徐端钧教授：关于新课标下物质结构教学的思考30PPT幻灯片课件.ppt

1,关于新课标下物质结构教学的思考,浙江大学化学系徐端钧,2018年9月,2,2017版高中化学新课标最大的变化是凝练了化学学科核心素养物质结构模块成为选择性必修物质结构模块中增加了晶体衍射的内容,本讲座从学科核心素养的观点讨论物质结构教学,前人未知的知识,过程与方法,学科核心素养,授之以渔，才能全面发展学生核心素养。,获取知识,前人已知的知识（书本知识）,学习前人获取知识的方法,知识与技能,情感态度价值观,（正解：渔）,“学科核心素养是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念，必备品格和关键能力。”-高中化学课标第3页,高中学生的关键能力：获取知识考上大学，以及,（考大学）,（科技创新）,3,4,2）“含有分子间氢键的物质熔沸点较高”（氢键的证据？）,（双键的证据？）,1）“含双键的有机物能发生加成反应”,1.只给结论的教学方式,3）碳的正四面体结构,二氯甲烷没有发现异构体,甲烷分子不是平面的,甲烷分子具有正四面体结构,用sp3杂化解释,4）DNA双螺旋结构,物质结构教学存在的主要问题,红外？核磁？电镜？键能？,5,课程主要内容之间缺乏合乎逻辑的联系：,原子结构（电子排布）分子结构（球棍模型、比例模型）键长(单键、双键)与原子半径键角(碳原子正四面体结构)晶体结构晶体类型、密堆积分子间作用（范德华作用、氢键）价键理论（杂化轨道）,2.碎片化的课程内容体系,“分子结构”与“晶体结构”的联系？“价键理论”与“晶体结构”的联系？,“晶体结构”的内容？教学功能？,不同学科的物质结构原子结构分子结构细胞结构人体结构建筑结构(物理学)(化学)(生物学)(医学)(建筑学),3）分子空间结构（定量结构）可以用实验测定的。4）分子结构规律可以用理论来解释。,1）分子结构是物质结构课程的核心。,物质结构课程改革的目标：课程内容的结构化、知识获取的过程与方法,2）分子结构的重点是分子的空间结构(定量结构)。,6,7,几乎所有的化学小分子和大多数生物大分子的空间结构都是通过晶体衍射实验测定得到的;键长、键角等结构参数，也是利用晶体测得的。,准确理解晶体对化学教学的意义，改革结构教学，培养核心素养。,用好晶体结构知识、改革物质结构课程,（新课标引进了用晶体衍射测定分子空间结构的内容）,“了解共价分子具有特定的空间结构”，“知道分子结构可以通过波谱、晶体X射线衍射技术进行测定”。-高中化学课程标准第40页,8,聚焦三个问题,（一）晶体衍射测定分子空间结构的原理（二）晶体衍射在基础化学教学中的作用（三）晶体衍射使我们对化学有新的认识,9,（一）用晶体衍射测定分子空间结构的基本原理,10,晶体结构：晶胞参数及晶胞中各原子的位置(分数坐标),(苯的晶体结构）(苯晶体的点阵和晶胞),(苯晶体一个晶胞中有2个苯分子，一个点阵点代表2个苯分子）,（晶胞参数：边长和夹角）,晶体：分子(原子)在空间周期排列而形成的固体,1.晶体和晶体结构,0,1,1,.,(x,y,z),入射X光,衍射X光,晶体,衍射照片,衍射照片（很多张）,衍射点黑度衍射光强度晶胞中电子云密度,hkl衍射点,晶体衍射仪,1）晶体衍射实验,晶体衍射实验,杨氏双缝干涉实验,F(hkl),2.晶体结构测定,衍射点的位置晶体的周期性,11,计算晶胞中各处的电子云密度(电子云等密度线）,电子云等密度线（局部）,(傅立叶变换),得到晶体中各原子的坐标(电子云密度极大处是原子核的位置),计算原子间的距离，判断是否成键(得到分子结构),测定衍射光强度计算电子云密度得到原子坐标知道分子结构,3）晶胞中原子坐标的测定,氨基噻唑,2）晶胞参数的测定,12,13,醋酸铵分子结构（球棍模型）,醋酸铵晶体结构,晶体衍射实验测定晶体结构（晶胞参数和原子坐标）知道分子空间结构（定量结构）,3.晶体中的分子结构测定,醋酸分子结构醋酸晶体结构（球棍模型）,晶体衍射实验数学计算分子结构,14,4.原子坐标测量的可能性,1）实验样品的尺寸考虑样品尺寸104m，原子数1018（原子直径1010m）数据量庞大（每天确定1亿坐标，需要1亿年测定一个样品）,2）晶体是由分子（原子、离子）周期排列形成的固体，只需测量晶胞参数以及晶胞内(一个周期内)的原子坐标。,晶体使得分子空间结构的测定成为可能。晶体对化学具有特别重要的意义。,1913年，利用晶体X光衍射人类测定了第一个晶体结构。上世纪30年代，科学家测定简单化合物的晶体结构。上世纪60年代，化学物质晶体结构测定得到迅猛发展。上世纪80年代，生物大分子的晶体结构测定迅猛发展。,5.晶结构测定的发展过程,早年主要研究晶体周期性(点阵结构)、进行物相分析，近期能测定晶体中原子坐标，测定分子空间结构。,（点阵点水平）,（原子水平）,15,16,（二）晶体衍射在基础化学教学中的作用,2）原子的共价半径同种原子共价键长的一半，称为该原子的共价半径。一些非金属原子的共价半径（）原子HCNO单键0.200.770.700.66双键0.660.600.55,3）键角规律,109o（碳正四面结构的实验证据）120o,1）键长规律。例如，C-C单键键长1.54；C=C双键键长1.32。,1.54,109o,120o,1.测定晶体结构，发现分子结构的规律,17,4）原子的范德华半径(用以判断氢键),某些原子的范德华半径（）H1.10N1.60O1.50Cl1.80,氢键的判断因为氢键比范德华作用强，所以氢键距离小于范德华半径之和；氢键键角通常大于120o。,2.1,晶体中水分子间的氢键,同种原子范德华接触距离的一半，称为范德华半径。,范德华接触,18,19,原子结构（电子排布）分子结构（球棍模型、比例模型）键长(单键、双键)与原子半径键角（碳原子正四面体结构）晶体结构(测定)、晶体衍射晶体类型、密堆积、测定分子结构分子间作用（范德华作用、氢键）价键理论（杂化轨道）,2.晶体结构测定使知识结构化,用晶体衍射实验测定晶体结构，知道分子空间结构，获得键长、键角等结构参数信息；知道分子间作用的类型。建立在原子结构基础上的价键理论，能用来解释分子空间结构形成的原因。,20,（三）晶体衍射使我们对化学有新的认识,21,1.关于“离子晶体”,早年测定了氯化钠、氯化铯等离子化合物的晶体结构，总结得出离子晶体的规律。离子晶体定义：阴阳离子通过离子键形成的晶体。离子晶体性质：熔点高。,近几十年来，测定了更多离子化合物的晶体结构，有了更多认识。,(熔点230oC)(熔点112oC),铵盐晶体中，阴阳离子间存在氢键，铵盐晶体的熔点并不高。,1）铵盐晶体中，离子间没有离子键。,硫酸铵晶体醋酸铵晶体,范德华半径（）H1.10N1.60O1.50,2.11,1.92,22,邻苯二甲酸吡啶盐,熔点在室温附近的离子晶体，被称为“离子液体”。离子液体的种类很多，应用很广，是当前研究热点之一。,（熔点72）,2）有机化合物的离子晶体，熔点普遍不高。,（熔点106）,乙胺盐酸盐,（熔点15）,四氟化硼咪唑盐,23,四水硫酸亚铁分子结构,阴阳离子形成了分子晶体,6个FeO键的键长几乎相同;FeO配位键，属于共价键。,3）过渡金属配合物中，阴阳离子间用共价键结合。,四水硫酸亚铁晶体结构,24,金属卤化物离子键NaCl高金属含氧酸盐配位键(共价键)FeSO4.4H较高铵盐氢键(NH4)2SO4不高有机盐氢键、范德华作用咪唑盐低,类别阴阳离子间作用例子熔点,只有极少数离子晶体的阴阳离子间存在离子键；多数离子晶体的熔点并不高。,随着科学的发展，认识在不断深化。（酶、糖）,重新认识离子晶体,25,26,2.关于生物大分子的分子结构,已经测定大量生物大分子晶体结构，了解了结构与生物功能的关系。(血红蛋白，抗生素，光合作用)化学对生物学很重要。化学教材中应该有生物大分子结构介绍。,球棍,骨架,飘带,例如，胰岛素分子结构,最小的蛋白质，含400多个原子。,用氨基酸的碳原子连接成骨架模型,1）蛋白质分子的结构表示,蛋白质分子中原子多，通常采用“飘带模型”来表示分子结构。,27,2）血