同步蘇教化學(xué)選修三新突破講義：專題5 物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索無止境 Word版含答案

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1、 目標(biāo)與素養(yǎng)：1.理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)是決定物質(zhì)性質(zhì)的重要因素。(宏觀辨識與微觀探析)2.了解研究化學(xué)反應(yīng)的量子力學(xué)理論的重要意義，認(rèn)識研究生命現(xiàn)象的化學(xué)機(jī)理的重要性。 一、研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 1．這里的物質(zhì)結(jié)構(gòu)指的是構(gòu)成物質(zhì)的微粒之間的相互作用、分子的構(gòu)型等。 2．物質(zhì)性質(zhì)指的是物質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物活性和生理活性等。 3．物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)，關(guān)注以下幾個問題： (1)研究鑭系元素結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，尋找功能奇特的光、電、磁等材料。 (2)研究影響生物大分子的生物活性和生理活性的結(jié)構(gòu)因素，揭示人類生命運(yùn)動的機(jī)理。 (3)研究材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，制得

2、強(qiáng)度大、密度小、穩(wěn)定性好、耐腐蝕的合成材料，如合成具有共價鍵強(qiáng)度的高分子纖維。 二、研究化學(xué)反應(yīng)的量子力學(xué)理論 1．為了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，化學(xué)家們非常期望解決的問題很多，例如： (1)在充分了解光合作用、固氮作用機(jī)理和催化理論的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的工業(yè)化，在工廠中生產(chǎn)糧食和蛋白質(zhì)。 (2)建立零排放的、原子經(jīng)濟(jì)性的化工企業(yè)，倡導(dǎo)“綠色化學(xué)”。 (3)在了解酶催化作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，模擬天然酶制造人工催化劑。實(shí)現(xiàn)在最溫和條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，控制反應(yīng)的方向和產(chǎn)物的手性。 2．量子力學(xué)在物質(zhì)轉(zhuǎn)化、物質(zhì)制備等研究領(lǐng)域中具有指導(dǎo)作用。為了更好地利用化學(xué)變化，通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，制備人

3、類生活和生產(chǎn)所需要的物質(zhì)，化學(xué)家們需要回答更多的問題，需要發(fā)展量子力學(xué)，需要建立精確有效而又普遍適用的化學(xué)反應(yīng)的量子力學(xué)理論。 3．隨著化學(xué)反應(yīng)的量子力學(xué)理論的建立和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人類將進(jìn)入一個嶄新的世界：合成氨不再需要高溫、高壓，光合作用不再是植物的專利，化工生產(chǎn)不再生成無實(shí)際用途的副產(chǎn)物，沒有能源危機(jī)，也沒有環(huán)境污染。 三、研究生命現(xiàn)象的化學(xué)機(jī)理 1．研究生命現(xiàn)象的化學(xué)機(jī)理對促進(jìn)人類健康的重要作用 (1)化學(xué)鍵理論為現(xiàn)代分子生物學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。 (2)探尋人類和生物的生命運(yùn)動的化學(xué)機(jī)理，是21世紀(jì)化學(xué)科學(xué)亟待解決的重大課題之一。 研究配體小分子和受體生物大分子相互作

4、用的機(jī)理，人們就能進(jìn)行藥物設(shè)計，有助于合成高效無毒副作用的藥物；合成具有生物活性和生理活性的分子，可以幫助人類揭示生命的奧秘；了解活體內(nèi)信息分子的運(yùn)動規(guī)律和生理調(diào)控的化學(xué)機(jī)理，創(chuàng)造“新陳代謝”的目標(biāo)能得以實(shí)現(xiàn)。 2．手性分子的研究 (1)手性藥物：含有手性分子的藥物稱為手性藥物。生物體內(nèi)的大分子大多具有手性。人體里的氨基酸都是左旋的，只有用左旋的氨基酸才能合成蛋白質(zhì)。 (2)手性催化劑與手性分子合成。 3．物質(zhì)研究的方法有助于探索物質(zhì)世界的奧秘 化學(xué)作為一門實(shí)用的創(chuàng)造性科學(xué)，已經(jīng)為人類認(rèn)識物質(zhì)世界和人類的文明進(jìn)步作出了巨大的貢獻(xiàn)。用化學(xué)方法合成了數(shù)以千萬計的物質(zhì)?；瘜W(xué)創(chuàng)立了研究物質(zhì)結(jié)

5、構(gòu)的理論、方法和實(shí)驗手段，初步揭示了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系和規(guī)律，為設(shè)計具有各種特殊功能的新物質(zhì)提供了有效的方法和手段。 結(jié)構(gòu)決定性能 1.元素原子的結(jié)構(gòu)決定元素的性質(zhì)，這一點(diǎn)可以從元素周期表“位—構(gòu)—性”的關(guān)系得以表現(xiàn)。同一周期中，隨著原子序數(shù)的遞增，原子核所帶電荷數(shù)逐漸增多，原子核對外層電子的引力逐漸增強(qiáng)，原子半徑逐漸減小，元素的非金屬性逐漸增強(qiáng)，得電子能力逐漸增強(qiáng)，失電子能力逐漸減弱。元素的最高價氧化物的水化物的酸性逐漸增強(qiáng)，堿性逐漸減弱。如Na、Mg、Al三種元素，原子半徑逐漸減小，金屬性逐漸減弱，還原性逐漸減弱。 2．不同的微?？坎煌淖饔昧?gòu)成不同類型的晶體，如離

6、子晶體、原子晶體、分子晶體、金屬晶體。離子晶體熔、沸點(diǎn)較高，難揮發(fā)，只有提供足夠高的能量才能使陰、陽離子克服離子鍵的作用，使晶體成為熔融態(tài)或氣態(tài)，少數(shù)熱穩(wěn)定性差的離子晶體受熱時易分解。離子晶體有較高的硬度；難于壓縮，但質(zhì)脆，不宜進(jìn)行機(jī)械加工。離子晶體不導(dǎo)電，但熔融或水溶液狀態(tài)下可以導(dǎo)電。原子晶體硬度大，金剛石是最硬的物質(zhì)，熔、沸點(diǎn)都很高，不溶于常見的溶劑，一般是電的不良導(dǎo)體。分子晶體一般熔點(diǎn)低，硬度小。金屬晶體是電的良導(dǎo)體，有良好的機(jī)械加工性能等。這一切都是因其晶體的結(jié)構(gòu)不同所致，即排列方式、構(gòu)成物質(zhì)的微粒、微粒間作用力不同等。 3．分子式相同的物質(zhì)性質(zhì)可能不同。如C2H6O有兩種不同的結(jié)構(gòu)

7、——乙醇 (CH3CH2OH) 和甲醚(CH3—O—CH3)，前者與水互溶而后者不能。前者可與Na、乙酸反應(yīng)，后者很難發(fā)生類似的反應(yīng)。前者可發(fā)生消去反應(yīng)生成乙烯，而甲醚不能發(fā)生消去反應(yīng)。乙醇和甲醚的關(guān)系是同分異構(gòu)體。同分異構(gòu)體的存在說明物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是決定物質(zhì)性質(zhì)的重要因素。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反過來體現(xiàn)結(jié)構(gòu)。 【典例1】　下列說法不正確的是(　　) A．化學(xué)反應(yīng)有新物質(zhì)生成，并遵循質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律 B．原子吸收光譜儀可用于測定物質(zhì)中的金屬元素，紅外光譜儀可用于測定化合物的官能團(tuán) C．分子間作用力比化學(xué)鍵弱得多，但它對物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)有較大的影響，而對溶解度無影響 D．酶催化

8、反應(yīng)具有高效、專一、條件溫和等特點(diǎn)，化學(xué)模擬生物酶對綠色化學(xué)、環(huán)境保護(hù)及節(jié)能減排具有重要意義 C　[化學(xué)反應(yīng)有新物質(zhì)生成并且遵循質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，光譜分析可以測定金屬元素和官能團(tuán)，酶具有高效、專一等性質(zhì)，因此A、B、D正確；分子間作用力對物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度都有影響，因此C項錯誤。] 研究生命現(xiàn)象的化學(xué)機(jī)理 1.研究配體小分子和受體生物大分子相互作用的機(jī)理，這是藥物設(shè)計的基礎(chǔ)。有了這一基礎(chǔ)，人們就能進(jìn)行藥物設(shè)計，有助于合成高效無毒副作用的藥物。 2．化學(xué)遺傳學(xué)為哈佛大學(xué)化學(xué)教授所創(chuàng)建。他的小組合成某些小分子，使之與蛋白質(zhì)結(jié)合，并改變蛋白質(zhì)的功能，例如使某些蛋白酶的

9、功能關(guān)閉。這些方法使得研究者們不通過改變產(chǎn)生某一蛋白質(zhì)的基因密碼就可以研究它們的功能，為開創(chuàng)化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)、化學(xué)基因組學(xué)(與生物學(xué)家以改變基因密碼來研究的方法不同)奠定了基礎(chǔ)。 3．搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草動物胃內(nèi)的酶如何把植物纖維分解為小分子的反應(yīng)機(jī)理，為充分利用自然界豐富的植物纖維資源打下基礎(chǔ)。 4．人類的大腦是用“泛分子”組裝成的最精巧的計算機(jī)。如何徹底了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能將是21世紀(jì)的腦科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、信息和認(rèn)知科學(xué)等交叉學(xué)科共同來解決的難題。 5．了解活體內(nèi)信息分子的運(yùn)動規(guī)律和生理調(diào)控的化學(xué)機(jī)理，使創(chuàng)造“新陳代謝”的目標(biāo)能得以實(shí)現(xiàn)。 6.了解

10、從化學(xué)進(jìn)化到手性和生命起源的飛躍過程。使人工合成的“左右手”各半的手性藥物得到抑制(或激發(fā))，達(dá)到治療疾病的目的。 7．合成具有生物活性和生理活性的分子，可幫助人們揭示生命的奧秘。 【典例2】　(雙選)有效成分為手性分子的藥物為手性藥物。下列有關(guān)手性藥物敘述正確的是(　　) A．化學(xué)反應(yīng)生成手性藥物時一定是成對生成它們的手性異構(gòu)體 B．存在少量手性催化劑時可只生成手性異構(gòu)體中的一種 C．手性藥物中兩種手性異構(gòu)體的醫(yī)藥作用幾乎沒有區(qū)別 D．手性異構(gòu)體的醫(yī)藥作用可能完全不同 BD　[如果沒有手性催化劑則生成的手性藥物大多數(shù)是兩種手性異構(gòu)體同時生成的，但在手性催化劑作用下，可以主要生成

11、一種異構(gòu)體。一對異構(gòu)體化學(xué)性質(zhì)幾乎相同，但生物性質(zhì)會截然不同，一種異構(gòu)體有治病療效，另一種可能沒有療效甚至有害。] 已知在水溶液中存在平衡：， 當(dāng)與CH3CH2OH發(fā)生酯化反應(yīng)時，不可能生成的產(chǎn)物是(　　) A． B． C．H2O D．HO B　[因乙酸在水溶液中存在平衡，故有兩種形式： 與乙醇、濃硫酸共熱時發(fā)生酯化反應(yīng)： 故B不可能。] 1．郵票收藏愛好者把信封上的郵票剪下來浸在水中，能除去郵票背面的黏合劑，這是利用了該黏合劑具有很強(qiáng)親水性的性能。該黏合劑的成分可能是(　　) B　[根據(jù)題中該黏合劑具有很強(qiáng)親水性的信息，可知該黏合劑中含有親水的基團(tuán)，B選

12、項中的羥基(—OH)具有親水性，因為羥基可以與水分子間形成氫鍵，C選項中的氯原子和D選項中的甲基都不具有親水性，所以正確答案為B。] 2．泛素被稱為“死亡之吻”，是一種由76個氨基酸組成的多肽，無用的蛋白質(zhì)會被這種物質(zhì)粘貼，被運(yùn)送到細(xì)胞內(nèi)的“垃圾處理廠”，在酶的作用下被切成含7～9個氨基酸的短肽。有關(guān)泛素的說法中，錯誤的是(　　) A．泛素作用下的蛋白質(zhì)“死亡”屬于縮聚反應(yīng) B．泛素既能與酸反應(yīng)也能與堿反應(yīng) C．泛素結(jié)構(gòu)中含有結(jié)構(gòu) D．蛋白質(zhì)遇重金屬鹽能發(fā)生變性 A　[多肽中含有氨基(—NH2)和羧基(—COOH)，多肽既能與酸反應(yīng)，也能與堿反應(yīng)，B正確；氨基酸脫水縮合形成肽鍵()

13、，C正確；重金屬鹽使蛋白質(zhì)變性，D正確。] 3．關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識正確的是(　　) A．物質(zhì)的結(jié)構(gòu)反映物質(zhì)的性質(zhì)，物質(zhì)的性質(zhì)決定物質(zhì)的結(jié)構(gòu) B．物質(zhì)的結(jié)構(gòu)包括構(gòu)成物質(zhì)的微粒之間的相互作用、分子的構(gòu)型等 C．物質(zhì)的結(jié)構(gòu)隨著人們的認(rèn)識或研究的程度經(jīng)常發(fā)生一些小的變化 D．物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有宏觀和微觀兩方面的認(rèn)識，從宏觀上說物質(zhì)是由元素組成的，從微觀上說物質(zhì)是由分子構(gòu)成的 B　[物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)，A項錯誤；物質(zhì)的結(jié)構(gòu)指的是構(gòu)成物質(zhì)的微粒，微粒間的作用力及微粒的排列方式等，B項正確；物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是自然存在的，只是人們認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的過程在逐步深入，C項錯誤；從微觀上說，構(gòu)成物質(zhì)的微粒有分子，

14、也有原子、離子等，D項錯誤。] 4．酶是具有特殊功能的蛋白質(zhì)，因而酶有蛋白質(zhì)的特性。到目前為止，在人體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多種酶。酶又是生物制造出來的催化劑，在生命有機(jī)體的有機(jī)反應(yīng)中發(fā)揮作用。如下圖所示的溫度t與反應(yīng)速率v的關(guān)系曲線中，有酶參加的是(　　) D　[要從兩個方面把握酶的催化作用：一是在室溫下酶就能對某些有機(jī)反應(yīng)充分發(fā)揮催化作用；二是酶作為蛋白質(zhì)在稍高溫度下會發(fā)生變性而失去催化作用。A圖表示隨溫度升高反應(yīng)速率持續(xù)加大；B圖表示隨溫度升高反應(yīng)速率減小，常溫下反應(yīng)速率沒有出現(xiàn)最佳狀態(tài)；C圖表示在適宜的溫度下反應(yīng)速率最小，以上三圖均不符合題意；D圖表示在適宜的溫度下反應(yīng)速率最大，超過適宜溫度

15、，隨溫度升高反應(yīng)速率減慢，符合酶的性質(zhì)。故正確答案為D。] 5.(2019·全國Ⅱ卷)一種四方結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)化合物的晶胞如圖1所示。晶胞中Sm和As原子的投影位置如圖2所示。 圖1　　　　　　圖2 圖中F－和O2－共同占據(jù)晶胞的上下底面位置，若兩者的比例依次用x和1－x代表，則該化合物的化學(xué)式表示為____________________；通過測定密度ρ和晶胞參數(shù)，可以計算該物質(zhì)的x值，完成它們關(guān)系表達(dá)式：ρ＝______________________g·cm－3。 以晶胞參數(shù)為單位長度建立的坐標(biāo)系可以表示晶胞中各原子的位置，稱作原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)，例如圖1中原子1的坐標(biāo)為，則原子2和3的坐標(biāo)分別為______________、________________。 [答案]　SmFeAsO1－xFx