歡迎進入化學課堂 第44講揭示物質(zhì)結構的奧秘 一 人類探索物質(zhì)結構的歷史 原子 的概念最初是由古希臘哲學家德謨克利特提出來的 其意思為 不可再分的最小粒子 但這是哲學思辨的產(chǎn)物 不是科學理論 十九世紀初 英國化學家道爾頓在分析氣體壓強規(guī)律 分析化合物組成規(guī)律的基礎上 提出了近代原子學說 原子論得到全世界大多數(shù)科學家的肯定 分子論的創(chuàng)立者是意大利物理學家阿伏加德羅 他認為原子首先應構成分子 分子再構成氣體 指出同溫同壓下同體積氣體應該含相同的分子數(shù) 這就是著名的阿伏加德羅定律 1897年英國 科學家湯姆生通過對陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)原子含有電子 提出 葡萄干夾心面包 式原子結構模型 人類開始了對原子內(nèi)部結構的探索 1911年 英國物理學家盧瑟福通過a粒子散射實驗發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)含有一個體積小而質(zhì)量大的 帶正電的原子核 提出 行星系式 原子結構模型 1913年 玻爾在研究氫原子光譜時 把原子光譜和原子核外電子運動聯(lián)系起來 并大膽地引入了量子論觀點 取得了成功 形成了新的原子結構模型 法國物理學家德布羅意 1875 1960 奧地利物理學家薛定鍔 1887 1961 和德國物理學家海森伯 1901 1976 等人 在1925 1926年 提出了原子的量子力學模型 該模型已經(jīng)經(jīng)受了半個多世紀的考驗 量子力學不僅對原子結構進行了深入的理論解剖 還對原子如何相互結合即化學鍵的形成進行了深入的理論研究 建立了現(xiàn)代價鍵理論和分子軌道理論 接著 價鍵理論和分子軌道理論分別應用到金屬晶體中 形成了金屬晶體的化學鍵理論 與此同時 分子間作用力的形成原因也得到說明 氫鍵 理論的發(fā)展不僅說明了水 氨 氟化氫熔沸點反常的問題 還解決了蛋白質(zhì)分子螺旋結構的形成 植物纖維素分子形成纖維索等許多生化問題 人們對各類晶體中粒子間的作用及晶體的結構也得到了更詳盡的了解 隨著電解法 光譜法等實驗新手段的出現(xiàn) 發(fā)現(xiàn)的新元素陸續(xù)增加 魚目混珠的冒牌元素逐個被清除出去 十九世紀中葉原子分子論確立以后 原子量的確定越來越精確 另外新的化合物及其性質(zhì)被大量發(fā)現(xiàn) 研究 報道 這些都為周期律的發(fā)現(xiàn)提供了厚實的土壤和豐富的營養(yǎng) 俄國化學家門捷列夫終于在前人研究的基礎上 于這項工作中嶄露頭角 他為了研究元素的分類 創(chuàng)造了 獨人游戲牌 把一種元素的單質(zhì)和化合物各項性質(zhì)寫在一張卡片上 當時已發(fā)現(xiàn)63種元素 就生成了63張 牌 然后利用這些 牌 進行各種分類排列嘗試 最后還是抓住了原子量 按原子量遞增順序排列 周期律就顯現(xiàn)出來了 1807年瑞典化學家貝采利烏斯把物質(zhì)分為有機物和無機物 1828年德國化學家武勒第一次在實驗室由無機物生成有機物 推翻了 生命力論 19世紀中葉以后凱庫勒等確立了碳的四價結構 創(chuàng)立了結構式 1874年范托夫 荷蘭 和勒貝爾 法國 確定了 碳原子的四面體模型 闡明了對映異構現(xiàn)象的本質(zhì) 促進立體化學的發(fā)展 現(xiàn)代價鍵理論被應用到有機結構中 二 研究物質(zhì)結構的意義1 探究物質(zhì)性質(zhì)的本源要了解物質(zhì)的結構 金剛石 石墨 碳 60都是碳的單質(zhì) 它們性質(zhì)的不同根源在結構不同 相似的結構產(chǎn)生相似的性質(zhì) 例如有些結構相似的藥物有相似的療效 特殊的結構產(chǎn)生特殊的性質(zhì) 帶來特殊的用途 2 綠色植物中有些豆科作物的根瘤能在常溫下高效地使空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為化合物 但這個過程在實驗室或工廠通常要在很大的壓強 很高的溫度下進行 如果根瘤菌固氮的機理完全搞清 人工模擬達到大規(guī)模生產(chǎn)的要求 將給我們帶來多少好處 3 開發(fā)性能優(yōu)異的新材料需要掌握結構與材料性能的關系 對材料性能與結構的關系了解越多 對物質(zhì)的結構和如何改造結構的秘密了解越多 就越有希望按人類的需求開發(fā)出各種特殊性能的新材料 4 了解生命現(xiàn)象的本質(zhì) 各種生理活動的原理 從分子水平探索生命之謎 生病機理和治療方法 了解藥物作用原理從而制造更有效的醫(yī)藥 5 保護環(huán)境 治理污染的化學方法從源頭上抓才是根本 如果塑料制品在陽光 空氣 水分的作用下能很快降解 則白色污染就不可怕了 考點一化學中的最新科技成果 例1核磁共振 NMR 技術已經(jīng)廣泛應用于復雜分子結構的測定和醫(yī)學診斷等高科技領域 只有質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)為奇數(shù)的原子核才有NMR現(xiàn)象 試判斷下列哪種原子不能產(chǎn)生NMR現(xiàn)象 A B C D C 解析 由題意可知 只要質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)兩者或其一是奇數(shù) 原子核就有NMR現(xiàn)象 A的中子數(shù)7是奇數(shù) B的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為7 都是奇數(shù) D的質(zhì)子數(shù)15是奇數(shù) 故A B D均有NMR現(xiàn)象 而C的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為8 都不是奇數(shù) 無NMR現(xiàn)象 方法技巧點撥 把最新科技成果或諾貝爾獎與基礎知識結合起來命題是目前比較流行的一種題型 這類題目看似 高科技 其實考查的內(nèi)容一般都特別基礎 考點二元素周期律和元素周期表 例2根據(jù)下列關系 分別指出B元素與A元素的原子序數(shù)差 A B同主族 分別在第三和第四周期 原子序數(shù)較大的是 兩者差為 A B同周期 分別在 A和 A族 原子序數(shù)較大的是 兩者差為 A B均在第五周期 分別為 B和 B 原子序數(shù)較大的是 兩者差為 A B同周期 分別在 族和0族 原子序數(shù)較大的是 兩者差為 B 8或18 B 1或11或25 A 9 B 10或9或8 解析 本題是一道考查元素周期表結構的試題 A B同主族相鄰 顯然第四周期的原子序數(shù)較大 且兩者原子序數(shù)整整差一個周期 考查周期表可知 如果A B是 A族或 A族 兩者相差數(shù)等于第三周期元素數(shù) 即A B原子序數(shù)差8 如果A B是 A族 A族 兩者序數(shù)相差值等于第四周期元素數(shù) 即相差18 A B同周期 分別在 A和 A族的原子 序數(shù)是 A族的大 相差數(shù)有三種情況 第一種情況A B在短周期時兩者相差1 第二種情況A B在四或五周期時 中間隔了10個縱行的過渡元素 故兩者相差11 第三種情況A B在六 七周期時還隔了鑭系或錒系元素 兩者相差為25 同周期的 B和 B B的原子序數(shù)大 排列順序為 A B B 三個縱行 然后才是 B B 所以A B原子序數(shù)差為9 同周期 0族元素的原子序數(shù)最大 由于 族有三列 所以 族和0族的序數(shù)差有三種情況10或9或8 方法技巧點撥 元素周期律是中學化學的重要內(nèi)容 也是高考必考內(nèi)容之一 本題要求同學們對元素周期表的結構細節(jié)有比較熟悉的了解 要了解元素與其上 下 左 右的原子序數(shù)關系及規(guī)律 但要著重了解和理解 不要生記硬背 考點三物質(zhì)結構的新信息 例3 據(jù)理論推測 正物質(zhì) 普通物質(zhì) 和反物質(zhì)相遇能變成巨大的能量 科學家正在設法探尋 反物質(zhì) 所謂 反物質(zhì) 是由 反粒子 構成的 反粒子 與其對應的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電量 但電荷符號相反 1 若有a粒子 即氦離子 的反粒子 則該粒子的質(zhì)量數(shù)為 電荷數(shù)為 a反粒子可表示為 4 2 He2 2 1997年人類首次合成了9個反氫原子 2002年是人類合成反物質(zhì)的豐收年 合成了5萬個反氫原子 你認為反氫原子的組成應該為 一個帶負電的反質(zhì)子構成原子核 核外有一個帶正電的反電子 正電子 解析 反物質(zhì)的原子核是由帶負電的反質(zhì)子和中子構成的 核外電子是帶正電的 反電子 因其帶正電故也叫正電子 反粒子和普通粒子質(zhì)量相等 所以a反粒子帶2個單位負電荷 質(zhì)量數(shù)仍為4 普通氫原子的構成粒子是一個帶正電的質(zhì)子和一個帶負電的電子 那么反氫原子由一個 反質(zhì)子 和一個正電子組成 方法技巧點撥 在茫茫宇宙中是否有反物質(zhì)的存在 這是目前物理學家和天體學家關注的焦點之一 本題立足于原子的構成 給出新信息拓寬視野 要求同學接受新信息 內(nèi)化后解決新問題 培養(yǎng)勇于探索的精神和快速處理信息的能力 這也是歷來教學和測試中追求的目標 考點四化學的發(fā)展 例4 1998年諾貝爾化學獎授予科恩 美 和波普爾 英 以表彰他們在理論化學領域作出的重大貢獻 他們的工作使實驗和理論能夠共同協(xié)力探討分子體系的性質(zhì) 引起整個化學領域正在經(jīng)歷一場革命性變化 下列說法正確的是 A 化學不再是純實驗科學B 化學不再需要實驗C 化學不做實驗 就什么都不知道D 未來化學的方向是經(jīng)驗化 A 解析 在化學發(fā)展史上 提出理論的基礎是實驗事實 理論的檢驗還是靠實驗 因此歷來認為化學是一門實驗科學 但是兩位科學家的工作使理論達到了能夠和實驗 共同協(xié)力 探討分子性質(zhì) 引領化學 革命性變化 從這些語句中可以體會到 化學不再以實驗為唯一手段 但也還不能完全離開實驗 方法技巧點撥 化學的發(fā)展從現(xiàn)象到理論 從宏觀到微觀 人們對物質(zhì)的認識越來越深入到物質(zhì)結構的本質(zhì)和細部 實驗越來越困難 而理論越來越發(fā)達 終可能達到與實驗并駕齊驅(qū)的地位 這是科學發(fā)展的必然 本題從題型看屬于信息題 從題給材料的閱讀 理解中得到題目的答案 這是對學習能力培養(yǎng) 也是對學習能力的考查方法 值得重視 1 有關元素周期律和周期表的敘述正確的是 A 第一個提出元素周期律的是英國化學家道爾頓B 俄國化學家門捷列夫編制了第一個元素周期表C 原子序數(shù)由小到大的順序與相對原子質(zhì)量由小到大的順序是完全一致的D 元素周期表有7個周期18個族 B 解析 元素周期律和第一個元素周期表都是由俄國化學家門捷列夫提出的 雖然門捷列夫是按相對原子質(zhì)量為線索排列元素制成周期表的 但原子序數(shù)和相對原子質(zhì)量的順序有少數(shù)幾處經(jīng)過調(diào)整后不一致 周期表有7個橫行即7個周期 有18個縱行 稱為18個列 但只有16個族 2 下列有關物質(zhì)性質(zhì)的比較正確的是 A 金屬性 K Ca MgB 酸性 HF HCl HBrC 原子半徑 S P ND 熱穩(wěn)定性 H2O HF H2S A 解析 本題各項性質(zhì)的比較都涉及不同的元素 所以應該利用周期表 位 構 性 的關系來解決 同周期從左到右原子半徑減小 元素的金屬性減弱 非金屬性增強 元素的最高價氧化物的水化物堿性減弱酸性增強 同主族從上到下元素的金屬性增強 非金屬性減弱 A金屬性 K Ca Mg 正確 B鹵化氫的酸性 HBr HCl HF 錯誤 C原子半徑 P S P N 錯誤 D熱穩(wěn)定性 HF H2O H2S 錯誤 3 日本科學家確認的N60與美國科學家發(fā)現(xiàn)的C60結構相似 N60在高溫或機械撞擊后 其中積蓄的巨大能量會在一瞬間釋放出來 關于N60的下列說法中 正確的是 A N60由共價鍵構成 是原子晶體B N60與14N都是氮的同位素C 還沒有發(fā)現(xiàn)N60的同素異形體D N60將來可能會成為很好的火箭燃料 D 解析 A項錯 N60是由60個N原子通過共價鍵結合而成的分子 大量這種分子靠范德華力結合可以構成晶體即N60晶體 這是分子晶體 B項錯 同位素是對原子而言的 而N60是分子 C項錯 N60與N2同是氮元素的單質(zhì) 所以N2就是N60的同素異形體 題中告知 N60積蓄有巨大能量 所以有可能成為火箭燃料 D項正確 4 對于相同分子數(shù)的分別由14N 13C 18O三種原子構成的NO和CO兩種氣體 下列說法正確的是 A 兩種氣體的質(zhì)量相同B 兩氣體含有相同數(shù)目的質(zhì)子和中子C 兩氣體含有相同的質(zhì)量數(shù)D 兩氣體含有相同數(shù)目的中子 原子 D 解析 因NO CO分子數(shù)相同 分子中原子數(shù)又相同 所以兩氣體含原子數(shù)相同 由于14N和13C的中子數(shù)相同 都是7 所以兩種氣體含的中子數(shù)也相同 但它們的質(zhì)子數(shù)不同 A B C三項都與質(zhì)子數(shù)有關 都不對 5 第56號元素在周期表中的位置是 A 第五周期的零族B 第五周期的 A族C 第六周期的 B族D 第六周期的 A族 D 解析 第5周期的氙為54號 那么56號一定在第六周期 因為56 54 2 56號元素在第二縱行 即第 A族 6 某元素在周期表中位于第四周期第 A族 則它的核電荷數(shù)為 若發(fā)現(xiàn)原子序數(shù)為114的元素 則它在元素周期表中的位置是 31 第七周期第 A族 解析 第四周期第 A族元素的核電荷數(shù)可由第三周期第 A族元素Al原子序數(shù)13 加上13 18 31得知 也可由第四周期0族元素的原子序數(shù)36 5 31推出 原子序數(shù)為114的元素 要確定它在元素周期表中的位置 可先推出稀有氣體元素在第七周期的原子序數(shù)為86 32 118 再由118 114 4 可推出該元素在第七周期第 A族 7 下表是元素周期表的一部分 1 表中元素 的氫化物的化學式為 此氫化物的還原性比元素 的氫化物的還原性 填 強 或 弱 2 某元素的核外K層電子數(shù)比L層電子數(shù)少3 則該元素的元素符號是 其單質(zhì)的電子式為 HCl 弱 N 1919年 Langmuir提出的等電子原理 原子數(shù)相同 電子總數(shù)相同的分子 互稱為等電子體 等電子體的結構相似 物理性質(zhì)相近 1 根據(jù)上述原理 僅有第二周期元素組成的共價分子中互為等電子體的是 和 和 2 此后 等電子原理又有所發(fā)展 例如 由短周期元素組成的粒子 只要其原子數(shù)相同 各原子最外層電子數(shù)之和相同 也可互稱等電子體 它們也具有相似的結構特征 在短周期元素組成的物質(zhì)中與NO互為等電子體的分子有 N2 CO CO2 N2O SO2 O3 解析 本題考查對元素周期表的熟悉程度及相關知識的應用 表中 為磷元素 為氯元素 故 的氫化物為氯化氫 其還原性比PH3弱 K層電子數(shù)比L層的電子數(shù)少3的元素是N N2的電子式為 本題提供的新信息為等電子體概念 考查學生對信息的理解 提煉 知識遷移等能力 在第2周期中 原子數(shù)相同 電子總數(shù)也相同的兩組等電子體為N2 CO CO2 N2O 由發(fā)展的等電子原理知 為三原子 各原子最外層電子數(shù)之和為5 6 2 1 18 故與其為等電子體的有SO2和O3 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全