从诺贝尔浆到高考新热点-《中学生数理化》高考理化2025年12月刊

衡理业如贸德胸气控骨中学生凝理化 从诺贝尔奖到高考新热点 超分子化学真题解析与拓展训练 ■河南省洛阳市第十一高级中学 赵景坡 ■河南省汝阳县第一高级中学· 侯晨鹞（正高级教师） 2025年10月8日，美国加州大学伯克利 构建。 分校教授奥马尔·亚吉与另外两位研究者京 2.氢键缔合的超分子体系。氢键是一种 都大学北川进和墨尔本大学理查德·罗布森 将氢原子从底物分子向受体分子方向牵引的 共同获得诺贝尔化学奖，以表彰他们在金属 相互作用力，属于分子间非共价键弱相互作 有机框架(MOF)发展方面的贡献。基于分 用中较为显著的一种，具有明确的方向性和 子间结构特异性相互作用(1987年诺贝尔化 饱和性特征。 学奖)的超分子化学和分子机器(2016年诺 3.疏水作用缔合的超分子体系。疏水相 贝尔化学奖)研究了分子间的特定作用和组 互作用表现为一种复杂且较弱的分子间相互 装，这些组装大多基于氢键、范德华力等弱相 缔合作用，它在水溶液中组装体的稳定形成 互作用，类似于生命体内结构的组装。把更 过程中发挥着重要作用。 强的相互作用（例如金属一配体的配位作用 4.芳香重叠相互作用缔合的超分子体 和有机共价作用)引人到体系内需要对化学 系。此体系基于芳香π-重叠作用，即π体系 合成更高层次的精准把控，也需要对已有化 中π-电子云发生重叠而实现缔合。 学理论和概念进行突破。 5.范德华力相互作用缔合的超分子体 1973年，法国科学家J.M.Lehn首次提 系。当底物分子与受体分子相互接近时，会 出了“超分子化学”概念，超分子化学以多种 产生一种较弱且分散的相互缔合作用力，称 分子间非共价键作用为基础，与建立在传统 为范德华力。 共价键理论基础上的化学不同。超分子的形 值得注意的是，在多数超分子体系中，相 成以底物分子和受体分子必须发生识别为前 互作用并非单一存在，而是上述多种作用力 提，在分子识别作用下所形成的超分子寡聚 的综合体现。通过精心设计的分子组件，并 体，其结构、性质与传统的共价化合物不同。 严格控制组装条件，利用非共价相互作用，我 超分子体系在结构上强调各组分之间的非共 们可以实现一维、二维乃至三维有序超分子 价键的弱相互作用，在性能上则注重各组分 组装体的可控构建。针对这些组装体光化学 之间功能性的协同一致。 与光物理性质的研究，为纳米电子学、纳米光 一、超分子的分类 子学以及非线性光学等领域开辟了广阔的应 至今为止，研究人员已深人探索了多种 用前景。 超分子体系，依据底物与受体分子间相互作 二、超分子的两大特征——分子识别和 用的本质差异，这些体系可大致归为以下 分子自组装 几类： 超分子化学着重强调了具有特定结构和 1.配位键连接的超分子体系。此体系通 功能的超分子体系，淡化生物化学、材料化 过底物分子的孤对电子与受体（通常是金属 学、有机化学、无机化学等化学分支间的界 离子)的d(或f)轨道之间形成的配位键来 限，并将其融合为一个有机整体。 3 中学生表理化架州贸德辞7 1.分子识别：是指主体分子（如冠醚、环 弱相互作用力结合，形成复杂而有序的分子 糊精等)通过非共价相互作用（氢键、硫水作 聚集体。这种结构不仅保持了分子的完整 用、静电吸引等)选择性结合特定客体分子的 性，还赋予了超分子独特的微观结构和宏观 能力，其核心特征包括： 特性。根据已发表的研究，超分子的大环主 (1)专一性一主体通过预组织的空腔 体结构包括了多种化合物，如DNA、冠醚、环 或官能团，像“锁钥匹配”般精准识别客体（如 糊精、杯芳烃、杯吡咯、杯咔唑、瓜环葫芦脲和 DNA碱基配对)。 柱芳烃等。 (2)动态可逆性—非共价键的弱相互 四、感悟真题 作用允许快速结合/解离，适应环境变化（如 最近三年高考中有关超分子的试题不断 酶与底物的暂时结合)。 出现，已经成为高考命题的一大热点。 (3)协同效应—多重弱相互作用叠加 例1(2025·甘肃)我国化学家合成 可产生强选择性（如蛋白质与配体的结合依 了一种带有空腔的杯状主体分子（结构式如 赖多种作用力)。 图1)，该分子和客体分子(CH)1NC1可形成 分子识别是超分子组装、生物传感及药 主客体包合物：(CH),N+被固定在空腔内部 物设计的基石，本质是“弱相互作用下的智能 (结构如图2)。下列说法错误的是( )。 选择”。 HOS. 2.超分子自组装是一种非共价键驱动的 HO. 分子组装过程，主要依靠分子间的弱相互作 OH HO C2Hs 用力，如氢键、π-π堆积、阳离子-π相互作用 C2Hs OH 和疏水作用等。这些相互作用力虽弱于共价 CH SOH HO HC-N*-CH3 键，但它们具有高度的可逆性和自我修复能 CH OH 力，能够协同作用，促使分子自发地组装成具 HO OH 有特定结构和功能的超分子聚集体。例如， 在某些体系中，分子通过精确的氢键识别，形 成具有特定形状和尺寸的纳米管或纳米胶 图1 图2 囊，这些超分子结构展现出与单个分子截然 A.主体分子存在分子内氢键 不同的物理和化学性质。超分子自组装过程 B.主客体分子之间存在共价键 具有高度的选择性和可调控性。通过改变分 C.磺酸基中的S一O键能比S=O小 子的结构、引入响应性基团，或者调整外部环 D.(CH),N和(CH)N中N均采用 境因素（如温度、pH、溶剂等），来精确地控制 sp3杂化 自组装的过程和最终形成的结构。这种精确 答案：B 调控能力为制备具有定制功能的超分子材料 点拨：该题以一种带有空腔的杯状主体 提供了可能，使其在众多领域展现出巨大的 分子结构为背景，考查物质结构、键能大小比 应用潜力。 较、杂化类型、超分子的特性一分子（离子） 三、教材分析 识别等。分析试题，可获取如下信息： 超分子科学是当今科技领域的前沿。在 题干信息：该分子和客体分子 《普通高中化学课程标准》2017年版及2019 (CH)NC1可形成主客体包合物。 年各版的化学选择性必修2教材中，均新增 模型信息：(CH),N+被固定在空腔内部 了关于超分子的知识点。教材通过冠醚、 (图2)。 DNA、磷脂双分子层、分子梭和叶绿素等实 该题易错选A,可能会因为部分同学审 例，展示了超分子的奥秘。超分子通常由两 题不清将“主体分子存在分子内氢键”看成 种或更多分子组成，这些分子通过分子间的 “主客体分子间存在氢键”。 衡理业如贸德胸气控骨中学生凝理化 例2(2024·湖北)科学家合成了一 种如图3所示的纳米“分子客车”，能装载多 种稠环芳香烃。 U 丙 图4 A.超分子可以由两种或两种以上的分 子通过分子间相互作用形成 B.图4甲中15-冠-5与Na+间存在离 图3 子键 三种芳烃与“分子客车”的结合常数（值越 C.利用窝穴体（如图4乙）与K+形成的 大越稳定)见表1。下列说法错误的是( )。 超分子加入SrCl,溶液中提取其中的Sr+的 表1 反应属于置换反应 芳烃 芘 并四苯 蒄 D.由两个全苯基大环分子组成的具有 “机械键”(“机械键”是两个或多个分子在空 结构 间上穿插互锁的一种结合形式)的索烃（如图 4丙)，该索烃中的“机械键”属于共价键 结合常数 385 答案：A 3764 176000 点拨：该题将2025年部分省份关于超分 A.芳烃与“分子客车”可通过分子间相 子的高考真题经过加工组合而成，涵盖的新 互作用形成超分子 信息较多，有一定的难度。 B.并四苯直立装载与平躺装载的稳定性 模型信息：①超分子的概念；②冠醚与 基本相同 Na形成的超分子结构；③窝穴体结构；④索 C.从分子大小适配看“分子客车”可装载 烃结构。 2个芘 解读信息：①超分子由多种分子通过分 D.芳烃π电子数越多越有利于和“分子 子间相互作用（如氢键、静电作用、以及金属 客车”的结合 离子与分子间的弱配位键等)形成，A项正 答案：B 确。②15-冠-5是分子，与阳离子Na之间不 点拨：本题考查有关超分子一纳米“分 存在离子键，二者通过非共价键形成超分子， 子客车”的相关知识，素材比较陌生，但难度 B项错误。③窝穴体与K+形成的超分子加 不大。涉及超分子的一大特性—“分子识 入SrCl2溶液中，能提取其中的Sr2+,原因是 别”，考查考生的创新思维，激发考生从事科 窝穴体a的空腔与Sr+更匹配，可通过分子 学研究、探索未知的兴趣。分析试题，可获取 间相互作用形成更稳定的超分子，但不属于 如下信息： 置换反应，C项错误。④“机械键”是索烃分 题干信息：①“分子客车”能装载多种稠 子最核心、最显著的特征，是通过“物理缠结 环芳香烃；②结合常数（值越大越稳定）。 (环套环)”将分子组件连接起来，不涉及传统 模型信息：①“分子客车”的长宽：②“分 的化学键（共价键、离子键、金属键）键合，D 子客车”的组成。 项错误。 该题易错选D,主要原因是不清楚π电 该题易错选D,主要是部分考生解读信 子数和结合常数的关系。 息加工信息的能力不够，没有真正理解“机械 例3下列关于超分子的说法正确的 键”的含义。 是()。 5 中学生表理化智照德辞7 五、拓展训练 性能备受关注。某超分子水凝胶的网络结构 1,(原创)冠醚是分子中含有多个 由以下作用形成：①聚合物链上的氨基与羧 CHCH,O一组合体的环状多醚。冠醚最 基通过氢键连接：②环糊精空腔与偶氮苯分 大的特点是能与正离子，尤其是与碱金属离 子形成主客体包结作用。下列说法错误的是 子络合，并且随着环的大小不同而识别不同 )。 的金属离子并与之络合。常见冠醚的有关信 A,氢键和主客体包结作用均属于超分 息如表2所示。 子相互作用 表2 B.该水凝胶的形成过程未涉及化学键的 断裂与生成 冠醚 12-冠-4 15-冠-5 18-冠-6 21-冠-7 C.升温可能诚弱氢键作用，导致水凝胶 ● 网络结构松散 结构简式 D.主客体包结作用的强度仅取决于分 子的大小匹配程度 冠醚空腔 拓展训练参考答案： 120-150170-220 260320 340-430 直径/pm 1.B提示：r(Li)=152pm和12-冠-4 空腔直径大小相当，所以12冠-4能与Li络 已知：某些碱金属离子的直径：r(Li)= 合，而r(Na)=204pm,r(K)=276pm, 152pm,r(Na)=204pm,r(K+)= 远大于12-冠-4空腔直径，所以不能被12-冠 276pm,r(Rb+)=304pm。 4络合（识别），利用这一性质，可以从 下列说法错误的是( )。 Li/Na混合溶液中提取Li,A项正确。同 A.12-冠-4与Li络合而不与Na、K 系物是指结构相似，分子组成上相差一个或 络合，可用于从Li/Na混合溶液中提取Li 若干个CH原子团的物质，B项错误。冠醚 B.以上4种冠醚的最简式均为C,H,O, (18冠-6)的空穴与K+尺寸适配，从而增大 它们互为同系物 KMnO1在甲苯中的溶解度，使c(KMnO,) C.冠醚(18-冠-6)的空穴与K+尺寸适 增大，加快KMnO,与甲苯的反应速率，C项 配，可增加KMnO,在甲苯中的溶解度，加快 正确。冠醚中氧原子显负电性，与金属阳离 KMnO1与甲苯反应的速率 子之间有静电作用力，所以冠醚与碱金属离 D,冠醚与碱金属离子之间的络合以金 子之间的络合以金属离子与醚氧原子之间的 属离子与冠醚中氧原子之间的静电作用为主 静电作用为主，D项正确。 2.(原创)超分子自组装是指分子通过非 2.C提示：超分子自组装中，分子通过 共价相互作用自发形成有序结构的过程，是 氢键、主客体作用等实现特异性识别，A项正 构建功能材料的重要手段。下列关于超分子 确。由于细胞膜的两侧都是水溶液，水是极 自组装特性的说法错误的是( 。 性分子，而构成膜的两性分子的头基是极性 A.自组装过程依赖分子间的识别能力， 基团而尾基是非极性基团，所以双分子膜以 体现“分子间的精准匹配” 头向外而尾向内的方式排列，这种排列体现 B.细胞和细胞器的双分子膜以头向外而尾 了超分子自组装的特性，B项正确。自组装 向内的方式排列体现了超分子自组装特性 的有序性主要由分子自身的结构和相互作用 C.自组装过程中，分子的排列方式完全 特性决定，外界条件仅起调控作用，并非完全 由外界条件（如温度、pH)决定 决定，C项错误。超分子作用具有可逆性，破 D.若破坏超分子结构，在适宜条件下可 坏后在适宜条件下可重新组装，D项正确。 能重新自组装形成有序结构 3.D提示：超分子相互作用包括氢键、 3.(原创)超分子水凝胶因独特的结构与 主客体作用等分子间作用力，A项正确。该 知识篇，知识结构与扬展中学生数理化 高中理化2025年12月 科学建构知识 提升思维能力 以晶体结构与性质复习为例 ■湖南省长沙县实验中学 黄景华 赖明敏 近几年有关晶体结构与性质的高考试题， 1.晶体的概念、性质及其分类。 一般以最新的科技成果、新材料为素材情境，常 (1)晶体是微观粒子（原子、离子或分子） 以“拼盘”的形式呈现，题目变化较多，知识覆盖 在三维空间周期性重复排列的固体结构。 面广，更注重考查考生“结构快定性质”思想的 (2)晶体有固定的熔点，物理性质各向 树立和空间想象能力。晶体结构的考查点除晶 异性。 胞参数的计算外，也有在三维坐标系中进行空 (3)区分晶体与非晶体最可靠的科学方 间想象能力的考查，将数学思维与化学知识巧 法：对固体进行X射线衍射实验。 妙地融合到一起，拓展了考生的视野，很好地考 (4)晶体的分类如表1所示。 查考生的知识迁移能力和创新思维。 表1 一、建构必备知识 类型 共价 离子 以晶体结构为主线的考查角度大致如下： 分子晶体 金属晶体 比较 晶体 晶体 分子 分子晶体 →晶胞参数、密度 构成微 金属阳离阴、阳 分子间作用力及性质 计 分子 原子 算 →微粒间的距离 粒 子、自由电子离子 阴、阳离子离子晶体 →空间利用率 粒子间 范德华 离子键 及性质 考查 离子 原子 热点 的相互作 力（某些含 共价键 金属键 共价晶体 键 共价键 及性质 晶胞中原子坐标 微粒 用力 氢键) 金属原子 金属晶体 空间 →投影图 有的很高， 金属键 及性质 位置 →空隙问题 熔、沸点 较低 很高 较高 有的很低 AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA 水凝胶通过分子间作用力形成，无共价键的 考对化学与材料交叉知识的考查方向。 断裂与生成，B项正确。氢键属于较弱的分 点睛：超分子化学作为化学学科的前沿 子间作用力，升温易破坏，导致网络松散，C 领域，正逐渐成为高考命题的新方向。这一 项正确。主客体包结作用的强度不仅与大小 学科以分子间非共价键相互作用为核心，研 匹配有关，还与分子极性、电荷分布等有关，D 究自组装、分子识别等关键特性，在材料科 项错误。 学、生物医药等领域展现出巨大应用价值。 【试题亮点】 随着新课标对学科前沿知识的重视，高考命 第1题以冠醚在分子识别方面的信息为 题越来越注重考查考生的科学素养和前沿认 背景设计命题，因为冠醚作为制备超分子的 知能力。超分子化学中的基础概念（如主客 代表物（也是教材重点介绍的内容），在改善 体识别、自组装原理)及其典型应用（如环糊 锂电池的综合性能、“分子（离子）识别”与提 精包合物、DNA双螺旋结构、DNA和RNA 纯、相转移催化剂制造等方面都有重要的用 中的碱基互补配对)，很可能成为未来高考中 途，是高考关于超分子命题的重要方面。 的考查热点。建议同学们：①理解超分子作 第2题聚焦超分子自组装的核心特性 用力的本质（氢键、疏水作用等非共价相互作 (识别性、稳定性、可逆性等)，考查对基本概 用)；②掌握经典案例（如冠醚识别金属离子、 念的理解，符合高考对化学与前沿材料结合 分子自组装等)；③联系实际应用（药物递送 的考查思路。 智能材料)。在把握基础的同时关注学科前 第3题考查超分子作用的类型、特点及 沿，既能应对高考新题型，又能为未来科研学 影响因素，融合水凝胶的结构与性能，符合高 习奠定基础。 (责任编辑谢启刚)