第3章 第3节 液晶、纳米材料与超分子-【创新教程】2025-2026学年高中化学选择性必修2五维课堂同步Word教案（鲁科版2019）

第三节　液晶、纳米材料与超分子 课标要点 核心素养 1.知道物质除有三种基本的聚集状态外，还有晶体、非晶体、液晶、纳米材料和超分子等其他聚集状态 2.知道液晶、纳米材料、超分子的概念及结构与性质的关系 3.通过对液晶、纳米材料、超分子的认知，知道物质的聚集状态会影响物质的性质，通过改变物质的聚集状态可能获得特殊的材料 宏观辨识与微观探析：能认识常见的液晶及纳米材料的构成微粒及排列方式 [知识梳理] [知识点一]　液晶　 1．定义 在一定的温度范围内既具有液体的　可流动性　，在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面又表现出类似晶体的　各向异性　的物质称为液态晶体，简称液晶。 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。 [知识点二]　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。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，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。 2．构成粒子 (1)纳米材料的结构粒子是排列成了纳米量级的原子团。 (2)通常，组成纳米材料的晶状颗粒内部的有序原子与晶粒界面的无序原子各约占原子总数的50%，从而形成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。纳米材料的粒子细化和界面原子比例较高。 [知识点三]　超分子　 1．定义 若　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，可以把这种聚集体看成分子层次之上的分子，称为超分子。 2．形成超分子的作用力 超分子内部分子之间通过　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．超分子的应用 (1)冠醚识别阳离子 (2)分子梭的转化 在链状分子A上同时含有两个不同的识别位点。在碱性情况下，环状分子B与带有正电荷的位点1的相互作用较强；在酸性情况下，由于位点2的烷基铵结合H＋而带正电荷，与环状分子B的作用增强。因此，通过加入酸和碱，可以实现分子梭在两个不同状态之间的切换。 (3)分子组装 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分子材料。 [自我评价] 1．[判一判](对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”) (1)超分子的性质与组成超分子的单个分子的性质相同。(×) (2)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。(√) (3)富勒烯、石墨棒、碳纳米管均属于纳米材料。(×) (4)超分子一定是由呈电中性的分子组成，不可能含有离子。(×) 2．[想一想] (1)为什么液晶具有显示功能？ 提示：液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列密切有关，在施加电压时，液晶分子能够沿电场方向排列，而在移去电场后，液晶分子又恢复到原来的状态，所以液晶具有显示功能。 (2)纳米材料有什么特性？ 提示：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。 [情境素材] 液晶和碳纳米管是常用的功能材料。 [思考探究] (1)你知道显示屏上的图像是用什么方法显示出来的吗？ 提示：液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列有关，施加电压时，液晶分子能够沿电场方向有序排列，而移去电场后，液晶分子又恢复到原来的状态。 (2)纳米材料为什么在光、电、磁、化学反应等方面表现出特异功能？ 提示：组成纳米材料的晶状颗粒的内部有序原子与晶粒界面的无序原子各约占原子总数50%，界面原子比例高，加之粒子的细化，使其表现出特异功能。 [核心突破] 物质的聚集状态有：气态、液态、固态及一些特殊的聚集状态。 物质的聚集状态随构成物质的微粒种类、微粒间相互作用、微粒的聚集程度的不同而有所不同。不同聚集状态的物质具有不同的特性，根据这些特性可以制造出特殊的材料。 具有特殊聚集状态的物质归纳如下表： 组成与结构特征 主要性能 液晶 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一类物质，内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的状态 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，分子间的相互作用很容易受温度、压力和电场的影响 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，纳米颗粒内部具有晶状结构而界面则为无序结构 在光、声、电、磁、热、力、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 超分子 两个或多个分子通过非共价键相结合，包括氢键、静电作用、疏水作用、配位键等结合成的具有特定结构和功能的聚集体 具有分子识别功能、自组装功能等 [典例示范] [典例1]　下列关于物质特殊聚集状态的叙述中，错误的是(　　) A．等离子体的基本构成微粒是带电的离子和电子及不带电的分子或原子 B．非晶体基本构成微粒的排列是长程无序和短程有序 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，两部分的排列都是长程有序 [解析]　D　[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。纳米颗粒内部是长程有序的晶体结构，界面则是无序结构，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。] [学以致用] 1．下列有关液晶的叙述不正确的是(　　) A．液晶既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性 B．液晶最重要的用途是制造液晶显示器 C．液晶不是物质的一种聚集状态 D．液晶分子聚集在一起时，其分子间相互作用很容易受温度、压力和电场的影响 解析：C　[从液晶的结构特征看，液晶具有晶体的某些性质，如各向异性。在电场作用下，液晶分子能够沿电场方向有序排列，这也是制造液晶显示器的依据。液晶是介于液态和固态之间的一种聚集状态，故只有C选项错误。] 2．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＝10－9 m)。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。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，表现活性高 解析：A　[根据纳米粒子微粒大小，判断出其分散质微粒大小刚好处在胶体分散质大小的范围内，所以纳米材料可以形成胶体。] 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．施加电压时，液晶分子沿垂直于电场方向排列 B．移去电场后，液晶分子恢复到原来的状态 C．施加电压时，液晶分子恢复到原来的状态 D．移去电场后，液晶分子沿电场方向排列 解析：B　[液晶的显示原理为施加电压时，液晶分子沿电场方向排列；移去电场后，液晶分子恢复到原来的状态，B正确。] 2．下列关于纳米材料基本构成微粒的叙述中，错误的是(　　) A．三维空间尺寸必须都处于纳米级 B．既不是微观粒子，也不是宏观物质 C．是原子排列成的纳米数量级原子团 D．是长程无序的一种结构状态 解析：A　[纳米材料的基本构成微粒的尺寸至少有一维处于纳米级即可，A错误；纳米材料的基本构成微粒处于纳米数量级，既不是微观粒子，也不是宏观物质，B正确；原子排列成纳米量级的原子团，是组成纳米材料的结构粒子，C正确；纳米材料是短程有序而长程无序的一种结构状态，D正确。] 3．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，下列有关说法中正确的是(　　) 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 解析：B　[有机高分子化合物是由一类相对分子质量很大的分子聚合而成的物质，且无固定的化学式，A错误；MBBA物质由碳、氢、氧、氮四种元素组成，B正确；由MBBA的化学式可知，其分子中碳、氢、氧、氮的原子个数比为18∶21∶1∶1，C错误；MBBA是由C18H21NO分子构成的化合物，D错误。] 4．下列关于纳米技术的叙述不正确的是(　　) A．将“纳米材料”均匀分散到液体分散剂中可制得液溶胶 B．用纳米级金属颗粒粉剂作催化剂可加快反应速率，提高反应物的平衡转化率 C．用纳米颗粒粉剂做成火箭的固体燃料将有更大的推动力 D．银器能抑菌、杀菌，纳米银微粒植入内衣织物中，有奇异的抑菌、杀菌效果 解析：B　[纳米材料的直径在1～100 nm范围内，与胶粒直径范围相同，A正确；催化剂可加快化学反应的速率，但不能使化学平衡发生移动，B不正确；与块状固体相比，纳米颗粒直径小，表面积大，因而化学反应的速率快，所以短时间内可产生更大推动力，C正确；银为重金属，重金属离子可使蛋白质变性，故有杀菌作用，D正确。] 5．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　________　；核外未成对电子数是　　　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C70互为同素异形体，分离混合物的实验操作是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：(1)Mo处于第5周期ⅥB族，核外电子排布与Cr相似，其价电子为4d、5s电子，4d能级上有5个电子、5s能级上有1个电子，据此书写它的基态价电子排布式；核外未成对电子是4d、5s能级上的电子。 (2)该分子中只存在共价键，共价单键为σ键、共价双键中含有σ键和π键。 (3)CO提供孤电子对的是C原子、Mo提供空轨道；p­甲酸丁酯吡啶配体中C原子价电子对个数有4、3，根据价电子对互斥理论判断C原子杂化类型。 (4)F的电负性强于H，对电子的吸引能力强，导致共用电子对偏向F，则O－H键较易断裂。 答案：(1)4d55s1　6　(2)AB　(3)C　sp3、sp2 (4)F的电负性强于H，对电子的吸引能力强，导致共用电子对偏向F，则O—H键较易断裂，所以酸性强于乙酸 (5)将C60与C70的混合物加入一种空腔大小与C60适配的“杯酚”中，然后加入甲苯溶剂，将未装入杯酚的C70溶解，过滤后分离C70；再向不溶物中加入氯仿，氯仿溶解杯酚而将不溶解的C60释放并沉淀出来 [课堂小结] 微项目三　青蒿素分子的结构测定 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——晶体在分子结构测定中的应用 [项目学习目标] 1．了解测定分子结构的一般思路与方法，认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，认识、解释和预测物质性质具有重要价值。 [项目活动探究] [项目活动1]　了解利用晶体测定分子结构的意义 [思考探究] 我国研究人员从1973年初开始测定青蒿素的组成与结构。首先，研究人员利用高分辨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，研究人员经过一系列复杂的氧化还原反应实验，推测青蒿素具有含过氧基团的倍半萜内酯结构。红外光谱实验结果表明，青蒿素分子中确实含有酯基和过氧基团。结合核磁共振谱图提供的关于碳、氢原子的种类和数量的信息，研究人员推断出了青蒿素中甲基、过氧基团、带有酯基的六元环等部分结构片段。然而，单纯依靠这些研究方法还不能精确判断青蒿素分子中所有碳原子和氧原子以何种方式连接形成骨架。1975年，研究人员采用晶体X射线衍射的方法，确定了青蒿素的分子结构。 1．假设一个实验样品尺寸的数量级为10－4 m、原子直径的数量级为10－10 m，请估算这个实验样品中的原子数目。 提示：晶胞一般是立方体，原子为球体，忽略原子间隙，则该样品中的原子数目约为＝×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 测定官能团和化学键 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： [项目活动评价]　对应学生讲义P77 1．我国女科学家屠呦呦发现青蒿素(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，2015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282 D．青蒿素中碳元素的质量分数约为63.8% 解析：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282 g·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。] 2．南京理工大学团队成功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N的立体结构是平面五元环)。下列说法正确的是(　　) A．所有N原子的价电子层均有电子孤对 B．氮氮键的键能：N＞H2N－NH2 C．两种阳离子是等电子体 D．阴阳离子之间只存在离子键 解析：B　[NH中N原子N形成4个σ键，没有电子孤对，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：N＞H2N－NH2，故B正确；H3O＋、NH的原子数不同，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N中N原子、NH中H原子与N中N原子形成氢键，故D错误。] 3．AB型物质形成的晶体多种多样，下列图示的几种结构中最有可能是分子晶体的是(　　) A．①②③④　　　　　 B．②③⑤⑥ C．②③ D．①④⑤⑥ 解析：C　[①、④、⑤、⑥构成的晶体为一维、二维或三维空间结构，且在空间中粒子通过化学键连接，故它们不可能是分子晶体；而②、③都不能再以化学键与其他原子结合，故可能为分子晶体。] 4．正硼酸(H3BO3)是一种片层状结构的白色晶体，层内的H3BO3分子通过氢键相连(如图)。下列有关说法正确的是(　　) A．正硼酸晶体属于共价晶体 B．分子中硼原子最外层为8电子稳定结构 C．H3BO3分子的稳定性与氢键有关 D．1 mol H3BO3晶体中平均含3 mol氢键 解析：D　[根据题意，正硼酸(H3BO3)中存在H3BO3分子，属于分子晶体，故A项错误；硼原子最外层只有3个电子，与氧原子之间形成3对共用电子对，因此分子中B原子最外层有6个电子，不是8电子稳定结构，B项错误；分子的稳定性与分子内的共价键键能大小有关，与氢键无关，C项错误；一个H3BO3分子参与形成了6个氢键，一个氢键为2个H3BO3分子所共用，因此1 mol H3BO3晶体中平均含3 mol氢键，D项正确。] 5．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堆积(如下图)，已知该晶体的密度为9.00 g·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：根据该晶胞示意图，该晶胞为面心立方，配位数为12；设晶胞的边长为a cm，则a3·ρ·NA＝4×64，a＝，面对角线为 a cm，面对角线的为Cu原子半径，r＝×。 答案：12　× 学科网（北京）股份有限公司 $$