資源簡介

1.3物質結構研究的意義
一、核心素養發展目標
1.認識物質結構研究對各種性能的新物質發現、設計與合成的重要意義；
2.感受物質結構的研究對推動人類文明作出的巨大貢獻；
3.建立“物質結構的探索無止境”的觀念，形成探索未知、崇尚真理的意識。
二、教學重點及難點
重點 物質結構研究對各種性能的新物質發現、設計與合成的重要意義；
難點 物質結構研究對各種性能的新物質發現、設計與合成的重要意義。
三、教學方法
講授法、討論法
四、教學工具
PPT、視頻
五、教學過程
【導入】為什么要研究物質結構
【展示】為什么要研究物質結構的視頻。
【講述】科學家運用化學研究的不同范式和方法，借助現代儀器與手段對物質結構進行不斷地探索，揭示了物質結構的內在特點，設計與合成了大量的新物質，極大地推動了人類社會生產與生活的發展。人類對于物質結構的探索步伐永不會停歇。
一、促進了化學科學的發展
【講述】化學科學的發展離不開對物質結構的探索和研究。
【問】閱讀教材P14-15頁內容，舉例闡述物質結構的探索和研究如何促進了化學的發展？
【生】1、1811年，意大利科學家阿伏加德羅在總結氣體參加化學反應時體積變化的基礎上，提出了分子的概念，認為氣體分子可以由幾個原子組成。
2、1860年，國際化學界接受了50年前阿伏加德羅提出的分子假說，確立了“原子—分子論”即不同元素代表不同原子，原子按一定方式結合成分子，分子組成物質，分子的結構直接決定分子的性質。
俄國化學家門捷列夫又把似乎互不相干的化學元素，按照相對原子質量的變化聯系起來，發現了自然界的重要規律——元素周期律，從而把化學元素及其相關知識納入一個自然序列變化的規律之中，有助于從理論上指導化學元素的發現和應用。
到20世紀40年代，人們已經發現了自然界中存在92種化學元素。與此同時，人們又開始用粒子高能加速器來人工制造化學元素。
3、9世紀中葉，對有機化合物的認識也取得了重大進展。碳原子的四價、有機物中碳原子成鍵的立體結構、有機化合物分子中價鍵的飽和性等相繼被發現，有機合成在一定程度上已可以做到“按圖索驥”，而用不著單憑經驗摸索了。這些進展為有機立體化學的發展奠定了基礎，對有機化學的進一步發展意義重大。
4、從1900年至今，通過化學合成和分離手段得到的新物質的數量急劇增加。合成或從自然界分離出更多的新物質，能更好地滿足人類的生活和社會可持續發展的需要。2003年達到4 500萬種，2015年突破1億，到2018年高達1.4億種。
【展示】1900-2017年化學合成和分離得到的新物質種類
5、研究物質結構，能夠為設計與合成新物質提供理論基礎，也可以幫助我們預測物質的性能。
例如，物質結構理論和方法是研究材料結構與性能關系的重要工具，有助于信息材料、納米材料、新型合金、超導材料、可降解高分子材料等諸多新型材料的開發、研制和應用。
【展示】部分新型材料圖片。
二、物質結構的探索無止境
【講述】探尋人類和其他生物生命運動的化學機理，無疑是21世紀化學科學亟待解決的重大課題之一。
20世紀經典生物學的最大突破是在分子水平上探索生命現象的本質，這一過程也離不開對物質結構的研究。到2017年，在已頒發的106次諾貝爾化學獎中，獲獎最多的屬于生物化學領域，高達50次。這些工作絕大多數與物質結構鑒定有關。
【展示】2009-2017諾貝爾化學獎分布統計數據。
【問】閱讀教材P16頁內容，總結哪些研究需要物質結構理論與分析測試技術的支持？
【生】1、研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機理，有助于進行手性生物分子和手性藥物的開發，特別是人類亟待解決的抗癌藥物的設計、制備和篩選，以及合成一大批高效、無
毒副作用的藥物；
2、搞清楚食草動物胃內的酶是如何把植物纖維分解為小分子的，為充分利用自然界豐富的植物纖維資源打下基礎；
3、合成具有生物活性和生理活性的分子，可幫助人類揭示生命的奧秘；
4、了解活體內信息分子的運動規律和生理調控的化學機理，創造“新陳代謝”的目標就能得以實現。
【講述】
量子化學是結構化學最重要的理論基礎，結構化學是量子化學最直接的實驗基礎和推動力量?；瘜W家利用化學反應實現物質轉化，制備人類生活和生產所需要的物質，需要回答一系列與化學鍵相關的問題：兩個或多個分子之間能否發生化學反應？能否生成預期的分子？需要什么催化劑才能在溫和條件下進行反應？如何在理論指導下控制化學反應？如何預測化學反應的速率？如何確定化學反應的途徑？等等。這就要求化學家建立精確有效而又普遍適用的化學反應的量子力學理論。
【講述】物質結構研究對于保護生態環境、實現社會的可持續發展亦具有重大意義。
【展示】各種功能的催化材料圖片
【講述】綠色合成方法的設計和實施，合成具有高活性和選擇性的催化劑，都依賴于對物質轉化規律、催化劑結構和催化機理的研究。環境的改善，將進一步提高人類的生活質量，促進社會的可持續發展。
在過去的100多年里，化學作為一門中心的、實用的、創造性的科學，已經為人類認識物質世界和人類文明的進步作出巨大貢獻。
化學創立了研究物質結構的理論、方法和實驗手段，初步揭示了物質的結構和性能之間的關系和規律，為設計具有各種特殊功能的新物質提供了有效的方法和手段。
對物質結構的進一步研究，將會使明天的世界變得更加絢麗多彩。
【課堂小結】師生一起回顧和總結。
物質結構研究的意義
促進了化學科學的發展
物質結構的探索無止境
【課堂練習】
1、化學與材料科學息息相關，從一定意義上講，材料是科學技術的先導，沒有新材料的發展，就不可能使新的科學技術成為生產力。下列有關材料的說法不正確的是(　　)
A. 材料是為人類社會所需要并能用于制造有用器物的物質
B. 人類使用和制造材料有悠久的歷史，制造出的第一種材料是陶
C. 由于空氣的劇烈摩擦，飛機尖端的溫度較高，故航天飛機的保護層可以采用鎂鋁合金
D. 高分子分離膜是具有傳統高分子材料的機械性能，又具有特殊分離功能的功能高分子材料制成的薄膜
答案：C
2、Zewail創立的飛秒(1fs＝10－15 s)化學研究了極短時間內的反應歷程，巧妙地解決了如何確定反應起點問題。例如HI與CO2的反應過程片段為：
H＋OCO→HOCO HO＋CO。下列有關說法正確的是(　　)
A. 中間產物HOCO屬于有機化合物
B. 反應起點為HI離解為H和I自由基，終點為HO自由基與I自由基結合
C. HOCO經1 000 fs離解為HO自由基和CO，說明HI與CO2的反應速率極快
D. 飛秒化學展現的反應歷程不能為“化學反應實質是舊鍵斷裂和新鍵形成”提供有力證據
答案：B
3、為了進一步提高合成氨的生產效益，科研中最有開發價值的是(　　)
A. 尋求H2的新來源
B. 研制耐高溫高壓的新材料合成塔
C. 研制低溫下活性較大的催化劑
D. 研制高溫下活性較大的催化劑
答案：C

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