溶剂，几乎不溶于水。屠呦呦研究小组成功从中药中提取并分离得到青蒿素，还测定了其分子结构。下列说法正确的是 ( ) A．使用乙醚从中药中提取青蒿素利用了固液萃取原理 B．核磁共振氢谱通常用于分析有机物的相对分子质量 C．利用元素分析和红外光谱能确定青蒿素的分子式 D．利用质谱能确定青蒿素的分子结构 【答案】A 【解析】A项，乙醚为液态有机溶剂，中药为固体，乙醚从中药中提取青蒿素利用了固液萃取原理，A正确；B项，核磁共振氢谱通常用于分析有机物所含氢原子的种类，质谱法常用于有机物的相对分子质量测定，B错误；C项，利用红外光谱能确定青蒿素所含的化学键，C错误；D项，利用质谱能确定青蒿素的相对分子质量，D错误；故选A。 考点二 借助原子位置确定分子空间结构 【例2】青蒿素结构简式如图，下列有关叙述正确的是 (　　) A．青蒿素极易溶于水 B．1 mol青蒿素与足量NaOH溶液反应最多消耗4 mol NaOH C．青蒿素含有过氧键，有较强氧化性 D．青蒿素分子式为C15H21O5 【答案】C 【解析】根据青蒿素的结构简式可知，该有机物含有酯基、醚键，所以青蒿素难溶于水，易溶于有机溶剂，A项错误；该分子中含有一个酯基，所以1 mol青蒿素与足量NaOH溶液反应最多消耗1 mol NaOH，B项错误；青蒿素含有过氧键，有较强氧化性，C项正确；根据青蒿素的结构简式可知，青蒿素分子式为C15H22O5，D项错误。 【变式2-1】下列关于物质研究方法的说法中错误的是 (　 　) A．用官能团的特征反应可推测有机物可能的结构 B．氢核磁共振谱能反映出未知有机物中不同环境氢原子的种类和个数 C．根据红外光谱图的分析可以初步判断有机物中具有哪些基团 D．质谱法可测定有机物的相对分子质量 【答案】B 【解析】A项，官能团是决定化合物性质的原子或原子团，因此用官能团的特征反应可推测有机物可能的结构，A正确；B项，氢核磁共振谱能反映出未知有机物中不同环境氢原子的种类，不能反映出个数，B错误；C项，分子中化学键或官能团对红外线发生振动吸收，不同官能团或化学键吸收频率不同，在红外光谱图中处于不同的位置，从而获得分子中含有何种化学键或官能团的信息，因此红外光谱图的分析可以初步判断有机物中具有哪些基团，C正确；D项，质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比M/Z大小进行分离并记录其信息的分析方法，因此质谱法可测定有机物的相对分子质量，D正确。 【变式2-2】青蒿素的结构如图所示，在测定青蒿素结构的过程中充分利用了仪器分析法。下列有关说法不正确的是 ( ) A．现代化的元素分析仪可帮助我们得出青蒿素的分子式 B．质谱法可帮助我们分析青蒿素的相对分子质量和结构 C．红外光谱和核磁共振谱可帮助我们确定青蒿素分子中的酯基和甲基等结构片段 D．通过X射线晶体衍射我国科学家最终测定了青蒿素的分子结构 【答案】A 【解析】A项，现代化的元素分析仪可帮助我们确定青蒿素中是否含有C、H、O等元素，A错误；B项，质谱法可帮助我们分析青蒿素的相对分子质量和结构；质谱仪把青蒿素打成很多小块，会有很多不同质荷比出现，其中最大的那个就是青蒿素的相对分子质量；而分析“小块”的质荷比可以推测出青蒿素的结构；B正确；C项，红外光谱和核磁共振谱可帮助我们确定青蒿素分子中的酯基和甲基等结构片段，C正确；D项，通过X射线晶体衍射，可以测定青蒿素分子的空间结构，D正确；故选A。 基础达标 1．下列可用于判断某物质为晶体的方法是 (　　) A．质谱法 B．红外光谱法 C．核磁共振谱法 D．X射线衍射法 【答案】D 【解析】质谱法用于测定有机物的相对分子质量，不能判断某物质是否为晶体；红外光谱仪能测定出有机物的官能团和化学键，不能判断某物质是否为晶体；核磁共振氢谱法用于测定有机物分子中碳氢原子的种类和数目比，不能判断某物质是否为晶体；晶体与非晶体最本质的区别是组成物质的微粒在微观空间是否有序排列，X射线衍射可以测定微观结构，可以鉴别晶体与非晶体。 2．能够测定分子结构和化学键的方法是 ( ) A．质谱法 B．红外光谱 C．核磁共振氢谱 D．元素定量分析法 【答案】B 【解析】A项，质谱法用于测定有机物的相对分子质量，A错误；B项，分子中化学键或官能团对红外线发生振动吸收，不同化学键或官能团吸收频率不同，在红外线光谱图上将处于不同的位置，从而获得分子中含有何种化学键或官能团信息，B正确；C项，核磁共振氢谱用于测定有机物中氢原子的种类和数目，C错误；D项，元素定量分析法用来鉴定有机物分子中各元素原子的质量分数，D错误；故选B。 3．下列有关叙述错误的是 ( ) A．X射线衍射仪可以确定菁蒿素的分子结构 B．质谱仪可测定有机分子的相对分子质量和分子结构 C．红外光谱仪可以确定新戊烷分子中只有一种化学环境的氢原子 D．元素分析仪可以确定果糖和蔗糖所含元素相同 【答案】C 【解析】A项，通过X射线晶体衍射，可以测定青蒿素分子的结构，A正确；B项，质谱仪能够提供化合物的分子量、元素组成以及官能团信息，可用于测定有机分子的相对分子质量和分子结构，B正确；C项，红外光谱仪测定有机物分子中官能团和化学键，核磁共振氢谱确定新戊烷分子中只有一种化学环境的氢原子，C错误；D项，元素分析仪可测定果糖和蔗糖所含的元素种类相同，D正确；故选C。 4．化学分析的手段通常有定性分析、定量分析、仪器分析等，现代化学中仪器分析是研究物质结构的基本方法和实验手段。下列仪器分析手段的运用科学可行的是 (　　) A．光谱分析：利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素 B．质谱分析：利用质荷比来测定分子空间结构 C．红外光谱分析：利用分子吸收与化学键振动频率相同的红外线来测定晶体晶型 D．X射线衍射图谱分析：利用X射线透过物质时记录的分立斑点或谱线来测定分子结构 【答案】A 【解析】光谱分析：利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素，选项A正确；质谱分析：利用质荷比来测定有机化合物相对分子质量，选项B错误；红外光谱分析：利用有机化合物分子中不同基团的特征吸收频率不同来初步判断有机化合物中具有哪些基团，选项C错误；X射线衍射图谱分析：利用X射线透过物质时记录的分立斑点或谱线来测定晶体结构，选项D错误。 5．光学分析法是融合物理学和化学实验技术的一类重要仪器分析方法。在青蒿素分子结构(相对分子质量282)测定中，使用下列方法不能得到对应结论的是 ( ) A B C D 分析方法 质谱法 红外光谱 核磁共振氢谱 X射线衍射 结论 相对分子质量282 分子中含有酯基 分子中含有过氧基 测定分子结 【答案】C 【解析】A项，质谱仪可测定物质的相对分子质量，故A正确；B项，红外光谱仪可检测结构中存在的化学键和官能团，可测定青蒿素分子中的酯基，故B正确；C项，核磁共振氢谱仪可测定青蒿素分子氢原子的类型，不可测定分子中含有过氧基(-O-O-)，故C错误；D项，通过X射线晶体衍射，可以测定青蒿素分子的空间结构，故D正确；故选C。 6．证明某有机化合物属于烃，应完成的实验内容必须是 (　　) A．只要证明它完全燃烧后产物只有H2O和CO2 B．测定该样品的质量及样品完全燃烧后生成H2O或CO2的质量 C．只测定其燃烧产物中H2O与CO2的质量之比 D．测定该样品的质量及样品完全燃烧后生成H2O和CO2的质量 【答案】D 【解析】烃中只含有碳、氢两种元素，烃完全燃烧的产物只有CO2和H2O。设计实验测定CO2和H2O的质量，若原试样的质量等于CO2中碳元素和H2O中氢元素的质量之和，则该有机物为烃。若原试样的质量大于CO2和H2O中碳、氢两元素的质量之和，则该有机物为烃的含氧衍生物。 7．有机化合物的分子结构可通过现代分析仪器测定，下列说法错误的是 ( ) A．元素分析仪可用于分析有机物中的元素组成 B．核磁共振氢谱常用于测定有机物相对分子质量 C．根据红外光谱图可获得分子中含有的化学键或官能团的信息 D．通过X射线衍射可获得有机物分子结构的有关数据，如键长、键角等 【答案】B 【解析】A项， 元素分析仪可用于分析有机物中的元素组成，故A正确；B项， 核磁共振氢谱可以推知有机物分子有几种不同类型的氢原子及它们的数目，质谱仪常用于测定有机物相对分子质量，故B错误；C项，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上处于不同的位置，根据红外光谱图可获得分子中含有的化学键或官能团的信息，故C正确；D项，通过X射线衍射可获得有机物分子结构的有关数据，如键长、键角等，键角是描述分子立体结构的重要参数，故D正确；故选B。 8．科学技术在物质结构的研究中具有非常重要的作用。下列说法不正确的是 (　　) A．光谱分析可以用于鉴定元素 B．质谱仪可以测定分子的相对分子质量 C．X射线衍射可以测定有机化合物的晶体结构 D．核磁共振氢谱可以获得有机物分子中有几个不同类型的氢原子 【答案】D 【解析】原子光谱是由原子中的电子在能量变化时所发射或吸收的一系列波长的光所组成的光谱，每一种原子的光谱都不同，用原子光谱可以确定元素种类，A正确；质谱仪测定的最大质荷比为相对分子质量，则利用质谱仪可以测定有机物的相对分子质量，B正确；晶体会对X射线发生衍射，非晶体不会对X射线发生衍射，可用X射线衍射实验测定有机物化合物的晶体结构，C正确；核磁共振氢谱中吸收峰的数目等于有机物分子中H原子种类，H原子相对数目之比等于对应峰的面积之比，可以推知有机物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目，但不能确定绝对数目，D错误。 9．下列关于物质研究方法的说法中错误的是 ( ) A．X射线衍射法利用X射线透过晶体时记录的分立斑点或衍射峰测定分子结构 B．核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境氢原子的种类和个数 C．根据红外光谱图的分析可以初步判断有机化合物中具有哪些基团 D．质谱法可测定有机化合物的相对分子质量 【答案】B 【解析】A项，X射线衍射法利用X射线透过晶体时记录的分立斑点或衍射峰测定分子结构，故A正确；B项，核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境氢原子的种类以及各类型氢原子的个数比，不能反映出氢原子的个数，故B错误；C项，分子中化学键或官能团对红外线发生振动吸收，不同化学键或官能团的吸收频率不同，在红外光谱图中处于不同的位置，从而获得分子中含有的化学键或官能团的信息，因此根据红外光谱图的分析可以初步判断有机化合物中具有哪些基团，故C正确；D项，质谱法是通过将样品转化为分子离子和碎片离子，以质荷比为横坐标、以各类离子的相对丰度为纵坐标记录其信息的分析方法，利用质谱法可测定有机化合物的相对分子质量，故D正确；故选B。 10．测定青蒿素结构(如图所示)要用到仪器分析法。下列有关说法不正确的是 ( ) A．通过质谱仪可测定青蒿素的相对分子质量 B．通过元素分析仪可测定青蒿素的分子式 C．通过红外光谱仪和核磁共振氢谱仪可测定青蒿素分子中的酯基和甲基等结构片段 D．通过X射线衍射仪，我国科学家最终测定了青蒿素的分子结构 【答案】B 【解析】A项，质谱仪可测定物质的相对分子质量，A正确；B项，元素分析仪可测定青蒿素所含的元素，但是不能测定青蒿素的分子式，B错误；C项，红外光谱仪可检测结构中存在的化学键和官能团，核磁共振氢谱仪可测定青蒿素分子氢原子的类型，故通过红外光谱仪和核磁共振氢谱仪可测定青蒿素分子中的酯基和甲基等结构片段，C正确；D项，通过X射线晶体衍射，可以测定青蒿素分子的空间结构，D正确；故选B。 综合应用 11．某气态有机物X只含C、H、O三种元素，已知下列条件，现欲确定X的分子式，所需最少条件是(　　) ①X中含碳质量分数　②X中含氢质量分数　③X在标准状况下的体积　④X对H2的相对密度　⑤X的质量 A．①② B．①②④ C．①②⑤ D．③④⑤ 【答案】B 【解析】由C、H质量分数可推出O的质量分数，由各元素的质量分数可确定X的实验式，由相对密度可确定X的相对分子质量，由相对分子质量和实验式可确定X的分子式。 12．下列说法中，不正确的是 (　　) A．NH5中所有原子的最外层都符合相应稀有气体原子电子结构，1 mol NH5中含有4NA个N—H键 B．金属键无方向性，金属晶体中原子尽可能采取紧密堆积 C．凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采用sp2杂化轨道成键 D．乙醇与水互溶可以用“相似相溶”原理和氢键来解释 【答案】C 【解析】A项，NH5中的所有原子的最外层都符合相应稀有气体原子电子层结构，根据N原子价电子数为5，H原子价电子数为1，可知该物质为离子晶体NH4H，含有的阳离子NH与阴离子H－之间通过离子键结合，在NH中含有N与H原子之间通过4个极性键N—H结合，因此1 mol NH5含有4NA个N—H键，正确；B项，金属键无方向性，金属原子总是尽可能多地吸引其他原子，金属晶体中原子尽可能采取紧密堆积，从而使空间被充分利用，正确；C项，AB3型共价化合物中，若A上没有孤电子对，则A采用sp2杂化轨道成键，如BF3等，若A上有1对孤电子对，则A采用sp3杂化轨道成键，如NH3等，错误；D项，乙醇与水互溶的原因是：（1）乙醇和水都是极性分子，（2）乙醇和水分子中都含O—H键，乙醇和水分子间形成氢键，乙醇与水互溶可以用“相似相溶”原理和氢键解释，正确。 13．化合物NH3与BF3可以通过配位键形成NH3·BF3，下列说法正确的是 (　　) A．NH3与BF3都是极性分子 B．NH3与BF3都是平面三角形结构 C．可以通过晶体X射线衍射等技术测定BF3的结构 D．NH3·BF3中，NH3提供空轨道，BF3提供孤电子对 【答案】C 【解析】BF3分子为非极性分子，故A错误；BF3分子结构为平面三角形，NH3分子结构为三角锥形，故B错误；可以通过晶体X射线衍射等技术测定BF3的结构，故C正确；NH3·BF3中B原子有空轨道，N原子有孤电子对，所以NH3提供孤电子对，BF3提供空轨道，形成配位键，故D错误。 14．南京理工大学团队成功合成了能在室温稳定存在的五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl，经X射线衍射测得晶体结构，其局部结构如图所示(其中N的空间结构是平面五元环)。下列说法正确的是 (　　) A．所有N原子的价电子层均有孤电子对 B．氮氮键的键能：N>H2N—NH2 C．原子总数相等、价电子总数也相等的微粒互为等电子体，则盐中两种阳离子是等电子体 D．该盐中的阴、阳离子之间只存在离子键 【答案】B 【解析】NH中N原子形成4个σ键，没有孤电子对，故A错误；N中氮原子间除形成σ键外，还形成一个大π键，氮氮键的键能：N>H2N—NH2，故B正确：H3O＋、NH原子数不同，不是等电子体，故C错误；由题图可知，阴、阳离子间除形成离子键外，氯离子与铵根离子中H原子、H3O＋中H原子与N中N原子、NH中H原子与N中N原子还形成氢键，故D错误。 15．历史上对过氧化氢的分子结构有过不同观点，下图两种对结构的猜测中有一种正确，下列实验可以证明的是 (　　) A．测定过氧化氢的沸点 B．测定过氧化氢分解时吸收的能量 C．测定过氧化氢分子中的氢氧键与氢氧键键长 D．观察过氧化氢细液流在电场中是否发生偏转 【答案】D 【解析】题图所示两种结构，猜想1为对称结构非极性分子，猜想2为非对称结构极性分子，极性分子细液流在电场中发生偏转，观察过氧化氢细液流在电场中是否发生偏转，可确定猜测中有一种正确。 16．85岁中国女药学家屠呦呦因创制新型抗疟药青蒿素和双氢青蒿素而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。关于青蒿素和双氢青蒿素(结构如下)的下列说法，错误的是 (　　) A．青蒿素的分子式为C15H22O5 B．由青蒿素制备双氢青蒿素的反应属于还原反应 C．青蒿素分子中含有过氧键、酯基和醚键 D．双氢青蒿素分子中有2个六元环和2个七元环 【答案】D 【解析】由结构简式可知青蒿素的分子式为C15H22O5，故A正确；青蒿素与氢气发生加成反应生成双氢青蒿素，属于还原反应，故B正确；由结构简式可知青蒿素分子中含有过氧键、酯基和醚键，故C正确；由结构可知，青蒿素和双氢青蒿素含有3个六元环，故D错误。 17．（1）X射线衍射测定等发现，I3AsF6中存在I离子。I离子的空间结构为_______，中心原子的杂化类型为________。 （2）CS2分子中，C原子的杂化轨道类型是____________。 （3）F2通入稀NaOH溶液中可生成OF2，OF2分子结构为_______，其中氧原子的杂化方式为________。 （4）CH3COOH中C原子轨道杂化类型为__________。 【答案】（1）角形　sp3　（2）sp　（3）角形　sp3　（4）sp3、sp2 【解析】（1）X射线衍射测定等发现，I3AsF6中存在I离子。I离子的价层电子对数为2＋＝4，由于中心原子只形成2个共价键，故其有2个孤电子对，故其空间结构为角形，中心原子的杂化类型为sp3。（2）CS2分子中，C原子价层电子对数为2＋＝2，中心原子没有孤电子对，故其杂化轨道类型是sp。（3）OF2分子的中心原子的价层电子对数为2＋＝4，中心原子还有2个孤电子对，故其分子的空间结构为角形，其中氧原子的杂化方式为sp3。（4）CH3COOH中C原子有两种，甲基中的碳原子与相邻原子形成4个共用电子对、没有孤电子对，故其轨道杂化类型为sp3；羧基中的碳原子与氧原子形成双键，还分别与甲基上的碳原子、羟基中的氧原子各形成1个共用电子对，没有孤电子对，故其轨道杂化类型为sp2。 18．青蒿素(C12H22O5)是治疗疟疾的有效药物，白色针状晶体，溶于乙醇和乙醚，对热不稳定。青蒿素晶胞(长方体，含4个青蒿素分子)及分子结构如下图所示。 （1）提取青蒿素：在浸取、蒸馏过程中，发现用沸点比乙醇低的乙醚(C2H5OC2H5)提取，效果更好。 ①乙醚沸点低于乙醇，原因是 。 ②用乙醚提取效果更好，原因是 。 （2）确定结构 ①青蒿素分子中含有 个不对称碳原子。 ②能确定晶体中哪些原子间存在化学键、并能确定键长和键角，从而得出分子空间结构的一种方法是 。 a．质谱法    b．X射线衍射    c．核磁共振氢谱    d．红外光谱 （3）修饰结构，提高疗效：一定条件下，用将青蒿素选择性还原生成双氢青蒿素。 ①双氢青蒿素分子中碳原子的杂化方式为 。 ②1 mol BH4-中有 mol σ键，BH4-的空间结构为 。 ③比较水溶性：双氢青蒿素 (填“”)青蒿素。 【答案】（1） 乙醇分子间能形成氢键 乙醚沸点低，蒸馏时所需温度低，青蒿素不易分解 （2） 7 b （3） sp3 4 四面体 > 【解析】（1）①能形成分子间氢键的物质熔沸点较高，乙醇能形成分子间氢键、乙醚不能形成分子间氢键，所以乙醚的沸点低于乙醇。②青蒿素对热不稳定，乙醚沸点比乙醇低，蒸馏时所需温度低，青蒿素不易分解，所以用乙醚提纯效果较好。（2）①手性碳原子是连有四个不同基团的碳原子；青蒿素分子中含有7个不对称碳原子。②一般用质谱法测定有机物的相对分子质量，用红外光谱得到分子中含有的化学键或官能团信息；核磁共振氢谱可以测定不同环境的氢；测定分子空间结构最普遍的方法X射线衍射，X射线衍射可以观测微观结构，测定晶体的晶胞参数；故能确定晶体中哪些原子间存在化学键、并能确定键长和键角，从而得出分子空间结构的一种方法是b．X射线衍射；（3）①双氢青蒿素分子中碳原子均为饱和碳原子，杂化方式为sp3。②单键均为σ键，双键中含有1个σ键1个π键，1 mol BH4-中有41 mol BH4-σ键，BH4-中B形成4个共价键，杂化方式为sp3，空间结构为四面体。③双氢青蒿素含有羟基，能和水分子形成氢键，故双氢青蒿素>青蒿素。 拓展培优 19．铜在我国有色金属材料的消费中仅次于铝，广泛地应用于电气、机械制造、国防等领域。回答下列问题： （1）用晶体的X射线衍射法可以测得阿伏加德罗常数。对金属铜的测定得到以下结果：晶胞为面心立方最密堆积，边长为361 pm。又知铜的密度为9．00 g·cm－3，阿伏加德罗常数为________[已知Ar(Cu)＝63．6]； （2）氯化钾与不同价态的铜可生成两种化合物，这两种化合物都可用于催化乙炔聚合，其阴离子均为无限长链结构(如图)，a位置上Cl原子的杂化轨道类型为________。已知其中一种化合物的化学式为KCuCl3，另一种的化学式为__________； （3）金属铜单独与氨水或单独与过氧化氢都不能反应，但可与氨水和过氧化氢的混合溶液反应，其原因是__________，反应的化学方程式为__________。 【答案】（1）6．01×1023 mol－1 （2）sp3 K2CuCl3 （3）过氧化氢为氧化剂，氨与Cu2＋形成配离子，两者相互促进使反应进行 Cu＋H2O2＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋＋2OH－ 【解析】（1）设面心立方晶胞的边长为a，则晶胞的体积为a3，每个晶胞中有四个原子，则这四个原子的质量为4M/NA(M为该原子的相对原子质量)，所以晶体密度为ρ＝。将ρ＝9．00 g·cm－3，a＝361 pm，M＝63．6，代入上式可以计算NA≈6．01×1023 mol－1。（2）a位置上Cl原子形成2个单键，含有2对孤电子对，杂化轨道数为4，杂化轨道类型为sp3。一种化合物的化学式为KCuCl3，其中铜元素为＋2价，故另一种化合物中铜为＋1价，阴离子构成与[CuCl3]－一样，但因为Cu为＋1价，所以应该为[CuCl3]2－，其化学式为K2CuCl3。（3）氨水、过氧化氢和铜单独不反应，而同时混合能反应，说明两者能互相促进反应，是两种物质共同作用的结果：其中过氧化氢为氧化剂，氨与Cu2＋形成配离子，两者相互促进使反应进行，方程式可表示为Cu＋H2O2＋4NH3===[Cu(NH3)4]2＋＋2OH－。 20．某钙钛型复合氧化物(如图)，以A原子为晶胞的顶点，A位可以是Ca、Sr、Ba或Pb，当B位是V、Cr、Mn、Fe时，这种化合物的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化(巨磁电阻效应)。 （1）用A、B、O表示这类特殊晶体的化学式______________。 在图中，与A原子配位的氧原子数目为_________________。 （2）基态Cr原子的核外电子排布式为____________________。 其中电子的运动状态有________种。 （3）某些钙钛型复合氧化物能够催化NO直接分解为N2和O2 ，N和O的基态原子中，未成对的电子数目比为__________。 （4）如表是几种碳酸盐的热分解温度和阳离子半径： 碳酸盐 CaCO3 SrCO3 BaCO3 热分解温度/℃ 900 1 172 1 360 阳离子半径/pm 99 112 135 请解释碳酸钙热分解温度最低的原因： __________________________________。 （5）用晶体的X射线衍射法可以测得阿伏加德罗常数。对金属钙的测定得到以下结果：晶胞为面心立方最密堆积，边长为a pm，阿伏加德罗常数的值为NA，金属钙的密度为_________g·cm－3(用含a和NA的式子表示)。 【答案】（1）ABO3　12 （2）1s22s22p63s23p63d54s1 24 （3）3∶2 （4）碳酸盐的热分解是由于晶体中的阳离子结合碳酸根中的氧离子，使碳酸根分解为二氧化碳分子的结果。钙离子由于半径小和氧离子结合更为容易，氧化钙晶格能大，所以碳酸钙分解温度低 （5）1.6×1032/(NA·a3) 【解析】（1）A位于顶点，B位于体心，O位于面心，则晶胞中A的个数为8×1/8＝1，B的个数为1，O的个数为6×1/2＝3，所以化学式为ABO3。晶胞中与A最近的氧原子位于同一平面内的面心，每个晶胞中有3/2个氧与A距离最近，而A为8个晶胞共有，则与A原子配位的氧原子数目为8×3/2 ＝12。（2）铬元素为24号，原子核外有24个电子，所以电子排布为1s22s22p63s23p63d54s1；每个电子的运动状态都不同，所以有24种不同的电子运动状态。（3）氮原子和氧原子的价电子排布分别为2s22p3，2s22p4，则未成对的电子数目比为3∶2。（4）从表格中得出，这些物质的阴离子是相同的，均为碳酸根，阳离子的半径越大，分解温度越高，碳酸盐的热分解是由于晶体中的阳离子结合碳酸根中的氧离子，使碳酸根分解为二氧化碳分子的结果。钙离子由于半径小和氧离子结合更为容易，氧化钙晶格能大，所以碳酸钙分解温度低。（5）钙的晶胞为面心立方最密堆积，则晶胞中含有钙的数目为4，晶胞的体积为(a×10－10)3cm3，则密度＝＝1．6×1032/(NA·a3)。 21．我国科学家屠呦呦因发现青蒿素(一种用于治疗疟疾的药物)而获得诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素(C15H22O5)的结构如图所示。请回答下列问题： （1）组成青蒿素的三种元素电负性由大到小的顺序是________，基态O原子核外存在________对自旋方向相反的电子。 （2）下列关于青蒿素的说法正确的是_________ (填字母)。 A．青蒿素中既存在极性键又存在非极性键 B．在青蒿素分子中，所有碳原子均处于同一平面 C．图中数字标识的五个碳原子均只以σ键与其他原子相连 （3）在确定青蒿素结构的过程中，可采用NaBH4作为还原剂，其制备方法为4NaH+B(OCH3)3NaBH4+3CH3ONa。 ①NaH为________晶体，NaH的晶胞结构如图，则NaH晶体的配位数是　　　　，若晶胞棱长为a，则Na原子间最小核间距为________。 ②B(OCH3)3中B采用的杂化类型是_________；写出两个与B(OCH3)3具有相同空间结构的分子或离子：________。 ③NaBH4结构如图所示，结构中存在的作用力有________ 【答案】（1）O>C>H 3 （2）a （3）①离子 6 a ②sp2 SO3、CO32- ③离子键、配位键、共价键 【解析】（1）组成青蒿素的三种元素为H、C、O，根据元素的非金属性越强，电负性越强可知，非金属性：O>C>H，则H、C、O三种元素的电负性由大到小的顺序是O>C>H；在基态O原子中，核外有8个电子，其中有3个轨道有成对电子，则核外存在3对自旋方向相反的电子。（2）青蒿素中O—O键、C—C键为非极性键，C—O键、C—H键为极性键，a项正确；含有饱和碳原子，具有烷烃的结构，则所有碳原子不处于同一平面，b项错误；C=O键含有π键，c项错误。（3）①NaH为离子晶体，NaH晶体中每个Na周围有6个H，若晶胞棱长为a，则Na原子间最小核间距为a。②B(OCH3)3中B与3个O原子成键，为sp2杂化，B(OCH3)3的空间结构为平面三角形，与B(OCH3)3具有相同空间结构的分子或离子有SO3、C。③B原子核最外层有3个电子，NaBH4中存在离子键、配位键和共价键。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $