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专题1 揭示物质结构的奥秘
第三单元 物质结构研究的意义
促进了化学科学的发展
1.人类对物质结构的探索和研究
(1)阿伏加德罗的分子假说
1811年，意大利科学家阿伏加德罗提出了分子的概念，认为气体分子可以由几个原子组成。
1860年，确立了“原子—分子论”，即不同元素代表不同原子，原子按一定方式结合成分子，分子组成物质，分子的结构直接决定分子的性质。
(2)门捷列夫发现元素周期律
1869年，俄国化学家门捷列夫发现了元素周期律，有助于从理论上指导化学元素的发现和应用。
(3)有机化学的发展
19世纪中叶，碳原子的四价、有机物中碳原子成键的立体结构、有机化合物分子中价键的饱和性等相继被发现，为有机立体化学的发展奠定了基础。
2.物质结构研究的意义
研究物质结构，可以帮助我们认识物质的性能。如金刚石、石墨、C60、碳纳米管等都由碳元素组成，但它们的性能有很大的差别，原因是碳原子之间的排列方式
不同。
研究物质结构，能够为设计和合成新物质提供理论基础。
揭示物质结构与性能的关系，可帮助我们预测新物质的性能。
研究物质结构，能帮助我们了解材料的结构与性能之间的关系。
物质结构研究指导生命科学在分子水平上探索生命现象的本质。
物质结构研究对保护生态环境、实现社会的可持续发展有重要意义。
物质结构的探索无止境
1.探索生命运动的化学机理
20世纪经典生物学的最大突破是在分子水平上探索生命现象的本质。
研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，有助于进行手性生物分子和手性药物的开发。
搞清楚食草动物胃内的酶是如何把植物纤维分解为小分子的，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。
合成具有生物活性和生理活性的分子，可帮助人类揭示生命的奥秘。
了解生物体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理，创造“新陈代谢”的目标就能得以实现。
2.化学反应的量子力学理论的发展
量子化学是结构化学最重要的理论基础，结构化学是量子化学最直接的实验基础和推动力量。
3.物质结构研究对于保护生态环境、实现社会的可持续发展亦具有重大意义
绿色合成方法的设计和实施，合成具有高活性和选择性的催化剂，都依赖于对物质转化规律、催化剂结构和催化机理的研究。
环境的改善，将进一步提高人类的生活质量，促进社会的可持续发展。
原子结构示意图
原子结构示意图由两部分组成：原子核和核外电子，如图所示。
X为核电荷数，K层最多排2个电子，L层最多排8个电子，M层最多排18个电子(作最外层时为8个)，排布顺序为排满K层排L层，排满L层排M层。
(2025·宁夏中卫高一期中)化学中有很多专用化学用语用来表示结构、变化等。下列有关化学用语使用正确的是( )
A.HCl的电子式为H＋
B.硫原子的原子结构示意图为
C.用电子式表示NaCl的形成过程为
D.水分子的球棍模型为
D
氯化氢是共价化合物，其电子式为H ，A错误；硫原子的结构示意图为
，B错误；氯化钠电子式错误，用电子式表示NaCl的形成过程为
，C错误；一个水分子是由2个氢原子和1个氧原子构成的，分子的空间结构为V形，氢原子的半径小于氧原子，D正确。
同分异构体
有机化合物分子中通常含有较多的原子，这些原子在成键方式、连接顺序等方面，如果存在差异，就会出现分子式相同而结构不同的同分异构现象。分子式相同而结构不同的化合物互为同分异构体。
同分异构现象普遍存在于有机物中，但并不是只有有机物才有同分异构现象。例如，无机物氰酸铵、异氰酸铵和有机物尿素三者具有相同的化学组成，但却具有不同的结构，所以它们三者相互称为同分异构体。
(2025·浙江精诚联盟二模)在一定条件下，化合物A可转变为己内酰胺E，该反应的主要途径如图。
下列说法不正确的是( )
A.化合物A可以发生加成反应
B.化合物B为该反应的催化剂
C.化合物C与D互为同分异构体
D.化合物E属于酯类
D
化合物A中存在双键，可以发生加成反应，A正确；开始时化合物B与反应物A参与反应，反应后又重新生成，故化合物B为该反应的催化剂，B正确；由循环图可知化合物C和D的分子式相同，都为C8H10NO2F3，故化合物C与D互为同分异构体，C正确；化合物E不含有酯基，不属于酯类，D错误。
同素异形体
由同一种元素组成的性质不同的几种单质互称为该元素的同素异形体。
例如，碳原子采用不同的连接方式形成不同的单质：金刚石、石墨、C60等，这些单质互称为同素异形体。
同分异构体是化合物间的关系，同素异形体是单质间的关系。牢记两者概念的差异，也就能解决相关问题。
B
H2S是无氧酸，可以电离出氢离子，重水和普通水化学性质相同，可以电离出氢离子，A正确；由同种元素组成的不同单质互为同素异形体，H2S和D2S均为化合物，不是单质，不互为同素异形体，B错误；由题给信息及元素守恒可知，FeS与DCl的D2O溶液反应生成D2S和FeCl2，反应的化学方程式正确，C正确；方法①中H2S与D2O可能发生同位素交换(如生成HDS)，导致产物不纯，方法②直接由DCl和D2O提供氘，产物D2S更纯，D正确。(共15张PPT)
专题1 揭示物质结构的奥秘
第一单元 物质结构研究的内容
认识物质的特征结构
1.原子结构与元素性质的关系
(1)原子结构：原子核外电子数＝质子数＝核电荷数＝原子序数
(2)原子结构示意图：
(3)原子结构与元素性质的关系：
原子半径越大，最外层电子数越少，失去电子的能力越强，元素的金属性越强；原子半径越小，最外层电子数越多，得到电子的能力越强，元素的非金属性越强。例如，钠原子在化学反应中易失去最外层的1个电子，形成钠离子，钠元素表现出强的金属性；氯原子在化学反应中倾向于获得1个电子，形成氯离子，氯元素表示出强的非金属性，钠离子与氯离子通过静电作用力形成氯化钠晶体。
2.研究物质之间化学反应的本质及过程
(1)研究化学反应的本质就是研究从一种结构(反应物)如何转变为另一种新的结构(生成物)。
(2)研究化学反应的过程需要对反应物、生成物的特征结构进行针对性研究，考查反应物中什么原子或原子团上的化学键容易发生断裂，继而在什么位置上生成新的化学键。
例如乙醇的氧化反应是乙醇分子中的—OH失去一个H，与—OH相连的C上也失去一个H，形成C==O双键，乙醇转化为乙醛，这个过程称为氧化(去氢)反应。
揭示物质结构与性质的关系
1.物质结构与性质的关系
(1)物质的结构在很大程度上决定了该物质的某些性质。
研究过程：根据分子结构预测物质的性质，通过实验验证对物质的性质的预测，并阐明物质结构与性质的关系。
(2)典型结构与物质性质的关系
①白磷与红磷
白磷分子(P4)呈正四面体结构，键角为60°，常温常压下有很高的反应活性。
红磷呈链状结构，分子较大，通常用P表示，比较稳定，常温常压下难与氧气等物质发生反应。
碳单质 形态 结构 性质
金刚石 碳原子间结合牢固 是自然界中天然存在最坚硬的物质，可用于切割玻璃、金属
木炭 碳原子不规则结合 ——
富勒烯 碳原子结合形状呈中空足球状 中空部分可以填入其他原子或者分子
②不同碳单质的结构、性质与用途
碳单质 形态 结构 性质
碳纳米管 中空管状 强度高，弹性佳
石墨 同一层上的碳原子之间形成六边形网状结构并层层重叠 层与层之间引力微弱，可以滑动，常用作润滑剂
(3)利用物质的特征结构解释物质的性质
①乙醇与二甲醚的性质
乙醇的结构式为 ，二甲醚的结构式为 。
乙醇分子中—OH易失去H原子，能与金属钠反应产生氢气；乙醇分子中—OH易与水分子形成氢键，因此易溶于水。
②白磷氧化后的产物结构
因为白磷分子中的P—P键有较大的张力，易断裂，与氧气反应时，P—P键断裂，O原子与P原子连接，形成P4O6、P4O10。
③白磷在氧化时还可以生成P4O7、P4O8、P4O9，甚至会得到P4O18等
白磷氧化可以得到各种含不同价态的磷的氧化物，但会保持白磷的基本四面体结构不变，同时由于磷的稳定价态为＋3价和＋5价，也就是说磷在形成化合物时形成3个共价键或5个共价键时稳定，所以生成的最典型的氧化物是P4O6和P4O10，但在不同条件下形成的氧化物可以是含＋3和＋5价P的混杂氧化物，从而形成了P4O7、P4O8、P4O9，甚至会得到P4O18等不同类型的氧化物。其结构如下：
(4)同分异构体与同素异形体
同分异构体是指具有相同分子式，但有不同结构的分子间的关系。
同素异形体是指由同一种元素组成的不同单质。
比如，乙醇与二甲醚互为同分异构体，氧气与臭氧互为同素异形体。(共6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
归纳与演绎
物质结构研究有两种常见的范式：归纳范式和演绎范式。
1.归纳范式：“从个别到一般”的范式。根据事实进行概括归纳，抽象出共同点，上升为本质规律。例如，通过甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)等的分子式，归纳出饱和烷烃的碳链结构，写出其通式为CnH2n＋2；通过比较1～20号元素的原子核外电子排布来认识前20号元素对应原子结构的不同，从中归纳出元素的原子核外电子排布的规律，并从结构上解释同族元素性质相似原因。
2.演绎范式：“从一般到个别”的范式。即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。例如，门捷列夫建立的元素周期表，指导人们发现了“类铝”“类硼”“类硅”等一系列元素；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，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。
使用归纳与演绎范式时，一般先归纳、后演绎。“实验－假说－理论－新实验”的本质就是从个别到一般，再到个别的过程。
物质结构研究的方法
1.科学假设和论证
基本流程：
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。比如，卢瑟福的α粒子散射实验，启迪人们开始用粒子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；扫描隧道显微镜、原子力显微镜等仪器出现，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。
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。模型可以是宏观模型，也可以是微观结构模型。例如，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，我们最熟悉的就是原子结构模型，离子键模型、共价键模型和氢键模型，有机化合物的分子结构模型等。
