1.1 物质结构研究的内容 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学苏教版（2020）选择性必修第二册

1.1　物质结构研究的内容
【学习目标】
1.能结合已有知识描述常见物质的微观结构,分析物质结构与其性质之间的关系。
2.能从物质的微观结构出发解释或预测物质的宏观性质。
3.认识物质结构研究对化学科学发展的重要意义。
【合作探究】
【学习情境】
物质的结构如微粒之间的作用、分子的构型、手性等决定物质的物理性质、化学性质、生物活性和生理活性等。如研究镧系元素结构和性质的关系,可以找到功能奇特的光、电、磁等材料;研究材料的结构和性能的关系,可以得到强度大、密度小、稳定性好、耐腐蚀的材料;又比如金刚石和石墨烯的组成元素相同,但性质差异很大:金刚石是自然界中天然存在的最硬的物质,其晶体呈空间网状结构,金刚石的用途非常广泛,常用于制造工艺品、切割工具等;石墨烯是一种由碳原子构成的呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,它具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源等方面具有重要的应用。石墨在高温、高压下形成人造金刚石。
任务1　认识物质的特征结构
【新知生成】
1.钠原子在化学反应中容易　　　　最外电子层上的1个电子,形成带1个单位正电荷的　　　　,钠元素表现出强的　　　　性;氯原子最外层有7个电子,在化学反应中倾向于　　　　1个电子,形成带1个单位负电荷的　　　　,氯元素表现出强的　　　　性。
2.反应+2H++2e-发生在乙醇分子的　　　　(填名称)官能团上,即—OH失去1个H,与—OH相连的C原子上也失去1个H,形成新的　　　　,乙醇分子转化成　　　　　分子(含　　官能团),这个过程也被称为　　　　反应。
3.氮气分子含有　　　　　键,在通常条件下很　　　　,难以参加化学反应。因此,在固氮研究中,需要改变反应条件,如　　　　、　　　　、　　　　　等,氮气分子才能转化为氮的化合物。研究物质的特征结构,可以帮助我们获得很多有用的信息,设计反应的条件,解释反应生成的产物等。
【答案】1.失去　Na+　金属　获得　Cl-　非金属
2.羟基　C=O双键　乙醛　醛基　氧化(去氢)　3.N≡N　稳定　升温　加压　加催化剂
【核心突破】
　　典例1　石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的新材料(结构示意图如右),可由石墨剥离而成,具有极好的应用前景。下列说法正确的是 (　　)
A.石墨烯与石墨互为同位素
B.0.12 g石墨烯中含有约6.02×1022个碳原子
C.石墨烯是一种有机物
D.石墨烯中碳原子间以共价键相结合
【答案】D
【解析】同位素的对象是核素,A项错误;0.12 g石墨烯中碳原子的物质的量为0.01 mol,所含碳原子数约为6.02×1021,B项错误;有机物一般含有碳、氢元素,是化合物,而石墨烯是单质,C项错误;石墨烯中碳原子间均通过共用电子对即共价键相结合,D项正确。
　　典例2　我国发射航天飞船时,火箭的起动炸药为氢化锂(LiH)、氘化锂(LiD)和氚化锂(LiT)。下列有关氢化锂、氘化锂和氚化锂说法正确的是 (　　)
A.等物质的量的LiH、LiD和LiT中所含质子数不相同
B.LiH、LiD和LiT是氢元素的同素异形体
C.三种物质都能与水剧烈反应表现出较强还原性
D.三种物质的化学性质和物理性质完全不同
【答案】C
【解析】H、D、T是氢元素的不同原子,它们之间互为同位素。等物质的量的LiH、LiD和LiT中所含质子数相同,A项错误;同素异形体是指同种元素形成的不同单质,B项错误;
LiH能与水反应:LiH+H2OLiOH+H2↑,LiH表现出较强还原性,LiH、LiD和LiT的化学性质相似,C项正确;三种物质的化学性质相似,物理性质有差异,D项错误。
归纳总结　物质结构研究的内容
物质的结构包括构成物质的微粒(原子、分子、离子等)的结构以及微粒之间的相互作用(化学键、分子间作用力等)、分子的构型、手性等。
　　训练1　化学与人类生活、社会可持续发展密切相关。下列说法正确的是 (　　)
A.“神舟十三号”运载火箭的结构部件中的铝合金因其密度小、抗腐蚀性能好等优点成为关键材料
B.中科院首次实现了人工CO2合成淀粉,淀粉、蛋白质和油脂是人体必需的高分子营养物质
C.燃煤中加入CaO主要是为了减少温室气体的排放
D.T-碳是一种新型三维碳结构晶体,与C60互为同位素
【答案】A
【解析】铝合金因其密度小、抗腐蚀性能好,故可以用于“神舟十三号”运载火箭的结构部件,A项正确;油脂是高级脂肪酸甘油酯,不是高分子化合物,B项错误;加入氧化钙可与煤燃烧生成的二氧化硫在氧气中发生反应生成硫酸钙,二氧化硫排放量减少,但在高温下反应生成二氧化碳,燃煤中加入CaO后可减少酸雨的发生,但不能减少温室气体的排放量,C项错误;T-碳与C60都是含碳元素的单质,互为同素异形体,D项错误。
任务2　揭示物质结构与性质的关系
【新知生成】
1.物质的结构在很大程度上决定了该物质的某些　　　。例如,白磷晶体是由白磷分子(P4)构成的　　晶体,分子呈　　　　　结构,分子中P—P键键长是221 pm,键角∠PPP是60°。因其中的P—P键弯曲而具有较大的　　　　,其键能　　,易　　　,所以白磷在常温、常压下就有　　　的反应活性。而红磷的　　　　结构比较稳定,室温下不与氧气反应。
2.科学家从　　　入手预测物质可能的　　　,再通过反复实验,以阐明物质　　　与　　　的关系。
【答案】1.性质　分子　正四面体　张力　较小　断裂　很高　链状　 2.结构　性质　 结构　 性质
【核心突破】
　　典例3　近期科学家获得了极具理论研究意义的N4分子。N4分子结构如图所示,下列说法正确的是 (　　)
A.N4属于一种新型化合物
B.N4的摩尔质量为56
C.N4与N2互为同素异形体
D.N4转化为N2属于物理变化
【答案】C
【解析】N4是由一种元素组成的物质,因而是一种单质,而不是化合物;N4的摩尔质量为56 g·mol-1;N4和N2互为同素异形体;N4和N2是两种不同的物质,所以两者的转化属于化学变化。
　　典例4　我国科学家成功合成3 mm长的管状定向碳纳米管,长度居世界之首。这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)大、密度小(只有钢的四分之一)、熔点高、化学稳定性好等特点,因而被称为“超级纤维”。下列对这种碳纤维的说法不正确的是 (　　)
A.它是制造飞机的理想材料
B.它的主要组成元素是碳
C.它的结构与石墨不同
D.碳纤维复合材料是一种高分子化合物
【答案】D
【解析】碳纤维显然主要是由碳元素组成的,B项正确,D项错误;碳纤维具有“强度高、刚度大、密度小、熔点高、化学稳定性好”等特点,是制造飞机的理想材料,A项正确;碳纤维的物理性质不同于石墨,它们的结构不同,C项正确。
归纳总结　结构与性质的关系
1.元素原子的结构决定元素的性质,这一点在元素周期表位、构、性的关系中得以表现。例如:同周期,随着原子序数的递增,元素的金属性逐渐减弱,非金属性逐渐增强。
2.同分异构体通常具有不同的性质。例如:C2H6O有两种不同的结构——乙醇(C2H5OH)和二甲醚(CH3OCH3),二者在化学性质上有很大的不同。同分异构体的存在说明物质的结构是决定物质性质的重要因素。
3.分子组成不同,若结构相似,则其化学性质或物理性质有相似之处。如CO和N2结构相似,某些物理性质也很相似。
4.不同类型晶体的构成微粒和微粒间作用力不同,其性质也不同。例如:金属晶体是电的良导体,具有延展性,具有良好的机械加工性能;离子晶体熔、沸点较高,难于挥发,一般具有较高硬度,难于压缩,但质脆,不易进行机械加工等。
　　训练2　科学家发现由磷原子构成的黑磷(黑磷的二维结构如图所示)是比石墨烯更好的新型二维半导体材料。下列说法正确的是 (　　)
A.黑磷属于化合物
B.黑磷导电属于化学变化
C.黑磷高温下在空气中可以稳定存在
D.黑磷与白磷互为同素异形体
【答案】D
【解析】黑磷属于单质,A项错误;黑磷导电属于物理变化,B项错误;黑磷在高温下会和空气中的氧气反应生成磷的氧化物,C项错误;同种元素形成的不同单质互为同素异形体,D项正确。
　　训练3　日本科学家确认的N60与美国科学家发现的C60结构相似。N60在高温或机械撞击后,其中积蓄的巨大能量会在一瞬间释放出来。下列关于N60的说法中,正确的是 (　　)
A.N60是由共价键构成的空心圆球形结构,所以它是一种共价晶体
B.N60与14N都是氮的同位素
C.还没有发现N60的同素异形体
D.N60将来可能会成为很好的火箭燃料
【答案】D
【解析】N60是由60个N原子通过共价键结合而成的分子,极大数目的N60分子彼此通过范德华力结合而构成晶体,这种晶体(N60)是分子晶体,A项错误;N60是分子,而同位素是对原子而言的,B项错误;N60和N2都是氮元素的单质,互为同素异形体,C项错误;因N60在高温或机械撞击后,其中积蓄的巨大能量会在一瞬间释放出来,可用来做功,D项正确。
课堂小结
【随堂检测】
1C的衰变反应为CXe,其半衰期(反应物的量被消耗到其初始量的一半需要的时间)为5730年。下列说法正确的是 (　　)
AC与X互为同位素
BC与X的中子数相同
CC和C的性质完全相同
D.某考古样品中C的量应为其11460年前的
【答案】D
【解析】z=7C与X质子数不同,不互为同位素,A项错误C与X的中子数分别为14-6=8、14-7=7,中子数不同,B项错误C和C的核外电子数均为6,核外电子排布相同,则化学性质相同,而质量数不同,故性质并不完全相同,C项错误;根据半衰期的定义,某考古样品中C的量应为其5730年前的,为5730×2=11460年前的,D项正确。
2.下列不属于探索物质微观结构的是 (　　)
A.探索氨分子的空间构型
B.乙醇(C2H6O)分子中各原子的连接方式
C.从浊液中用过滤的方法分离出BaSO4
D.金刚石坚硬的原因
【答案】C
3.碳纳米管是一种纳米尺度的、具有完整分子结构的新型材料,它是由一层碳原子卷曲而成的无缝、中空的管体,具有质轻、可弯曲、强度好、弹性强的特点。下列关于碳纳米管的可能用途不正确的是 (　　)
A.用它可做成攀登月球的“太空天梯”
B.能解决室温下,低气压、高容量储存氢气的难题
C.是一种优秀的绝缘材料
D.制成电脑芯片可大大提升计算机系统的计算能力
【答案】C
【解析】碳纳米管由碳原子构成,能导电,不可作为绝缘材料。
4.理解微观粒子的结构及物质结构与性质的关系对学好化学至关重要。
(1)与氩原子电子层结构相同的-2价阴离子的结构示意图为　　　　。
(2)写出表示含有8个质子、10个中子的原子的化学符号:　　　　。
(3)根据下列微粒回答问题:1H、2H、3H、14C、14N、16O、35Cl2、37Cl2。
①以上8种微粒共有　　　　种核素,共　　　　种元素。
②互为同位素的是　　　　。
③质量数相等的是　　　　,中子数相等的是　　　　。
(4)相同物质的量的14CO2与S18O2的质量之比为　　　　,中子数之比为　　　　,电子数之比为　　　　。
(5)质量相同的H2O和D2O与足量钠反应,放出的气体在标准状况下的体积之比为　　　　。
(6)用电子式表示氯化镁的形成过程:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(7)根据下列信息写出有关短周期元素的符号:
①某元素电子层数与最外层电子数相等,该元素符号是　　　　。
②某元素最外层电子数是次外层电子数的2倍,该元素符号是　　　　。
③某元素次外层电子数是最外层电子数的2倍,该元素符号是　　　　。
【答案】(1)　(2)188O
(3)①6　5　②1H、2H、3H　③14C、14N　14C、16O
(4)23∶34　2∶3　11∶16　(5)10∶9
(6)
(7)①H、Be、Al　②C　③Li、Si
【解析】(1)符合题意的阴离子为S2-。
(2)含有8个质子的原子是氧原子。
(3)核素指的是原子,元素是指具有相同的质子数的一类原子,同位素是质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子。
(4)14CO2与S18O2的相对分子质量分别为46、68,中子数依次为24、36,电子数依次为22、32。
(5)质量相同的H2O和D2O与足量钠反应,放出的气体在标准状况下的体积之比为∶=10∶9。
(6)氯化镁为离子化合物,由离子形成离子键。
(7)①某短周期元素电子层数与最外层电子数相等,电子层数为1,且最外层电子数为1的元素是H;电子层数为2,且最外层电子数为2的元素是Be;电子层数为3,且最外层电子数为3的元素是Al。②最外层电子数不能超过8个,如果K层是最外层,则不能超过2个。某元素最外层电子数是次外层的2倍,其次外层只能是K层,则其最外层电子数是4,为C元素。③某元素次外层电子数是最外层电子数的2倍,如果L层为最外层,则其最外层电子数是1,为Li元素;如果M层是其最外层,则M层电子数为4,为Si元素。
2