1、1专题 5 物质结构的探索无止境学习目标定位 1.认识研究物质结构和性质的关系对分子设计、合成新型材料的重要意义。2.知道量子力学在物质转化、物质制备等研究领域中的指导价值。3.体会研究生命现象的化学机理对促进人类健康的重要作用。一、研究物质的结构与性能的关系1量子力学的建立和分析测试技术的进步，使人们对物质的结构、性能及物质的变化规律有了一定的认识。2物质结构是决定物质性质的重要因素(1)物质的性质包括物质的物理性质和化学性质、生物活性和生理活性等。(2)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。(3)研究物质的结构与性能的关系对解决分子设计、合成新型材料等都具有十分重要的意
2、义。3研究镧系元素的结构和性质的关系，可以寻找到功能奇特的光、电、磁等材料；研究影响生物大分子的生物活性和生理活性的结构因素，可以帮助人类认识生命运动的机理；研究材料的结构和性能的关系，可以得到强度大、密度小、稳定性好、耐腐蚀的合成材料。物质结构和性质的关系(1)元素原子结构决定其性质。元素周期表中的“位构性”关系规律。(2)分子组成相同，结构不同，其性质不同。如：乙醇和甲醚是同分异构体，同分异构体的存在说明物质的结构是决定其性质的重要因素。(3)分子组成不同，若结构相似，则其化学性质或物理性质相似。例如，等电子体的性质相似。(4)构成晶体的微粒不同，微粒的排列方式不同，微粒间的作用力不同，导
3、致各类晶体有不同的性质。例 1 有关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间的相互作用、分子的构型、手性等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个方面的认识，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答案 B2解析 结构决定性质，性质反映结构，A 错误；物质的结构不随人们的认识和外界的作用而发生变化，如果在外界的作用下，结构发生了变化，那么这种物质也就变成其他物质了，C 错误；从微观上讲，物质是由分子、原子、离子等构成的，D 错误。例 2 我国科学家成功合成了
4、3nm 长的管状碳纳米管，长度居世界之首。这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小(只有钢的 1/4)、熔点高、化学性质稳定性好的特点，因而被称为“超级纤维” 。下列对碳纤维的说法不正确的是( )A它是制造飞机的理想材料B它的主要组成元素是碳元素C它的抗腐蚀能力强D碳纤维复合材料不易导电答案 D解析 纳米材料有其独特的性能，我们都知道：一般飞机是用轻金属及其合金制造的，由于碳纤维的“强度高、刚度高、密度小” ，它也可以作为制造飞机的理想材料；碳纤维复合材料的主要元素是碳元素；但由于合成的是纳米级材料，碳原子最外层有 4 个电子，也可以类似于石墨结构，存在着自由电子。二、研究化学反
5、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
6、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。1利用化学反应的原理，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各种新材料，是化学服务于人类的重要方式。2人类社会的发展，就是科技的发展。为了实现人类社会的可持续发展，需要化学家们建立精确有效而又普遍适用的化学反应的量子力学理论。33化学发展的趋势是让反应条件趋向于温和、产率高、速率快、副反应少、排放少、污染少、价格低、生产流程简单等。例 3 建立普遍适用的化学反应的量子力学
7、理论，可以帮助化学家解决一系列问题，其中不属于化学反应的量子力学研究的问题的是( )A两个或多个分子之间能否发生化学反应B需要什么催化剂才能在温和条件下进行反应C如何在理论指导下控制化学反应D在化学反应过程中，原子能否分割与重新组合答案 D解析 化学反应是以原子为基础，属于原子层面的反应，反应过程中不涉及原子的分割，化学反应只是分子拆分成原子，原子重新结合成分子的过程。例 4 90 年代初，国际上提出了“预防污染”的绿色化学基本手段，下列各项中，符合绿色化学含义的是( )A回收废的物品B生产绿色的产品C不生产有毒物质D进行无污染的化工生产答案 D三、研究生命现象的化学机理1研究生命现象的化学机
8、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)手性催化剂与手性合成。3物质研究
9、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4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。1探寻人类和生物的生命运动的化学机理是新世纪各国所面临的重大课题。2对物质结构的研究可以在药物制备、生命奥秘、人为调节等方面带来福音，并且可以进行人造器官的制造和医用高分子材料的研制和应用。例 5 DNA 分子的两条链之间通过氢键结合。DNA 分子复制前首先将双链解开，则 DNA 分子复制将双链解开的过
10、程可视为( )A化学变化B物理变化C既有物理变化又有化学变化D是一种特殊的生物变化答案 B解析 物质的变化有三种：物理变化、化学变化和核变化。氢键不属于化学键，双键解开的过程是破坏氢键的过程，此过程中既无旧化学键的断裂，也无新化学键的形成，因此不属于化学变化。生物体生长的过程是一个发生复杂物理、化学变化的过程。例 6 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。下列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
11、结构中含有 结构D蛋白质遇重金属盐能发生变性答案 A解析 泛素作用下的蛋白质“死亡”属于水解反应，A 项错。51据报道，德国 INTEGRAL 公司研究出无辐射冷却技术(用水和冰组成的两相液体代替传统的氟利昂或氨)而荣获德国环境大奖。下列关于“新制冷剂”的叙述不正确的是( )A该制冷剂对环境不产生任何污染B该制冷剂的作用原理与氨基本相同C该制冷剂在水的凝固点附近的温度下发挥作用D该制冷剂是属于悬浊液的一种分散系答案 D解析 水和冰组成的两相液体制冷剂，不属于悬浊液分散系，因为分散系是混合物，而该制冷剂是纯净物。2德俄两国化学家共同宣布，在高压下氮气会发生聚合得到高聚氮，这种高聚氮的 NN键的键
12、能为 160kJmol1 (N2分子中的键能为 942kJmol1 )，晶体结构如图所示。下列有关高聚氮的说法不正确的是( )A高聚氮晶体属于原子晶体B高聚氮晶体中每个 N 原子和另外 3 个 N 原子相连C高聚氮可能成为炸药D高聚氮转变成氮气是氧化还原反应答案 D63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( )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 存在少量手性催化剂时可主要生成手性异构体中的一种 手性药物中两种手性异构体的医药作用几乎没有区别 手性异构体的医药作用可能完全不同ABCD答案 D解析 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
13、构体，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。4在“绿色化学工艺”中，理想状态是反应物中的原子全部转化为欲制得的产物，即原子利用率为 100%。下列反应类型能体现这一原子最经济原则的是( )置换反应 化合反应 分解反应 取代反应 加成反应 消去反应 加聚反应 缩聚反应ABCD只有答案 B解析 化合反应、加成反应和加聚反应均只有一种产物，即反应物原子全部转化为欲得产物，符合“绿色化学工艺”的要求。5据报道，科研人员应用电子计算机模拟出了类似 C60的物质 N60。已知 N60分子中每个氮原子
14、之间均以氮氮共价键结合三个氮原子，所有的氮原子都具有最外层为 8 个电子的稳定结构 。 NN 键 键 能 为 167 kJmol 1， N=N 键 键 能 为 418 kJmol 1， N N 键 键 能 为 942 kJmol1 。试回答：(1)根据上述信息推断 N60的结构特点(包括分子的空间构型、分子内的平面几何形状、化学键的类型和数目等)：_。(2)根据键能和物质化学变化中的能量变化原理计算，1molN 60全部分解为 N2所吸收或放出的能量(热量)为_kJ。(3)根据(2)的计算结论推断，下列 N60的用途中正确的是_(填字母)。A可用作高能炸药B可用作高能燃料答案 (1)分子的空间
15、构型为球形，球面由五边形和六边形组成，化学键全部为氮氮单键，共 90 个(2)13230(3)AB解析 (1)C 60分子的空间结构为球形，N 60分子的空间结构也是球形的。N 原子有 5 个价电7子，每个 N 原子又结合了 3 个 N 原子，所有的氮原子都具有最外层为 8 个电子的稳定结构，所以 N60分子中的化学键只能是 NN 键。每个 N 原子形成 3 个单键，每个单键由 2 个 N 原子共用，则 N60分子中的单键数为 60 90 个。32(2)1 mol N60分子含有 90 mol NN 键，它分解生成 30 mol NN 键。1 mol N60分子中化学键拆开吸收的能量为90 m
16、ol167 kJmol1 15 030 kJ。30 mol N2分子中化学键形成放出的能量为30 mol942 kJmol1 28 260 kJ。放出的总能量比吸收的总能量多 13 230 kJ，化学反应是放热反应。(3)由于 N60的分解放出大量的热，因此 N60用作高能炸药和高能燃料都是可以的。对点训练题组一 研究物质结构与性能1据报道我国科学家最近研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料，其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。下列相关叙述不正确的是( )A它耐高温抗氧化B它比钢铁轻、硬，但质地较脆C它没有固定熔点D它是一种新型无机非金属材料答案 B解析 由该材料主要成分的性质可知其应
17、具有耐高温抗氧化的性能，A 项正确；题中给出信息“连续纤维增韧”航空材料，则说明该材料具有良好的韧性，B 项错误；该材料是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成，属于混合物，没有固定的熔、沸点，C 项正确；该材料由无机物复合而成，应为新型无机非金属材料，D 项正确。2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
18、8答案 C解析 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。3等电子体假说认为：凡原子数、总电子数均相等，并且结构相似，物理性质也相似的物质称为等电子体，如 CO 和 N2。现有一种新型层状结构的无机材料 BN 的一种同分异构体-BN，其平面结构如图所示，则关于该物质的结构、性质和用途叙述正确的是( )A-BN 是一种坚硬耐磨材料，可作钻具B若层状结构中有 n 个 B 原子，则有 n 个六元环C已知 -BN 在水蒸气作用下能微弱水解，则
19、水解产物为 B2H6和 HNO3D-BN 晶体中各原子达到 8 电子稳定结构答案 B解析 根据信息 -BN 和石墨结构相似，物理性质相似。结合 -BN 的平面结构，类比石墨的物理性质，得知 A 错误；利用均摊法可以看出，每个硼原子被 3 个六边形共用，1 个六边形实际拥有的硼原子个数为 31/31，则 B 正确；氮化硼(BN)中由于氮的电负性大，故氮为3 价，而硼为3 价，若 -BN 在水蒸气作用下能水解，水解产物为 H3BO3和NH3，C 错误；-BN 晶体中仅氮原子达到 8 电子稳定结构，而硼原子为 6 电子结构，D 错误。4氮化硅是一种新合成的结构材料，它是一种超硬、耐磨、耐高温的物质。
20、下列各组物质熔化时，所克服的粒子间作用力与氮化硅熔化所克服的粒子间作用力都相同的是( )A硝石(主要成分 KNO3)和金刚石B晶体硅和水晶C冰和干冰D萘( )和蒽( )答案 B解析 由于氮化硅是一种新合成的结构材料，它是一种超硬、耐磨、耐高温的物质，从而可知其晶体类型属于原子晶体，因而与晶体硅和水晶属于同种类型的晶体，所以熔化时所克服的作用力相同。A 选项中硝石不属于原子晶体，C、D 选项中都是分子晶体，因而熔化时克服的粒子间作用力与氮化硅的不同。95航天员专用水必须是健康的，必须保存原水中对人体有益的矿物质和微量元素，选择pH 值呈弱碱性、小分子团的健康水。一次饮用 125mL 小分子团水，
21、可维持人体 6 小时正常需水量。下列关于小分子团水的说法正确的是( )A水分子的化学性质改变B水分子中氧氢键键长缩短C水分子间作用力减小D水分子间结构、物理性质改变答案 D解析 同种分子化学性质不变，物理状态可变。题组二 研究化学反应的量子力学理论6 “绿色化学”是当今社会提出的一个新概念。在“绿色化学工艺”中，理想状态是反应原子全部转化为欲制得的产物，即原子利用率为 100%。用甲烷合成乙酸乙酯，欲使原子利用率达到最高，还需要消耗的其他反应物有( )ACO BCO 2和 H2OCH 2O 和 O2 DCH 3OH 和 O2答案 A解析 根据原子利用率为 100%，甲烷和其他反应物的原子应全部
22、变成乙酸乙酯，2molCH 4和 2molCO 可合成 1mol 乙酸乙酯(C 4H8O2)，并无副产物，而其余的都有副产物。7要达到绿色化学的理想境界，化学家们需要回答一系列问题：指定分子之间能否反应生成预期分子？需要什么催化剂？反应速率预期多大？如何控制反应？如何确定化学反应的途径等，最有希望解决这些问题的途径是( )A发展量子力学理论B改进实验方法C完善元素周期律理论D研究质量守恒定律和能量守恒定律答案 A解析 量子力学是化学的根本理论。化学越发展，越要从物质结构的深层去理解和掌握化学反应规律。8下列描述正确的是( )A2004 年我国首创用 CO2合成可降解塑料聚二氧化碳，但该塑料仍然
23、产生白色污染B超临界流体是介于气态和液态之间的一种状态，故超临界流体 CO2是合成的新物质C澳大利亚开发出被称为第五形态的固体碳“纳米泡沫” ，其形似海绵，密度极小且有磁性。可以预见，这种新材料的化学性质与金刚石完全不同D由于氢键的影响，甲酸蒸气的密度在 373K 时为 1.335gL1 ，在 293K 时为 2.5gL110答案 D解析 A 项，可降解塑料不会产生白色污染；B 项，CO 2的分子组成未变，只是状态改变，故超临界流体 CO2不是新物质；C 项， “纳米泡沫”和金刚石是由碳元素组成的不同单质，互为同素异形体，化学性质是相似的；D 项，甲酸蒸气随温度的降低，氢键被破坏的程度减小，分
24、子间的作用力增大，所以密度增大。题组三 研究生命现象的化学机理9最近，医学界通过用放射性 14C 标记 C60的羧酸衍生物在特定的条件下可断裂 DNA 杀死细胞，从而可用于抑制艾滋病毒。关于放射性 14C 的下列说法中，正确的是( )A与 12C 互为同位素B是 12C 的同素异形体C与 14N 所含中子数相同D与 C60中普通碳原子的化学性质不同答案 A10近日，专家否认了“味精致癌”的说法。实验表明味精在 100时加热半小时，只有0.3%的味精(谷氨酸钠)生成焦谷氨酸钠，其对人体的影响甚微。对此下列认识正确的是( )A谷氨酸钠在加热条件下生成焦谷氨酸钠是物理变化B实验是研究问题的一种有效方
25、法C谷氨酸钠受热不分解D大量食用味精有利于身体健康答案 B11方兴未艾的“克隆”技术的关键之一是找到一些特殊的酶，这些酶能激活普通体细胞，使之像生殖细胞一样发育成个体。下列有关酶的叙述中，错误的是( )A酶是具有催化作用的蛋白质B酶的催化作用具有选择性和专一性C高温或重金属盐能降低酶的活性D酶只有在强酸性或强碱性条件下才能起作用答案 D解析 酶是具有催化作用的蛋白质，其催化作用具有选择性和专一性，所以，A、B 项都对；高温、重金属盐、强酸、强碱条件下都会使蛋白质变性而失去酶的催化作用，所以 C 项对，D 项错。12为了探索月球上是否有生命存在的痕迹，就要分析月球岩石中是否包含有碳氢化合物。科学
26、家用氘盐酸(DCl)和重水(D 2O)溶液处理月球岩石样品，对收集的气体加以分析，结果只发现有一些气体状态的碳氘化合物。这个实验不能用普通盐酸，其理由是( )A普通盐酸酸性太强11B普通盐酸有强挥发性C普通盐酸与月球岩石中的碳化物无法反应D无法区别月球岩石中原来含有的是碳化物，还是碳氢化合物答案 D解析 利用氘盐酸(DCl)与重水(D 2O)溶液处理月球岩石样品的目的是为了便于区别月球岩石中原含有的是碳化物还是碳氢化合物。氘盐酸与普通盐酸的酸性与挥发性相同。综合强化13有下列物质：HCl、Na 2O2、HClO、NH 4Cl、Br 2、Fe，请填写下列空白：第(1)(5)小题填序号(1)只以非
27、极性共价键结合的是_。(2)既存在离子键，又存在非极性共价键的是_。(3)具有极性共价键和离子键的是_。(4)相邻原子间以共价键结合，不稳定，易分解的是_。(5)含有配位键的是_。(6)中含有键的类型为_。(7)中存在_键。答案 (1) (2) (3) (4) (5)(6)离子键、极性共价键、配位键 (7)金属14研究人员最近发现，在一定的实验条件下，给水施加一个弱电场，在 20、1 个大气压下，水可以结成冰，称为“热冰” 。下图是水和“热冰”的计算机模拟图，图中球代表水分子中的原子。(1)图中较大的球代表_原子，其原子结构示意图为_；水分子中氢氧原子间的化学键是_(填“共价键”或“离子键”)
28、。(2)用球棍模型表示的水分子结构是_(填字母)。(3)已知水分子中氧原子一端带部分负电荷，氢原子一端带部分正电荷，在外加电场作用下，水结成冰。上图中模拟“热冰”的示意图是_(填“甲”或“乙”)，理由是12_。答案 (1)氧(或 O) 共价键(2)B(3)甲 分子有序排列(其他合理答案也可)解析 (1)氧原子比氢原子大，故大球代表氧原子。(2)水分子中含极性共价键，两个 OH键之间夹角为 104.5，呈 V 形结构。(3)“热冰”中的水分子应为有序排列，氧原子一端吸引氢原子一端。15绿色化学是“预防污染”的根本手段，它的目标是研究和寻找能充分利用的无毒害原材料，最大限度地节约能源，在化工生产各
29、个环节都实现净化和无污染的反应途径。试回答下列问题：(1)在我国中西部大开发中，某省为筹建一大型化工基地征集到下列方案，其中你认为可行的是_(填字母)。A建在中西部干旱山区可以脱贫致富B应建在水资源丰富和交通方便远离城市的郊区C企业有权自主选择厂址D不宜建在人口稠密的居民区(2)对聚丙烯酸废弃物(白色污染物中的一种)的降解，国际上最新采用了热聚门冬氨酸或其盐(TPA)，它有效、廉价且自身可被生物降解。废弃物自身被生物降解的意义是_。(3)美国罗姆斯公司的 G.L.Willingham 等人研制出对环境安全的舰舶防垢剂“海洋 9号”而获得了美国“总统绿色化学挑战奖” 。 “海洋 9 号”的结构简
30、式如图所示：试回答下列问题：“海洋 9 号”的化学式为_。能在一定条件下与 H2发生加成反应的碳原子是_(用 2,3,4,5 等数字填写)。4、5 位碳原子上连接的两个氯原子能否发生取代反应？_(填“能”或“不能”)，如能发生，请举一例，用化学方程式表示_。答案 (1)BD(2)防止废弃物对土壤和水造成污染(3)C 11H17ONSCl2 3、4、5 能13解析 绿色化学的具体内涵主要集中体现在以下 5 点：减量，即减少用量，减少“三废”排放；重复使用，诸如化学工业过程中的催化剂、载体等，这是降低成本和减废的需要；回收，可以有效实现“省资源、少污染、减成本”的要求；再生，是变废为宝，节省资源、省能源、减成本、少污染的有效途径；拒用，指对一些无法替代，又无法回收、再生和重复使用的具有毒副作用、污染作用明显的原料拒绝在化学过程中使用。这是杜绝污染的最根本办法。第(3)小题，4、5 号位上连接的氯原子具有卤代烃性质，可在碱性条件下发生水解。
