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)用素養(yǎng)目標(biāo)學(xué)習(xí)要點(diǎn)1.通過(guò)了解測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的一般思路與方法,培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)。2.通過(guò)了解利用晶體X射線衍射能夠測(cè)定原子坐標(biāo)進(jìn)而確定分子的空間結(jié)構(gòu),培養(yǎng)宏觀辨識(shí)與微觀探析的化學(xué)核心素養(yǎng)。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)理論模型的重要價(jià)值,形成證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)。一圖:核磁共振圖二法:質(zhì)譜法、元素分析法二實(shí)驗(yàn):紅外光譜實(shí)驗(yàn)、晶體X射線衍射項(xiàng)目活動(dòng)1了解利用晶體測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的意義基礎(chǔ)落實(shí)?必備知識(shí)全過(guò)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.閱讀教材對(duì)于青蒿素的測(cè)定,填寫(xiě)下表:

測(cè)定方法獲得的分子組成和結(jié)構(gòu)的信息質(zhì)譜法相對(duì)分子質(zhì)量元素分析法結(jié)合相對(duì)分子質(zhì)量確定分子式紅外光譜實(shí)驗(yàn)確定含有何種化學(xué)鍵和官能團(tuán)核磁共振譜圖碳、氫原子的種類和數(shù)量晶體X射線衍射確定分子結(jié)構(gòu)2.借助晶體測(cè)定分子結(jié)構(gòu)的方法測(cè)定分子空間結(jié)構(gòu)最普遍的方法是晶體的

,利用數(shù)學(xué)和物理知識(shí)對(duì)衍射所得圖像進(jìn)行復(fù)雜處理,可以測(cè)定晶體的

(用于描述晶胞大小和形狀的數(shù)據(jù)),推算得到晶胞中所有原子的

,從而計(jì)算出

,判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)。

名師點(diǎn)撥晶胞一般是立方體,原子為球體,忽略原子間隙,假設(shè)一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品尺寸的數(shù)量級(jí)為10-4

m、原子直徑的數(shù)量級(jí)為10-10

m,則該樣品中的原子數(shù)目約X射線衍射晶胞參數(shù)坐標(biāo)原子間的距離深度思考為什么用一般的方法無(wú)法精確地測(cè)定青蒿素的分子結(jié)構(gòu)?提示

一般的測(cè)定方法只能幫助我們認(rèn)識(shí)分子的官能團(tuán)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并借此推測(cè)分子的結(jié)構(gòu),但對(duì)于所含原子數(shù)較多的分子來(lái)說(shuō),難以精準(zhǔn)判斷其空間結(jié)構(gòu)。重難突破?能力素養(yǎng)全提升探究角度

青蒿素分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定例題

我國(guó)科學(xué)家屠呦呦因發(fā)現(xiàn)植物黃花蒿葉中含抗瘧疾的物質(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,合成藥效更佳的雙氫青蒿素、蒿甲醚等。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A.利用黃花蒿葉研究青蒿素結(jié)構(gòu)的基本步驟為分離、提純→元素分析確定實(shí)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.①②的反應(yīng)類型分別為還原反應(yīng)、取代反應(yīng)C.雙氫青蒿素在水中的溶解度大于青蒿素D.可用質(zhì)譜法確定分子中含有何種官能團(tuán)D解析

反應(yīng)①中C═O鍵變成C—O鍵,為還原反應(yīng),反應(yīng)②中醇羥基變?yōu)槊焰I,為取代反應(yīng),B項(xiàng)正確;雙氫青蒿素分子中含有羥基,可與水分子形成氫鍵,在水中的溶解度較大,C項(xiàng)正確;質(zhì)譜法用于確定有機(jī)物的相對(duì)分子質(zhì)量,確定分子中含有何種官能團(tuán)應(yīng)該采用紅外光譜,D項(xiàng)錯(cuò)誤。[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練]下列分子結(jié)構(gòu)測(cè)定的方法中,能確定相對(duì)分子質(zhì)量的是

(填字母,下同),能確定分子中官能團(tuán)的是

,能確定原子的化學(xué)環(huán)境和數(shù)量的是

,能確定分子空間結(jié)構(gòu)的是

。

a.晶體的X射線衍射

b.質(zhì)譜法c.核磁共振法

d.紅外光譜法bdca項(xiàng)目活動(dòng)2借助原子位置確定分子空間結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)落實(shí)?必備知識(shí)全過(guò)關(guān)項(xiàng)目活動(dòng)2借助原子位置確定分子空間結(jié)構(gòu)1.利用晶體X射線衍射確定分子結(jié)構(gòu)的基本思路確定

→識(shí)別

→建立

→確定

→獲得

。

晶胞參數(shù)原子位置原子坐標(biāo)分子骨架完整結(jié)構(gòu)2.動(dòng)手實(shí)踐(1)依據(jù)青蒿素晶體中碳、氧原子坐標(biāo),搭建出青蒿素分子中的碳、氧原子在三維空間中的位置。(2)確定青蒿素分子中碳、氧原子的連接關(guān)系及成鍵類型,用竹簽將青蒿素中的成鍵原子連接起來(lái),獲得青蒿素的大致分子骨架。(3)確定各碳、氧原子連接的氫原子數(shù)目,并將相應(yīng)數(shù)目的氫原子連接在所搭模型相應(yīng)的原子上。3.分享心得體會(huì)展示匯報(bào)所搭建的青蒿素分子結(jié)構(gòu)模型,并與同學(xué)分享搭建過(guò)程的體會(huì)與收獲。名師點(diǎn)撥X射線衍射技術(shù)是研究晶體結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律的主要方法,包括單晶衍射法和多晶衍射法。青蒿素分子的空間結(jié)構(gòu)正是借助X射線單晶衍射法,由電子密度圖測(cè)定出來(lái)的。重難突破?能力素養(yǎng)全提升探究角度

原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)例題

金屬鉬的一種晶胞為體心立方堆積(圖甲),以晶胞參數(shù)為單位長(zhǎng)度建立直角坐標(biāo)系(圖乙),該晶胞沿其體對(duì)角線方向上的投影如圖丙所示,設(shè)晶胞參數(shù)為apm。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A.若圖甲中原子1的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為(0,0,0),則圖甲中原子2的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為B.若晶胞參數(shù)為apm,則圖丙中原子3和原子4的連線長(zhǎng)度為

a

pmC.圖丙中原子3和原子4在同一平面上D.1mol該晶胞含有的鉬原子數(shù)為9NAD解析

若圖甲中原子1的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為(0,0,0),由于原子2位于晶胞的體心,則圖甲中原子2的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為

,A正確;圖丙是金屬鉬晶胞沿其體對(duì)角線方向上的投影,原子3與原子4在晶胞頂點(diǎn)上,并且位于面對(duì)角線的兩端,故原子3和原子4連線長(zhǎng)度為

a

pm,B正確;圖丙的原子3與原子4位于晶胞中同一面的面對(duì)角線上,C正確;1個(gè)晶胞中,位于頂點(diǎn)的鉬原子個(gè)數(shù)為8×

=1,位于體心的鉬原子個(gè)數(shù)為1,故1個(gè)晶胞中含有2個(gè)鉬原子,則1

mol晶胞含有鉬原子個(gè)數(shù)為2NA,D錯(cuò)誤。名師點(diǎn)撥

1.晶胞原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)以晶胞參數(shù)為單位長(zhǎng)度建立的坐標(biāo)系可以表示晶胞中各原子的位置,稱作原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)。原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)參數(shù)表示晶胞內(nèi)部各原子的相對(duì)位置。2.原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)的確定方法(1)依據(jù)已知原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)確定坐標(biāo)系取向。(2)一般以坐標(biāo)軸所在正方體的棱長(zhǎng)為1個(gè)單位。(3)從原子所在位置分別向x、y、z軸做垂線,所得坐標(biāo)軸上的截距即為該原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)。[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練]某種氮化硼晶體的立方晶胞結(jié)構(gòu)如圖,該物質(zhì)熔點(diǎn)高、硬度大,與金剛石類似。下列說(shuō)法不正確的是(

)A.該種氮化硼晶體熔點(diǎn)比硅高C.N原子形成了正四面體空隙和正八面體空隙,正八面體空隙數(shù)和B原子占有的正四面體空隙數(shù)比值為1∶4D.與N原子最近的等距離的N原子有12個(gè)C解析

氮原子和硼原子的半徑都小于硅原子,故氮硼鍵的鍵能大于硅硅鍵的鍵能,故氮化硼的熔點(diǎn)比硅高,故A正確;根據(jù)信息可知,丙原子的坐標(biāo)參數(shù)為

,故B正確;6個(gè)面心原子圍成1個(gè)正八面體,將晶體向外延伸可知,共用一條棱的4個(gè)面心與該棱的兩個(gè)頂點(diǎn)上的N也可以構(gòu)成正八面體結(jié)構(gòu),但是這樣的八面體是四個(gè)晶胞共有,所以正八面體個(gè)數(shù)為1+12×

=4,正八面體空隙數(shù)為4,B原子占有的正四面體空隙數(shù)為4,N原子形成的正八面體空隙數(shù)與B原子占有的正四面體空隙數(shù)比值為1∶1,故C錯(cuò)誤;由晶胞結(jié)構(gòu)可知,與N原子最近的等距離的N原子有12個(gè),故D正確。學(xué)以致用·隨堂檢測(cè)全達(dá)標(biāo)12345題組1分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定方法1.中國(guó)著名藥學(xué)家屠呦呦獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),獲獎(jiǎng)理由是“因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)青蒿素——一種用于治療瘧疾的藥物,挽救了全球特別是發(fā)展中國(guó)家的數(shù)百萬(wàn)人的生命”。青蒿素是從植物黃花蒿莖葉中提取的,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式如下圖,下列說(shuō)法不正確的是(

)A.它的分子式為C15H22O5B.該分子中有6個(gè)手性碳原子C.因其具有過(guò)氧基團(tuán),它不穩(wěn)定,易受濕、熱和還原性物質(zhì)的影響而變質(zhì)D.它在常見(jiàn)有機(jī)溶劑中的溶解度大于在水中的溶解度B12345解析

根據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式確定分子式為C15H22O5,A正確;碳原子連接4個(gè)不同的原子或原子團(tuán),為手性碳原子,如圖所示

,共7個(gè)手性碳原子,B錯(cuò)誤;過(guò)氧基團(tuán)具有強(qiáng)氧化性,該物質(zhì)中含有過(guò)氧基團(tuán),它不穩(wěn)定,易受濕、熱和還原性物質(zhì)的影響而變質(zhì),C正確;該物質(zhì)中只含憎水基不含親水基,所以在有機(jī)溶劑中的溶解度大于在水中的溶解度,D正確。123452.(2024福建廈門(mén)檢測(cè))納米SiO2為無(wú)定形(非晶態(tài))白色粉末,具有顆粒尺寸小、微孔多、比表面積大、對(duì)紫外線反射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。下列關(guān)于納米SiO2的說(shuō)法正確的是(

)A.對(duì)光有各向異性B.熔點(diǎn)與晶體SiO2相同C.與晶體SiO2互為同分異構(gòu)體D.可用X-射線衍射實(shí)驗(yàn)區(qū)分納米SiO2與晶體SiO2D12345解析

納米SiO2為無(wú)定形,不是晶體,沒(méi)有對(duì)光的各向異性,故A錯(cuò)誤;納米SiO2不是晶體,SiO2是共價(jià)晶體,因此熔點(diǎn)不相同,故B錯(cuò)誤;具有相同分子式而結(jié)構(gòu)不同的化合物互為同分異構(gòu)體,SiO2只是化學(xué)式,晶體SiO2中沒(méi)有分子,故C錯(cuò)誤;納米SiO2不是晶體,SiO2是共價(jià)晶體,可用X-射線衍射實(shí)驗(yàn)區(qū)分納米SiO2與晶體SiO2,故D正確。123453.(2023廣東茂名期中)青蒿素晶胞(長(zhǎng)方體,含4個(gè)青蒿素分子)及分子結(jié)構(gòu)如圖所示:(1)用X射線衍射測(cè)定分子的空間結(jié)構(gòu)。測(cè)量晶胞各處電子云密度大小,可確定原子的位置、種類。比較青蒿素分子中的C、H、O原子核附近的電子云密度大小:

。

(2)測(cè)出青蒿素晶體的晶胞是長(zhǎng)方體,三條棱長(zhǎng)分別為anm、bnm、cnm,棱的夾角都是90°,晶體的密度為

g·cm-3(用NA表示阿伏加德羅常數(shù)的值;1nm=10-9m)。

O>C>H12345解析

(1)可以根據(jù)元素的電負(fù)性判斷,電負(fù)性O(shè)>C>H,元素的電負(fù)性越大,原子核對(duì)電子云吸引力越強(qiáng),故青蒿素分子中的C、H、O原子核附近的電子云密度大小:O>C>H。12345題組2原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)4.金屬鈦(Ti)與氮形成的某種化合物常被用作高溫結(jié)構(gòu)材料和超導(dǎo)材料。研究表明,用Al代替其中部分的Ti可提升耐磨性5倍以上,摻雜Al后的晶胞結(jié)構(gòu)如圖所示。已知該晶體屬立方晶系,阿伏加德羅常數(shù)的值為NA。下列說(shuō)法正確的是(

)A.b點(diǎn)原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)為(1,1,)B.摻雜Al后,晶體中Ti∶Al∶N=4∶1∶4C.氮化鈦晶胞中,Ti原子位于N原子形成的八面體空隙中D.已知最近的兩個(gè)N原子之間的距離為cnm,則氮化鈦晶體的密度為C12345123455.已知,圖甲為金屬鉻的晶胞,晶胞邊長(zhǎng)為apm,圖乙為金屬鉻的晶胞截面,圖丙為銅和氧形成的晶胞截面圖,晶胞邊長(zhǎng)為dpm。下列關(guān)于銅和氧形成的晶體的說(shuō)法正確的是(

)A.該晶體的化學(xué)式為Cu2OB.晶體中O原子組成的四面體空隙中全部填充了銅原子C.該晶體熔點(diǎn)高于