新教材2025版高中化學(xué)微項(xiàng)目3青蒿素分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定-晶體在分子結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用學(xué)案魯科版選擇性必修2

微項(xiàng)目青蒿素分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定——晶體在分子結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用課程標(biāo)準(zhǔn)1．知道分子的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)波譜、晶體X射線衍射等技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。2．了解測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的一般思路與方法，相識(shí)晶體對(duì)于分子結(jié)構(gòu)測(cè)定的獨(dú)特意義。3．體會(huì)分子結(jié)構(gòu)測(cè)定對(duì)于建立與優(yōu)化物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論模型，相識(shí)、說(shuō)明和預(yù)料物質(zhì)性質(zhì)具有重要價(jià)值學(xué)法指導(dǎo)1.通過(guò)閱讀教材項(xiàng)目活動(dòng)1，了解利用晶體測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的意義。2．通過(guò)項(xiàng)目活動(dòng)2，學(xué)會(huì)借助晶體X射線衍射測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的基本思路。3．通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，了解有機(jī)物分子間原子的連接與成鍵狀況必備學(xué)問(wèn)·自主學(xué)習(xí)——新知全解一遍過(guò)1.測(cè)定分子結(jié)構(gòu)及組成的方法(1)質(zhì)譜法：用電場(chǎng)和磁場(chǎng)將運(yùn)動(dòng)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、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)荷比分別后進(jìn)行檢測(cè)的方法?？梢赃M(jìn)行相對(duì)分子量測(cè)定、化學(xué)式的確定及結(jié)構(gòu)鑒定等。(2)紅外光譜法：將分子汲取紅外光的狀況用儀器記錄就得到該試樣的紅外汲取光譜圖，利用光譜圖中汲取峰的波長(zhǎng)、強(qiáng)度和形態(tài)來(lái)推斷分子中的基團(tuán)，對(duì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。(3)核磁共振譜法：NMR是探討原子核對(duì)射頻輻射的汲取，它是對(duì)各種有機(jī)和無(wú)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(shí)亦可進(jìn)行定量分析。(4)X射線衍射法：運(yùn)用X射線探測(cè)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(cè)定程序分析圖像→測(cè)定晶胞參數(shù)→推算原子坐標(biāo)→計(jì)算原子距離→推斷化學(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(cè)定分子結(jié)構(gòu)的基本思路學(xué)思用某氣態(tài)有機(jī)物X只含C、H、O三種元素，已知下列條件，現(xiàn)欲確定X的分子式，所需最少條件是()①X中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)②X中含氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)③X在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積④X對(duì)H2的相對(duì)密度⑤X的質(zhì)量A．①②B．①②④C．①②⑤D．③④⑤關(guān)鍵實(shí)力·課堂探究——學(xué)科素養(yǎng)全通關(guān)項(xiàng)目活動(dòng)1了解利用晶體測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的意義1．青蒿素的組成與結(jié)構(gòu)的測(cè)定我國(guó)探討人員從1973年初起先測(cè)定青蒿素的組成與結(jié)構(gòu)。首先，探討人員利用高辨別質(zhì)譜儀測(cè)定出青蒿素的相對(duì)分子質(zhì)量為282.33。結(jié)合元素分析，確定其分子式為C15H22O5。紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果表明，青蒿素分子中的確含有酯基和過(guò)氧基團(tuán)。結(jié)合核磁共振譜圖供應(yīng)的關(guān)于碳、氫原子的種類和數(shù)量的信息，探討人員推定了青蒿素中甲基、過(guò)氧基團(tuán)、帶有酯基的六元環(huán)等部分結(jié)構(gòu)片段。1975年，探討人員采納晶體X射線衍射的方法，確定了青蒿素的分子結(jié)構(gòu)。2．在探究青蒿素分子組成和結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，科研人員運(yùn)用的測(cè)定方法及獲得的分子組成和結(jié)構(gòu)的信息測(cè)定方法獲得的分子組成和結(jié)構(gòu)的信息高辨別質(zhì)譜儀測(cè)定出青蒿素的相對(duì)分子質(zhì)量，結(jié)合元素分析，確定其分子式為C15H22O5氧化還原反應(yīng)試驗(yàn)青蒿素具有含過(guò)氧基團(tuán)的倍半萜內(nèi)酯結(jié)構(gòu)紅外光譜青蒿素分子中的確含有酯基和過(guò)氧基團(tuán)核磁共振譜圖結(jié)合供應(yīng)的關(guān)于碳、氫原子的種類和數(shù)量的信息，推定了青蒿素中甲基、過(guò)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射線衍射確定了青蒿素的分子結(jié)構(gòu)3.借助晶體測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的獨(dú)特意義測(cè)定分子空間結(jié)構(gòu)最普遍的方法是晶體的X射線衍射，利用數(shù)學(xué)和物理學(xué)問(wèn)對(duì)衍射所得圖像進(jìn)行困難處理，可以測(cè)定晶體的晶胞參數(shù)(用于描述晶胞大小和形態(tài)的數(shù)據(jù))，推算得到晶胞中全部原子的坐標(biāo)，從而計(jì)算出原子間的距離，推斷哪些原子間存在化學(xué)鍵以及化學(xué)鍵的類型，確定分子的空間結(jié)構(gòu)?；?dòng)探究問(wèn)題1假設(shè)一個(gè)試驗(yàn)樣品尺寸的數(shù)量級(jí)為10－4m、原子直徑的數(shù)量級(jí)為10－10m，請(qǐng)估算這個(gè)試驗(yàn)樣品中的原子數(shù)目。問(wèn)題2上述材料中用到了哪些方法測(cè)定青蒿素分子的組成和結(jié)構(gòu)？這些方法主要有什么用途？典例示范[典例1](雙選)我國(guó)科學(xué)家屠呦呦因發(fā)覺(jué)植物黃花蒿葉中含有抗瘧疾的物質(zhì)——青蒿素而榮獲2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?？茖W(xué)家對(duì)青蒿素的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步改良，合成了藥效更佳的雙氫青蒿素、蒿甲醚。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．利用黃花蒿葉探討青蒿素結(jié)構(gòu)的基本步驟為分別、提純→元素分析確定試驗(yàn)式→測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量確定分子式→波譜分析確定結(jié)構(gòu)式B．①、②的反應(yīng)類型分別為氧化反應(yīng)、取代反應(yīng)C．雙氫青蒿素在水中的溶解性大于青蒿素D．可用質(zhì)譜法確定分子中含有何種官能團(tuán)的信息素養(yǎng)訓(xùn)練[訓(xùn)練1]下列可用于推斷某物質(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射線衍射法項(xiàng)目活動(dòng)2借助原子位置確定分子空間結(jié)構(gòu)借助晶體X射線衍射測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的基本思路：1．確定晶胞參數(shù)借助青蒿素晶體X射線衍射的試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)晶體的周期性特征，通過(guò)困難的數(shù)學(xué)處理得出，青蒿素晶體的晶胞是長(zhǎng)方體，三條棱長(zhǎng)分別是a＝2.4077nm，b＝0.9443nm，c＝0.6356nm，棱的夾角都是90°，這些數(shù)據(jù)就是青蒿素晶體的晶胞參數(shù)。2．識(shí)別原子位置進(jìn)一步計(jì)算得到青蒿素晶胞中各處的電子云密度。因?yàn)樵雍伺赃叺碾娮釉泼芏却螅砸罁?jù)晶胞中電子云密度就能推斷晶胞中原子的位置(坐標(biāo))。由于不同種類元素原子四周的電子云密度不同，可依據(jù)電子云密度的大小推斷晶胞中原子的種類。3．建立原子坐標(biāo)以一個(gè)頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以a、b、c為坐標(biāo)軸的單位建立坐標(biāo)系，得到用(x，y，z)表示的碳、氧原子的原子坐標(biāo)。x、y、z均為分?jǐn)?shù)，表示該原子在晶胞中的相對(duì)位置。4．確定分子骨架計(jì)算原子間的距離，并與前人在大量試驗(yàn)測(cè)定基礎(chǔ)上總結(jié)出的常見(jiàn)化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，推斷哪些原子間可以形成化學(xué)鍵以及形成什么類型的共價(jià)鍵(單鍵、雙鍵、三鍵)。5．獲得完整結(jié)構(gòu)在確定了碳原子、氧原子的連接關(guān)系和成鍵類型后，借助碳原子和氧原子的成鍵規(guī)律找出碳、氧原子連接氫原子的數(shù)目，進(jìn)而借助碳、氧原子的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及碳?xì)滏I的鍵長(zhǎng)等，找到氫原子的位置(隨著試驗(yàn)手段的發(fā)展，目前已經(jīng)可以干脆識(shí)別出氫原子的位置)。借助晶體X射線衍射測(cè)定原子坐標(biāo)，我們可以得到分子的結(jié)構(gòu)，獲得鍵長(zhǎng)、鍵角等反映結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的重要數(shù)據(jù)。單鍵、雙鍵、三鍵等價(jià)鍵模型的完善，雜化軌道、分子軌道等理論模型的建立，都離不開(kāi)這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的支持。物質(zhì)的宏觀性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)以及關(guān)于結(jié)構(gòu)的理論模型三者有效互動(dòng)，共同推動(dòng)了人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的相識(shí)不斷走向深化?；?dòng)探究問(wèn)題1測(cè)定青蒿素分子結(jié)構(gòu)時(shí)，科研人員遇到了什么困難？問(wèn)題2為什么用一般的測(cè)定方法無(wú)法精確測(cè)定青蒿素分子的空間結(jié)構(gòu)？問(wèn)題3借助X射線衍射測(cè)定原子坐標(biāo)，我們可以得到哪些重要數(shù)據(jù)？問(wèn)題4如何理解現(xiàn)代化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為試驗(yàn)與理論并重的科學(xué)？典例示范[典例2](雙選)南京理工高校探討團(tuán)隊(duì)勝利合成了能在室溫穩(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(cè)得晶體結(jié)構(gòu)，其局部結(jié)構(gòu)如圖所示(其中N5A．全部N原子的價(jià)電子層均有孤電子對(duì)B．氮氮鍵的鍵能：N5->H2C．兩種陽(yáng)離子不是等電子體D．陰、陽(yáng)離子之間只存在離子鍵這一作用，沒(méi)有其他作用力素養(yǎng)訓(xùn)練[訓(xùn)練2]用晶體X射線衍射法對(duì)Cu的測(cè)定得到以下結(jié)果：Cu的晶胞為面心立方最密積累(如圖)，已知該晶體的密度為9.00g·cm－3，晶胞中該原子的配位數(shù)為_(kāi)_______；Cu的原子半徑為_(kāi)_______cm(阿伏加德羅常數(shù)為NA，列出計(jì)算表達(dá)式，不用化簡(jiǎn))。課堂總結(jié)[學(xué)問(wèn)導(dǎo)圖][誤區(qū)警示]有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)式的確定方法(1)有機(jī)物分子式確定的流程(2)測(cè)定有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的流程隨堂檢測(cè)·強(qiáng)化落實(shí)——基礎(chǔ)知能練到位1．某有機(jī)化合物在氧氣中完全燃燒生成的二氧化碳和水蒸氣的物質(zhì)的量之比為1∶1，由此可以得出的結(jié)論是()A．該有機(jī)化合物分子中C、H、O原子個(gè)數(shù)之比為1∶2∶3B．該有機(jī)化合物分子中C、H原子個(gè)數(shù)之比為1∶2C．該有機(jī)化合物中必定含有氧元素D．該有機(jī)化合物中必定不含有氧元素2．下列說(shuō)法中，不正確的是()A．NH5中全部原子的最外層都符合相應(yīng)稀有氣體原子電子結(jié)構(gòu)，1molNH5中含有4NA個(gè)N—H鍵B．金屬鍵無(wú)方向性，金屬晶體中原子盡可能實(shí)行緊密積累C．凡AB3型的共價(jià)化合物，其中心原子A均采納sp2雜化軌道成鍵D．乙醇與水互溶可以用“相像相溶”原理和氫鍵來(lái)說(shuō)明3．化合物NH3與BF3可以通過(guò)配位鍵形成NH3·BF3，下列說(shuō)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(guò)晶體X射線衍射等技術(shù)測(cè)定BF3的結(jié)構(gòu)D．NH3·BF3中，NH3供應(yīng)空軌道，BF3供應(yīng)孤電子對(duì)4．(雙選)85歲中國(guó)科學(xué)家屠呦呦因創(chuàng)制新型抗瘧藥青蒿素和雙氫青蒿素而獲得2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。關(guān)于青蒿素和雙氫青蒿素(結(jié)構(gòu)如下)的下列說(shuō)法，錯(cuò)誤的是()A．青蒿素的分子式為C15H20O5B．由青蒿素制備雙氫青蒿素的反應(yīng)屬于還原反應(yīng)C．青蒿素分子中含有過(guò)氧鍵、酯基和醚鍵D．雙氫青蒿素分子中有2個(gè)六元環(huán)和2個(gè)七元環(huán)5．(1)X射線衍射測(cè)定等發(fā)覺(jué)，I3AsF6中存在I3+離子。(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分子結(jié)構(gòu)為_(kāi)_______，其中氧原子的雜化方式為_(kāi)___________。(4)CH3COOH中C原子軌道雜化類型為_(kāi)_______。微項(xiàng)目青蒿素分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定——晶體在分子結(jié)構(gòu)測(cè)定中的應(yīng)用必備知識(shí)·自主學(xué)習(xí)3．參數(shù)位置坐標(biāo)[學(xué)思用]解析：由C、H質(zhì)量分?jǐn)?shù)可推出O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可確定X的試驗(yàn)式，由相對(duì)密度可確定X的相對(duì)分子質(zhì)量，由相對(duì)分子質(zhì)量和試驗(yàn)式可確定X的分子式。答案：B關(guān)鍵能力·課堂探究提升點(diǎn)一[互動(dòng)探究]提示1：晶胞一般是立方體，原子為球體，忽視原子間隙，則該樣品中的原子數(shù)目約為10-4343π1提示2：質(zhì)譜法測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量紅外光譜法測(cè)定官能團(tuán)核磁共振氫譜測(cè)定有機(jī)物分子中碳、氫原子的種類和數(shù)目比晶體X射線衍射確定分子空間結(jié)構(gòu)[典例1]解析：探討有機(jī)物一般經(jīng)過(guò)：分別、提純→確定試驗(yàn)式→確定分子式→確定結(jié)構(gòu)式，首先依據(jù)元素定量分析確定試驗(yàn)式，再測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量確定分子式，最終通過(guò)波譜分析確定結(jié)構(gòu)式，故A正確；①中C=O鍵生成C—O鍵，為還原反應(yīng)，②該反應(yīng)中醇羥基變?yōu)槊焰I，為取代反應(yīng)，故B錯(cuò)誤；雙氫青蒿素含有羥基，可形成氫鍵，在水中的溶解度較大，故C正確；質(zhì)譜是一種測(cè)量離子荷質(zhì)比(電荷—質(zhì)量比)的分析方法，可以確定有機(jī)物的相對(duì)分子質(zhì)量，紅外光譜可以確定有機(jī)物結(jié)構(gòu)中存在的基團(tuán)，故D錯(cuò)誤。答案：BD[訓(xùn)練1]解析：質(zhì)譜法用于測(cè)定有機(jī)物的相對(duì)分子質(zhì)量，不能推斷某物質(zhì)為晶體，故A錯(cuò)誤；紅外光譜儀能測(cè)定出有機(jī)物的官能團(tuán)和化學(xué)鍵，不能推斷某物質(zhì)為晶體，故B錯(cuò)誤；核磁共振氫譜用于測(cè)定有機(jī)物分子中氫原子的種類和數(shù)目，不能推斷某物質(zhì)為晶體，故C錯(cuò)誤；晶體與非晶體最本質(zhì)的區(qū)分是組成物質(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。答案：D提升點(diǎn)二[互動(dòng)探究]提示1：不論是常規(guī)的試驗(yàn)方法還是質(zhì)譜、紅外光譜等儀器的測(cè)定手段，都只能幫助我們相識(shí)分子的官能團(tuán)等的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。提示2：因?yàn)橐话惴椒ㄖ荒軠y(cè)定簡(jiǎn)潔分子的官能團(tuán)以及分子結(jié)構(gòu)，但是對(duì)于青蒿素這種困難的分子的結(jié)構(gòu)，一般方法難以進(jìn)行精準(zhǔn)推斷。提示3：可以得到分子的結(jié)構(gòu)、鍵長(zhǎng)、鍵角等反映分子或晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的重要數(shù)據(jù)。提示4：一是試驗(yàn)手段不斷升級(jí)優(yōu)化，出現(xiàn)了各種分析和測(cè)試物質(zhì)組成的試驗(yàn)技術(shù)，推動(dòng)了化學(xué)的發(fā)展；二是基于計(jì)算機(jī)支持的理論化學(xué)與計(jì)算化學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探討進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。[典例2]解析：NH4+中N原子形成4個(gè)σ鍵，沒(méi)有孤電子對(duì)，故A錯(cuò)誤；N5-中氮氮原子間除形成σ鍵外，還形成一個(gè)大π鍵，氮氮鍵的鍵能：N5->H2N—NH2，故B正確；H3O＋、NH4+原子總數(shù)不同，不是等電子體，故C正確；由圖可知，除陰、陽(yáng)離子間形成離子鍵外，氯離子與銨根離子中H原子、H3O答案：BC[訓(xùn)練2]解析：依據(jù)該晶胞示意圖，該晶胞為面心立方，配位數(shù)為12；設(shè)晶胞的棱長(zhǎng)為acm，則a3·ρ·NA＝4×64，a＝34×64ρ·NA，面對(duì)角線為2acm，面對(duì)角線的14為Cu原子半徑答案：1224×隨堂檢測(cè)·強(qiáng)化落實(shí)1．解析：有機(jī)化合物在氧氣中燃燒生成的二氧化碳和水蒸氣時(shí)，只能說(shuō)明有機(jī)物中含有碳、氫兩種元素，但無(wú)法確認(rèn)是否含氧。由題意分子中C、H原子個(gè)數(shù)之比為1∶2。答案：B2．解析：NH5中的全部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)，依據(jù)N原子價(jià)電子數(shù)為5，H原子價(jià)電子數(shù)為1，可知該物質(zhì)為離子晶體NH4H，含有的陽(yáng)離子NH4+與陰離子H－之間通過(guò)離子鍵結(jié)合，在NH4+中含有N與H原子之間通過(guò)4個(gè)極性鍵N—H結(jié)合，因此1molNH5含有4NA個(gè)N—H鍵，A項(xiàng)正確；金屬鍵無(wú)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實(shí)行緊密積累，從而使空間被充分利用，B項(xiàng)正確；AB3型共價(jià)化合物中，若A上沒(méi)有孤電子對(duì)，則A采納sp2雜化軌道成鍵，如BF3等，若A上有1對(duì)孤電子對(duì)，則A采納sp3雜化軌道成鍵，如NH3等，C項(xiàng)錯(cuò)誤；乙醇與水互溶的緣由是：(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“答案：C3．解析：BF3分子為非極性分子，故A錯(cuò)誤；BF3分子結(jié)構(gòu)為平面三角形，NH3分子結(jié)構(gòu)為三角錐形，故B錯(cuò)誤；可以通過(guò)晶體X射線衍射等技術(shù)測(cè)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(duì)，所以NH3供應(yīng)孤電子對(duì)，BF3供應(yīng)空軌道，形成配位鍵，故D錯(cuò)誤。答案：C4．解析：由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式可知青蒿素的分子式為C15H22O5，故A錯(cuò)誤；青蒿素與氫氣發(fā)生加成反應(yīng)生成雙氫青蒿素，屬于還原反應(yīng)，故B正確；由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)