高中化學(xué)新魯科版選擇性必修2-第3章微項目青蒿素分子的結(jié)構(gòu)測定-晶體在分子結(jié)構(gòu)測定中的應(yīng)用課件

微項目青蒿素分子的結(jié)構(gòu)測定——晶體在分子結(jié)構(gòu)測定中的應(yīng)用

必備知識·素養(yǎng)奠基1.測定分子結(jié)構(gòu)及組成的方法(1)質(zhì)譜法:用電場和磁場將運動的離子(帶電荷的原子、分子或分子碎片,有分子離子、同位素離子、碎片離子、重排離子、多電荷離子、亞穩(wěn)離子、負(fù)離子和離子-分子相互作用產(chǎn)生的離子)按它們的質(zhì)荷比分離后進(jìn)行檢測的方法。可以進(jìn)行相對分子量測定、化學(xué)式的確定及結(jié)構(gòu)鑒定等。(2)紅外光譜法:將分子吸收紅外光的情況用儀器記錄就得到該試樣的紅外吸收光譜圖,利用光譜圖中吸收峰的波長、強(qiáng)度和形狀來判斷分子中的基團(tuán),對分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。(3)核磁共振譜法:NMR是研究原子核對射頻輻射的吸收,它是對各種有機(jī)和無機(jī)物的成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析的最強(qiáng)有力的工具之一,有時亦可進(jìn)行定量分析。(4)X射線衍射法:使用X射線探測某些分子或晶體結(jié)構(gòu)的科研方法。2.分子空間結(jié)構(gòu)的測定程序分析圖像→測定晶胞參數(shù)→推算原子坐標(biāo)→計算原子距離→判斷化學(xué)鍵及其類型→確定分子結(jié)構(gòu)。3.借助晶體X射線衍射測定分子結(jié)構(gòu)的基本思路【情境·思考】將具有一定波長的X射線照射到結(jié)晶性物質(zhì)上時,X射線因在結(jié)晶內(nèi)遇到規(guī)則排列的原子或離子而發(fā)生散射,散射的X射線在某些方向上相位得到加強(qiáng),從而顯示與結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的特有的衍射現(xiàn)象,這種方法可以測定分子的結(jié)構(gòu)。我國科學(xué)家在1975年利用晶體X射線衍射的方法,確定了青蒿素的分子結(jié)構(gòu)。已知青蒿素的分子式為C15H22O5,據(jù)此思考:(1)青蒿素的分子量是多少?提示:282。(2)青蒿素分子中存在的化學(xué)鍵的類型有哪些?提示:極性共價鍵和非極性共價鍵。關(guān)鍵能力·素養(yǎng)形成

項目活動1:了解利用晶體測定分子結(jié)構(gòu)的意義我國研究人員從1973年初開始測定青蒿素的組成和結(jié)構(gòu),并最終在1975年歷時兩年的時間利用X射線衍射的方法確定了青蒿素的分子結(jié)構(gòu)。已知青蒿素的分子結(jié)構(gòu)如下圖所示:青蒿素的分子結(jié)構(gòu)的測定歷時很長,那么研究人員是如何測定的青蒿素的分子結(jié)構(gòu)呢?又是使用了何種方式測定的其結(jié)構(gòu)呢?帶著這些問題,讓我們一起研究以下具體過程吧?！净顒犹骄俊扛鶕?jù)教材內(nèi)容,填寫下表,說明青蒿素分子的測定過程。測定方法獲得的分子組成和結(jié)構(gòu)的信息質(zhì)譜法青蒿素的相對分子質(zhì)量為282.23,結(jié)合元素分子,得到分子式為C15H22O5氧化還原反應(yīng)的實驗方法含過氧基團(tuán)的倍半萜內(nèi)酯結(jié)構(gòu)紅外光譜法進(jìn)一步確認(rèn)含有酯基和過氧基團(tuán)核磁共振譜圖法推定了青蒿素中甲基、過氧基團(tuán)、帶有酯基的六元環(huán)等部分結(jié)構(gòu)片段。晶體X射線衍射確定青蒿素的分子結(jié)構(gòu)【思考·討論】(1)測定青蒿素分子結(jié)構(gòu)時,科研人員遇到了什么困難?提示:不論是常規(guī)的實驗方法還是質(zhì)譜、紅外光譜等儀器的測定手段,都只能幫助我們認(rèn)識分子的官能團(tuán)等的結(jié)構(gòu)特點。(2)為什么用一般的測定方法無法準(zhǔn)確測定青蒿素分子的空間結(jié)構(gòu)?提示:因為一般方法只能測定簡單分子的官能團(tuán)以及分子結(jié)構(gòu),但是對于青蒿素這種復(fù)雜的分子的結(jié)構(gòu),一般方法難以進(jìn)行精準(zhǔn)判斷?！咎骄靠偨Y(jié)】晶體X射線衍射法測定分子結(jié)構(gòu)的程序【遷移應(yīng)用】1.下列可用于判斷某物質(zhì)為晶體的方法是 (

)A.質(zhì)譜法 B.紅外光譜法C.核磁共振法 D.X射線衍射法【解析】選D。質(zhì)譜法用于測定有機(jī)物的相對分子質(zhì)量,不能判斷某物質(zhì)為晶體,故A錯誤;紅外光譜儀能測定出有機(jī)物的官能團(tuán)和化學(xué)鍵,不能判斷某物質(zhì)為晶體,故B錯誤;核磁共振氫譜用于測定有機(jī)物分子中氫原子的種類和數(shù)目,不能判斷某物質(zhì)為晶體,故C錯誤;晶體與非晶體最本質(zhì)的區(qū)別是組成物質(zhì)的粒子在微觀空間是否有序排列,X射線衍射可以看到微觀結(jié)構(gòu),可以鑒別晶體與非晶體,故D正確。2.化學(xué)分析的手段通常有定性分析、定量分析、儀器分析等,現(xiàn)代化學(xué)中儀器分析是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本方法和實驗手段。下列儀器分析手段的運用科學(xué)可行的是 (

)A.光譜分析:利用原子光譜上的特征譜線來鑒定元素B.質(zhì)譜分析:利用質(zhì)荷比來測定分子立體結(jié)構(gòu)C.紅外光譜分析:利用分子吸收與化學(xué)鍵振動頻率相同的紅外線來測定晶體晶型D.X衍射圖譜分析:利用X射線透過物質(zhì)時記錄的分立斑點或譜線來測定分子結(jié)構(gòu)【解析】選A。光譜分析:利用原子光譜上的特征譜線來鑒定元素,選項A正確;質(zhì)譜分析:利用質(zhì)荷比來測定有機(jī)物相對分子質(zhì)量,選項B錯誤;紅外光譜分析:利用有機(jī)化合物分子中不同基團(tuán)的特征吸收頻率不同來初步判斷有機(jī)化合物中具有哪些基團(tuán),選項C錯誤;X衍射圖譜分析:利用X射線透過物質(zhì)時記錄的分立斑點或譜線來測定晶體結(jié)構(gòu),選項D錯誤。【補(bǔ)償訓(xùn)練】晶體具有規(guī)則的幾何外形,晶體中最基本的重復(fù)單元稱之為晶胞。NaCl晶體的晶胞如圖所示。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,測定阿伏加德羅常數(shù)的手段越來越多,測定精確度越來越高?，F(xiàn)有一簡單可行的測定方法,具體步驟如下:①將固體食鹽研細(xì),干燥后,準(zhǔn)確稱取mgNaCl固體并轉(zhuǎn)移到定容容器A中;②用滴定管向定容容器A中加入苯,并不斷振蕩,繼續(xù)加苯至A儀器的刻度線,計算出NaCl固體的體積為VmL。回答下列問題:(1)步驟①中A儀器最好用________(填儀器名稱);

(2)你認(rèn)為步驟②中用________(填“酸式”或“堿式”)滴定管,原因是____;

(3)能否用膠頭滴管代替步驟②中的滴定管________,其原因是___________。

(4)經(jīng)X射線衍射儀測得NaCl晶體中最鄰近Na+和Cl-平均距離為acm。則利用上述方法測得的阿伏加德羅常數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為NA=____________。

【解析】(1)定容容器為容量瓶,具有一定體積并便于振蕩;(2)苯具有腐蝕性,易腐蝕堿式滴定管中的橡皮管,只能用酸式滴定管;(3)不能,因為膠頭滴管無法準(zhǔn)確測出苯的體積;(4)NaCl的密度為m/Vg·cm-3,NaCl晶胞的體積為(2a)3cm3,則NaCl晶胞的質(zhì)量為m/V×(2a)3g,一個NaCl晶胞含4個“NaCl”,而每個“NaCl”的質(zhì)量為M(NaCl)/NA=58.5/NAg,故:m/V×(2a)3g=4×58.5/NAg,即

答案:(1)容量瓶(2)酸式因苯能腐蝕堿式滴定管的橡皮管(3)否無法測出滴加苯的體積(4)

項目活動2:借助原子位置確定分子空間結(jié)構(gòu)通過X射線衍射可以確定每個原子的位置,但究竟哪些原子通過化學(xué)鍵連接在一起?他們以何種化學(xué)鍵連接?帶著這個問題,結(jié)合數(shù)學(xué)中學(xué)習(xí)的空間坐標(biāo)系,讓我們進(jìn)一步勾勒出青蒿素分子的空間結(jié)構(gòu)吧!【活動探究】步驟測定結(jié)果圖示確定晶胞參數(shù)根據(jù)X射線衍射實驗的結(jié)果,依據(jù)晶體的周期性等得到青蒿素的晶胞是長方體,三條棱長分別是a=2.4077nm、b=0.9443nm、c=0.6356nm,棱的夾角都是90°,這些就是晶胞參數(shù)。

識別原子位置計算得到青蒿素晶胞中各處的電子云密度,判斷晶胞中原子的位置進(jìn)而判斷原子的種類。

步驟測定結(jié)果圖示建立原子坐標(biāo)建立空間坐標(biāo)系,表示出碳氧原子的坐標(biāo),根據(jù)坐標(biāo)確定原子在晶胞中的位置。

確定分子骨架計算原子間的距離,得到鍵長,推斷化學(xué)鍵及其種類

獲得完整結(jié)構(gòu)確定連接方式及成鍵類型,找出碳、氧原子所連接的氫原子個數(shù),找到氫原子的位置。

【思考·討論】(1)借助X射線衍射測定原子坐標(biāo),我們可以得到哪些重要數(shù)據(jù)?提示:可以得到分子的結(jié)構(gòu)、鍵長、鍵角等反映分子或晶體結(jié)構(gòu)特點的重要數(shù)據(jù)。(2)如何理解現(xiàn)代化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為實驗與理論并重的科學(xué)?提示:一是實驗手段不斷升級優(yōu)化,出現(xiàn)了各種分析和測試物質(zhì)組成的實驗技術(shù),推動了化學(xué)的發(fā)展;二是基于計算機(jī)支持的理論化學(xué)與計算化學(xué)的發(fā)展,推動人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)入一個新的時代。 【探究總結(jié)】【遷移應(yīng)用】1.南京理工大學(xué)團(tuán)隊成功合成了能在室溫穩(wěn)定存在的五氮陰離子鹽(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl,經(jīng)X射線衍射測得晶體結(jié)構(gòu),其局部結(jié)構(gòu)如圖所示(其中的立體結(jié)構(gòu)是平面五元環(huán))。下列說法正確的是 (

)

A.所有N原子的價電子層均有孤電子對B.氮氮鍵的鍵能:>H2N—NH2C.兩種陽離子是等電子體D.陰陽離子之間只存在離子鍵【解析】選B。中N原子N形成4個σ鍵,沒有孤電子對,故A錯誤;中氮氮原子間除形成σ鍵外,還形成一個大π鍵,氮氮鍵的鍵能:>H2N—NH2,故B正確;H3O+、原子數(shù)不同,不是等電子體,故C錯誤;由圖可知,除陰、陽離子間形成離子鍵外,氯離子與銨根離子中H原子、H3O+中H原子與中N原子、中H原子與中N原子形成氫鍵,故D錯誤。2.(1)X射線衍射測定等發(fā)現(xiàn),I3AsF6中存在離子。離子的幾何構(gòu)型為________,中心原子的雜化類型為________。

(2)CS2分子中,C原子的雜化軌道類型是________。

(3)F2通入稀NaOH溶液中可生成OF2,OF2分子構(gòu)型為________,其中氧原子的雜化方式為____________。

(4)CH3COOH中C原子軌道雜化類型為________。

【解析】(1)X射線衍射測定等發(fā)現(xiàn),I3AsF6中存在離子。離子的價層電子對數(shù)為,由于中心原子只形成2個共價鍵,故其有2個孤電子對,故其幾何構(gòu)型為角形,中心原子的雜化類型為sp3。(2)CS2分子中,C原子價層電子對數(shù)為,中心原子沒有孤電子對,故其雜化軌道類型是sp。(3)OF2分子的中心原子的價層電子對數(shù)為,中心原子還有2個孤電子對,故其分子的空間構(gòu)型為角形,其中氧原子的雜化方式為sp3。(4)CH3COOH中C原子有兩種,甲基中的碳原子與相鄰原子形成4個共用電子對、沒有孤電子對,故其軌道雜化類型為sp3;羧基中的碳原子與氧原子形成雙鍵,還分別與甲基上的碳原子、羥基中的氧原子各形成1個共用電子對,沒有孤電子對,故其軌道雜化類型為sp2。答案:(1)角形sp3

(2)sp

(3)角形sp3

(4)sp3、sp23.銅在我國有色金屬材料的消費中僅次于鋁,廣泛地應(yīng)用于電氣、機(jī)械制造、國防等領(lǐng)域?；卮鹣铝袉栴}:(1)用晶體的X射線衍射法可以測得阿伏加德羅常數(shù)。對金屬銅的測定得到以下結(jié)果:晶胞為面心立方最密堆積,邊長為361pm。又知銅的密度為9.00g·cm-3,阿伏加德羅常數(shù)為______________(已知Ar(Cu)=63.6);

(2)氯和鉀與不同價態(tài)的銅可生成兩種化合物,這兩種化合物都可用于催化乙炔聚合,其陰離子均為無限長鏈結(jié)構(gòu)(如圖),a位置上Cl原子的雜化軌道類型為________。已知其中一種化合物的化學(xué)式為KCuCl3,另一種的化學(xué)式為______;

(3)金屬銅單獨與氨水或單獨與過氧化氫都不能反應(yīng),但可與氨水和過氧化氫的混合溶液反應(yīng),其原因是____________________________________________,

反應(yīng)的化學(xué)方程式為_______________________________________________。

【解析】(1)設(shè)面心立方晶胞的邊長為a,則晶胞的體積為a3,每個晶胞中有四個原子,則這四個原子的質(zhì)量為4M/NA(M為該原子的相對原子質(zhì)量),所以晶體密度為。將ρ=9.00g·cm-3,a=361pm,M=63.6,代入上式可以計算NA=6.01×1023mol-1。(2)a位置上Cl原子形成2個單鍵,含有2對孤電子對,雜化軌道數(shù)為4,雜化軌道類型為sp3。一種化合物的化學(xué)式為KCuCl3,其中銅元素為+2價,故另一種化合物中銅為+1價,陰離子構(gòu)成與[CuCl3]-一樣,但因為Cu為+1價,所以應(yīng)該為,其化學(xué)式為K2CuCl3。(3)氨水、過氧化氫和銅單獨不反應(yīng),而同時混合能反應(yīng),說明兩者能互相促進(jìn)反應(yīng),是兩種物質(zhì)共同作用的結(jié)果:其中過氧化氫為氧化劑,氨與Cu2+形成配離子,兩者相互促進(jìn)使反應(yīng)進(jìn)行,方程式可表示為Cu+H2O2+4NH3====+2OH-。答案:(1)6.01×1023mol-1(2)sp3

K2CuCl3(3)過氧化氫為氧化劑,氨與Cu2+形成配離子,兩者相互促進(jìn)使反應(yīng)進(jìn)行Cu+H2O2+4NH3====+2OH-課堂檢測·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.下列關(guān)于晶體的敘述正確的是 (

)A.晶體中只要有陽離子就一定有陰離子B.區(qū)分晶體和非晶體最可靠的方法是對固體進(jìn)行X射線衍射實驗C.分子晶體中共價鍵鍵能越大熔點和沸點越高D.金屬晶體發(fā)生形變時,內(nèi)部金屬離子與“自由電子”的相互作用消失【解析】選B。金屬晶體是由金屬陽離子和自由電子構(gòu)成的,所以晶體中有陽離子不一定存在陰離子,故A錯誤;構(gòu)成晶體的粒子在微觀空間里呈現(xiàn)周期性的有序排列,晶體的這一結(jié)構(gòu)特征可以通過X射線衍射圖譜反映出來。因此,區(qū)分晶體和非晶體的最可靠的科學(xué)方法是對固體進(jìn)行X射線衍射實驗,故B正確;分子晶體熔點和沸點與分子間作用力有關(guān),與共價鍵鍵能無關(guān),故C錯誤;金屬晶體發(fā)生形變時其內(nèi)部金屬離子與“自由電子”發(fā)生滑動,但金屬離子和自由電子之間的相互作用仍然存在,故D錯誤。2.(2020·武漢高一檢測)下列說法中,不正確的是 (

)A.NH5中所有原子的最外層都符合相應(yīng)稀有氣體原子電子層結(jié)構(gòu),1molNH5中含有4NA個N—H鍵B.金屬鍵無方向性,金屬晶體中原子盡可能采取緊密堆積C.凡AB3型的共價化合物,其中心原子A均采用sp2雜化軌道成鍵D.乙醇與水互溶可以用“相似相溶”原理和氫鍵來解釋【解析】選C。A項,NH5中的所有原子的最外層都符合相應(yīng)稀有氣體原子電子層結(jié)構(gòu),根據(jù)N原子價電子數(shù)為5,H原子價電子數(shù)為1,可知該物質(zhì)為離子晶體NH4H,含有的陽離子與陰離子H-之間通過離子鍵結(jié)合,在中含有N與H原子之間通過4個極性鍵N—H結(jié)合,因此1molNH5含有4NA個N—H鍵,正確;B項,金屬鍵無方向性,金屬原子總是盡可能多地吸引其他原子,金屬晶體中原子盡可能采取緊密堆積,從而使空間被充分利用,正確;C項,AB3型共價化合物中,若A上沒有孤電子對,則A采用sp2雜化軌道成鍵,如BF3等,若A上有1對孤電子對,則A采用sp3雜化軌道成鍵,如NH3等,錯誤;D項,乙醇與水互溶的原因是:(1)乙醇和水都是極性分子,(2)乙醇和水分子中都含O—H鍵,乙醇和水分子間形成氫鍵,乙醇與水互溶可以用“相似相溶”原理和氫鍵解釋,正確。3.(2020·杭州高一檢測)化合物NH3與BF3可以通過配位鍵形成NH3·BF3,下列說法正確的是 (

)A.NH3與BF3都是極性分子B.NH3與BF3都是平面三角形結(jié)構(gòu)C.可以通過晶體X射線衍射等技術(shù)測定BF3的結(jié)構(gòu)D.NH3·BF3中,NH3提供空軌道,BF3提供孤電子對【解析】選C。BF3分子為非極性分子,故A錯誤;BF3分子構(gòu)型為平面三角形,NH3分子構(gòu)型為三角錐形,故B錯誤;可以通過晶體X射線衍射等技術(shù)測定BF3的結(jié)構(gòu),故C正確;NH3·BF3中B原子有空軌道,N原子有孤電子對,所以NH3提供孤電子對,BF3提供空軌道,形成配位鍵,故D錯誤。4.(2020·南京高一檢測)某鈣鈦型復(fù)合氧化物(如圖),以A原子為晶胞的頂點,A位可以是Ca、Sr、Ba或Pb,當(dāng)B位是V、Cr、Mn、Fe時,這種化合物的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化(巨磁電阻效應(yīng))。(1)用A、B、O表示這類特殊晶體的化學(xué)式__________。在圖中,與A原子配位的氧原子數(shù)目為__________。

(2)基態(tài)Cr原子的核外電子排布式為________________,其中電子的運動狀態(tài)有__________種。

(3)某些鈣鈦型復(fù)合氧化物能夠催化NO直接分解為N2和O2,N和O的基態(tài)原子中,未成對的電子數(shù)目比為__________。

(4)如表是幾種碳酸鹽的熱分解溫度和陽離子半徑:碳酸鹽CaCO3SrCO3BaCO3熱分解溫度/℃90011721360陽離子半徑/pm99112135請解釋碳酸鈣熱分解溫度最低的原因:___________________________。

(5)用晶體的X