同步苏教化学选修三新突破讲义：专题5 物质结构的探索无止境 Word版含答案

目标与素养：1.理解物质结构是决定物质性质的重要因素。(宏观辨识与微观探析)2.了解研究化学反应的量子力学理论的重要意义，认识研究生命现象的化学机理的重要性。一、研究物质的结构与性能的关系1这里的物质结构指的是构成物质的微粒之间的相互作用、分子的构型等。2物质性质指的是物质的物理性质、化学性质、生物活性和生理活性等。3物质结构决定物质的性质，关注以下几个问题：(1)研究镧系元素结构与性质的关系，寻找功能奇特的光、电、磁等材料。(2)研究影响生物大分子的生物活性和生理活性的结构因素，揭示人类生命运动的机理。(3)研究材料结构与性能的关系，制得强度大、密度小、稳定性好、耐腐蚀的合成材料，如合成具有共价键强度的高分子纤维。二、研究化学反应的量子力学理论1为了人类社会的可持续发展，化学家们非常期望解决的问题很多，例如：(1)在充分了解光合作用、固氮作用机理和催化理论的基础上，实现农业的工业化，在工厂中生产粮食和蛋白质。(2)建立零排放的、原子经济性的化工企业，倡导“绿色化学”。(3)在了解酶催化作用机理的基础上，模拟天然酶制造人工催化剂。实现在最温和条件下进行化学反应，控制反应的方向和产物的手性。2量子力学在物质转化、物质制备等研究领域中具有指导作用。为了更好地利用化学变化，通过化学反应实现物质的转化，制备人类生活和生产所需要的物质，化学家们需要回答更多的问题，需要发展量子力学，需要建立精确有效而又普遍适用的化学反应的量子力学理论。3随着化学反应的量子力学理论的建立和相关技术的进一步发展，人类将进入一个崭新的世界：合成氨不再需要高温、高压，光合作用不再是植物的专利，化工生产不再生成无实际用途的副产物，没有能源危机，也没有环境污染。三、研究生命现象的化学机理1研究生命现象的化学机理对促进人类健康的重要作用(1)化学键理论为现代分子生物学的建立奠定了基础。(2)探寻人类和生物的生命运动的化学机理，是21世纪化学科学亟待解决的重大课题之一。研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，人们就能进行药物设计，有助于合成高效无毒副作用的药物；合成具有生物活性和生理活性的分子，可以帮助人类揭示生命的奥秘；了解活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”的目标能得以实现。2手性分子的研究(1)手性药物：含有手性分子的药物称为手性药物。生物体内的大分子大多具有手性。人体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质。(2)手性催化剂与手性分子合成。3物质研究的方法有助于探索物质世界的奥秘化学作为一门实用的创造性科学，已经为人类认识物质世界和人类的文明进步作出了巨大的贡献。用化学方法合成了数以千万计的物质。化学创立了研究物质结构的理论、方法和实验手段，初步揭示了物质的结构与性能之间的关系和规律，为设计具有各种特殊功能的新物质提供了有效的方法和手段。结构决定性能1.元素原子的结构决定元素的性质，这一点可以从元素周期表“位构性”的关系得以表现。同一周期中，随着原子序数的递增，原子核所带电荷数逐渐增多，原子核对外层电子的引力逐渐增强，原子半径逐渐减小，元素的非金属性逐渐增强，得电子能力逐渐增强，失电子能力逐渐减弱。元素的最高价氧化物的水化物的酸性逐渐增强，碱性逐渐减弱。如Na、Mg、Al三种元素，原子半径逐渐减小，金属性逐渐减弱，还原性逐渐减弱。2不同的微粒靠不同的作用力构成不同类型的晶体，如离子晶体、原子晶体、分子晶体、金属晶体。离子晶体熔、沸点较高，难挥发，只有提供足够高的能量才能使阴、阳离子克服离子键的作用，使晶体成为熔融态或气态，少数热稳定性差的离子晶体受热时易分解。离子晶体有较高的硬度；难于压缩，但质脆，不宜进行机械加工。离子晶体不导电，但熔融或水溶液状态下可以导电。原子晶体硬度大，金刚石是最硬的物质，熔、沸点都很高，不溶于常见的溶剂，一般是电的不良导体。分子晶体一般熔点低，硬度小。金属晶体是电的良导体，有良好的机械加工性能等。这一切都是因其晶体的结构不同所致，即排列方式、构成物质的微粒、微粒间作用力不同等。3分子式相同的物质性质可能不同。如C2H6O有两种不同的结构乙醇 (CH3CH2OH) 和甲醚(CH3OCH3)，前者与水互溶而后者不能。前者可与Na、乙酸反应，后者很难发生类似的反应。前者可发生消去反应生成乙烯，而甲醚不能发生消去反应。乙醇和甲醚的关系是同分异构体。同分异构体的存在说明物质的结构是决定物质性质的重要因素。结构决定性质，性质反过来体现结构。【典例1】下列说法不正确的是()A化学反应有新物质生成，并遵循质量守恒定律和能量守恒定律B原子吸收光谱仪可用于测定物质中的金属元素，红外光谱仪可用于测定化合物的官能团C分子间作用力比化学键弱得多，但它对物质的熔点、沸点有较大的影响，而对溶解度无影响D酶催化反应具有高效、专一、条件温和等特点，化学模拟生物酶对绿色化学、环境保护及节能减排具有重要意义C化学反应有新物质生成并且遵循质量守恒定律和能量守恒定律，光谱分析可以测定金属元素和官能团，酶具有高效、专一等性质，因此A、B、D正确；分子间作用力对物质的熔点、沸点、溶解度都有影响，因此C项错误。研究生命现象的化学机理1.研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，这是药物设计的基础。有了这一基础，人们就能进行药物设计，有助于合成高效无毒副作用的药物。2化学遗传学为哈佛大学化学教授所创建。他的小组合成某些小分子，使之与蛋白质结合，并改变蛋白质的功能，例如使某些蛋白酶的功能关闭。这些方法使得研究者们不通过改变产生某一蛋白质的基因密码就可以研究它们的功能，为开创化学蛋白质组学、化学基因组学(与生物学家以改变基因密码来研究的方法不同)奠定了基础。3搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草动物胃内的酶如何把植物纤维分解为小分子的反应机理，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。4人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机。如何彻底了解大脑的结构和功能将是21世纪的脑科学、生物学、化学、物理学、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难题。5了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理，使创造“新陈代谢”的目标能得以实现。6.了解从化学进化到手性和生命起源的飞跃过程。使人工合成的“左右手”各半的手性药物得到抑制(或激发)，达到治疗疾病的目的。7合成具有生物活性和生理活性的分子，可帮助人们揭示生命的奥秘。【典例2】(双选)有效成分为手性分子的药物为手性药物。下列有关手性药物叙述正确的是()A化学反应生成手性药物时一定是成对生成它们的手性异构体B存在少量手性催化剂时可只生成手性异构体中的一种C手性药物中两种手性异构体的医药作用几乎没有区别D手性异构体的医药作用可能完全不同BD如果没有手性催化剂则生成的手性药物大多数是两种手性异构体同时生成的，但在手性催化剂作用下，可以主要生成一种异构体。一对异构体化学性质几乎相同，但生物性质会截然不同，一种异构体有治病疗效，另一种可能没有疗效甚至有害。已知在水溶液中存在平衡：，当与CH3CH2OH发生酯化反应时，不可能生成的产物是()ABCH2ODHOB因乙酸在水溶液中存在平衡，故有两种形式：与乙醇、浓硫酸共热时发生酯化反应：故B不可能。1邮票收藏爱好者把信封上的邮票剪下来浸在水中，能除去邮票背面的黏合剂，这是利用了该黏合剂具有很强亲水性的性能。该黏合剂的成分可能是()B根据题中该黏合剂具有很强亲水性的信息，可知该黏合剂中含有亲水的基团，B选项中的羟基(OH)具有亲水性，因为羟基可以与水分子间形成氢键，C选项中的氯原子和D选项中的甲基都不具有亲水性，所以正确答案为B。2泛素被称为“死亡之吻”，是一种由76个氨基酸组成的多肽，无用的蛋白质会被这种物质粘贴，被运送到细胞内的“垃圾处理厂”，在酶的作用下被切成含79个氨基酸的短肽。有关泛素的说法中，错误的是()A泛素作用下的蛋白质“死亡”属于缩聚反应B泛素既能与酸反应也能与碱反应C泛素结构中含有结构D蛋白质遇重金属盐能发生变性A多肽中含有氨基(NH2)和羧基(COOH)，多肽既能与酸反应，也能与碱反应，B正确；氨基酸脱水缩合形成肽键()，C正确；重金属盐使蛋白质变性，D正确。3关于物质结构的认识正确的是()A物质的结构反映物质的性质，物质的性质决定物质的结构B物质的结构包括构成物质的微粒之间的相互作用、分子的构型等C物质的结构随着人们的认识或研究的程度经常发生一些小的变化D物质的结构有宏观和微观两方面的认识，从宏观上说物质是由元素组成的，从微观上说物质是由分子构成的B物质的结构决定物质的性质，A项错误；物质的结构指的是构成物质的微粒，微粒间的作用力及微粒的排列方式等，B项正确；物质的结构是自然存在的，只是人们认识物质结构的过程在逐步深入，C项错误；从微观上说，构成物质的微粒有分子，也有原子、离子等，D项错误。4酶是具有特殊功能的蛋白质，因而酶有蛋白质的特性。到目前为止，在人体内已发现多种酶。酶又是生物制造出来的催化剂，在生命有机体的有机反应中发挥作用。如下图所示的温度t与反应速率v的关系曲线中，有酶参加的是()D要从两个方面把握酶的催化作用：一是在室温下酶就能对某些有机反应充分发挥催化作用；二是酶作为蛋白质在稍高温度下会发生变性而失去催化作用。A图表示随温度升高反应速率持续加大；B图表示随温度升高反应速率减小，常温下反应速率没有出现最佳状态；C图表示在适宜的温度下反应速率最小，以上三图均不符合题意；D图表示在适宜的温度下反应速率最大，超过适宜温度，随温度升高反应速率减慢，符合酶的性质。故正确答案为D。5.(2019全国卷)一种四方结构的超导化合物的晶胞如图1所示。晶胞中Sm和As原子的投影位置如图2所示。图1图2图中F和O2共同占据晶胞的上下底面位置，若两者的比例依次用x和1x代表，则该化合物的化学式表示为_；通过测定密度和晶胞参数，可以计算该物质的x值，完成它们关系表达式：_gcm3。以晶胞参数为单位长度建立的坐标系可以表示晶胞中各原子的位置，称作原子分数坐标，例如图1中原子1的坐标为，则原子2和3的坐标分别为_、_。答案SmFeAsO1xFx