18 第3章 第3节 液晶、纳米材料与超分子-【正禾一本通】2024-2025学年高中化学选择性必修2同步课堂高效讲义教师用书（鲁科版2019 双选）

第3节　液晶、纳米材料与超分子 [素养发展目标]　1.通过物质的结构特点及物质的存在形式，探析物质结构对性质的影响。　2.通过不同聚集状态的物质的重要应用，认识化学技术和社会之间的相互关系，具有探索未知、崇尚真理的意识。 一、液晶 1．定义：在一定的温度范围内既具有液体的可流动性，又具有晶体的各向异性的物质称液晶。 2．性质及原因 (1)性质：液晶在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面表现各向异性。 (2)原因：液晶内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列。 二、纳米材料 1．结构：纳米材料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．性质：纳米颗粒内部具有晶状结构，界面则为无序结构，因此纳米材料具有既不同于微观粒子又不同于宏观物体的独特性质。 3．应用：纳米材料的颗粒很小和处于界面的原子所占比例较高，使得纳米材料在光学、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。 4．“明星”纳米材料 (1)家族：富勒烯(C60等球碳)、石墨烯(单层石墨片)和碳纳米管。 (2)碳纳米管 ①结构：管状结构，由石墨片围绕中心轴按照一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空“微管”。 ②特性：纤维长、强度高、韧性高。 ③性能：具有特殊的电学、热学、光学、储氢等性能。 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。 3．冠醚及其作用 与阳离子作用，随环的大小不同而与不同的金属离子作用，将阳离子以及对应的阴离子都带入有机溶剂，成为有机反应中的催化剂。 4．应用：进行分子识别、分子组装，促进超分子化学研究的发展。 1．下列关于液晶的说法正确的是(　　) A．液晶是液体和晶体的混合物 B．液晶是一种晶体 学生用书↓第67页 C．液晶分子在特定条件下排列比较整齐，但不稳定 D．所有物质在一定条件下都能成为液晶 C　[液晶有液体的流动性与晶体的各向异性，故A错误；液晶既不同于晶体又不同于非晶体，故B错误；液晶在特定条件下如外加电场作用下排列整齐，一旦取消电场又恢复原状，所以液晶不稳定，故C正确；人们熟悉的物质状态(又称相)为气、液、固，较为生疏的是液晶，所以并不是所有物质都具有液晶态，故D错误。] 2．下列说法正确的是(　　) ①纳米材料可大大提高材料的强度和硬度　②纳米材料可提高材料的磁性　③纳米材料能制作高贮存密度的量子磁盘　④纳米机器人“医生”能进入人体杀死癌细胞　⑤纳米是长度单位 A．①②③④⑤　　　　　　　　 B．②③④ C．②③④⑤ D．①②③④ A　[纳米材料的性能包括提高材料的强度、硬度、改变颜色、增强磁性等。纳米技术能制造出纳米“机器人”，进入人体杀死癌细胞，制作的量子磁盘，能作高密度的磁记录。纳米是长度单位。] 3．(双选)科学家用有机分子和球形笼状分子C60，首次制成了“纳米车”(如图所示)，每辆“纳米车”是用一个有机分子和四个球形笼状分子“组装”而成。下列说法正确的是(　　) A．我们可以直接用肉眼清晰地看到这种“纳米车”的运动 B．“纳米车”的诞生，说明人类操纵分子的技术进入一个新阶段 C．“纳米车”是一种分子晶体 D．C60熔点比金刚石熔点低 BD　[据题意，“纳米车”是肉眼所不能见的，A项错误；“纳米车”只是几个分子的“组装”体，并非晶体，C项错误；C60属于分子晶体，熔点要比金刚石低得多，D项正确。] 探究　液晶、纳米材料与超分子的比较 世界上最小的马达，只有千万分之一个蚊子那么大，如图，这种分子马达将来可用于消除体内垃圾。 1．该图是马达分子的什么模型？ 提示：图是马达分子的球棍模型。 2．该分子中含有的组成环的原子是何种元素的原子？分子中共有多少个该原子？ 提示：该分子中组成环的原子是碳原子，根据分子结构可知，该分子中含有30个碳原子。 3．超分子就是分子量比较大的分子吗？为什么？ 提示：不是。超分子是两个或多个分子“组合”在一起形成具有特定结构和功能的聚集体，而非分子量很大的分子。 聚集状态 液晶 纳米材料 超分子 定义 在一定温度范围内既具有液体的可流动性，又具有晶体各向异性的聚集状态 由直径为几或几十纳米的颗粒和颗粒间的界面组成的具有特定功能的材料 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，能表现出不同于单个分子的性质 学生用书↓第68页 聚集状态 液晶 纳米材料 超分子 特征 折射率、磁化率、电导率均表现出各向异性，液晶显示的驱动电压低、功率小 粒子细化、界面原子比例较高，使纳米材料在光、声、电、磁、热、力、化学反应等方面具有特性 能表现出不同于单个分子的性质却在分子层次之上的分子 重要应用 液晶显示器、电子表、计算器、数字仪表 化妆品、涂料、食品、化纤布料、隐形飞机 模拟生物系统，在分子水平上进行分子设计，有序组装，甚至复制出新型的分子材料 下列关于物质特殊聚集状态结构的叙述中，错误的是(　　) A．同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体一定有完全等同的性质 B．液晶在一定温度范围具有液体的可流动性 C．液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列，使液晶具有各向异性 D．纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分 A　[同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体在性质上具有很大差别，如金的熔点为1 064 ℃，但2 nm尺寸金的熔点仅为327 ℃左右，A项错误；在一定温度范围内液晶既具有液体的可流动性，又具有晶体各向异性的聚集状态，B项正确；液晶内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序排列，使液晶在折射率、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，C项正确；由纳米材料的定义知，D项正确。] 1．电子表、电子计算器、电脑显示器都运用了液晶材料显示图像和文字。有关其显示原理的叙述中，正确的是(　　) A．施加电场时，液晶分子垂直于电场方向排列 B．移去电场后，液晶分子恢复到原来状态 C．施加电场时，液晶分子恢复到原来状态 D．移去电场后，液晶分子沿电场方向排列 B　[液晶在施加电场时，液晶分子能够沿电场方向排列，故A、D错误；液晶在移去电场之后，又恢复到原来的状态，故B正确、C错误。] 2．纳米材料是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＝10－9 m)。由于表面效应和体积效应，使其常有奇特的光、电、磁、热等性质，可开发为新型功能材料，下列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 A　[题中涉及纳米材料这一新型材料，根据纳米粒子大小，判断出其粒子大小刚好处在胶体分散质的粒子大小的范围内。] 3．下列关于超分子材料的叙述错误的是(　　) A．DNA中的两条分子链之间通过氢键作用组合在一起 B．高锰酸钾水溶液对烯烃的氧化效果差，在烯烃中溶入冠醚能使烯烃快速地被氧化，是由于冠醚与钾离子结合而将高锰酸根离子携带进入烯烃，从而起到催化作用 学生用书↓第69页 C．超分子具有选择性是由于超分子内部分子之间存在共价键 D．利用超分子的选择性可以对分子进行识别和组装 C　[超分子的内部分子之间通过非共价键相结合。] 4．碳纳米管，又称为巴基管，主要是由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约为0.34 nm，直径一般为2～20 nm。碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凹凸现象，这是由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。除六边形外，五边形和七边形在碳纳米管中也扮演着重要角色。当六边形逐渐延伸出现五边形时，由于张力的关系而导致碳纳米管凸出。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端，即形成碳纳米管的封口。当出现七边形时，纳米管则凹进。 根据以上材料回答下列问题： (1)巴基管有望作为一种“纳米”导线，这是基于它的结构与___________的结构有相似的地方。 (2)科学研究表明，巴基管具有很强的吸氢能力，这是因为其具有___________________。 (3)如果某巴基管是均匀的圆管，则其应该是由____边形构成。 解析：　(1)根据信息可以看出，巴基管的结构与石墨相似，故性质上也应具有导电性。(2)具有吸附性的物质其结构特点一般是多孔性，比表面积很大，根据巴基管的结构特点不难得出其具有很大的比表面积。(3)因为五边形可以使碳纳米管凸出、七边形会导致凹进，故均匀的巴基管应由六边形构成。 答案：　(1)石墨　(2)很大的比表面积　(3)六 课时作业(十六)　液晶、纳米材料与超分子 (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) 一、选择题(本题共8小题，每小题只有一个选项符合题意) 1．下列关于物质聚集状态的叙述中，错误的是(　　) A．物质只有气、液、固三种聚集状态 B．气态是高度无序的体系存在状态 C．固态中的原子或者分子结合的较紧凑，相对运动较弱 D．液态物质的微粒间距离和作用力的强弱介于固、气两态之间，表现出明显的流动性 A　[物质除气、液、固三种聚集状态以外，还有其他的聚集状态，如液晶、纳米材料、超分子。] 2．下列有关液晶的叙述中不正确的是(　　) A．具有液体的流动性、晶体的各向异性 B．制造液晶显示器 C．不是物质的一种聚集状态 D．液晶分子聚集在一起时，其分子间的相互作用很容易受温度、压力和电场的影响 C　[由液晶的定义可知液晶是物质的一种聚集状态，C错误；这种在一定温度范围内存在的液体既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性，这种液体称为液态晶体，简称液晶，这是液晶的定义，A正确；液晶分子聚集在一起时，其分子间的相互作用很容易受温度、压力和电场的影响，这是液晶的性质，也可以用来解释为什么可以用液晶来做液晶显示器，B、D都正确。] 3．下列叙述正确的是(　　) A．食盐粉末为非晶体 B．液体与晶体混合物叫液晶 C．最大维度处于纳米尺度的材料叫纳米材料 D．等离子体的外观为气态 D　[食盐粉末仍由无数晶体颗粒组成，A错误；液晶是指外观为液态但具有晶体特性的物质，B错误；纳米材料指三维空间尺寸至少有一维处于纳米尺度的、具有特定功能的材料，C错误；等离子体是物质在气态的基础上进一步形成的气态微粒聚集体，D正确。] 4．纳米是长度单位，1 nm＝1×10－9m，物质的颗粒达到纳米级时，具有特殊的性质。例如：将单质铜制成“纳米铜”时，具有非常强的化学活性，在空气中可以燃烧。下列对“纳米铜”的有关叙述中正确的是(　　) A．常温下，“纳米铜”比铜片的金属性强 B．常温下，“纳米铜”比铜片更易失去电子 C．常温下，“纳米铜”与铜片的还原性相同 D．常温下，“纳米铜”比铜片的氧化性强 C　[“纳米铜”因其表面积大，所以化学反应速率快，但基本化学性质没有变。] 5．液晶广泛用于电子仪表产品等，MBBA是一种研究较多的液晶材料，其化学式为C18H21NO，下列有关说法正确的是(　　) A．MBBA属于有机高分子化合物 B．MBBA由碳、氢、氧、氮四种元素组成 C．MBBA中碳、氢、氧、氮的原子个数比为18∶21∶2∶1 D．MBBA中含有一氧化氮分子 B　[A项，有机高分子化合物是由一类相对分子质量很大的分子聚集而成，且无固定的化学式，错误；B项，此物质由碳、氢、氧、氮四种元素组成，正确；C项，由MBBA的化学式可知，碳、氢、氧、氮的原子个数比为18∶21∶1∶1，错误；D项，MBBA物质是由C18H21NO分子构成的化合物，不含NO分子，错误。] 6．水的状态除了气、液和固态外，还有玻璃态。它是由液态水急速冷却到165 K时形成的，玻璃态的水无固定形态，不存在晶体结构，且密度与普通液态水的密度相同，有关玻璃态水的叙述正确的是(　　) A．水由液态变为玻璃态，体积缩小 B．水由液态变为玻璃态，体积膨胀 C．玻璃态是水的一种特殊状态 D．玻璃态水是分子晶体 C　[由题设知，玻璃态水不同于我们熟知的气、液、固三态，是一种特殊状态。] 7．纳米材料的表面微粒数占总微粒数的比例极大，这是它具有许多特殊性质的原因。假设某纳米颗粒的大小和形状恰好与某晶体晶胞的大小和形状(如图)相同，则这种纳米颗粒的表面微粒数占总微粒数的百分数为(　　) A．87.5%　　　　　　　 B．88.9% C．96.3% D．100% B　[表面微粒数占总微粒数的百分数为×100%≈88.9%。] 8．冠醚能与阳离子，尤其是与碱金属离子作用，并且随环的大小不同而与不同的金属离子作用。12­冠­4与锂离子作用而不与钠离子、钾离子作用；18­冠­6与钾离子作用(如图)，还可与重氮盐作用，但不与锂离子或钠离子作用。下列说法错误的是(　　) A．18­冠­6中C和O的杂化轨道类型相同 B．18­冠­6与钾离子作用，不与锂离子或钠离子作用，这反映了超分子的“分子识别”的特征 C．18­冠­6与钾离子作用反映了超分子的自组装的特征 D．冠醚与碱金属离子作用的原理与其可作相转移催化剂的原理有关 C　[18­冠­6中C和O都是sp3杂化，A项正确；18­冠­6与钾离子作用，不与锂离子或钠离子作用，反映了超分子的“分子识别”的特征，故B项正确，C项错误；由于冠醚是皇冠状分子，可有不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子，把无机物带入有机物中，它可以作为相转移催化剂也是基于这个原理，D项正确。] 二、选择题(本题包括4小题，每小题只有一个或两个选项符合题意) 9．我国科学家成功合成了3 nm长的管状纳米管，长度居世界之首。这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小(只有钢的)、熔点高、化学性质稳定性好的特点，因而被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法不正确的是(　　) A．它是制造飞机的理想材料 B．它的主要组成元素是碳 C．它的抗腐蚀能力强 D．碳纤维复合材料不易导电 D　[纳米材料有其独特的功能，我们都知道：一般飞机是用铝合金及钢制造的，由于碳纤维的“强度高、刚度高、密度小”，它也可以作为制造飞机的理想材料；碳纤维复合材料其主要组成元素是碳，但由于合成的是纳米级材料，也可能具有类似于石墨结构，存在着自由电子易导电，D错误。] 10．诺贝尔化学奖授予在合成分子机器领域做出贡献的三位科学家。分子机器是一种特殊的超分子体系，当体系受到外在刺激(如pH变化、吸收光子、电子得失等)时，分子组分间原有作用被破坏，各组分间发生类似于机械运动的某种热运动。下列说法不正确的是(　　) A．驱动分子机器时，需要对体系输入一定的能量 B．超分子内部分子之间通过共价键相结合 C．氧化还原反应有可能是刺激分子机器体系的因素之一 D．光照有可能使分子产生类似于机械运动的某种热运动 B　[超分子内部分子之间通过非共价键相结合，故B项错误。] 11．拟晶是一种具有凸多面体规则外形但不同于晶体的固态物质。Al65Cu23Fe12是目前发现的几百种拟晶之一，具有合金的某些优良物理性能。下列有关该拟晶的说法中错误的是(　　) A．Al65Cu23Fe12可用作长期浸泡在海水中的材料 B．Al65Cu23Fe12中三种金属的化合价均可视为零 C．Al65 Cu23Fe12的硬度可能比金属Al、Cu、Fe都大 D．1 mol Al65Cu23Fe12溶于过量的稀硝酸时共失去189 mol电子 AD　[Al65Cu23Fe12与海水构成原电池，会加速金属的腐蚀，因此不可用作长期浸泡在海水中的材料，A错误；拟晶Al65Cu23 Fe12是由三种金属元素组成，由于金属无负价，根据化合价代数和为0的原则，三种金属的化合价均可视作零价，B正确；根据题意，该拟晶具有合金的某些优良物理性能，因此其硬度可能比金属Al、Cu、Fe都大，C正确；l mol Al65Cu23Fe12溶于过量的稀硝酸时共失去277 mol电子(因为硝酸过量，每个铁原子失去3个电子)，D错误。] 12．(2022·天津培杰中学高二检测)下列说法不正确的是(　　) A．液晶态介于晶体状态和液态之间，液晶具有一定程度的晶体的有序性和液体的流动性 B．常压下，0 ℃时冰的密度比水的密度小，水在4 ℃时密度最大，这些都与范德华力有关 C．金属键具有方向性和饱和性 D．石墨晶体中既有共价键，又有类似金属键的作用力，还有范德华力，是一种混合型晶体 BC　[冰中存在氢键，具有方向性和饱和性，使体积变大，则相同质量时冰的密度比液态水的密度小，故B不正确；金属键没有方向性和饱和性，故C不正确。] 三、非选择题(本题包括3小题) 13．在纳米级的空间中，水的结冰温度是怎样的呢？为此，科学家对不同直径碳纳米管中水的结冰温度进行分析。如图是四种不同直径碳纳米管中的冰柱结构及结冰温度，冰柱的大小取决于碳纳米管的直径。水在碳纳米管中结冰的规律是______________________。 解析：　由图可知，随着纳米管直径的增大，结冰温度依次为27 ℃、7 ℃、－53 ℃、－83 ℃，即纳米管直径越大，结冰温度越低。 答案：　碳纳米管直径越小，结冰温度越高 14．科学的进步离不开技术的突破。原子光谱核磁共振、X射线衍射、量子计算等技术的发展与应用都推进了结构的研究。如过渡元素原子结构、超分子结构、晶体结构、配合物结构研究等。 (1)过渡元素Cr原子的基态电子排布式为________________，Cr的核外电子由激发态跃迁至基态时产生的光谱是________(填“吸收”或“发射”)光谱。 (2)①将氨气通入CuSO4溶液中，产生蓝色沉淀，继续通过量氨气，沉淀溶解，得到蓝色透明溶液。该过程中微粒的变化是[Cu(H2O)4]2＋→Cu(OH)2→[Cu(NH3)4]2＋。 [Cu(H2O)4]2＋和[Cu(NH3)4]2＋中共同含有的化学键类型有_______________________。 ②已知：AlF在溶液中可稳定存在，CaF2难溶于水，但可溶于含Al3＋的溶液中，原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________(用离子方程式表示)。 解析：　(1)过渡元素Cr原子的基态电子排布式为[Ar]3d54s1(或1s22s22p63s23p63d54s1)，Cr的核外电子由激发态跃迁至基态时产生的光谱是发射光谱； (2)①水分子或氨气分子中都存在极性键，Cu原子和水分子或氨气分子之间存在配位键，所以[Cu(H2O)4]2＋和[Cu(NH3)4]2＋中都含有配位键，极性键； ②CaF2难溶于水，但可溶于含Al3＋的溶液中，因为在溶液中F－与Al3＋能形成很难电离的配离子AlF，使CaF2的溶解平衡正向移动，其反应的离子方程式为3CaF2＋Al3＋===3Ca2＋＋AlF。 答案：　(1)[Ar]3d54s1(或1s22s22p63s23p63d54s1) 发射 (2)①极性键、配位键　②3CaF2＋Al3＋===3Ca2＋＋AlF 15．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。 (1) Mo处于第5周期ⅥB族，核外电子排布与Cr相似，它的基态价电子排布式是________；核外未成对电子数有________个。 (2)该超分子中存在的化学键类型有________(填字母)。 A．σ键 B．π键 C．离子键 D．氢键 (3)该超分子中配体CO提供孤电子对的原子是________(填元素符号)，p­甲酸丁酯吡啶配体中C原子的杂化方式有________。 (4)从电负性角度解释CF3COOH的酸性强于CH3COOH的原因_____________________ ________________________________________________________________________。 (5)C60与金刚石互为同素异形体，从结构与性质之间的关系解释C60的熔点远低于金刚石的原因是_________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：　(1)Cr的基态价电子排布为3d54s1，而Mo与Cr同主族，但比Cr多了一周期，因而其基态价电子排布式为4d55s1，用轨道表示式为，因而核外未成对的电子为6个。(2)观察该超分子结构有双键，说明有σ键和π键，分子中不存在离子键，根据信息可知Mo形成配位键。(3)CO做配体时C做配位原子，O把孤电子对给了碳，碳变成富电子中心，有提供孤电子对形成配位键的能力，p­甲酸丁酯吡啶中碳原子形成双键，说明其杂化方式为sp2，在丁基中C原子形成四个单键为sp3杂化。(4)F的电负性强于H，对电子的吸引能力强。使共用电子对偏向F，氧氢键较易断裂，因此CF3COOH酸性强于CH3COOH。(5)根据不同晶体类型的性质不同来解释：C60是分子晶体，金刚石是共价晶体，共价晶体熔化时破坏共价键所需的能量远高于分子晶体熔化时破坏分子间作用力所需的能量。 答案：　(1)4d55s1　6　(2)AB　(3)C　sp2和sp3 (4)F的电负性强于H，对电子的吸引能力强，使共用电子对偏向F，使氧氢键较易断裂，因此CF3COOH酸性强于CH3COOH　 (5)C60是分子晶体，金刚石是共价晶体，共价晶体熔化时破坏共价键所需的能量远高于分子晶体熔化时破坏分子间作用力所需的能量 学生用书↓第70页 学科网（北京）股份有限公司 $$