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專題1 揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘
第二單元 物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的范式與方法
在19世紀(jì)初期，英國與歐洲很多其他的國家一樣，城市中已經(jīng)普及了煤氣燈，然而從生產(chǎn)煤氣的原料中制備出煤氣后還剩下一種油狀的液體，這種液體就是苯。
它的結(jié)構(gòu)到底是怎么樣的呢？ 難倒了一眾科學(xué)家。 其中有一個科學(xué)家凱庫勒，算是上帝的寵兒，一天他做了一個夢，夢見一條蛇首尾相連，忽然茅塞頓開，聲稱他解決了碳原子何以能夠同時跟四個原子結(jié)合的原因，得出了苯的第一版結(jié)構(gòu)。
1.認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的兩種范式及其相互關(guān)系；
2.能舉例說明科學(xué)假說和論證、實(shí)驗(yàn)方法、模型方法等在物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中所起的重要作用；
3.能描述現(xiàn)代儀器和手段為測定物質(zhì)結(jié)構(gòu)、建立相關(guān)理論作出的重要貢獻(xiàn)。
初步學(xué)會從宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等角度解決化學(xué)問題。
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一、物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的范式
1.歸納范式
歸納范式，其過程為“由個別到一般”。具體而言，根據(jù)事實(shí)進(jìn)行概括歸納，抽象出共同點(diǎn)，上升為本質(zhì)規(guī)律。
根據(jù)飽和烷烴的的分子式：甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10） …… ，歸納飽和烷烴的通式。
飽和烷烴的通式為CnH2n+2。
根據(jù)1～20號元素的原子結(jié)構(gòu)示意圖，歸納元素核外電子的排布規(guī)律：
隨著元素核電荷數(shù)的遞增，除H、He外，元素原子最外層電子數(shù)出現(xiàn)1～8的周期性變化。
根據(jù)1～18號元素最高化合價和最低化合價，歸納元素化合價的變化規(guī)律：
隨著元素核電荷數(shù)的遞增，元素的最高正價呈現(xiàn)+1到+7，最低負(fù)價呈現(xiàn)－4到－1的周期性變化。
一、物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的范式
2.演繹范式
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(jié)論出發(fā)，向從屬于這一結(jié)論的多個要素進(jìn)行推理的過程。
門捷列夫建立了元素周期表，為人們提供了元素間聯(lián)系的一般理論。在元素理論的指導(dǎo)下，人們于1875年發(fā)現(xiàn)了“類鋁”（鎵），1879年發(fā)現(xiàn)了“類硼”（鉈），1886年發(fā)現(xiàn)了“類硅”（鍺）。這些都證明了運(yùn)用演繹范式獲得的成功。
【鞏固訓(xùn)練】化學(xué)元素周期表是化學(xué)史上的偉大創(chuàng)舉。下圖是“國際化學(xué)元素周期表年”發(fā)行的紀(jì)念郵票之一，取材于“門捷列夫周期表上留下的空位元素‘類鋁’由法國化學(xué)家布瓦博德朗發(fā)現(xiàn)，并命名為鎵(Ga)”。下列有關(guān)說法錯誤的是（ ）
A．元素周期律在預(yù)測未知化學(xué)元素中發(fā)揮了重要作用
B．Ga的原子序數(shù)為31，是第四周期第ⅢA族元素，氧化物為Ga2O3
C．鎵與鋁相似，既能和酸反應(yīng)也能和強(qiáng)堿溶液反應(yīng)
D．鋁是一種不活潑的金屬，生活中有很多鋁制品
D
在物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中，難以對所有可能的結(jié)論一一加以實(shí)驗(yàn)論證。有時人們根據(jù)元素周期律和微粒間作用力的特征，預(yù)測物質(zhì)可能具有的某些性質(zhì)，采用的往往就是演繹法。例如，根據(jù)鈉原子最外電子層上1個電子極易失去表現(xiàn)出強(qiáng)還原性的特點(diǎn)，可以推出同族半徑更大的鉀、銣、銫元素具有更強(qiáng)的還原性的結(jié)論。
【鞏固訓(xùn)練】中國化學(xué)會遴選了118名青年化學(xué)家作為“元素代言人”，組成“中國青年化學(xué)家元素周期表”。第37號元素銣(Rb)由清華大學(xué)張如范代言。下列說法正確的是（ ）
A．銣位于周期表的第四周期第IA族 B．氫氧化銣屬于弱堿
C．與鈉的單質(zhì)相比，銣的單質(zhì)熔點(diǎn)更低 D．硝酸銣屬于共價化合物
【解析】37號元素銣(Rb)，位于周期表的第五周期第IA族，Ａ項(xiàng)錯誤；第一主族元素由上到下金屬性(還原性)越來越強(qiáng)，形成的氫氧化物堿性也越來越強(qiáng)，故氫氧化銣屬于強(qiáng)堿，Ｂ項(xiàng)錯誤；堿金屬同主族單質(zhì)熔點(diǎn)由上到下依次降低，所以與鈉的單質(zhì)相比，銣的單質(zhì)熔點(diǎn)更低，C項(xiàng)正確；硝酸銣?zhǔn)怯上跛岣x子與銣離子通過離子鍵構(gòu)成的離子化合物，D項(xiàng)錯誤。
C
水是極性較強(qiáng)的分子，水分子之間存在較強(qiáng)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(jié)構(gòu)可以推知，凡能為生成氫鍵提供和接受H的溶質(zhì)分子，極性與水相似，如ROH、RCOOH等，均可通過氫鍵和水結(jié)合，在水中溶解度較大；碳?xì)浠衔飿O性較小，也難以和水形成氫鍵，在水中溶解度很小。這就是著名的“相似相溶規(guī)則”。
二、物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的方法
1.科學(xué)假設(shè)和論證
科學(xué)家研究問題的第一步是觀察，運(yùn)用感官觀察物質(zhì)的宏觀表現(xiàn)。在觀察的基礎(chǔ)上，科學(xué)家提出假設(shè)（hypothesis），即根據(jù)已有知識，對所研究的事物或現(xiàn)象作出初步的解釋。它是人們關(guān)于某一事物或現(xiàn)象的一種理性推測。。
1825年，英國科學(xué)家法拉第（Michael Faraday, 1791—1867）首先發(fā)現(xiàn)了苯，但如何確定其結(jié)構(gòu)成為化學(xué)家的難題。德國化學(xué)家凱庫勒（F. A. Kekule，1829—1896）經(jīng)過大量猜想假設(shè)，于1865年提出了苯的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過后人的驗(yàn)證，最終形成了大家所熟悉的凱庫勒式。這是化學(xué)史中提出假說、推斷和得出推論的典型實(shí)例。
為了證明假設(shè)是否正確，必須通過不斷的重復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證。凱庫勒苯環(huán)假說的提出，雖具有非邏輯的直覺成分，但它也有一定的實(shí)驗(yàn)根據(jù)。若實(shí)驗(yàn)證明假設(shè)是正確的，科學(xué)家就接受這個假設(shè)；如果實(shí)驗(yàn)不支持假設(shè)，則必須對假設(shè)進(jìn)行修改，并設(shè)計新的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證。
凱庫勒與苯的六元環(huán)結(jié)構(gòu)
經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明正確的假設(shè)還需通過建立理論來將這些知識組織起來，使之成為知識體系。理論（theory）是建立在大量的觀察基礎(chǔ)之上并為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的解釋。例如道爾頓的原子理論，就是建立在很多化學(xué)家一次又一次觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上的。當(dāng)反常現(xiàn)象大量出現(xiàn)，而原有理論又不能很好地作出解釋時，就需對原有理論加以修改，甚至需要提出新的理論。
研究過程流程圖
二、物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的方法
2.實(shí)驗(yàn)方法
化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，人們往往需要借助實(shí)驗(yàn)觀測的事實(shí)對假設(shè)的正確與否進(jìn)行檢驗(yàn)。為了進(jìn)一步了解原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，往往需要依賴新的實(shí)驗(yàn)方法。
盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，啟迪人們開始用轟擊和對撞的實(shí)驗(yàn)來研究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為我們提供了一種研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的思想方法。
17世紀(jì)發(fā)明的光學(xué)顯微鏡，雖然不能觀察分子層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，但為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了非常重要的思想方法。到20世紀(jì)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(jié)構(gòu)的儀器問世，各種光譜和晶體X射線衍射實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用于研究原子、分子和晶體結(jié)構(gòu)，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(zhì)結(jié)構(gòu)模型和相關(guān)理論提供了堅實(shí)的支撐。
晶體的X射線衍射
測定物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的儀器
目前物質(zhì)微觀研究最前沿儀器有哪些？
紅外光譜儀、電子顯微鏡、原子吸收光譜儀、X射線衍射儀等。
紅外光譜儀
電子顯微鏡
原子吸收光譜儀
X射線衍射儀
測定鍵長/鍵角/官能團(tuán)
分析晶體結(jié)構(gòu)/推測化學(xué)組成/觀察固表形貌
測定元素
精確測定物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)
二、物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的方法
3.模型方法
科學(xué)家需要運(yùn)用一定的邏輯推理與模型思維對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(jié)合某種理論形態(tài)下建立的思維模型。
常見的實(shí)物模型，有利于人們對事物作出整體認(rèn)識，如汽車模型、飛機(jī)模型和建筑模型等，都是可觀察到的物體的宏觀模型；物質(zhì)的微觀層次結(jié)構(gòu)，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(xiàn)出來，也稱微觀結(jié)構(gòu)模型。
宏觀模型和微觀結(jié)構(gòu)模型
原子結(jié)構(gòu)模型的演變
問題1：微觀世界難以直接觀測，怎樣揭示結(jié)構(gòu)奧秘？
運(yùn)用實(shí)驗(yàn)、模型化方法，通過分析、歸納、推理，借助科學(xué)假說和論證逐步揭開微觀奧秘。
問題2：哪些實(shí)驗(yàn)對原子模型的發(fā)展產(chǎn)生重大影響？
1858年，普里克發(fā)現(xiàn)陰極射線；
1897年，湯姆生發(fā)現(xiàn)電子；
1905年前后，盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核；
1913年，玻爾提出氫原子光譜理論解釋。
問題3：盧瑟福用α粒子轟擊金箔后得出哪些結(jié)論？
原子有核；核體積小質(zhì)量大；核帶正電荷。
【思考交流】
乙烯、乙炔的球棍模型
方法
范式
物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的
范式和方法
歸納范式
演繹范式
科學(xué)假設(shè)和驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)方法
模型方法
1．通過對物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究，能夠解決許多問題。在生命科學(xué)領(lǐng)域，下列不能通過研究結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系加以解決的問題是(　　)
A．酶的催化機(jī)理
B．手性生物分子與手性藥物的作用機(jī)制
C．指甲的長短與手指的靈活性的關(guān)系
D．抗癌藥物的設(shè)計與篩選
C
2．“大爆炸”理論指出：約150億年以前，宇宙所有物質(zhì)都包含在一個密度無限大、溫度無限高的原始核中，由于某種原因它發(fā)生了爆炸，首先產(chǎn)生了中子、質(zhì)子和電子，隨后產(chǎn)生了元素。根據(jù)演繹范式，你認(rèn)為最先產(chǎn)生的第一種元素應(yīng)該是(　　)
A．H　　　B．O　　　C．Fe　　　D．C
A
【解析】由于氫原子只含有一個質(zhì)子和電子，最容易形成，所以最先產(chǎn)生的第一種元素應(yīng)該是氫元素。
3．最近醫(yī)學(xué)界通過放射性14C標(biāo)記C60，發(fā)現(xiàn)一種C60的羧酸衍生物在特定條件下通過斷裂DNA而殺死細(xì)胞，從而抑制艾滋病，則有關(guān)的敘述正確的是(　　)
A．由14C的化學(xué)性質(zhì)可以歸納12C的化學(xué)性質(zhì)
B．可以通過模型方法了解C60的微觀構(gòu)型
C．用掃描隧道顯微鏡可以測定二者的原子量
D．可由C60、C70、C80等系列物質(zhì)演繹一類物質(zhì)的性質(zhì)
【解析】由個別到個別是演繹，A錯誤；掃描隧道顯微鏡測的是物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，C錯誤；由個別到一般是歸納，D錯誤。
B
4．門捷列夫在描述元素周期表時，許多元素尚未發(fā)現(xiàn)，但他為第4周期的三種元素留下了空位，并對它們的一些性質(zhì)做了預(yù)測，X是其中的一種“類硅”元素，后來被德國化學(xué)家溫克勒發(fā)現(xiàn)，并證實(shí)門捷列夫當(dāng)時的預(yù)測相當(dāng)準(zhǔn)確。下列有關(guān)描述中錯誤的是(　　)
A．根據(jù)一般規(guī)律的預(yù)測結(jié)果都是正確的
B．由周期表推斷元素是利用了演繹范式
C．由硅的結(jié)構(gòu)可以通過科學(xué)假設(shè)和論證方法研究“類硅”的結(jié)構(gòu)
D．可以通過實(shí)驗(yàn)方法研究硅及“類硅”結(jié)構(gòu)的區(qū)別
A
7．(1)人們在長期探索物質(zhì)的微粒和物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)的過程中，主要運(yùn)用了______________方法、____方法、____方法；________為化學(xué)研究提供了分析原子和分子結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)；_______________________方法早已應(yīng)用于研究原子、分子和晶體結(jié)構(gòu)。
(2)科學(xué)家正在設(shè)法探尋“反物質(zhì)”。所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電量，但電荷符號相反。
光譜和晶體X射線衍射實(shí)驗(yàn)
科學(xué)假設(shè)和論證
實(shí)驗(yàn)
模型
量子力學(xué)
①若有α粒子(即氦離子)的反粒子，則該粒子的質(zhì)量數(shù)為____，電荷數(shù)為_____，α反粒子符號可表示成________。
②反氫原子的成功制備是人類探索反物質(zhì)的一大進(jìn)步。試推測反氫原子的構(gòu)造是_____。
A．由1個帶正電荷的質(zhì)子與1個帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成
B．由1個帶負(fù)電荷的質(zhì)子與1個帶正電荷的電子構(gòu)成
C．由1個不帶電荷的中子與1個帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成
D．由1個帶負(fù)電荷的質(zhì)子與1個帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成
4
－2
He2－
B

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