新教材2025版高中化学微项目3青蒿素分子的结构测定-晶体在分子结构测定中的应用学案鲁科版选择性必修2

微项目青蒿素分子的结构测定——晶体在分子结构测定中的应用课程标准1．知道分子的结构可以通过波谱、晶体X射线衍射等技术进行测定。2．了解测定分子结构的一般思路与方法，相识晶体对于分子结构测定的独特意义。3．体会分子结构测定对于建立与优化物质结构理论模型，相识、说明和预料物质性质具有重要价值学法指导1.通过阅读教材项目活动1，了解利用晶体测定分子结构的意义。2．通过项目活动2，学会借助晶体X射线衍射测定分子结构的基本思路。3．通过动手实践，了解有机物分子间原子的连接与成键状况必备学问·自主学习——新知全解一遍过1.测定分子结构及组成的方法(1)质谱法：用电场和磁场将运动的离子(带电荷的原子、分子或分子碎片，有分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、多电荷离子、负离子和离子—分子相互作用产生的离子)按它们的质荷比分别后进行检测的方法。可以进行相对分子量测定、化学式的确定及结构鉴定等。(2)红外光谱法：将分子汲取红外光的状况用仪器记录就得到该试样的红外汲取光谱图，利用光谱图中汲取峰的波长、强度和形态来推断分子中的基团，对分子进行结构分析。(3)核磁共振谱法：NMR是探讨原子核对射频辐射的汲取，它是对各种有机和无机物的成分、结构进行定性分析的最强有力的工具之一，有时亦可进行定量分析。(4)X射线衍射法：运用X射线探测某些分子或晶体结构的科研方法。2．分子空间结构的测定程序分析图像→测定晶胞参数→推算原子坐标→计算原子距离→推断化学键及其类型→确定分子结构。3．借助晶体X射线衍射测定分子结构的基本思路学思用某气态有机物X只含C、H、O三种元素，已知下列条件，现欲确定X的分子式，所需最少条件是()①X中含碳质量分数②X中含氢质量分数③X在标准状况下的体积④X对H2的相对密度⑤X的质量A．①②B．①②④C．①②⑤D．③④⑤关键实力·课堂探究——学科素养全通关项目活动1了解利用晶体测定分子结构的意义1．青蒿素的组成与结构的测定我国探讨人员从1973年初起先测定青蒿素的组成与结构。首先，探讨人员利用高辨别质谱仪测定出青蒿素的相对分子质量为282.33。结合元素分析，确定其分子式为C15H22O5。红外光谱试验结果表明，青蒿素分子中的确含有酯基和过氧基团。结合核磁共振谱图供应的关于碳、氢原子的种类和数量的信息，探讨人员推定了青蒿素中甲基、过氧基团、带有酯基的六元环等部分结构片段。1975年，探讨人员采纳晶体X射线衍射的方法，确定了青蒿素的分子结构。2．在探究青蒿素分子组成和结构的过程中，科研人员运用的测定方法及获得的分子组成和结构的信息测定方法获得的分子组成和结构的信息高辨别质谱仪测定出青蒿素的相对分子质量，结合元素分析，确定其分子式为C15H22O5氧化还原反应试验青蒿素具有含过氧基团的倍半萜内酯结构红外光谱青蒿素分子中的确含有酯基和过氧基团核磁共振谱图结合供应的关于碳、氢原子的种类和数量的信息，推定了青蒿素中甲基、过氧基团、带有酯基的六元环等部分结构片段晶体X射线衍射确定了青蒿素的分子结构3.借助晶体测定分子结构的独特意义测定分子空间结构最普遍的方法是晶体的X射线衍射，利用数学和物理学问对衍射所得图像进行困难处理，可以测定晶体的晶胞参数(用于描述晶胞大小和形态的数据)，推算得到晶胞中全部原子的坐标，从而计算出原子间的距离，推断哪些原子间存在化学键以及化学键的类型，确定分子的空间结构。互动探究问题1假设一个试验样品尺寸的数量级为10－4m、原子直径的数量级为10－10m，请估算这个试验样品中的原子数目。问题2上述材料中用到了哪些方法测定青蒿素分子的组成和结构？这些方法主要有什么用途？典例示范[典例1](双选)我国科学家屠呦呦因发觉植物黄花蒿叶中含有抗疟疾的物质——青蒿素而荣获2015年诺贝尔生理学或医学奖。科学家对青蒿素的结构进行进一步改良，合成了药效更佳的双氢青蒿素、蒿甲醚。下列说法错误的是()A．利用黄花蒿叶探讨青蒿素结构的基本步骤为分别、提纯→元素分析确定试验式→测定相对分子质量确定分子式→波谱分析确定结构式B．①、②的反应类型分别为氧化反应、取代反应C．双氢青蒿素在水中的溶解性大于青蒿素D．可用质谱法确定分子中含有何种官能团的信息素养训练[训练1]下列可用于推断某物质为晶体的方法是()A．质谱法B．红外光谱法C．核磁共振法D．X射线衍射法项目活动2借助原子位置确定分子空间结构借助晶体X射线衍射测定分子结构的基本思路：1．确定晶胞参数借助青蒿素晶体X射线衍射的试验结果，依据晶体的周期性特征，通过困难的数学处理得出，青蒿素晶体的晶胞是长方体，三条棱长分别是a＝2.4077nm，b＝0.9443nm，c＝0.6356nm，棱的夹角都是90°，这些数据就是青蒿素晶体的晶胞参数。2．识别原子位置进一步计算得到青蒿素晶胞中各处的电子云密度。因为原子核旁边的电子云密度大，所以依据晶胞中电子云密度就能推断晶胞中原子的位置(坐标)。由于不同种类元素原子四周的电子云密度不同，可依据电子云密度的大小推断晶胞中原子的种类。3．建立原子坐标以一个顶点为坐标原点，以a、b、c为坐标轴的单位建立坐标系，得到用(x，y，z)表示的碳、氧原子的原子坐标。x、y、z均为分数，表示该原子在晶胞中的相对位置。4．确定分子骨架计算原子间的距离，并与前人在大量试验测定基础上总结出的常见化学键的键长数据进行比较，推断哪些原子间可以形成化学键以及形成什么类型的共价键(单键、双键、三键)。5．获得完整结构在确定了碳原子、氧原子的连接关系和成键类型后，借助碳原子和氧原子的成键规律找出碳、氧原子连接氢原子的数目，进而借助碳、氧原子的空间结构特点及碳氢键的键长等，找到氢原子的位置(随着试验手段的发展，目前已经可以干脆识别出氢原子的位置)。借助晶体X射线衍射测定原子坐标，我们可以得到分子的结构，获得键长、键角等反映结构特点的重要数据。单键、双键、三键等价键模型的完善，杂化轨道、分子轨道等理论模型的建立，都离不开这些结构参数的支持。物质的宏观性质、微观结构以及关于结构的理论模型三者有效互动，共同推动了人们对物质结构的相识不断走向深化。互动探究问题1测定青蒿素分子结构时，科研人员遇到了什么困难？问题2为什么用一般的测定方法无法精确测定青蒿素分子的空间结构？问题3借助X射线衍射测定原子坐标，我们可以得到哪些重要数据？问题4如何理解现代化学已经发展成为试验与理论并重的科学？典例示范[典例2](双选)南京理工高校探讨团队胜利合成了能在室温稳定存在的五氮阴离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl，经X射线衍射测得晶体结构，其局部结构如图所示(其中N5A．全部N原子的价电子层均有孤电子对B．氮氮键的键能：N5->H2C．两种阳离子不是等电子体D．阴、阳离子之间只存在离子键这一作用，没有其他作用力素养训练[训练2]用晶体X射线衍射法对Cu的测定得到以下结果：Cu的晶胞为面心立方最密积累(如图)，已知该晶体的密度为9.00g·cm－3，晶胞中该原子的配位数为________；Cu的原子半径为________cm(阿伏加德罗常数为NA，列出计算表达式，不用化简)。课堂总结[学问导图][误区警示]有机化合物结构式的确定方法(1)有机物分子式确定的流程(2)测定有机化合物结构的流程随堂检测·强化落实——基础知能练到位1．某有机化合物在氧气中完全燃烧生成的二氧化碳和水蒸气的物质的量之比为1∶1，由此可以得出的结论是()A．该有机化合物分子中C、H、O原子个数之比为1∶2∶3B．该有机化合物分子中C、H原子个数之比为1∶2C．该有机化合物中必定含有氧元素D．该有机化合物中必定不含有氧元素2．下列说法中，不正确的是()A．NH5中全部原子的最外层都符合相应稀有气体原子电子结构，1molNH5中含有4NA个N—H键B．金属键无方向性，金属晶体中原子尽可能实行紧密积累C．凡AB3型的共价化合物，其中心原子A均采纳sp2杂化轨道成键D．乙醇与水互溶可以用“相像相溶”原理和氢键来说明3．化合物NH3与BF3可以通过配位键形成NH3·BF3，下列说法正确的是()A．NH3与BF3都是极性分子B．NH3与BF3都是平面三角形结构C．可以通过晶体X射线衍射等技术测定BF3的结构D．NH3·BF3中，NH3供应空轨道，BF3供应孤电子对4．(双选)85岁中国科学家屠呦呦因创制新型抗疟药青蒿素和双氢青蒿素而获得2015年诺贝尔生理学或医学奖。关于青蒿素和双氢青蒿素(结构如下)的下列说法，错误的是()A．青蒿素的分子式为C15H20O5B．由青蒿素制备双氢青蒿素的反应属于还原反应C．青蒿素分子中含有过氧键、酯基和醚键D．双氢青蒿素分子中有2个六元环和2个七元环5．(1)X射线衍射测定等发觉，I3AsF6中存在I3+离子。(2)CS2分子中，C原子的杂化轨道类型是________。(3)F2通入稀NaOH溶液中可生成OF2，OF2分子结构为________，其中氧原子的杂化方式为____________。(4)CH3COOH中C原子轨道杂化类型为________。微项目青蒿素分子的结构测定——晶体在分子结构测定中的应用必备知识·自主学习3．参数位置坐标[学思用]解析：由C、H质量分数可推出O的质量分数，由各元素的质量分数可确定X的试验式，由相对密度可确定X的相对分子质量，由相对分子质量和试验式可确定X的分子式。答案：B关键能力·课堂探究提升点一[互动探究]提示1：晶胞一般是立方体，原子为球体，忽视原子间隙，则该样品中的原子数目约为10-4343π1提示2：质谱法测定相对分子质量红外光谱法测定官能团核磁共振氢谱测定有机物分子中碳、氢原子的种类和数目比晶体X射线衍射确定分子空间结构[典例1]解析：探讨有机物一般经过：分别、提纯→确定试验式→确定分子式→确定结构式，首先依据元素定量分析确定试验式，再测定相对分子质量确定分子式，最终通过波谱分析确定结构式，故A正确；①中C=O键生成C—O键，为还原反应，②该反应中醇羟基变为醚键，为取代反应，故B错误；双氢青蒿素含有羟基，可形成氢键，在水中的溶解度较大，故C正确；质谱是一种测量离子荷质比(电荷—质量比)的分析方法，可以确定有机物的相对分子质量，红外光谱可以确定有机物结构中存在的基团，故D错误。答案：BD[训练1]解析：质谱法用于测定有机物的相对分子质量，不能推断某物质为晶体，故A错误；红外光谱仪能测定出有机物的官能团和化学键，不能推断某物质为晶体，故B错误；核磁共振氢谱用于测定有机物分子中氢原子的种类和数目，不能推断某物质为晶体，故C错误；晶体与非晶体最本质的区分是组成物质的粒子在微观空间是否有序排列，X射线衍射可以看到微观结构，可以鉴别晶体与非晶体，故D正确。答案：D提升点二[互动探究]提示1：不论是常规的试验方法还是质谱、红外光谱等仪器的测定手段，都只能帮助我们相识分子的官能团等的结构特点。提示2：因为一般方法只能测定简洁分子的官能团以及分子结构，但是对于青蒿素这种困难的分子的结构，一般方法难以进行精准推断。提示3：可以得到分子的结构、键长、键角等反映分子或晶体结构特点的重要数据。提示4：一是试验手段不断升级优化，出现了各种分析和测试物质组成的试验技术，推动了化学的发展；二是基于计算机支持的理论化学与计算化学的发展，推动人们对物质结构的探讨进入一个新的时代。[典例2]解析：NH4+中N原子形成4个σ键，没有孤电子对，故A错误；N5-中氮氮原子间除形成σ键外，还形成一个大π键，氮氮键的键能：N5->H2N—NH2，故B正确；H3O＋、NH4+原子总数不同，不是等电子体，故C正确；由图可知，除阴、阳离子间形成离子键外，氯离子与铵根离子中H原子、H3O答案：BC[训练2]解析：依据该晶胞示意图，该晶胞为面心立方，配位数为12；设晶胞的棱长为acm，则a3·ρ·NA＝4×64，a＝34×64ρ·NA，面对角线为2acm，面对角线的14为Cu原子半径答案：1224×随堂检测·强化落实1．解析：有机化合物在氧气中燃烧生成的二氧化碳和水蒸气时，只能说明有机物中含有碳、氢两种元素，但无法确认是否含氧。由题意分子中C、H原子个数之比为1∶2。答案：B2．解析：NH5中的全部原子的最外层都符合相应稀有气体原子电子层结构，依据N原子价电子数为5，H原子价电子数为1，可知该物质为离子晶体NH4H，含有的阳离子NH4+与阴离子H－之间通过离子键结合，在NH4+中含有N与H原子之间通过4个极性键N—H结合，因此1molNH5含有4NA个N—H键，A项正确；金属键无方向性，金属原子总是尽可能多地吸引其他原子，金属晶体中原子尽可能实行紧密积累，从而使空间被充分利用，B项正确；AB3型共价化合物中，若A上没有孤电子对，则A采纳sp2杂化轨道成键，如BF3等，若A上有1对孤电子对，则A采纳sp3杂化轨道成键，如NH3等，C项错误；乙醇与水互溶的缘由是：(1)乙醇和水都是极性分子，(2)乙醇和水分子中都含O—H键，乙醇和水分子间形成氢键，乙醇与水互溶可以用“答案：C3．解析：BF3分子为非极性分子，故A错误；BF3分子结构为平面三角形，NH3分子结构为三角锥形，故B错误；可以通过晶体X射线衍射等技术测定BF3的结构，故C正确；NH3·BF3中B原子有空轨道，N原子有孤电子对，所以NH3供应孤电子对，BF3供应空轨道，形成配位键，故D错误。答案：C4．解析：由结构简式可知青蒿素的分子式为C15H22O5，故A错误；青蒿素与氢气发生加成反应生成双氢青蒿素，属于还原反应，故B正确；由结构简