資源簡介

1.2物質結構研究的范式與方法
一、核心素養發展目標
1.認識物質結構研究的范式與方法；
2.初步學會從宏觀辨識、微觀辨析、證據推理與模型認知等角度解決化學問題。
二、教學重點及難點
重點 物質結構研究的范式與方法；
難點 物質結構研究的范式與方法。
三、教學方法
講授法、討論法
四、教學工具
PPT
五、教學過程
【導入】
確定研究對象后，需要運用一定的范式與方法開展研究。根據分類依據的不同，物質結構研究的范式與方法各異。從研究范式上看，可分為歸納法和演繹法兩種。從研究方法上看，可分為實驗方法、模型方法和假說方法等。認識和掌握這些研究范式和方法，對我們研究物質結構具有極為重要的指導意義。
一、物質結構研究的范式
【講述】物質結構研究有兩種常見的范式，一是歸納范式，二是演繹范式。
歸納范式和演繹范式作為一對普遍適用的邏輯方法，在化學研究中得到了廣泛應用。兩者不是孤立使用的，在實際研究中常常融合在一起。
【講述】歸納范式，其過程為“由個別到一般”。具體而言，根據事實進行概括歸納，抽象出
共同點，上升為本質規律。
【展示】歸納范式的應用
【講述】
1、有機物通式的歸納：
從甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）等的分子式中歸納出了飽和烷烴的碳鏈結構，寫出其通式為CnH2n+2。
核外電子排布規律的歸納：
通過書寫1～20號元素的原子核外電子排布來認識前20號元素對應原子結構的不同，從中歸納出元素核外電子排布的規律，并從結構上解釋了元素化合價規律性變化的原因。
有機物通性的歸納
研究含有雙鍵和三鍵的不飽和烴時，大量的實驗發現這類物質容易發生加成反應和氧化反應，結構特征分析也發現不飽和鍵具有不穩定的性質，最后根據結構與性質的關系歸納得出這類有機物的通性。
【講述】演繹范式，其過程通常為“從一般到個別”。具體而言，它是從某個一般結論出發，
向從屬于這一結論的多個要素進行推理的過程。
【展示】演繹范式的應用
【講述】1、利用元素理論發現新元素：
門捷列夫建立了元素周期表，為人們提供了元素間聯系的一般理論。在元素理論的指導下，人們于1875年發現了“類鋁”（鎵），1879年發現了“類硼”（鉈），1886年發現了“類硅”（鍺）。
2、預測物質具有的性質
根據鈉原子最外電子層上1個電子極易失去表現出強還原性的特點，可以推出同族半徑更大的鉀、銣、銫元素具有更強的還原性的結論。
3、相似相溶規則
水是極性較強的分子，水分子之間存在較強的氫鍵，水分子既可為生成氫鍵提供H，又有孤電子對接受H。因此，從分子的結構可以推知，凡能為生成氫鍵提供和接受H的溶質分子，極性與水相似，如ROH、RCOOH等，均可通過氫鍵和水結合，在水中溶解度較大；碳氫化合物極性較小，也難以和水形成氫鍵，在水中溶解度很小。
二、物質結構研究的方法
【講述】在物質結構的研究中，除借助科學儀器等物質手段，還需要借助化學研究的方法。常用的化學研究方法有實驗、科學假說和模型建構等方法。
陰極射線的發現、α粒子散射實驗、氫原子光譜的發現和研究，對揭示原子內部結構的奧秘具有極為重要的作用。道爾頓、湯姆生、盧瑟福、玻爾等人提出的原子結構模型對人類探索物質結構作出了巨大貢獻。
【講述】1、科學假設和論證
科學家研究問題的第一步是觀察，運用感官觀察物質的宏觀表現。在觀察的基礎上，科學家提出假設，即根據已有知識，對所研究的事物或現象作出初步的解釋。它是人們關于某一事物或現象的一種理性推測。
【問】閱讀教材內容，舉例科學假設和論證方法的使用？
【生】1825年，英國科學家法拉第首先發現了苯，但如何確定其結構成為化學家的難題。
德國化學家凱庫勒經過大量猜想假設，于1865年提出了苯的六元環結構，再經過后人的驗證，最終形成了大家所熟悉的凱庫勒式。
【展示】科學假設和論證研究過程流程圖
【講述】2、實驗方法
化學是一門以實驗為基礎的學科，人們往往需要借助實驗觀測的事實對假設的正確與否進行檢驗。為了進一步了解原子的內部結構，往往需要依賴新的實驗方法。
盧瑟福的α粒子散射實驗，啟迪人們開始用轟擊和對撞的實驗來研究物質的內部結構，為我們提供了一種研究物質微觀結構的思想方法。
20世紀20年代，量子力學為化學研究提供了分析原子和分子結構的理論基礎，極大地推進了物質結構的研究，包括物質結構研究的實驗方法和實驗技術，均取得很大的進步。
【展示】先進大型實驗設備
17世紀發明的光學顯微鏡，雖然不能觀察分子層次的物質結構，但為研究物質結構提供了非常重要的思想方法。到20世紀中后期，掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等一系列研究分子結構的儀器問世，各種光譜和晶體X射線衍射實驗方法應用于研究原子、分子和晶體結構，使得原子和分子的微觀世界不斷被揭示。通過這些儀器與手段所獲得的信息，為建立物質結構模型和相關理論提供了堅實的支撐。
【講述】3、模型方法
科學家需要運用一定的邏輯推理與模型思維對實驗結果進行處理。模型既可以是對原型的簡化和純化、抽象和近似，也可以是結合某種理論形態下建立的思維模型。
實物模型：有利于人們對事物作出整體認識，如汽車模型、飛機模型和建筑模型等，都是可觀察到的物體的宏觀模型；
微觀結構模型：物質的微觀層次結構，難以直接觀察到，需要通過思維加工使抽象的微觀世界以可視化的形式展現出來。
【展示】原子結構模型的演變
【講述】模型抽取了物質原型的關鍵要素，是對原型的簡化。
利用模型深刻地認識物質的微觀結構特點，揭示結構與性質的關系，是模型研究的重要功能。
【課堂小結】師生一起回顧和總結。
物質結構研究的范式和方法
歸納范式，演繹范式
科學假設和論證、實驗方法、模型方法
【課堂練習】
1、化學工作者把烷烴、烯烴、環烷烴、炔烴……的通式轉化成鍵數的通式，給研究有機物分子中鍵能大小的規律帶來了很大的方便。烷烴中碳原子數跟鍵數的關系通式為CnH3n＋1，烯烴(視雙鍵為兩條單鍵)、環烷烴中碳原子數跟鍵數關系通式為CnH3n，則苯的同系物中碳原子數跟鍵數關系通式為(　　)
A. CnH3n－1 B. CnH3n－2 C. CnH3n－3 D. CnH3n－4
答案：C
2、某同學想利用所學的知識去探究SO2的性質，設計了如下研究程序，合理的是(　)
A. 觀察(得出SO2的物理性質)→分類(預測SO2的化學性質)→實驗(觀察實驗現象、驗證預測)→比較并得出結論，對于異常現象再預測，再實驗，再驗證
B. 分類(預測SO2的化學性質)→觀察(得出SO2的物理性質)→實驗→比較并得出結論
C. 觀察(得出SO2的物理性質)→實驗→分類(預測SO2的化學性質)→比較并得出結論
D. 實驗→分類(預測SO2的化學性質)→觀察(得出SO2的物理性質)→比較并得出結論
答案：A
3、類推的思維方式在化學學習與研究中經常采用。以下類推的結論正確的是(　　)
A. Al與氫氧化鈉溶液反應，故Mg也可以
B. 金剛石的硬度大，則C60的硬度也大
C. CO2與SiO2化學式相似，則CO2與SiO2的物理性質也相似
D. Na常溫下與水劇烈反應，故K常溫下也能與水劇烈反應
答案：D

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