普通高中教科书·化学选择性必修2 物质结构与性质.pdf

ISBN 978-7-5499-9277-59 787549 992775主 编 王祖浩副 主 编 吴 星 刘宝剑 王云生本 册 主 编 王祖浩本册副主编 吴 星 陈才锜亲爱的同学们，欢迎学习高中化学选择性必修课程物质结构与性质。初中的化学学习经历，虽然只是化学的启蒙，但大家已经初步了解了化学发展的历程，领略了化学科学的魅力，体验了探究的乐趣。通过高中化学必修课程的学习，我们进一步领悟了化学博大精深的科学思想，理解了化学与人类文明的密切关系，学到了更多有趣、有用的化学知识。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科。物质结构决定物质性质，而物质性质直接关系到物质的用途。时至今日，化学家们积累起来的知识虽不能解决与社会发展有关的全部问题，但也结出了丰硕的果实。与人类已知的几百万种生物相比，已知的化合物达上亿种，近年来每年创造的新物质就达数百万种。化学不仅与制药、石油、橡胶、造纸、建材、钢铁、食品、纺织、皮革、化肥等传统行业荣衰与共，还带动了信息、能源、航天、生命等高科技产业的发展。据统计，活跃在全球与化学相关领域中的科学家、工程技术人员，是一支最为庞大的研究队伍。为了保卫地球，化学家们开创了绿色化学时代。“绿色发展”已经成为我国可持续发展的基本国策。我们正在努力并且已经能够做到：使天空更清洁，从源头防治水污染，修复污染的土地，建构清洁低碳、安全高效的能源体系，实现绿色低碳的生活方式我细心观察过今天的高中学生，欣喜地发现，随着时代的进步，同学们的视野更为开阔，思维愈发活跃。教师们常常在为高中生各种新奇的创意与问题惊讶甚至烦恼的同时，不能不叹服他们对化学内涵的深刻理解，以及表现出来的巨大思维潜力。有了如此乐观的学习基础，在高中化学选择性必修课程的学习中，同学们能更多地体验实验探究的乐趣，掌握科学研究的方法，感受化学在解决人类面临的重大挑战时所作出的贡献。依据普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订），我们积极探索化学学习对促进学生核心素养发展的重要影响，从内容、思路和活动等多个方面对化学教材进行了修订，力求体现教材的全面育人功能。物质结构与性质作为继化学必修课程之后的选择性必修课程，将从原子、分子水平上帮助学生认识物质构成的规律；以原子结构、微粒之间的作用力和分子结构为线索，研究不同类型物质的有关性质，帮助同学们从物质结构决定性质的视角去解释一些简单的化学现象，形成有关物质构成的科学观念，学会科学思维的方法，提高分析问题和解决问题的能力。教材设置了丰富多彩的学生活动和大量生动的学习素材，循序渐进，引导同学们学好物质结构理论。教材的主要栏目设置了丰富多彩的学习活动，帮助同学们在阅读过程中更好地理解化学。【温故知新】在新旧知识之间架起桥梁，引导同学们回顾已有知识和思维经验，寻找与新学知识之间的密切联系，激发探究新知识的欲望。【交流讨论】结合学习目标设置了一系列与内容有关的问题情境，引导同学们展开讨论，为理解知识和深化思维提供基础。【基础实验】要求同学们在学习中同步完成的必做实验，不仅要了解这些实验的基本原理，还要学会动手操作，切实提高自己观察、记录和分析实验现象的能力。【实验探究】引领同学们积极投身更多的实验活动，熟悉实验流程，设计探究方案，独立或合作完成实验操作，记录实验现象，基于实验证据进行推理。【观察思考】教师展示实验现象、模型、图表等，提出相关问题激发同学们思考，尝试解析其中蕴涵的化学原理，帮助同学们开启化学思维。【学以致用】在教材阐述新知识之后插入典型问题，启迪同学们运用所学知识去解决实际问题，提高知识的迁移能力。【方法导引】结合学习内容，介绍解决相关问题的一般方法和特殊方法，认识科学方法对化学研究和学习的重要性，帮助同学们形成思考和解决化学问题的正确思路。【调查研究】通过查阅资料、考察或访谈，收集生活和生产实际中的化学问题，运用已学知识和方法揭示化学现象的本质，体验化学知识应用的价值。【拓展视野】提供与学习内容相关的更多生动的素材，帮助同学们在完成学习任务之余，进一步开拓视野，领略化学的奇妙和魅力。【科学史话】选取相关的、意义重大的化学史实，生动地还原其发展过程，帮助同学们从科学家的角度去思考问题，感受中外科学家的创新精神。【学科提炼】以简洁的语言介绍与化学核心知识相关的基本原理、思想方法等，尝试探索化学科学的本质特点，揭示化学知识的教育功能。【批判性思维】通过对教材知识涉及的学科问题、科学实验、社会性议题的分析，提升同学们质疑批判和开放性思维的品质。【跨学科链接】运用化学知识解释生物、物理、能源和医学等相关领域的问题，从多角度展现化学科学的价值，提高同学们分析和解决复杂问题的能力。化学，伴随我们一生的科学。在过去的岁月中，我们渴望了解化学，为此我们有过喜悦，也有过失望，但探索的步伐一直没有停歇。今天，当我们以一种新的姿态学习高中化学，你眼中的物质世界将会变得更加绚丽多彩！让我们充满信心，用智慧和勤奋去迎接新的学习任务，探索更多的科学奥秘，攀登更高的科学台阶，创造更加美好的明天！王祖浩 2021年3月 1819世纪西方的工业革命极大地推动了科学技术的发展，也带动了实验技术的不断革新，在物理学领域取得了前所未有的重大突破。X射线、电子、天然放射现象的先后发现，促使人们对经典物理学进行深刻反思，提出了革命性的见解，形成了新的理论体系。19世纪20年代，量子力学的建立，有力地推动了化学物质结构理论及其实验技术的发展，为从微观层面研究物质及其反应的本质提供了理论和方法。本专题让我们循着科学家探索的足迹，去揭示物质结构蕴藏的奥秘。物质结构与性质2第一单元物质结构研究的内容在我们生活的世界中，物质资源丰富多样：有大自然赐予我们的，有人类通过自身的不断努力创造产生的。新物质的发现与人类的文明密切地联系在一起。要合理利用自然赐予我们的物质，创造性能更优异的物质，必须深入研究物质的组成以及物质结构与其性质之间的相互关系。物质的性质和变化都与其组成和结构有关。例如，石墨和金刚石的组成一样，在纯氧中燃烧的产物也都是CO2，但为什么石墨质软、易传热、能导电，而金刚石却不导电、硬度最大？这就需要我们揭示物质构成的奥秘以及物质结构与性质的关系，从中获得答案。要回答上述问题，必须深入研究原子的结构，特别是最外电子层上发生的变化，以此判断元素的性质。例如，钠原子、氯原子核外电子的结构如图1-1所示。钠原子在化学反应中容易失去最外电子层上的1个电子，形成带1个单位正电荷的阳离子（Na+），钠元素表现出强的金属性；氯原子最外层上有7个电子，不容易失去电子，在化学反应中倾向于获 通过本单元内容的学习，要求同学们努力达到：能结合已有知识描述常见物质的微观结构，分析物质结构与其性质之间的关系；能从物质的微观结构出发解释或预测物质的宏观性质；认识物质结构研究对化学科学发展的重要意义。目标预览 认识物质的特征结构我们已经知道，元素原子最外层电子排布的周期性是元素性质周期性变化的主要原因。元素的原子结构是如何决定元素性质的呢？元素的原子结构与元素的金属性和非金属性的强弱之间有什么关系？温故知新3揭示物质结构的奥秘专题1得1个电子，形成带1个单位负电荷的阴离子（Cl），氯元素表现出强的非金属性。因此，在钠与氯气的反应中，钠原子和氯原子通过电子的转移，分别形成稳定结构的钠离子和氯离子，再通过静电作用力形成氯化钠晶体。研究物质之间的化学反应，其本质就是研究从一种结构（反应物）如何转变为另一种新的结构（生成物），这就需要对反应物、生成物的特征结构进行针对性的研究，考察反应物中什么原子或原子团上的化学键容易发生断裂，继而在什么位置上生成新的化学键。图 1-1 氯化钠形成示意图上述反应发生在乙醇分子的羟基官能团上，即OH失去1个H，与OH相连的C上也失去1个H，形成新的CO双键，乙醇转化成乙醛分子（乙醛中含有醛基官能团），这个过程也被称为氧化（去氢）反应。氮分子含有氮氮三键，在通常条件下很稳定，难以参加化学反应，因此，在固氮研究中，需要通过改变反应条件，如升温、加压、使用催化剂等，氮分子才能转化为氮的化合物。因此，研究物质的特征结构，可以帮助我们获得很多有用的信息，设计反应的条件，解释反应生成的产物等。研究物质的特征结构，必须思考相关的一系列问题：同一元素或不同种元素的原子之间为什么能彼此结合？为什么物质中直接相邻原子之间的化学键类型不同？为什么原子、分子或离子可以构成不同的晶体？晶体中的微粒间是通过怎样的相互作用结合的？为什么分子具有一定的空间构型？为什么有机化合物有同分异构体现象？为什么有些元素能形成几种同素异形体？等等。NaClClClNa+Na+氯化钠晶体结构模型氯化钠晶体+17+17+112 8 1+112 8 7 8 28 8 2HCCOHHHHHHCCO+2H+2e-HHHClNa+物质结构与性质4物质的结构在很大程度上决定了该物质的某些性质。例如，白磷晶体是由白磷分子（P4）组成的分子晶体，分子呈正四面体结构，分子中PP键键长是221 pm，键角PPP是60。因其中的PP键弯曲而具有较大的张力，其键能较小，易断裂，所以白磷在常温、常压下就有很高的反应活性。而红磷的链状结构比较稳定，室温下不与氧气反应。为揭示物质结构与物质性质之间的关系，必须研究有关的问题。例如，在晶体中，微粒和微粒间作用力的类型是怎样影响它们性质的？为什么金属晶体表现出导电性、延展性？分子的空间结构对物质性质有什么影响？为什么某些原子或离子可以和另一些原子、离子结合成像Ag(NH3)2+这样比较复杂的离子？因此，科学家从结构入手预测物质可能的性质，再通过反复实验，以阐明物质结构与性质的关系。由相同的碳元素可以组成不同的单质，为什么金刚石、石墨、富勒烯（C60）和碳纳米管等物质，它们的性质差异很大？图1-3从结构上分析了各类物质的性质和用途。白磷在潮湿的空气中发生缓慢的氧化反应，在40 左右即可发生自燃；而红磷在300 左右才能与氧气反应。两者组成的元素相同，为什么表现出的性质有如此明显的差异？温故知新 揭示物质结构与性质的关系请从物质的结构入手分析下列问题：1.从分子组成上看，乙醇比乙烷多了1个氧原子，但性质差异很大。试依据两种物质的分子结构作分析。2.过氧化氢具有强氧化性，其水溶液是医疗上常用的一种消毒液，生活中常用的漂白剂。过氧化氢中的氢原子和氧原子是怎样结合在一起的？学以致用图 1-2 白磷分子的 正四面体结构5揭示物质结构的奥秘专题1金刚石 碳原子间结合牢固。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质，可用于切割玻璃、金属。木炭 碳原子不规则结合，又称无定型碳。富勒烯结构 碳原子结合形状呈中空足球状，其中空部分可以填入其他原子或分子。碳纳米管结构 中空管状的富勒烯又称碳纳米管，它强度高、弹性佳，应用前景广泛。石墨 同一层上的碳原子之间形成六边形网状结构并层层重叠，层与层之间引力微弱，可以滑动，常用作润滑剂。C图 1-3 不同碳单质的结构与用途1.为什么分子组成都是C2H6O的乙醇和二甲醚在性质上差异很大？例如，乙醇能与金属钠反应放出氢气而二甲醚却不能，乙醇易溶于水而二甲醚却不溶于水。2.许多磷的化合物的结构与P4的正四面体有关，如白磷在空气中燃烧，生成的产物之一是P4O6。试从结构上对该反应进行解释。批判性思维图 1-4 乙醇和二甲醚的分子结构模型物质结构与性质61.下列有关物质结构的认识中，正确的是（）A.物质的结构决定物质的性质，物质的性质反映物质的结构B.物质的结构仅包括构成物质的微粒间的相互作用和分子的结构C.物质的结构随着人们的认识或研究的发展经常发生变化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2.下列有关物质结构与性质的说法中，不正确的是（）A.N2通常条件下很稳定的原因是氮分子中氮氮三键的键能大B.根据石墨易传热、能导电的性质，可以推测出石墨晶体中有自由移动的电子C.熔融的氯化钠能导电是因为其中有自由移动的电子D.研究材料结构与性质的关系，有助于新材料的研发3.最