資源簡介

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第一章 揭示物質結構的奧秘
學習目標
1.能從物質的微觀結構出發解釋或預測物質的宏觀性質。
2．認識物質結構研究的兩種范式及其相互關系。
3．能舉例說明科學假說和論證、實驗方法、模型方法等在物質結構研究中所起的重要作用。
一、物質結構研究的內容
1、認識物質的特征結構
e-
Na
Cl
鈉原子在化學反應中容易失去最外電子層上的1個電子，形成帶1個單位正電荷的陽離子(Na+)，鈉元素表現出強的金屬性；
氯原子最外層上有7個電子，不容易失去，在化學反應中傾向于獲得1個電子，形成帶1個單位負電荷的陰離子(Cl－)，氯元素表現出強的非金屬性。
一、物質結構研究的內容
在化學反應中，鈉原子和氯原子通過電子的轉移，分別形成穩定結構的鈉離子和氯離子，再通過靜電作用力生成氯化鈉。
一、物質結構研究的內容
其本質就是研究從一種結構（反應物）如何轉變為另一種新的結構（生成物）
斷裂
生成
一、物質結構研究的內容
白磷晶體是由白磷分子（P4）組成的分子晶體，分子呈正四面體結構，分子中P—P鍵鍵長是221 pm，鍵角∠PPP是60°。因其中的P—P鍵彎曲而具有較大的張力，其鍵能較小，易斷裂，所以白磷在常溫、常壓下就有很高的反應活性。
紅磷的鏈狀結構比較穩定，室溫下不與氧氣反應。
磷的同素異形體
2、揭示物質結構與性質的關系
碳的同素異形體
一、物質結構研究的內容
結構 性質
金剛石 碳原子間結合牢固 是自然界中天然存在的最硬的物質，可用于切割玻璃、金屬
木炭 碳原子不規則結合 —
富勒烯 碳原子結合形狀呈中空足球狀 中空部位可以填入其他原子或分子
碳納米管 中空管狀 強度高，彈性佳
石墨 碳原子之間形成六邊形網狀結構并層層重疊 層與層之間引力微弱，可以滑動，常用作潤滑劑
一、物質結構研究的內容
典例解析
例1．意大利羅馬大學的Fulvio Cacace等人獲得了極具理論研究意義的N4分子。N4分子結構如圖所示，下列說法正確的是(　　)
C
A．N4屬于一種新型的化合物B．N4的摩爾質量為56C．N4與N2互為同素異形體D．N4轉化為N2屬于物理變化
二、物質結構研究的范式與方法
1、物質結構研究的范式
歸納范式
演繹范式
物質結構研究的范式
由個別到一般
由一般到個別
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。
二、物質結構研究的范式與方法
其過程為“由個別到一般”。
1、歸納范式
二、物質結構研究的范式與方法
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。
核外電子排布規律的歸納
有機物通式的歸納
有機物通性的歸納
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。
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。
歸納范式的應用
二、物質結構研究的范式與方法
2、演繹范式
其過程通常為“從一般到個別”，
從理論到新的事實。
從屬于此結論的要素1
從屬于此結論的要素3
從屬于此結論的要素2
某個一般結論
二、物質結構研究的范式與方法
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。
預測物質具有的性質
利用元素理論發現新元素
相似相溶規則
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）
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。
演繹范式的應用
二、物質結構研究的范式與方法
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。
2、物質結構研究的方法
二、物質結構研究的范式與方法
1、科學假設和論證
科學假設和論證研究過程流程圖
二、物質結構研究的范式與方法
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。
二、物質結構研究的范式與方法
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。
二、物質結構研究的范式與方法
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
微觀結構模型
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；
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。
二、物質結構研究的范式與方法
原子結構模型的演變
二、物質結構研究的范式與方法
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。
模型抽取了物質原型的關鍵要素，是對原型的簡化。
典例解析
B
例1、下列有關物質結構研究的范式說法正確的是(　　)A．由乙烯的性質推斷丙烯的性質是歸納范式B．歸納范式和演繹范式是相輔相成的C．假說都是不科學的D．歸納的結果一定是正確的，不需要驗證
課堂小結
物質結構研究的內容
物質結構研究的范式與方法
不良反應
認識物質的特征結構
揭示物質結構與性質的關系
物質結構研究的范式
歸納范式 演繹范式
物質結構研究的方法
科學假設和論證
實驗方法
模型方法
隨堂練習
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的關系通式為CnH3n，則苯的同系物中碳原子數跟鍵數的關系通式為(　　)A．CnH3n－1 B．CnH3n－2C．CnH3n－3 D．CnH3n－4
C
隨堂練習
2.自從1803年英國化學家、物理學家道爾頓提出原子假說以來，人類對原子結構的研究不斷深入、不斷發展，通過實驗事實不斷地豐富、完善原子結構理論。請判斷下列關于原子結構的說法不正確的是(　　)A．所有的原子中的質子、電子兩種微粒的個數都是相等的B．所有的原子都含有質子、中子和電子三種基本構成微粒C．不同原子含有的質子數有可能相同D．不同原子含有的中子數有可能相同
B
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