鲁科版化学选择性必修二第3章 第3节 液晶、纳米材料与超分子

第3节液晶、纳米材料与超分子

[核心素养发展目标] 1.知道物质除有三种基本的聚集状态外，还有其他聚集状态。2.知道液晶、纳米材料和超分子的概念及结构与性质的关系。

一、液晶

(1)概念：在一定的温度范围内既具有液体的可流动性，又具有类似晶体的各向异性的物质。

(2)结构：内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列。

(3)性质：在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面表现出类似晶体的各向异性。

(4)用途：制造液晶显示器。液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列密切相关。在没有外加电场时，液晶分子呈逐层扭转的螺旋形排列，在施加电压时，液晶分子变成沿电场方向排列，而在移去电场之后，液晶分子又恢复到原来的状态。

(1)物质只有气、液、固三种聚集状态()

(2)液晶内部分子沿长轴方向有序排列，使液晶具有各向异性()

(3)液晶是一种特殊的物质聚集状态()

(4)液晶最重要的用途是制造液晶显示器()

(5)液晶就是液体和晶体的混合物，是一种液态晶体()

答案(1)×(2)√(3)√(4)√(5)×

1．液晶主要有哪些化学物质组成？

提示液晶是具有特殊形状分子的物质组成，大多数液晶都属于有机复合物质，由长棒状的分子构成。

2．试从微观层面解释液晶具有各向异性的原因。

提示在微观结构层面，液晶内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列，由此在分子长轴的平行方向和垂直方向表现出不同的性质。

二、纳米材料

(1)组成：由直径为几或几十纳米的颗粒和颗粒间的界面两部分组成。

(2)结构：纳米颗粒内部具有晶状结构，原子排列有序，而界面则为无序结构。

(3)性质：具有既不同于微观粒子又不同于宏观物体的独特性质。

纳米材料在光学、声学、电学、磁学、热学、力学、化学反应等方面完全不同于由微米量级或毫米量级的结构颗粒构成的材料。例如，纳米陶瓷不仅硬度高、强度高，其韧性和可加工性也显著增强。

(4)纳米材料“明星”：富勒烯、石墨烯和碳纳米管。其中，碳纳米管因其纤维长、强度高、

韧性高等特点被称为“超级纤维”。

(5)形态各异的纳米材料

①优良的金属导体在尺寸减小到几纳米时就可成为绝缘体，多数金属纳米颗粒在特定尺寸时会呈现黑色，因此纳米金属材料可用于制作隐形飞机上的雷达吸波材料。

②金的熔点为1 064 ℃，但2 nm尺寸金的熔点仅为327 ℃左右。不同颗粒大小的纳米金在溶液中会呈现不同的颜色。

③磁流体又称磁性液体，是磁性纳米粒子的超稳定悬浮液。

(1)纳米材料包括纳米颗粒与颗粒界面两部分，两部分都是有序排列()

(2)纳米是一种属于长度为10－9 m的物质()

(3)纳米材料不属于晶体，也不属于胶体()

答案(1)×(2)×(3)√

1．什么是纳米材料？纳米材料一定是直径在1～100 nm的颗粒吗？

答案纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1～100 nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。纳米材料分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块。

2．试从杂化方式角度解释碳纳米管具有高强度的原因。

答案碳纳米管中碳原子采取sp2杂化，相比sp3杂化，sp2杂化中s轨道成分比较大，形成的共价键键长短，共价键更牢固，因而碳纳米管具有高强度。

3．纳米材料是21世纪最有前途的新型材料之一，世界各国对这一新材料给予了极大的关注。纳米粒子是指直径为1～100 nm的超细粒子(1 nm＝10－9m)。由于表面效应和体积效应，其常有奇特的光、电、磁、热等性质，可开发为新型功能材料。有关纳米粒子的叙述不正确的是()

A．因纳米粒子半径太小，故不能将其制成胶体

B．一定条件下，纳米粒子可催化水的分解

C．一定条件下，纳米TiO2陶瓷可发生任意弯曲，可塑性好

D．纳米粒子半径小，表面活性高

答案A

三、超分子

(1)概念：两个或多个分子相互“组合”在一起形成具有特定结构和功能的聚集体。

(2)结构：内部分子之间通过非共价键结合，包括氢键、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。例如，DNA中两条分子链之间通过氢键的作用而组合在一起，细胞膜中的磷脂分子通过疏水端相互作用形成双层膜结构。

再如，化学家于20世纪80年代发现的一类被称为冠醚的物质能与阳离子(尤其是碱金属阳离子)作用，并且随环的大小不同而与不同的金属离子作用，这里冠醚与金属离子的聚集体可以看成是一类超分子。如下图所示：

(3)应用

①作有机反应中的催化剂

由于冠醚与金属阳离子的作用，可以将阳离子以及对应的阴离子都带入有机溶剂，因而成为有机反应中很好的催化剂。

②引发化学家进一步关注分子之间通过空间结构和作用力的协同所产生的某种选择性，从而实现分子识别、分子组装，促进了超分子化学研究的发展。

③通过对超分子化学的研究，人们可以模拟生物系统，在分子水平上进行分子设计，有序组装甚至复制出一些新型的分子材料，如具有分子识别能力的高效专业的新型催化剂，有效的新型药物，集成度高、体积小、功能强的分子器件(分子导线、分子开关、分子信息存储元件等)，生物传感器以及很多具有光、电、磁、声、热等特性的功能材料等。

1．KMnO4水溶液对烯烃的氧化效果较差，在烯烃中溶入冠醚就能加快化学氧化速率，试解释原因。

答案在烯烃中溶入冠醚时，冠醚通过与K＋结合而将MnO－4也携带进入烯烃；冠醚不与MnO－4结合，使游离或裸露的MnO－4反应活性很高，从而使氧化反应能够迅速发生。

如下图所示：

2.超分子化学已逐渐扩展到化学的各个分支，还扩展到生命科学和物理学等领域。由Mo将2个C60分子，2个p­甲酸丁酯吡啶及2个CO分子利用配位键自组装的超分子结构如图所示。