新教材2025版高中化學微項目3青蒿素分子的結構測定-晶體在分子結構測定中的應用學案魯科版選擇性必修2

微項目青蒿素分子的結構測定——晶體在分子結構測定中的應用課程標準1．知道分子的結構可以通過波譜、晶體X射線衍射等技術進行測定。2．了解測定分子結構的一般思路與方法，相識晶體對于分子結構測定的獨特意義。3．體會分子結構測定對于建立與優(yōu)化物質結構理論模型，相識、說明和預料物質性質具有重要價值學法指導1.通過閱讀教材項目活動1，了解利用晶體測定分子結構的意義。2．通過項目活動2，學會借助晶體X射線衍射測定分子結構的基本思路。3．通過動手實踐，了解有機物分子間原子的連接與成鍵狀況必備學問·自主學習——新知全解一遍過1.測定分子結構及組成的方法(1)質譜法：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、負離子和離子—分子相互作用產生的離子)按它們的質荷比分別后進行檢測的方法?？梢赃M行相對分子量測定、化學式的確定及結構鑒定等。(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、強度和形態(tài)來推斷分子中的基團，對分子進行結構分析。(3)核磁共振譜法：NMR是探討原子核對射頻輻射的汲取，它是對各種有機和無機物的成分、結構進行定性分析的最強有力的工具之一，有時亦可進行定量分析。(4)X射線衍射法：運用X射線探測某些分子或晶體結構的科研方法。2．分子空間結構的測定程序分析圖像→測定晶胞參數(shù)→推算原子坐標→計算原子距離→推斷化學鍵及其類型→確定分子結構。3．借助晶體X射線衍射測定分子結構的基本思路學思用某氣態(tài)有機物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中含碳質量分數(shù)②X中含氫質量分數(shù)③X在標準狀況下的體積④X對H2的相對密度⑤X的質量A．①②B．①②④C．①②⑤D．③④⑤關鍵實力·課堂探究——學科素養(yǎng)全通關項目活動1了解利用晶體測定分子結構的意義1．青蒿素的組成與結構的測定我國探討人員從1973年初起先測定青蒿素的組成與結構。首先，探討人員利用高辨別質譜儀測定出青蒿素的相對分子質量為282.33。結合元素分析，確定其分子式為C15H22O5。紅外光譜試驗結果表明，青蒿素分子中的確含有酯基和過氧基團。結合核磁共振譜圖供應的關于碳、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、過氧基團、帶有酯基的六元環(huán)等部分結構片段。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構。2．在探究青蒿素分子組成和結構的過程中，科研人員運用的測定方法及獲得的分子組成和結構的信息測定方法獲得的分子組成和結構的信息高辨別質譜儀測定出青蒿素的相對分子質量，結合元素分析，確定其分子式為C15H22O5氧化還原反應試驗青蒿素具有含過氧基團的倍半萜內酯結構紅外光譜青蒿素分子中的確含有酯基和過氧基團核磁共振譜圖結合供應的關于碳、氫原子的種類和數(shù)量的信息，推定了青蒿素中甲基、過氧基團、帶有酯基的六元環(huán)等部分結構片段晶體X射線衍射確定了青蒿素的分子結構3.借助晶體測定分子結構的獨特意義測定分子空間結構最普遍的方法是晶體的X射線衍射，利用數(shù)學和物理學問對衍射所得圖像進行困難處理，可以測定晶體的晶胞參數(shù)(用于描述晶胞大小和形態(tài)的數(shù)據)，推算得到晶胞中全部原子的坐標，從而計算出原子間的距離，推斷哪些原子間存在化學鍵以及化學鍵的類型，確定分子的空間結構?；犹骄繂栴}1假設一個試驗樣品尺寸的數(shù)量級為10－4m、原子直徑的數(shù)量級為10－10m，請估算這個試驗樣品中的原子數(shù)目。問題2上述材料中用到了哪些方法測定青蒿素分子的組成和結構？這些方法主要有什么用途？典例示范[典例1](雙選)我國科學家屠呦呦因發(fā)覺植物黃花蒿葉中含有抗瘧疾的物質——青蒿素而榮獲2015年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎?？茖W家對青蒿素的結構進行進一步改良，合成了藥效更佳的雙氫青蒿素、蒿甲醚。下列說法錯誤的是()A．利用黃花蒿葉探討青蒿素結構的基本步驟為分別、提純→元素分析確定試驗式→測定相對分子質量確定分子式→波譜分析確定結構式B．①、②的反應類型分別為氧化反應、取代反應C．雙氫青蒿素在水中的溶解性大于青蒿素D．可用質譜法確定分子中含有何種官能團的信息素養(yǎng)訓練[訓練1]下列可用于推斷某物質為晶體的方法是()A．質譜法B．紅外光譜法C．核磁共振法D．X射線衍射法項目活動2借助原子位置確定分子空間結構借助晶體X射線衍射測定分子結構的基本思路：1．確定晶胞參數(shù)借助青蒿素晶體X射線衍射的試驗結果，依據晶體的周期性特征，通過困難的數(shù)學處理得出，青蒿素晶體的晶胞是長方體，三條棱長分別是a＝2.4077nm，b＝0.9443nm，c＝0.6356nm，棱的夾角都是90°，這些數(shù)據就是青蒿素晶體的晶胞參數(shù)。2．識別原子位置進一步計算得到青蒿素晶胞中各處的電子云密度。因為原子核旁邊的電子云密度大，所以依據晶胞中電子云密度就能推斷晶胞中原子的位置(坐標)。由于不同種類元素原子四周的電子云密度不同，可依據電子云密度的大小推斷晶胞中原子的種類。3．建立原子坐標以一個頂點為坐標原點，以a、b、c為坐標軸的單位建立坐標系，得到用(x，y，z)表示的碳、氧原子的原子坐標。x、y、z均為分數(shù)，表示該原子在晶胞中的相對位置。4．確定分子骨架計算原子間的距離，并與前人在大量試驗測定基礎上總結出的常見化學鍵的鍵長數(shù)據進行比較，推斷哪些原子間可以形成化學鍵以及形成什么類型的共價鍵(單鍵、雙鍵、三鍵)。5．獲得完整結構在確定了碳原子、氧原子的連接關系和成鍵類型后，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，進而借助碳、氧原子的空間結構特點及碳氫鍵的鍵長等，找到氫原子的位置(隨著試驗手段的發(fā)展，目前已經可以干脆識別出氫原子的位置)。借助晶體X射線衍射測定原子坐標，我們可以得到分子的結構，獲得鍵長、鍵角等反映結構特點的重要數(shù)據。單鍵、雙鍵、三鍵等價鍵模型的完善，雜化軌道、分子軌道等理論模型的建立，都離不開這些結構參數(shù)的支持。物質的宏觀性質、微觀結構以及關于結構的理論模型三者有效互動，共同推動了人們對物質結構的相識不斷走向深化。互動探究問題1測定青蒿素分子結構時，科研人員遇到了什么困難？問題2為什么用一般的測定方法無法精確測定青蒿素分子的空間結構？問題3借助X射線衍射測定原子坐標，我們可以得到哪些重要數(shù)據？問題4如何理解現(xiàn)代化學已經發(fā)展成為試驗與理論并重的科學？典例示范[典例2](雙選)南京理工高校探討團隊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X射線衍射測得晶體結構，其局部結構如圖所示(其中N5A．全部N原子的價電子層均有孤電子對B．氮氮鍵的鍵能：N5->H2C．兩種陽離子不是等電子體D．陰、陽離子之間只存在離子鍵這一作用，沒有其他作用力素養(yǎng)訓練[訓練2]用晶體X射線衍射法對Cu的測定得到以下結果：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________；Cu的原子半徑為________cm(阿伏加德羅常數(shù)為NA，列出計算表達式，不用化簡)。課堂總結[學問導圖][誤區(qū)警示]有機化合物結構式的確定方法(1)有機物分子式確定的流程(2)測定有機化合物結構的流程隨堂檢測·強化落實——基礎知能練到位1．某有機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的量之比為1∶1，由此可以得出的結論是()A．該有機化合物分子中C、H、O原子個數(shù)之比為1∶2∶3B．該有機化合物分子中C、H原子個數(shù)之比為1∶2C．該有機化合物中必定含有氧元素D．該有機化合物中必定不含有氧元素2．下列說法中，不正確的是()A．NH5中全部原子的最外層都符合相應稀有氣體原子電子結構，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實行緊密積累C．凡AB3型的共價化合物，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”原理和氫鍵來說明3．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都是平面三角形結構C．可以通過晶體X射線衍射等技術測定BF3的結構D．NH3·BF3中，NH3供應空軌道，BF3供應孤電子對4．(雙選)85歲中國科學家屠呦呦因創(chuàng)制新型抗瘧藥青蒿素和雙氫青蒿素而獲得2015年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。關于青蒿素和雙氫青蒿素(結構如下)的下列說法，錯誤的是()A．青蒿素的分子式為C15H20O5B．由青蒿素制備雙氫青蒿素的反應屬于還原反應C．青蒿素分子中含有過氧鍵、酯基和醚鍵D．雙氫青蒿素分子中有2個六元環(huán)和2個七元環(huán)5．(1)X射線衍射測定等發(fā)覺，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分子結構為________，其中氧原子的雜化方式為____________。(4)CH3COOH中C原子軌道雜化類型為________。微項目青蒿素分子的結構測定——晶體在分子結構測定中的應用必備知識·自主學習3．參數(shù)位置坐標[學思用]解析：由C、H質量分數(shù)可推出O的質量分數(shù)，由各元素的質量分數(shù)可確定X的試驗式，由相對密度可確定X的相對分子質量，由相對分子質量和試驗式可確定X的分子式。答案：B關鍵能力·課堂探究提升點一[互動探究]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：質譜法測定相對分子質量紅外光譜法測定官能團核磁共振氫譜測定有機物分子中碳、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構[典例1]解析：探討有機物一般經過：分別、提純→確定試驗式→確定分子式→確定結構式，首先依據元素定量分析確定試驗式，再測定相對分子質量確定分子式，最終通過波譜分析確定結構式，故A正確；①中C=O鍵生成C—O鍵，為還原反應，②該反應中醇羥基變?yōu)槊焰I，為取代反應，故B錯誤；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；質譜是一種測量離子荷質比(電荷—質量比)的分析方法，可以確定有機物的相對分子質量，紅外光譜可以確定有機物結構中存在的基團，故D錯誤。答案：BD[訓練1]解析：質譜法用于測定有機物的相對分子質量，不能推斷某物質為晶體，故A錯誤；紅外光譜儀能測定出有機物的官能團和化學鍵，不能推斷某物質為晶體，故B錯誤；核磁共振氫譜用于測定有機物分子中氫原子的種類和數(shù)目，不能推斷某物質為晶體，故C錯誤；晶體與非晶體最本質的區(qū)分是組成物質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構，可以鑒別晶體與非晶體，故D正確。答案：D提升點二[互動探究]提示1：不論是常規(guī)的試驗方法還是質譜、紅外光譜等儀器的測定手段，都只能幫助我們相識分子的官能團等的結構特點。提示2：因為一般方法只能測定簡潔分子的官能團以及分子結構，但是對于青蒿素這種困難的分子的結構，一般方法難以進行精準推斷。提示3：可以得到分子的結構、鍵長、鍵角等反映分子或晶體結構特點的重要數(shù)據。提示4：一是試驗手段不斷升級優(yōu)化，出現(xiàn)了各種分析和測試物質組成的試驗技術，推動了化學的發(fā)展；二是基于計算機支持的理論化學與計算化學的發(fā)展，推動人們對物質結構的探討進入一個新的時代。[典例2]解析：NH4+中N原子形成4個σ鍵，沒有孤電子對，故A錯誤；N5-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：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[訓練2]解析：依據該晶胞示意圖，該晶胞為面心立方，配位數(shù)為12；設晶胞的棱長為acm，則a3·ρ·NA＝4×64，a＝34×64ρ·NA，面對角線為2acm，面對角線的14為Cu原子半徑答案：1224×隨堂檢測·強化落實1．解析：有機化合物在氧氣中燃燒生成的二氧化碳和水蒸氣時，只能說明有機物中含有碳、氫兩種元素，但無法確認是否含氧。由題意分子中C、H原子個數(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稀有氣體原子電子層結構，依據N原子價電子數(shù)為5，H原子價電子數(shù)為1，可知該物質為離子晶體NH4H，含有的陽離子NH4+與陰離子H－之間通過離子鍵結合，在NH4+中含有N與H原子之間通過4個極性鍵N—H結合，因此1molNH5含有4NA個N—H鍵，A項正確；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實行緊密積累，從而使空間被充分利用，B項正確；AB3型共價化合物中，若A上沒有孤電子對，則A采納sp2雜化軌道成鍵，如BF3等，若A上有1對孤電子對，則A采納sp3雜化軌道成鍵，如NH3等，C項錯誤；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錯誤；BF3分子結構為平面三角形，NH3分子結構為三角錐形，故B錯誤；可以通過晶體X射線衍射等技術測定BF3的結構，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供應孤電子對，BF3供應空軌道，形成配位鍵，故D錯誤。答案：C4．解析：由結構簡式可知青蒿素的分子式為C15H22O5，故A錯誤；青蒿素與氫氣發(fā)生加成反應生成雙氫青蒿素，屬于還原反應，故B正確；由結構簡