2024-2025学年新教材高中化学第3章不同聚集状态的物质与性质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教案鲁科版选择性必修2

PAGE3-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1．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。2．知道利用晶体X射线衍射能够测定原子坐标进而确定分子的空间结构，是测定分子结构的重要手段。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。项目活动1了解利用晶体测定分子结构的意义阅读材料我国探讨人员从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。然后，探讨人员经过一系列困难的氧化还原反应试验，推想青蒿素具有含过氧基团的倍半萜内酯结构。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。然而，单纯依靠这些探讨方法还不能精确推断青蒿素分子中全部碳原子和氧原子以何种方式连接形成骨架。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。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10－10提示：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eq\f(10－43,\f(4,3)π\f(1,2)×10－103)＝eq\f(6,π)×1018个≈2×1018个。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？提示：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谱测定有机物分子中原子的种类和数目比晶体X射线衍射确定分子空间结构项目活动2借助原子位置确定分子空间结构科学家测定青蒿素分子结构进行的主要工作流程归纳：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D[A.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；B.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；C.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比，不能推断某物质为晶体，故C错误；D.晶体与非晶体最本质的区分是组成物质的微粒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。]2．南京理工高校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Neq\o\al(－,5)的立体结构是平面五元环)。下列说法正确的是()A．全部N原子的价电子层均有孤对电子B．氮氮键的键能：Neq\o\al(－,5)>H2N－NH2C．两种阳离子是等电子体D．阴阳离子之间只存在离子键B[NHeq\o\al(＋,4)中N原子N形成4个σ键，没有孤对电子，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：Neq\o\al(－,5)>H2N－NH2，故B正确；H3O＋、NHeq\o\al(＋,4)原子数不同，不是等电子体，故C错误；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＋中H原子与Neq\o\al(－,5)中N原子、NHeq\o\al(＋,4)中H原子与Neq\o\al(－,5)中N原子形成氢键，故D错误。]3．我国女科学家屠呦呦发觉青蒿素(青蒿素的化学式：C15H22O5)，它是一种用于治疗疟疾的药物，曾经挽救了数百万人的生命，2024年获得诺贝尔生理学或医学奖。下列关于青蒿素的叙述错误的是()A．青蒿素的一个分子中含有42个原子B．青蒿素能够治疗疟疾可能与结构中存在过氧基团有关C．青蒿素的摩尔质量为282D．青蒿素中碳元素的质量分数约为63.8%C[由青蒿素的化学式可知，每个青蒿素分子中含有15个碳原子、22个氢原子和5个氧原子，共42个原子，故A正确；在青蒿素分子中含有过氧基团，其他含有酯基及醚键的物质不具有治疗疟疾的功能，而青蒿素可以，说明其能够治疗疟疾可能与结构中存在过氧基团有关，正确；青蒿素的相对分子质量为12×15＋1×22＋16×5＝282，故摩尔质量为282g·mol－1，故C错误；青蒿素中碳元素的质量分数为12×15÷282×100%≈63.8%，故D正确。]4．用晶体的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(如下图)，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)。[解析]依据该晶胞示意图，该晶胞为面心立方，配位数为12；设晶胞的边长为acm，则a3·ρ·NA＝4×64，a＝eq\r(3,\f(4×64,ρ·NA))，面对角线为eq\r(,2)acm，面对角线的eq\f(1,4)为Cu原