物质结构的探索无止境
[核心素养发展目标] 1.认识研究物质结构与性质的关系对分子设计、合成新材料的重要意义，了解量子力学在物质转化、制备等领域的指导价值。2.体会研究生命现象的化学机理对人类健康的重要作用，促进科学态度与社会责任学科核心素养的发展。
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，导致各类晶体有不同的性质。
例1 下列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 B
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3nm长的管状碳纳米管，长度居世界之首。这种碳纤维具有强1
度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小(只有钢的)、熔点高、化学性质稳定性好的特点，
4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。
?3?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。
1．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N—N键的键能为160kJ·mol(N2分子中的键能为942kJ·mol)，晶体结构如图所示。下列有关高聚氮的说法不正确的是( )
－1
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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 D
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