資源簡介

微項(xiàng)目　青蒿素分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定
——晶體在分子結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用
［核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)］　1.了解測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的一般思路與方法，認(rèn)識(shí)晶體對(duì)于分子結(jié)構(gòu)測(cè)定的獨(dú)特意義。2.知道利用晶體X射線衍射能夠測(cè)定原子坐標(biāo)進(jìn)而確定分子的空間結(jié)構(gòu)，是測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的重要手段。3.體會(huì)分子結(jié)構(gòu)測(cè)定對(duì)于建立與優(yōu)化物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論模型，認(rèn)識(shí)、解釋和預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)具有重要價(jià)值。
【項(xiàng)目活動(dòng)1】　了解利用晶體測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的意義
1.閱讀教材對(duì)于青蒿素的測(cè)定，填寫下表：
測(cè)定方法 獲得的分子組成和結(jié)構(gòu)的信息
2.借助晶體測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的方法
測(cè)定分子空間結(jié)構(gòu)最普遍的方法是晶體的　　　　　　，利用數(shù)學(xué)和物理知識(shí)對(duì)衍射所得圖像進(jìn)行復(fù)雜處理，可以測(cè)定晶體的　　　　　(用于描述晶胞大小和形狀的數(shù)據(jù))，推算得到晶胞中所有原子的　　　　，從而計(jì)算出　　　　　　，判斷哪些原子間存在化學(xué)鍵以及化學(xué)鍵的類型，確定分子的空間結(jié)構(gòu)。
【思考·討論】
1.為什么用一般的方法無法精確地測(cè)定青蒿素的分子結(jié)構(gòu)？
2.晶體對(duì)于測(cè)定分子結(jié)構(gòu)有什么意義？
【項(xiàng)目活動(dòng)2】　借助原子位置確定分子空間結(jié)構(gòu)
1.利用晶體X射線衍射確定分子結(jié)構(gòu)的基本思路
確定　　　　 識(shí)別　　　　 建立　　　　 確定　　　　 獲得　　　　　。
2.動(dòng)手實(shí)踐
(1)依據(jù)青蒿素晶體中碳、氧原子坐標(biāo)，搭建出青蒿素分子中的碳、氧原子在三維空間中的位置。
(2)確定青蒿素分子中碳、氧原子的連接關(guān)系及成鍵類型，用竹簽將青蒿素中的成鍵原子連接起來，獲得青蒿素的大致分子骨架。
(3)確定各碳、氧原子連接的氫原子數(shù)目，并將相應(yīng)數(shù)目的氫原子連接在所搭模型相應(yīng)的原子上。
3.分享心得體會(huì)
展示匯報(bào)所搭建的青蒿素分子結(jié)構(gòu)模型，并與同學(xué)分享搭建過程的體會(huì)與收獲。
不同原子軌道能量高低的關(guān)系
用晶體X射線衍射技術(shù)測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本思路
1.我國科學(xué)家屠呦呦因發(fā)現(xiàn)植物黃花蒿葉中含抗瘧疾的物質(zhì)——青蒿素，而榮獲2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?？茖W(xué)家對(duì)青蒿素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步改良，合成藥效更佳的雙氫青蒿素、蒿甲醚。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A.利用黃花蒿葉研究青蒿素結(jié)構(gòu)的基本步驟為分離、提純→元素分析確定實(shí)驗(yàn)式→測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量確定分子式→波譜分析確定結(jié)構(gòu)式
B.①②的反應(yīng)類型分別為還原反應(yīng)、取代反應(yīng)
C.雙氫青蒿素在水中的溶解度大于青蒿素
D.可用質(zhì)譜法確定分子中含有何種官能團(tuán)
2.下列分子結(jié)構(gòu)測(cè)定的方法中，能確定相對(duì)分子質(zhì)量的是　　　　(填字母，下同)，能確定分子中官能團(tuán)的是　　　　，能確定原子的化學(xué)環(huán)境和數(shù)量的是　　　　，能確定分子空間結(jié)構(gòu)的是　　　　。
a.晶體的X射線衍射 b.質(zhì)譜法
c.核磁共振法 d.紅外光譜法
3.(1)(2023·廣東茂名期中)青蒿素晶胞(長方體，含4個(gè)青蒿素分子)及分子結(jié)構(gòu)如圖所示：
①用X射線衍射測(cè)定分子的空間結(jié)構(gòu)。測(cè)量晶胞各處電子云密度大小，可確定原子的位置、種類。比較青蒿素分子中的C、H、O原子核附近的電子云密度大?。骸　　　?。
②測(cè)出青蒿素晶體的晶胞是長方體，三條棱長分別為a nm、b nm、c nm，棱的夾角都是90°，晶體的密度為　　　
g·cm-3(用NA表示阿伏加德羅常數(shù)的值；1 nm=10-9 m)。
(2)NiO為NaCl型晶體，晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。將其在氧氣中加熱，部分Ni2+變?yōu)镹i3+，晶體組成變?yōu)镹ixO(x<1)，測(cè)得其密度為6.47 g·cm-3。X射線衍射實(shí)驗(yàn)表明晶體仍為NaCl型結(jié)構(gòu)，同時(shí)測(cè)得晶胞邊長為0.416 nm。
①NixO中x的值為　　　　。
②晶體中Ni—Ni最短距離是　　　　nm。
(3)MgO具有NaCl型結(jié)構(gòu)(如圖，其中陰離子采用面心立方最密堆積方式)，X射線衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)得MgO的晶胞參數(shù)為a=0.420 nm，則r(O2-)為　　　　nm。MnO也屬于 NaCl型結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)為a'=0.448 nm，則r(Mn2+)為　　　　nm。
(4)某科學(xué)工作者通過X射線衍射分析推測(cè)膽礬中既含有配位鍵，又含有氫鍵，其結(jié)構(gòu)可能如圖所示，其中配位鍵和氫鍵均用虛線表示。
寫出圖中水合銅離子的結(jié)構(gòu)簡式(必須將配位鍵表示出來)：　　　　　　　　　。
答案精析
【項(xiàng)目活動(dòng)1】
1.質(zhì)譜法　相對(duì)分子質(zhì)量　元素分析法　結(jié)合相對(duì)分子質(zhì)量確定分子式　紅外光譜實(shí)驗(yàn)　確定含有何種化學(xué)鍵和官能團(tuán)　核磁共振譜圖　碳、氫原子的種類和數(shù)量　晶體X射線衍射　確定分子結(jié)構(gòu)
2.X射線衍射　晶胞參數(shù)　坐標(biāo)　原子間的距離
【思考·討論】
1.一般的測(cè)定方法只能幫助我們認(rèn)識(shí)分子的官能團(tuán)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并借此推測(cè)分子的結(jié)構(gòu)，但對(duì)于所含原子數(shù)較多的分子來說，難以精準(zhǔn)判斷其空間結(jié)構(gòu)。
2.利用晶體的X射線衍射，結(jié)合物理和數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)衍射所得圖像進(jìn)行復(fù)雜處理，可以測(cè)定晶體的晶胞參數(shù)，推算得到晶胞中所有原子的坐標(biāo)，從而計(jì)算出原子間的距離，判斷出原子間存在的化學(xué)鍵及其類型，確定分子的空間結(jié)構(gòu)。
【項(xiàng)目活動(dòng)2】
1.晶胞參數(shù)　原子位置　原子坐標(biāo)　分子骨架　完整結(jié)構(gòu)
跟蹤訓(xùn)練
1.D　［反應(yīng)①中CO鍵變成C—O鍵，為還原反應(yīng)，反應(yīng)②中醇羥基變?yōu)槊焰I，為取代反應(yīng)，B項(xiàng)正確；雙氫青蒿素分子中含有羥基，可與水分子形成氫鍵，在水中的溶解度較大，C項(xiàng)正確；質(zhì)譜法用于確定有機(jī)物的相對(duì)分子質(zhì)量，確定分子中含有何種官能團(tuán)應(yīng)該采用紅外光譜，D項(xiàng)錯(cuò)誤。］
2.b　d　c　a
3.(1)①O>C>H?、?br/>(2)①0.92?、?.294　(3)0.148　0.076
(4)
解析　(2)①NixO為NaCl型晶體，則其密度為6.47 g·cm-3=，其中a=0.416 nm，可得M≈70 g·mol-1，則59×x+16=70，x≈0.92。②由于NixO晶體晶胞結(jié)構(gòu)為NaCl型，所以晶胞中兩個(gè)Ni原子之間的最短距離為晶胞面對(duì)角線長的，由晶胞邊長可得晶胞面對(duì)角線長為×0.416 nm，則晶胞中Ni—Ni的最短距離約為0.294 nm。(共20張PPT)
第3章　
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青蒿素分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定
——晶體在分子結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用
微項(xiàng)目
核心素養(yǎng)
發(fā)展目標(biāo)
1.了解測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的一般思路與方法，認(rèn)識(shí)晶體對(duì)于分子結(jié)構(gòu)測(cè)定的獨(dú)特意義。
2.知道利用晶體X射線衍射能夠測(cè)定原子坐標(biāo)進(jìn)而確定分子的空間結(jié)構(gòu)，是測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的重要手段。
3.體會(huì)分子結(jié)構(gòu)測(cè)定對(duì)于建立與優(yōu)化物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論模型，認(rèn)識(shí)、解釋和預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)具有重要價(jià)值。
【項(xiàng)目活動(dòng)1】　了解利用晶體測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的意義
1.閱讀教材對(duì)于青蒿素的測(cè)定，填寫下表：
測(cè)定方法 獲得的分子組成和結(jié)構(gòu)的信息
_______ ____________
___________ ___________________________
_____________ ___________________________
_____________ _______________________
______________ _____________
質(zhì)譜法
相對(duì)分子質(zhì)量
元素分析法
結(jié)合相對(duì)分子質(zhì)量確定分子式
紅外光譜實(shí)驗(yàn)
確定含有何種化學(xué)鍵和官能團(tuán)
核磁共振譜圖
碳、氫原子的種類和數(shù)量
晶體X射線衍射
確定分子結(jié)構(gòu)
2.借助晶體測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的方法
測(cè)定分子空間結(jié)構(gòu)最普遍的方法是晶體的 ，利用數(shù)學(xué)和物理知識(shí)對(duì)衍射所得圖像進(jìn)行復(fù)雜處理，可以測(cè)定晶體的 (用于描述晶胞大小和形狀的數(shù)據(jù))，推算得到晶胞中所有原子的 ，從而計(jì)算出 ，判斷哪些原子間存在化學(xué)鍵以及化學(xué)鍵的類型，確定分子的空間結(jié)構(gòu)。
X射線衍射
晶胞參數(shù)
坐標(biāo)
原子間的距離
【思考·討論】
1.為什么用一般的方法無法精確地測(cè)定青蒿素的分子結(jié)構(gòu)？
答案　一般的測(cè)定方法只能幫助我們認(rèn)識(shí)分子的官能團(tuán)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并借此推測(cè)分子的結(jié)構(gòu)，但對(duì)于所含原子數(shù)較多的分子來說，難以精準(zhǔn)判斷其空間結(jié)構(gòu)。
2.晶體對(duì)于測(cè)定分子結(jié)構(gòu)有什么意義？
答案　利用晶體的X射線衍射，結(jié)合物理和數(shù)學(xué)知識(shí)對(duì)衍射所得圖像進(jìn)行復(fù)雜處理，可以測(cè)定晶體的晶胞參數(shù)，推算得到晶胞中所有原子的坐標(biāo)，從而計(jì)算出原子間的距離，判斷出原子間存在的化學(xué)鍵及其類型，確定分子的空間結(jié)構(gòu)。
【項(xiàng)目活動(dòng)2】　借助原子位置確定分子空間結(jié)構(gòu)
1.利用晶體X射線衍射確定分子結(jié)構(gòu)的基本思路
確定 ―→ 識(shí)別 ―→ 建立 ―→ 確定________
―→ 獲得 。
2.動(dòng)手實(shí)踐
(1)依據(jù)青蒿素晶體中碳、氧原子坐標(biāo)，搭建出青蒿素分子中的碳、氧原子在三維空間中的位置。
晶胞參數(shù)
原子位置
原子坐標(biāo)
分子骨架
完整結(jié)構(gòu)
(2)確定青蒿素分子中碳、氧原子的連接關(guān)系及成鍵類型，用竹簽將青蒿素中的成鍵原子連接起來，獲得青蒿素的大致分子骨架。
(3)確定各碳、氧原子連接的氫原子數(shù)目，并將相應(yīng)數(shù)目的氫原子連接在所搭模型相應(yīng)的原子上。
3.分享心得體會(huì)
展示匯報(bào)所搭建的青蒿素分子結(jié)構(gòu)模型，并與同學(xué)分享搭建過程的體會(huì)與收獲。
學(xué)習(xí)小結(jié)
用晶體X射線衍射技術(shù)測(cè)定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本思路
1.我國科學(xué)家屠呦呦因發(fā)現(xiàn)植物黃花蒿葉中含抗瘧疾的物質(zhì)——青蒿素，而榮獲2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?？茖W(xué)家對(duì)青蒿素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步改良，合成藥效更佳的雙氫青蒿素、蒿甲醚。下列說法錯(cuò)誤的是
跟蹤訓(xùn)練
A.利用黃花蒿葉研究青蒿
素結(jié)構(gòu)的基本步驟為分
離、提純→元素分析確
定實(shí)驗(yàn)式→測(cè)定相對(duì)分
子質(zhì)量確定分子式→波譜分析確定結(jié)構(gòu)式
B.①②的反應(yīng)類型分別為還原反應(yīng)、取代反應(yīng)
C.雙氫青蒿素在水中的溶解度大于青蒿素
D.可用質(zhì)譜法確定分子中含有何種官能團(tuán)
跟蹤訓(xùn)練
√
反應(yīng)①中C==O鍵變成C—O
鍵，為還原反應(yīng)，反應(yīng)②中
醇羥基變?yōu)槊焰I，為取代反
應(yīng)，B項(xiàng)正確；
雙氫青蒿素分子中含有羥基，可與水分子形成氫鍵，在水中的溶解度較大，C項(xiàng)正確；
質(zhì)譜法用于確定有機(jī)物的相對(duì)分子質(zhì)量，確定分子中含有何種官能團(tuán)應(yīng)該采用紅外光譜，D項(xiàng)錯(cuò)誤。
跟蹤訓(xùn)練
2.下列分子結(jié)構(gòu)測(cè)定的方法中，能確定相對(duì)分子質(zhì)量的是　　(填字母，下同)，能確定分子中官能團(tuán)的是　　，能確定原子的化學(xué)環(huán)境和數(shù)量的是　　，能確定分子空間結(jié)構(gòu)的是　　。
a.晶體的X射線衍射 b.質(zhì)譜法
c.核磁共振法 d.紅外光譜法
跟蹤訓(xùn)練
b
d
c
a
3.(1)(2023·廣東茂名期中)青蒿素晶胞(長方體，含4個(gè)青蒿素分子)及分子結(jié)構(gòu)如圖所示：
①用X射線衍射測(cè)定分子的空間
結(jié)構(gòu)。測(cè)量晶胞各處電子云密度
大小，可確定原子的位置、種類。
比較青蒿素分子中的C、H、O
原子核附近的電子云密度大?。骸　　　?。
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O>C>H
②測(cè)出青蒿素晶體的晶胞是長方體，三條棱長分別為a nm、b nm、c nm，棱的夾角都是90°，晶體
的密度為　 　 　　g·cm-3(用NA
表示阿伏加德羅常數(shù)的值；1 nm
=10-9 m)。
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(2)NiO為NaCl型晶體，晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。將其
在氧氣中加熱，部分Ni2+變?yōu)镹i3+，晶體組成變?yōu)?br/>NixO(x<1)，測(cè)得其密度為6.47 g·cm-3。X射線衍射
實(shí)驗(yàn)表明晶體仍為NaCl型結(jié)構(gòu)，同時(shí)測(cè)得晶胞邊
長為0.416 nm。
①NixO中x的值為　　。
跟蹤訓(xùn)練
0.92
NixO為NaCl型晶體，則其密度為6.47 g·cm-3=，
其中a=0.416 nm，可得M≈70 g·mol-1，則59×x+16=
70，x≈0.92。
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②晶體中Ni—Ni最短距離是　　　nm。
跟蹤訓(xùn)練
0.294
由于NixO晶體晶胞結(jié)構(gòu)為NaCl型，所以晶胞中兩個(gè)Ni原子之間的最短
距離為晶胞面對(duì)角線長的由晶胞邊長可得晶胞面對(duì)角線長為×
0.416 nm，則晶胞中Ni—Ni的最短距離約為0.294 nm。
(3)MgO具有NaCl型結(jié)構(gòu)(如圖，其中陰離子采用
面心立方最密堆積方式)，X射線衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)得MgO
的晶胞參數(shù)為a=0.420 nm，則r(O2-)為　 　　nm。
MnO也屬于 NaCl型結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)為a'=0.448 nm，
則r(Mn2+)為　　　nm。
跟蹤訓(xùn)練
0.148
0.076
(4)某科學(xué)工作者通過X射線衍射分
析推測(cè)膽礬中既含有配位鍵，又含
有氫鍵，其結(jié)構(gòu)可能如圖所示，其
中配位鍵和氫鍵均用虛線表示。
寫出圖中水合銅離子的結(jié)構(gòu)簡式(必須將配位鍵表示出來)：
　　　　　　　　。
跟蹤訓(xùn)練

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