1.2 物质结构研究的范式与方法 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
文档属性
| 名称 | 1.2 物质结构研究的范式与方法 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 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 81.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 苏教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-04-07 21:07:48 | ||
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文档简介
1.2 物质结构研究的范式与方法
【学习目标】
1.认识物质结构研究的两种范式及其相互关系。
2.能举例说明科学假说和论证、实验方法、模型方法等在物质结构研究中所起的重要作用。
3.能描述现代仪器和手段为测定物质结构、建立相关理论做出的重要贡献;初步学会从宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等角度解决化学问题。
【合作探究】
【学习情境】
范式是科学哲学家托马斯·库恩在《科学革命的结构》一书中首先提出的(1962) 。库恩认为,科学家之所以能对共同研究的课题使用大体相同的语言、方式和规则,是由于他们具有一种解决问题的标准方式,即范式,包括在实践时所持有的观点、假设、价值准则、方法论以及检验的标准和精确度等。也可以说,在同一学科中不同思想流派是在不同范式中工作的。研究方法是指研究者为获取研究对象的数据信息而采用的手段与途径,研究范式是研究共同体进行科学研究时所遵循的模式与框架。
任务1 物质结构研究的范式
【新知生成】
1.归纳范式,其过程为“从 到 ”。具体而言,根据事实进行 ,抽象出共同点,上升为 。例如,我们在学习元素周期律时,通过比较1~20号元素的原子核外电子排布来认识前20号元素对应 的不同,从中归纳出元素核外电子排布的 ,并从结构上解释了同族元素性质相似的原因。
2.演绎范式,其过程通常为“从 到 ”。例如,门捷列夫建立了元素周期表,为人们提供了元素间联系的一般理论。在元素理论的指导下,人们于1875年发现了“类铝”(镓),1879年发现了“类硼”(铊),1886年发现了“类硅”(锗)。这些都证明了运用演绎范式获得的成功。在物质结构研究中,难以对所有可能的结论一一加以实验论证。有时人们根据元素周期律和微粒间作用力的特征等, 物质可能具有的某些性质,采用的往往就是 法。
【答案】1.个别 一般 概括归纳 本质规律 原子结构 规律 2.一般 个别 预测 演绎
【核心突破】
典例1 在元素周期表中,元素的金属性和非金属性及其强弱比较与周期序数(n)和主族序数(A)有如下经验公式:K=(K为A与n的比值)。下列推理正确的是 ( )
A.当A一定时,K值越小,则元素的非金属性越强
B.当K=0时,则该元素是同一周期中最活泼的金属元素
C.当n一定时,随着K值增大,则元素的非金属性逐渐增强
D.当K=l时,则该元素是过渡元素
【答案】C
【解析】元素的金属性和非金属性及其强弱比较与周期序数(n)和主族序数(A)有如下经验公式:K=(K为A与n的比值)。当A一定时,K值越小,则周期数n越大,元素的金属性越强,非金属性越弱,A项错误;当K=0时,A为0,为0族元素,即该元素为稀有气体元素,是同一周期中最不活泼的非金属元素,B项错误;当n一定时,K值越大,则主族序数A越大,元素的非金属性越强,C项正确;当K=l时,周期数=主族序数,如Be、Al等,则该元素为两性元素,不是过渡元素,D项错误。
典例2 门捷列夫在描述元素周期表时,许多元素尚未发现,但他为第4周期的三种元素留下了空位,并对它们的一些性质做了预测,X是其中的一种“类硅”元素,后来被德国化学家文克勒发现,并证实门捷列夫当时的预测相当准确。根据元素周期律,下列有关元素X性质的描述中错误的是 ( )
A.X单质不易与水反应
B.XO2可被碳或氢气还原为X单质
C.XCl4的沸点比SiCl4的高
D.XH4的稳定性比SiH4的强
【答案】D
【解析】“类硅”元素和硅元素同为ⅣA族元素,根据元素周期律,同主族元素随着原子序数的增大,非金属性减弱,气态氢化物的稳定性减弱,故D项错误。
归纳总结 逻辑方法在自然科学中的应用,往往是多种方法的并用、配合或交替。从化学研究的途径来看归纳和演绎的使用,一般为先归纳、后演绎。人们往往根据自己的研究目标,依据一定的理论基础,设计并进行实验;再从实验数据或现象中得出假说;通过实验或理论证明假说正确与否,使之上升为新理论;最后使用新理论指导实验,获得新结论。
训练1 据权威刊物报道,1996年科学家在宇宙中发现H3分子。甲、乙、丙、丁四位同学对此报道的认识正确的是 ( )
A.甲认为上述发现绝对不可能,因为H3分子违背了共价键理论
B.乙认为宇宙中还可能存在另一种氢单质,因为氢元素有三种同位素必然有三种同素异形体
C.丙认为H3分子实质上是H2分子与H+以特殊共价键结合的产物,应写成
D.丁认为如果上述发现得到证实,则证明传统的价键理论有一定的局限性,有待继续发展
【答案】D
【解析】H3分子中3个氢原子通过共用3个电子形成共价键,这并不违背共价键理论,只说明传统的价键理论有一定的局限性,有待继续发展。
任务2 物质结构研究的方法
【新知生成】
1.科学家研究问题的第一步是观察,在观察的基础上,科学家提出 ,即根据已有知识,对所研究的事物或现象做出初步的 。为了证明假设是否正确,必须通过不断的 进行论证。经实验证明正确的假设还需通过建立 来将这些知识组织起来,使之成为知识体系。 是建立在大量的观察基础之上并为实验所证实的解释。
2.化学是一门以实验为基础的学科,人们往往需要借助实验观测的事实对假设的正确与否进行 。20世纪20年代, 为化学研究提供了分析原子和分子结构的理论基础。到20世纪中后期,扫描隧道显微镜、原子力显微镜等一系列研究分子结构的仪器问世,各种光谱和晶体 方法应用于研究原子、分子和晶体结构,使得原子和分子的微观世界不断被揭示。
3.科学家需要运用一定的 与 对实验结果进行处理。模型既可以是对原型的简化和纯化、抽象和近似,也可以是结合某种理论形态下建立的思维模型。常见的实物模型,有利于人们对事物形成整体认识,都是可观察到的物体的宏观模型;物质的微观层次结构,难以直接观察到,需要通过思维加工使抽象的微观世界以可视化的形式展现出来,也称 模型。 对科学家探索物质的微观结构具有非常重要的意义。
【答案】1.假设 解释 重复实验 理论 理论 2.检验 量子力学 X射线衍射实验 3.逻辑推理 模型思维 微观结构 模型研究
【核心突破】
典例3 在探索微观世界的过程中,科学家们常通过建立假说模型来把握物质的结构及特点,不断拓展认识新领域。关于假说,有如下表述,其中正确的是 ( )
A.假说是对现实中已知事物或现象的一种简化处理
B.假说是对未知领域的事物或现象提出的一种推测
C.假说是对一个问题的所有幻想和假定
D.假说最终都可以变成科学理论
【答案】B
【解析】假说是科学家在探索的过程中,为把握物质的结构及特点而建立的一种模型,它是对未知领域的事物或现象提出的一种推测,然后通过实验或推理去验证它的正确与否。
典例4 我国参与研制的阿尔法磁谱仪随美国“发展号”航天飞机升入太空,探索宇宙中是否存在“反物质”(又称为“暗物质”)。反物质的主要特征是电子带正电荷,质子带负电荷。物质和其相应的反物质相遇后发生湮灭,所有的质量完全转化为能量。根据上述信息回答下列问题:
(1)根据你所学过的知识推测制造阿尔法磁谱仪核心部件的材料是 (填字母,下同)。
A.FeO B.Fe2O3 C.Fe3O4 D.Fe3C
(2)反物质发生中和反应的离子方程式为 。
A.H-+OH+H2O
B.H++OH+H2O
C.H-+OH-H2O
D.H++OH-H2O
(3)画出反物质氢离子的结构示意图: 。
【答案】(1)C (2)A (3)
【解析】(1)铁的化合物中,有磁性的是Fe3O4。从阿尔法磁谱仪的名称可以看出,磁谱仪的核心部件是由具有磁性的物质构成的。(2)抓住中和反应和反物质的特征即可,常见H+带正电荷,其反物质为H-;OH-带负电荷,其反物质为OH+。(3)书写反物质H-的结构示意图时要注意质子带负电荷。
归纳总结 研究物质结构的一般方法
(1)
(2)分析原子、分子结构的理论基础:量子力学。
(3)现代研究物质结构的实验方法:光谱和衍射实验。
(4)几种测定物质组成和结构的仪器
①红外光谱仪;②电子显微镜;③原子吸收分光光度计;④X射线衍射仪等。
训练2 已知含氧酸可用通式(OH)mXOn来表示,如X是S,m=2,n=2,则这个式子表示H2SO4。一般而言,该式中n值越大,酸性越强。下列含氧酸中酸性最强的是 ( )
A.HClO B.HMnO4
C.H2CO3 D.HNO2
【答案】B
【解析】将HClO改写为(OH)Cl,非羟基氧原子数目为0;将HMnO4改写为(OH)MnO3,非羟基氧原子数目为3;将H2CO3改写为(OH)2CO,非羟基氧原子数目为1;将HNO2
改写为(OH)NO,非羟基氧原子数目为1。HMnO4中非羟基氧原子数目最大,则HMnO4的酸性最强。
训练3 下列有关物质的化学用语表示正确的是 ( )
A.16O的原子结构示意图:
B.BeCl2分子的电子式为
C.CO2的空间填充模型:
D.乙醇分子的球棍模型:
【答案】D
【解析】16O原子的质子数和核外电子数都是8,质量数是16,A项错误;Be原子最外层只有2个电子,没有6个电子,B项错误;CO2分子中,中间碳原子的半径比氧原子的半径大,C项错误。
课堂小结
【随堂检测】
1.下列关于化学学习和研究的说法错误的是 ( )
A.化学模型有助于解释一些化学现象
B.质量守恒定律是大量实验事实的总结
C.化学家提出的假设都能被实验证实
D.化学基本原理的应用是有一定条件的
【答案】C
【解析】化学家提出的假设并不一定完全正确,有的甚至是错误的。
2.借助碱金属和卤族元素的递变性分析下面的推断,其中正确的是 ( )
A.已知Ca是第4周期ⅡA族的元素,故Ca(OH)2的碱性比Mg(OH)2的碱性弱
B.已知As是第4周期ⅤA族的元素,故AsH3的稳定性比NH3的稳定性强
C.已知Cs的原子半径比Na的原子半径大,故Cs与水反应不如Na与水反应剧烈
D.已知Cl的核电荷数比F的核电荷数多,故Cl的原子半径比F的原子半径大
【答案】D
【解析】由碱金属元素和卤族元素的递变性可知,同主族元素从上到下元素的金属性增强,非金属性减弱,最高价氧化物对应水化物的碱性增强,金属活动性增强,非金属气态氢化物稳定性减弱,A、B、C三项错误;同主族元素随核电荷数的增大,原子半径增大,D项正确。
3.下列由事实得出的结论错误的是 ( )
A.维勒用无机物合成了尿素,突破了无机物与有机物的界限
B.门捷列夫在前人工作的基础上发现了元素周期律,表明科学研究既要继承又要创新
C.C60是英国和美国化学家共同发现的,体现了国际科技合作的重要性
D.科恩和波普尔因理论化学方面的贡献获诺贝尔化学奖,意味着化学已成为以理论研究为主的学科
【答案】D
【解析】理论化学与实践应相辅相成而不是以谁为主、谁为辅的问题,D项错误。
4.BGO是我国研制的一种闪烁晶体材料,曾用于诺贝尔奖获得者丁肇中的著名实验。它是锗酸铋的简称。已知:
①在BGO中,锗处于其最高价态;
②在BGO中,铋的价态与铋和氯形成某种共价氯化物时所呈现的价态相同,在此氯化物中铋原子具有最外层8个电子稳定结构;
③BGO可看成是由锗和铋两种元素的氧化物所形成的复杂氧化物,且在BGO晶体的化学式中,这两种氧化物所含氧的总质量相同。
请回答下列问题:
(1)锗和铋的元素符号分别是 、 。
(2)BGO晶体中所含铋的氧化物的化学式是 。
(3)BGO晶体的化学式是 。
【答案】(1)Ge Bi
(2)Bi2O3
(3)Bi4(GeO4)3(或2Bi2O3·3GeO2)
2
【学习目标】
1.认识物质结构研究的两种范式及其相互关系。
2.能举例说明科学假说和论证、实验方法、模型方法等在物质结构研究中所起的重要作用。
3.能描述现代仪器和手段为测定物质结构、建立相关理论做出的重要贡献;初步学会从宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等角度解决化学问题。
【合作探究】
【学习情境】
范式是科学哲学家托马斯·库恩在《科学革命的结构》一书中首先提出的(1962) 。库恩认为,科学家之所以能对共同研究的课题使用大体相同的语言、方式和规则,是由于他们具有一种解决问题的标准方式,即范式,包括在实践时所持有的观点、假设、价值准则、方法论以及检验的标准和精确度等。也可以说,在同一学科中不同思想流派是在不同范式中工作的。研究方法是指研究者为获取研究对象的数据信息而采用的手段与途径,研究范式是研究共同体进行科学研究时所遵循的模式与框架。
任务1 物质结构研究的范式
【新知生成】
1.归纳范式,其过程为“从 到 ”。具体而言,根据事实进行 ,抽象出共同点,上升为 。例如,我们在学习元素周期律时,通过比较1~20号元素的原子核外电子排布来认识前20号元素对应 的不同,从中归纳出元素核外电子排布的 ,并从结构上解释了同族元素性质相似的原因。
2.演绎范式,其过程通常为“从 到 ”。例如,门捷列夫建立了元素周期表,为人们提供了元素间联系的一般理论。在元素理论的指导下,人们于1875年发现了“类铝”(镓),1879年发现了“类硼”(铊),1886年发现了“类硅”(锗)。这些都证明了运用演绎范式获得的成功。在物质结构研究中,难以对所有可能的结论一一加以实验论证。有时人们根据元素周期律和微粒间作用力的特征等, 物质可能具有的某些性质,采用的往往就是 法。
【答案】1.个别 一般 概括归纳 本质规律 原子结构 规律 2.一般 个别 预测 演绎
【核心突破】
典例1 在元素周期表中,元素的金属性和非金属性及其强弱比较与周期序数(n)和主族序数(A)有如下经验公式:K=(K为A与n的比值)。下列推理正确的是 ( )
A.当A一定时,K值越小,则元素的非金属性越强
B.当K=0时,则该元素是同一周期中最活泼的金属元素
C.当n一定时,随着K值增大,则元素的非金属性逐渐增强
D.当K=l时,则该元素是过渡元素
【答案】C
【解析】元素的金属性和非金属性及其强弱比较与周期序数(n)和主族序数(A)有如下经验公式:K=(K为A与n的比值)。当A一定时,K值越小,则周期数n越大,元素的金属性越强,非金属性越弱,A项错误;当K=0时,A为0,为0族元素,即该元素为稀有气体元素,是同一周期中最不活泼的非金属元素,B项错误;当n一定时,K值越大,则主族序数A越大,元素的非金属性越强,C项正确;当K=l时,周期数=主族序数,如Be、Al等,则该元素为两性元素,不是过渡元素,D项错误。
典例2 门捷列夫在描述元素周期表时,许多元素尚未发现,但他为第4周期的三种元素留下了空位,并对它们的一些性质做了预测,X是其中的一种“类硅”元素,后来被德国化学家文克勒发现,并证实门捷列夫当时的预测相当准确。根据元素周期律,下列有关元素X性质的描述中错误的是 ( )
A.X单质不易与水反应
B.XO2可被碳或氢气还原为X单质
C.XCl4的沸点比SiCl4的高
D.XH4的稳定性比SiH4的强
【答案】D
【解析】“类硅”元素和硅元素同为ⅣA族元素,根据元素周期律,同主族元素随着原子序数的增大,非金属性减弱,气态氢化物的稳定性减弱,故D项错误。
归纳总结 逻辑方法在自然科学中的应用,往往是多种方法的并用、配合或交替。从化学研究的途径来看归纳和演绎的使用,一般为先归纳、后演绎。人们往往根据自己的研究目标,依据一定的理论基础,设计并进行实验;再从实验数据或现象中得出假说;通过实验或理论证明假说正确与否,使之上升为新理论;最后使用新理论指导实验,获得新结论。
训练1 据权威刊物报道,1996年科学家在宇宙中发现H3分子。甲、乙、丙、丁四位同学对此报道的认识正确的是 ( )
A.甲认为上述发现绝对不可能,因为H3分子违背了共价键理论
B.乙认为宇宙中还可能存在另一种氢单质,因为氢元素有三种同位素必然有三种同素异形体
C.丙认为H3分子实质上是H2分子与H+以特殊共价键结合的产物,应写成
D.丁认为如果上述发现得到证实,则证明传统的价键理论有一定的局限性,有待继续发展
【答案】D
【解析】H3分子中3个氢原子通过共用3个电子形成共价键,这并不违背共价键理论,只说明传统的价键理论有一定的局限性,有待继续发展。
任务2 物质结构研究的方法
【新知生成】
1.科学家研究问题的第一步是观察,在观察的基础上,科学家提出 ,即根据已有知识,对所研究的事物或现象做出初步的 。为了证明假设是否正确,必须通过不断的 进行论证。经实验证明正确的假设还需通过建立 来将这些知识组织起来,使之成为知识体系。 是建立在大量的观察基础之上并为实验所证实的解释。
2.化学是一门以实验为基础的学科,人们往往需要借助实验观测的事实对假设的正确与否进行 。20世纪20年代, 为化学研究提供了分析原子和分子结构的理论基础。到20世纪中后期,扫描隧道显微镜、原子力显微镜等一系列研究分子结构的仪器问世,各种光谱和晶体 方法应用于研究原子、分子和晶体结构,使得原子和分子的微观世界不断被揭示。
3.科学家需要运用一定的 与 对实验结果进行处理。模型既可以是对原型的简化和纯化、抽象和近似,也可以是结合某种理论形态下建立的思维模型。常见的实物模型,有利于人们对事物形成整体认识,都是可观察到的物体的宏观模型;物质的微观层次结构,难以直接观察到,需要通过思维加工使抽象的微观世界以可视化的形式展现出来,也称 模型。 对科学家探索物质的微观结构具有非常重要的意义。
【答案】1.假设 解释 重复实验 理论 理论 2.检验 量子力学 X射线衍射实验 3.逻辑推理 模型思维 微观结构 模型研究
【核心突破】
典例3 在探索微观世界的过程中,科学家们常通过建立假说模型来把握物质的结构及特点,不断拓展认识新领域。关于假说,有如下表述,其中正确的是 ( )
A.假说是对现实中已知事物或现象的一种简化处理
B.假说是对未知领域的事物或现象提出的一种推测
C.假说是对一个问题的所有幻想和假定
D.假说最终都可以变成科学理论
【答案】B
【解析】假说是科学家在探索的过程中,为把握物质的结构及特点而建立的一种模型,它是对未知领域的事物或现象提出的一种推测,然后通过实验或推理去验证它的正确与否。
典例4 我国参与研制的阿尔法磁谱仪随美国“发展号”航天飞机升入太空,探索宇宙中是否存在“反物质”(又称为“暗物质”)。反物质的主要特征是电子带正电荷,质子带负电荷。物质和其相应的反物质相遇后发生湮灭,所有的质量完全转化为能量。根据上述信息回答下列问题:
(1)根据你所学过的知识推测制造阿尔法磁谱仪核心部件的材料是 (填字母,下同)。
A.FeO B.Fe2O3 C.Fe3O4 D.Fe3C
(2)反物质发生中和反应的离子方程式为 。
A.H-+OH+H2O
B.H++OH+H2O
C.H-+OH-H2O
D.H++OH-H2O
(3)画出反物质氢离子的结构示意图: 。
【答案】(1)C (2)A (3)
【解析】(1)铁的化合物中,有磁性的是Fe3O4。从阿尔法磁谱仪的名称可以看出,磁谱仪的核心部件是由具有磁性的物质构成的。(2)抓住中和反应和反物质的特征即可,常见H+带正电荷,其反物质为H-;OH-带负电荷,其反物质为OH+。(3)书写反物质H-的结构示意图时要注意质子带负电荷。
归纳总结 研究物质结构的一般方法
(1)
(2)分析原子、分子结构的理论基础:量子力学。
(3)现代研究物质结构的实验方法:光谱和衍射实验。
(4)几种测定物质组成和结构的仪器
①红外光谱仪;②电子显微镜;③原子吸收分光光度计;④X射线衍射仪等。
训练2 已知含氧酸可用通式(OH)mXOn来表示,如X是S,m=2,n=2,则这个式子表示H2SO4。一般而言,该式中n值越大,酸性越强。下列含氧酸中酸性最强的是 ( )
A.HClO B.HMnO4
C.H2CO3 D.HNO2
【答案】B
【解析】将HClO改写为(OH)Cl,非羟基氧原子数目为0;将HMnO4改写为(OH)MnO3,非羟基氧原子数目为3;将H2CO3改写为(OH)2CO,非羟基氧原子数目为1;将HNO2
改写为(OH)NO,非羟基氧原子数目为1。HMnO4中非羟基氧原子数目最大,则HMnO4的酸性最强。
训练3 下列有关物质的化学用语表示正确的是 ( )
A.16O的原子结构示意图:
B.BeCl2分子的电子式为
C.CO2的空间填充模型:
D.乙醇分子的球棍模型:
【答案】D
【解析】16O原子的质子数和核外电子数都是8,质量数是16,A项错误;Be原子最外层只有2个电子,没有6个电子,B项错误;CO2分子中,中间碳原子的半径比氧原子的半径大,C项错误。
课堂小结
【随堂检测】
1.下列关于化学学习和研究的说法错误的是 ( )
A.化学模型有助于解释一些化学现象
B.质量守恒定律是大量实验事实的总结
C.化学家提出的假设都能被实验证实
D.化学基本原理的应用是有一定条件的
【答案】C
【解析】化学家提出的假设并不一定完全正确,有的甚至是错误的。
2.借助碱金属和卤族元素的递变性分析下面的推断,其中正确的是 ( )
A.已知Ca是第4周期ⅡA族的元素,故Ca(OH)2的碱性比Mg(OH)2的碱性弱
B.已知As是第4周期ⅤA族的元素,故AsH3的稳定性比NH3的稳定性强
C.已知Cs的原子半径比Na的原子半径大,故Cs与水反应不如Na与水反应剧烈
D.已知Cl的核电荷数比F的核电荷数多,故Cl的原子半径比F的原子半径大
【答案】D
【解析】由碱金属元素和卤族元素的递变性可知,同主族元素从上到下元素的金属性增强,非金属性减弱,最高价氧化物对应水化物的碱性增强,金属活动性增强,非金属气态氢化物稳定性减弱,A、B、C三项错误;同主族元素随核电荷数的增大,原子半径增大,D项正确。
3.下列由事实得出的结论错误的是 ( )
A.维勒用无机物合成了尿素,突破了无机物与有机物的界限
B.门捷列夫在前人工作的基础上发现了元素周期律,表明科学研究既要继承又要创新
C.C60是英国和美国化学家共同发现的,体现了国际科技合作的重要性
D.科恩和波普尔因理论化学方面的贡献获诺贝尔化学奖,意味着化学已成为以理论研究为主的学科
【答案】D
【解析】理论化学与实践应相辅相成而不是以谁为主、谁为辅的问题,D项错误。
4.BGO是我国研制的一种闪烁晶体材料,曾用于诺贝尔奖获得者丁肇中的著名实验。它是锗酸铋的简称。已知:
①在BGO中,锗处于其最高价态;
②在BGO中,铋的价态与铋和氯形成某种共价氯化物时所呈现的价态相同,在此氯化物中铋原子具有最外层8个电子稳定结构;
③BGO可看成是由锗和铋两种元素的氧化物所形成的复杂氧化物,且在BGO晶体的化学式中,这两种氧化物所含氧的总质量相同。
请回答下列问题:
(1)锗和铋的元素符号分别是 、 。
(2)BGO晶体中所含铋的氧化物的化学式是 。
(3)BGO晶体的化学式是 。
【答案】(1)Ge Bi
(2)Bi2O3
(3)Bi4(GeO4)3(或2Bi2O3·3GeO2)
2