专题1 第二单元 物质结构研究的范式与方法课件 (共33张PPT)2024-2025学年高二化学苏教版（2019）选择性必修第二册
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| 名称 | 专题1 第二单元 物质结构研究的范式与方法课件 (共33张PPT)2024-2025学年高二化学苏教版（2019）选择性必修第二册 |  | |
| 格式 | ppt | ||
| 文件大小 | 2.5MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 苏教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2025-04-23 00:30:30 | ||
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文档简介
(共33张PPT)
专题1 揭示物质结构的奥秘
第二单元 物质结构研究的范式与方法
在19世纪初期，英国与欧洲很多其他的国家一样，城市中已经普及了煤气灯，然而从生产煤气的原料中制备出煤气后还剩下一种油状的液体，这种液体就是苯。
它的结构到底是怎么样的呢？ 难倒了一众科学家。 其中有一个科学家凯库勒，算是上帝的宠儿，一天他做了一个梦，梦见一条蛇首尾相连，忽然茅塞顿开，声称他解决了碳原子何以能够同时跟四个原子结合的原因，得出了苯的第一版结构。
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、建立相关理论作出的重要贡献。
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。
体会课堂探究的乐趣，
汲取新知识的营养，
让我们一起 吧！
进
走
课
堂
一、物质结构研究的范式
1.归纳范式
归纳范式，其过程为“由个别到一般”。具体而言，根据事实进行概括归纳，抽象出共同点，上升为本质规律。
根据饱和烷烃的的分子式：甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10） …… ，归纳饱和烷烃的通式。
饱和烷烃的通式为CnH2n+2。
根据1～20号元素的原子结构示意图，归纳元素核外电子的排布规律：
随着元素核电荷数的递增，除H、He外，元素原子最外层电子数出现1～8的周期性变化。
根据1～18号元素最高化合价和最低化合价，归纳元素化合价的变化规律：
随着元素核电荷数的递增，元素的最高正价呈现+1到+7，最低负价呈现－4到－1的周期性变化。
一、物质结构研究的范式
2.演绎范式
演绎范式，其过程通常为“从一般到个别”。具体而言，它是从某个一般结论出发，向从属于这一结论的多个要素进行推理的过程。
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。
【巩固训练】化学元素周期表是化学史上的伟大创举。下图是“国际化学元素周期表年”发行的纪念邮票之一，取材于“门捷列夫周期表上留下的空位元素‘类铝’由法国化学家布瓦博德朗发现，并命名为镓(Ga)”。下列有关说法错误的是（ ）
A．元素周期律在预测未知化学元素中发挥了重要作用
B．Ga的原子序数为31，是第四周期第ⅢA族元素，氧化物为Ga2O3
C．镓与铝相似，既能和酸反应也能和强碱溶液反应
D．铝是一种不活泼的金属，生活中有很多铝制品
D
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，预测物质可能具有的某些性质，采用的往往就是演绎法。例如，根据钠原子最外电子层上1个电子极易失去表现出强还原性的特点，可以推出同族半径更大的钾、铷、铯元素具有更强的还原性的结论。
【巩固训练】中国化学会遴选了118名青年化学家作为“元素代言人”，组成“中国青年化学家元素周期表”。第37号元素铷(Rb)由清华大学张如范代言。下列说法正确的是（ ）
A．铷位于周期表的第四周期第IA族 B．氢氧化铷属于弱碱
C．与钠的单质相比，铷的单质熔点更低 D．硝酸铷属于共价化合物
【解析】37号元素铷(Rb)，位于周期表的第五周期第IA族，Ａ项错误；第一主族元素由上到下金属性(还原性)越来越强，形成的氢氧化物碱性也越来越强，故氢氧化铷属于强碱，Ｂ项错误；碱金属同主族单质熔点由上到下依次降低，所以与钠的单质相比，铷的单质熔点更低，C项正确；硝酸铷是由硝酸根离子与铷离子通过离子键构成的离子化合物，D项错误。
C
水是极性较强的分子，水分子之间存在较强的氢键，水分子既可为生成氢键提供H，又有孤电子对接受H。因此，从分子的结构可以推知，凡能为生成氢键提供和接受H的溶质分子，极性与水相似，如ROH、RCOOH等，均可通过氢键和水结合，在水中溶解度较大；碳氢化合物极性较小，也难以和水形成氢键，在水中溶解度很小。这就是著名的“相似相溶规则”。
二、物质结构研究的方法
1.科学假设和论证
科学家研究问题的第一步是观察，运用感官观察物质的宏观表现。在观察的基础上，科学家提出假设（hypothesis），即根据已有知识，对所研究的事物或现象作出初步的解释。它是人们关于某一事物或现象的一种理性推测。。
1825年，英国科学家法拉第（Michael Faraday, 1791—1867）首先发现了苯，但如何确定其结构成为化学家的难题。德国化学家凯库勒（F. A. Kekule，1829—1896）经过大量猜想假设，于1865年提出了苯的六元环结构，再经过后人的验证，最终形成了大家所熟悉的凯库勒式。这是化学史中提出假说、推断和得出推论的典型实例。
为了证明假设是否正确，必须通过不断的重复实验进行论证。凯库勒苯环假说的提出，虽具有非逻辑的直觉成分，但它也有一定的实验根据。若实验证明假设是正确的，科学家就接受这个假设；如果实验不支持假设，则必须对假设进行修改，并设计新的实验进行反复验证。
凯库勒与苯的六元环结构
经实验证明正确的假设还需通过建立理论来将这些知识组织起来，使之成为知识体系。理论（theory）是建立在大量的观察基础之上并为实验所证实的解释。例如道尔顿的原子理论，就是建立在很多化学家一次又一次观察和实验的基础之上的。当反常现象大量出现，而原有理论又不能很好地作出解释时，就需对原有理论加以修改，甚至需要提出新的理论。
研究过程流程图
二、物质结构研究的方法
2.实验方法
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检验。为了进一步了解原子的内部结构，往往需要依赖新的实验方法。
卢瑟福的α粒子散射实验，启迪人们开始用轰击和对撞的实验来研究物质的内部结构，为我们提供了一种研究物质微观结构的思想方法。
17世纪发明的光学显微镜，虽然不能观察分子层次的物质结构，但为研究物质结构提供了非常重要的思想方法。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X射线衍射实验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。通过这些仪器与手段所获得的信息，为建立物质结构模型和相关理论提供了坚实的支撑。
晶体的X射线衍射
测定物质组成和结构的仪器
目前物质微观研究最前沿仪器有哪些？
红外光谱仪、电子显微镜、原子吸收光谱仪、X射线衍射仪等。
红外光谱仪
电子显微镜
原子吸收光谱仪
X射线衍射仪
测定键长/键角/官能团
分析晶体结构/推测化学组成/观察固表形貌
测定元素
精确测定物质晶体结构
二、物质结构研究的方法
3.模型方法
科学家需要运用一定的逻辑推理与模型思维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，有利于人们对事物作出整体认识，如汽车模型、飞机模型和建筑模型等，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，也称微观结构模型。
宏观模型和微观结构模型
原子结构模型的演变
问题1：微观世界难以直接观测，怎样揭示结构奥秘？
运用实验、模型化方法，通过分析、归纳、推理，借助科学假说和论证逐步揭开微观奥秘。
问题2：哪些实验对原子模型的发展产生重大影响？
1858年，普里克发现阴极射线；
1897年，汤姆生发现电子；
1905年前后，卢瑟福发现原子核；
1913年，玻尔提出氢原子光谱理论解释。
问题3：卢瑟福用α粒子轰击金箔后得出哪些结论？
原子有核；核体积小质量大；核带正电荷。
【思考交流】
乙烯、乙炔的球棍模型
方法
范式
物质结构研究的
范式和方法
归纳范式
演绎范式
科学假设和验证
实验方法
模型方法
1．通过对物质结构与性质的研究，能够解决许多问题。在生命科学领域，下列不能通过研究结构与性质的关系加以解决的问题是( )
A．酶的催化机理
B．手性生物分子与手性药物的作用机制
C．指甲的长短与手指的灵活性的关系
D．抗癌药物的设计与筛选
C
2．“大爆炸”理论指出：约150亿年以前，宇宙所有物质都包含在一个密度无限大、温度无限高的原始核中，由于某种原因它发生了爆炸，首先产生了中子、质子和电子，随后产生了元素。根据演绎范式，你认为最先产生的第一种元素应该是( )
A．H B．O C．Fe D．C
A
【解析】由于氢原子只含有一个质子和电子，最容易形成，所以最先产生的第一种元素应该是氢元素。
3．最近医学界通过放射性14C标记C60，发现一种C60的羧酸衍生物在特定条件下通过断裂DNA而杀死细胞，从而抑制艾滋病，则有关的叙述正确的是( )
A．由14C的化学性质可以归纳12C的化学性质
B．可以通过模型方法了解C60的微观构型
C．用扫描隧道显微镜可以测定二者的原子量
D．可由C60、C70、C80等系列物质演绎一类物质的性质
【解析】由个别到个别是演绎，A错误；扫描隧道显微镜测的是物质的结构，C错误；由个别到一般是归纳，D错误。
B
4．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，后来被德国化学家温克勒发现，并证实门捷列夫当时的预测相当准确。下列有关描述中错误的是( )
A．根据一般规律的预测结果都是正确的
B．由周期表推断元素是利用了演绎范式
C．由硅的结构可以通过科学假设和论证方法研究“类硅”的结构
D．可以通过实验方法研究硅及“类硅”结构的区别
A
7．(1)人们在长期探索物质的微粒和物质的微观结构的过程中，主要运用了______________方法、____方法、____方法；________为化学研究提供了分析原子和分子结构的理论基础；_______________________方法早已应用于研究原子、分子和晶体结构。
(2)科学家正在设法探寻“反物质”。所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电量，但电荷符号相反。
光谱和晶体X射线衍射实验
科学假设和论证
实验
模型
量子力学
①若有α粒子(即氦离子)的反粒子，则该粒子的质量数为____，电荷数为_____，α反粒子符号可表示成________。
②反氢原子的成功制备是人类探索反物质的一大进步。试推测反氢原子的构造是_____。
A．由1个带正电荷的质子与1个带负电荷的电子构成
B．由1个带负电荷的质子与1个带正电荷的电子构成
C．由1个不带电荷的中子与1个带负电荷的电子构成
D．由1个带负电荷的质子与1个带负电荷的电子构成
4
－2
He2－
B
专题1 揭示物质结构的奥秘
第二单元 物质结构研究的范式与方法
在19世纪初期，英国与欧洲很多其他的国家一样，城市中已经普及了煤气灯，然而从生产煤气的原料中制备出煤气后还剩下一种油状的液体，这种液体就是苯。
它的结构到底是怎么样的呢？ 难倒了一众科学家。 其中有一个科学家凯库勒，算是上帝的宠儿，一天他做了一个梦，梦见一条蛇首尾相连，忽然茅塞顿开，声称他解决了碳原子何以能够同时跟四个原子结合的原因，得出了苯的第一版结构。
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、建立相关理论作出的重要贡献。
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。
体会课堂探究的乐趣，
汲取新知识的营养，
让我们一起 吧！
进
走
课
堂
一、物质结构研究的范式
1.归纳范式
归纳范式，其过程为“由个别到一般”。具体而言，根据事实进行概括归纳，抽象出共同点，上升为本质规律。
根据饱和烷烃的的分子式：甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10） …… ，归纳饱和烷烃的通式。
饱和烷烃的通式为CnH2n+2。
根据1～20号元素的原子结构示意图，归纳元素核外电子的排布规律：
随着元素核电荷数的递增，除H、He外，元素原子最外层电子数出现1～8的周期性变化。
根据1～18号元素最高化合价和最低化合价，归纳元素化合价的变化规律：
随着元素核电荷数的递增，元素的最高正价呈现+1到+7，最低负价呈现－4到－1的周期性变化。
一、物质结构研究的范式
2.演绎范式
演绎范式，其过程通常为“从一般到个别”。具体而言，它是从某个一般结论出发，向从属于这一结论的多个要素进行推理的过程。
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。
【巩固训练】化学元素周期表是化学史上的伟大创举。下图是“国际化学元素周期表年”发行的纪念邮票之一，取材于“门捷列夫周期表上留下的空位元素‘类铝’由法国化学家布瓦博德朗发现，并命名为镓(Ga)”。下列有关说法错误的是（ ）
A．元素周期律在预测未知化学元素中发挥了重要作用
B．Ga的原子序数为31，是第四周期第ⅢA族元素，氧化物为Ga2O3
C．镓与铝相似，既能和酸反应也能和强碱溶液反应
D．铝是一种不活泼的金属，生活中有很多铝制品
D
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，预测物质可能具有的某些性质，采用的往往就是演绎法。例如，根据钠原子最外电子层上1个电子极易失去表现出强还原性的特点，可以推出同族半径更大的钾、铷、铯元素具有更强的还原性的结论。
【巩固训练】中国化学会遴选了118名青年化学家作为“元素代言人”，组成“中国青年化学家元素周期表”。第37号元素铷(Rb)由清华大学张如范代言。下列说法正确的是（ ）
A．铷位于周期表的第四周期第IA族 B．氢氧化铷属于弱碱
C．与钠的单质相比，铷的单质熔点更低 D．硝酸铷属于共价化合物
【解析】37号元素铷(Rb)，位于周期表的第五周期第IA族，Ａ项错误；第一主族元素由上到下金属性(还原性)越来越强，形成的氢氧化物碱性也越来越强，故氢氧化铷属于强碱，Ｂ项错误；碱金属同主族单质熔点由上到下依次降低，所以与钠的单质相比，铷的单质熔点更低，C项正确；硝酸铷是由硝酸根离子与铷离子通过离子键构成的离子化合物，D项错误。
C
水是极性较强的分子，水分子之间存在较强的氢键，水分子既可为生成氢键提供H，又有孤电子对接受H。因此，从分子的结构可以推知，凡能为生成氢键提供和接受H的溶质分子，极性与水相似，如ROH、RCOOH等，均可通过氢键和水结合，在水中溶解度较大；碳氢化合物极性较小，也难以和水形成氢键，在水中溶解度很小。这就是著名的“相似相溶规则”。
二、物质结构研究的方法
1.科学假设和论证
科学家研究问题的第一步是观察，运用感官观察物质的宏观表现。在观察的基础上，科学家提出假设（hypothesis），即根据已有知识，对所研究的事物或现象作出初步的解释。它是人们关于某一事物或现象的一种理性推测。。
1825年，英国科学家法拉第（Michael Faraday, 1791—1867）首先发现了苯，但如何确定其结构成为化学家的难题。德国化学家凯库勒（F. A. Kekule，1829—1896）经过大量猜想假设，于1865年提出了苯的六元环结构，再经过后人的验证，最终形成了大家所熟悉的凯库勒式。这是化学史中提出假说、推断和得出推论的典型实例。
为了证明假设是否正确，必须通过不断的重复实验进行论证。凯库勒苯环假说的提出，虽具有非逻辑的直觉成分，但它也有一定的实验根据。若实验证明假设是正确的，科学家就接受这个假设；如果实验不支持假设，则必须对假设进行修改，并设计新的实验进行反复验证。
凯库勒与苯的六元环结构
经实验证明正确的假设还需通过建立理论来将这些知识组织起来，使之成为知识体系。理论（theory）是建立在大量的观察基础之上并为实验所证实的解释。例如道尔顿的原子理论，就是建立在很多化学家一次又一次观察和实验的基础之上的。当反常现象大量出现，而原有理论又不能很好地作出解释时，就需对原有理论加以修改，甚至需要提出新的理论。
研究过程流程图
二、物质结构研究的方法
2.实验方法
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检验。为了进一步了解原子的内部结构，往往需要依赖新的实验方法。
卢瑟福的α粒子散射实验，启迪人们开始用轰击和对撞的实验来研究物质的内部结构，为我们提供了一种研究物质微观结构的思想方法。
17世纪发明的光学显微镜，虽然不能观察分子层次的物质结构，但为研究物质结构提供了非常重要的思想方法。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X射线衍射实验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。通过这些仪器与手段所获得的信息，为建立物质结构模型和相关理论提供了坚实的支撑。
晶体的X射线衍射
测定物质组成和结构的仪器
目前物质微观研究最前沿仪器有哪些？
红外光谱仪、电子显微镜、原子吸收光谱仪、X射线衍射仪等。
红外光谱仪
电子显微镜
原子吸收光谱仪
X射线衍射仪
测定键长/键角/官能团
分析晶体结构/推测化学组成/观察固表形貌
测定元素
精确测定物质晶体结构
二、物质结构研究的方法
3.模型方法
科学家需要运用一定的逻辑推理与模型思维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，有利于人们对事物作出整体认识，如汽车模型、飞机模型和建筑模型等，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，也称微观结构模型。
宏观模型和微观结构模型
原子结构模型的演变
问题1：微观世界难以直接观测，怎样揭示结构奥秘？
运用实验、模型化方法，通过分析、归纳、推理，借助科学假说和论证逐步揭开微观奥秘。
问题2：哪些实验对原子模型的发展产生重大影响？
1858年，普里克发现阴极射线；
1897年，汤姆生发现电子；
1905年前后，卢瑟福发现原子核；
1913年，玻尔提出氢原子光谱理论解释。
问题3：卢瑟福用α粒子轰击金箔后得出哪些结论？
原子有核；核体积小质量大；核带正电荷。
【思考交流】
乙烯、乙炔的球棍模型
方法
范式
物质结构研究的
范式和方法
归纳范式
演绎范式
科学假设和验证
实验方法
模型方法
1．通过对物质结构与性质的研究，能够解决许多问题。在生命科学领域，下列不能通过研究结构与性质的关系加以解决的问题是( )
A．酶的催化机理
B．手性生物分子与手性药物的作用机制
C．指甲的长短与手指的灵活性的关系
D．抗癌药物的设计与筛选
C
2．“大爆炸”理论指出：约150亿年以前，宇宙所有物质都包含在一个密度无限大、温度无限高的原始核中，由于某种原因它发生了爆炸，首先产生了中子、质子和电子，随后产生了元素。根据演绎范式，你认为最先产生的第一种元素应该是( )
A．H B．O C．Fe D．C
A
【解析】由于氢原子只含有一个质子和电子，最容易形成，所以最先产生的第一种元素应该是氢元素。
3．最近医学界通过放射性14C标记C60，发现一种C60的羧酸衍生物在特定条件下通过断裂DNA而杀死细胞，从而抑制艾滋病，则有关的叙述正确的是( )
A．由14C的化学性质可以归纳12C的化学性质
B．可以通过模型方法了解C60的微观构型
C．用扫描隧道显微镜可以测定二者的原子量
D．可由C60、C70、C80等系列物质演绎一类物质的性质
【解析】由个别到个别是演绎，A错误；扫描隧道显微镜测的是物质的结构，C错误；由个别到一般是归纳，D错误。
B
4．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，后来被德国化学家温克勒发现，并证实门捷列夫当时的预测相当准确。下列有关描述中错误的是( )
A．根据一般规律的预测结果都是正确的
B．由周期表推断元素是利用了演绎范式
C．由硅的结构可以通过科学假设和论证方法研究“类硅”的结构
D．可以通过实验方法研究硅及“类硅”结构的区别
A
7．(1)人们在长期探索物质的微粒和物质的微观结构的过程中，主要运用了______________方法、____方法、____方法；________为化学研究提供了分析原子和分子结构的理论基础；_______________________方法早已应用于研究原子、分子和晶体结构。
(2)科学家正在设法探寻“反物质”。所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电量，但电荷符号相反。
光谱和晶体X射线衍射实验
科学假设和论证
实验
模型
量子力学
①若有α粒子(即氦离子)的反粒子，则该粒子的质量数为____，电荷数为_____，α反粒子符号可表示成________。
②反氢原子的成功制备是人类探索反物质的一大进步。试推测反氢原子的构造是_____。
A．由1个带正电荷的质子与1个带负电荷的电子构成
B．由1个带负电荷的质子与1个带正电荷的电子构成
C．由1个不带电荷的中子与1个带负电荷的电子构成
D．由1个带负电荷的质子与1个带负电荷的电子构成
4
－2
He2－
B