3.3 液晶、纳米材料与超分子（教学课件）化学鲁科版选择性必修2

本高中化学课件聚焦液晶、纳米材料与超分子的概念及结构与性质关系，通过问题驱动导入，联系固液气聚集状态特点，引导学生思考微粒聚集新方式，搭建新旧知识衔接的学习支架。 其亮点在于融合科学史（如液晶发现历程）、生活实例（液晶显示器、纳米陶瓷）及科学探究，以结构决定性质的化学观念为核心，通过证据推理培养科学思维，助力学生理解物质用途，教师可借此提升教学效果。

第三章 不同聚集状态的物质与性质 第三节　 液晶、纳米材料与超分子 课时1 液晶、纳米材料与超分子 鲁科版选择性必修2 液晶 1 知识导航 纳米材料 2 超分子 3 知识导航 重点：液晶、纳米材料和超分子的概念及结构与性质的关系。 难点：液晶、纳米材料和超分子的概念及结构与性质的关系。 1.知道液晶、纳米材料和超分子的概念及结构与性质的关系，探析物质结构对性质的影响。 明·教学目标 教学模型：问题驱动→概念建构→应用迁移 2.了解上述聚集状态物质的实际用途和作用。 思考：物质的聚集状态只有固态、液态、气态三种吗？构成物质的微粒是否还会以其他的方式聚集? 引·新课导入 液晶态 问题驱动 情景导入 01 液晶 探·知识奥秘 固态、液态、气态是三种最常见的物质聚集状态。对于固态物质来说，不管是晶体还是非晶体，物质中原子或分子的间距都很近，它们只能在一定的位置上做不同程度的振动。液态物质的分子间距离比固态中的大，分子间作用力相对较小，分子运动的自由度有所增加，表现出明显的流动性。至于气态物质，分子间距离明显变大，分子运动速度明显加快，体系处于高度无序状态。 一、液晶 气态 固态 液态 探·知识奥秘 除了固态（包含晶体和非晶体）、液态、气态外，你或许还听说过液晶、纳米材料、超分子等名词。从它们的名称中，你能想象出微粒在这些物质中的聚集方式有什么特点吗？ 一、液晶 探·知识奥秘 1.液晶的发现 液晶的发现最早可追溯到奥地利植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer）在1888 年的工作。他在研究胆甾醇苯甲酸酯的性质时观察到一个奇妙的现象：该物质在 145.5 ℃时呈现不透明的浑浊状态，继续加热到178.5℃时才变成透明清亮的液体；将这种液体慢慢冷却，先呈现蓝紫色，不久这种蓝紫色便自行消失，再呈现浑浊状，又出现蓝紫色，最后固化为白色晶体。 一、液晶 探·知识奥秘 1.液晶的发现 1889 年，德国物理学家莱曼（O.Lehmann）使用他自己设计的偏光显微镜对胆甾醇的酯类化合物进行了研究，发现这类浑浊状态的物质外观上虽然呈液态，但在不同方向上对光的折射率不同，即显示出各向异性的晶体所特有的双折射性。于是，莱曼将其命名为“液态晶体”，这就是“液晶”名称的由来。 一、液晶 探·知识奥秘 一、液晶 2.液晶 这类物质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。于是，人们形象地称这类物质为液态晶体，简称液晶。 探·知识奥秘 3.液晶结构特点 ①液晶的宏观性质像晶体一样表现出各向异性。 ②微观结构层面，液晶分子的空间排列会表现出一定的规律性。研究发现，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。 一、液晶 探·知识奥秘 4.液晶性质及用途 ①将液晶分子聚集在一起时，其分子间作用力很容易受温度、压力和电场影响。 ②液晶材料在没有外加电场时，液晶分子呈逐层扭转的螺旋形排列；在施加电压时，分子变成沿电场方向排列；而在移去电场之后，又恢复到原来的状态。 一、液晶 ③液晶具有显示功能。故液晶可以制造电子手表、计算器、数字仪表、计算机显示器、电视显示屏等器材。 析·典型范例 【例1】下列有关液晶的叙述不正确的是 （　　） A.具有液体的流动性和晶体的各向异性 B.可用来制造液晶显示器 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 一、液晶 02 纳米材料 探·知识奥秘 二、纳米材料 纳米材料具有某些与传统材料明显不同的特征，如纳米陶瓷可以具有像金属一样的柔韧性，碳纳米管的强度远超过钢，纳米金居然可以溶于水……为什么纳米材料具有如此神奇 的功能？ 纳米陶瓷隔热膜 碳纳米管 纳米金溶液 探·知识奥秘 二、纳米材料 1.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。 ①通常，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。 ②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。 纳米陶瓷不仅保留了陶瓷硬度高、强度高的特点，其韧性和可加工性也显著增强，甚至具有金属一样的柔韧性。 探·知识奥秘 2.形态各异的纳米材料 ⑴碳纳米材料 富勒烯（C60 等球碳）、石墨烯（单层石墨片）和碳纳米管是纳米材料中的“明星”，因其独特性能而具有广阔的应用前景。 二、纳米材料 探·知识奥秘 二、纳米材料 2.形态各异的纳米材料 ⑴碳纳米材料 碳纳米管是一种管状结构， 它是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” 根据条件的 不同可以形成单壁碳纳米管或者多壁碳纳米管 碳纳米管不仅纤维长， 而且具有强度高、韧性高的特点，其强度比同体积钢的强度高 100 倍，质量却只有钢的 1/7 到 1/6，因而被称为“超级纤维”；此外，它还具有特殊的电学、热学、光学、储氢 等性能。 探·知识奥秘 二、纳米材料 2.形态各异的纳米材料 ⑵纳米金属材料 将纳米金分散在水或其他溶剂中可以得到胶体金。为了防止胶体金中的纳米颗粒聚集，通常会添加某些黏附在纳米颗粒表面的稳定剂。 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。 纳米金还可以与蛋白质结合，作为快速的免疫检测方法； 此外，纳米金在肿瘤检测、靶向药物输送、基因治疗等方 面也都具有重要应用价值。 探·知识奥秘 二、纳米材料 2.形态各异的纳米材料 ⑶磁性液体 磁流体又称磁性液体，是磁性纳米粒子（如 Fe3O4、 Fe2O3 等）的超稳定悬浮液，它可以像液体一样流动，在 外加磁场作用时又会表现出磁性（图 3-3-6）。 磁流体可用于磁性流体密封、声光仪器设备、磁性靶向药物等领域。 探·知识奥秘 3.超原子 2005 年，卡斯尔曼（A．Castleman）团队发现某些特定大小的 Al 金属簇具有特殊的稳定性。 具有与某种原子相似性质的金属簇，被称为该原子的超原子。 二、纳米材料 例如，Al13 簇具有与氯原子相似的电负性，Al13 - 簇在氧气氛围中呈现类似于稀有气体的化学惰性，Al14 簇具有与碱土金属相似的性质。这种金属原子簇与原子性质间的对应关系，也称为第三维周期律。 如 Al13称为卤素超原子或超卤素 探·知识奥秘 3.超原子 二、纳米材料 K3O 称为碱金属超原子或超碱金属 如（Al13K3O）6，由 Al13和 K3O 形成的一个超原子分子 Al13簇 K3O 析·典型范例 【例1】下列关于纳米材料的叙述错误的是 （　　） 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.将纳米颗粒粉剂制成火箭的固体燃料将有更大的推动力 D.银器能抑菌、杀菌，将纳米银微粒植入内衣织物中，有奇异的抑菌、杀菌效果 二、纳米材料 B 03 超分子 探·知识奥秘 三、超分子 微粒间相互作用都包括哪些类型？它们之间有什么相似之处和不同之处？这些不同的作用力对物质的性质又有怎样的影响？你能想象出分子间通过非共价键作用聚集在一起而表现出的特殊性质吗？ 探·知识奥秘 1.超分子 三、超分子 ①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超分子内部分子之间通过非共价键相结合，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。 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。 探·知识奥秘 2.冠醚 ①冠醚是皇冠状的分子，有不同大小的空穴，能与正离子，尤其是碱金属离子络合，并随环的大小不同而与不同的金属离子络合，利用此性质可以识别碱金属离子。 ②由于冠醚能与阳离子（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，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。 三、超分子 探·知识奥秘 三、超分子 2.冠醚 KMnO4 水溶液对烯烃的氧化效果较差，在烯烃中溶入冠醚时，冠醚通过与 K+ 结合而将 MnO4 - 也携带进入烯烃；冠醚不与 MnO4 - 结合，使游离或裸露的 MnO4 - 反应活性很高，从而使氧化反应能够迅速发生。 探·知识奥秘 2.冠醚 ③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。 三、超分子 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。 探·知识奥秘 尽管超分子不是生命组织，但它在纯粹化学和生命秩序之间形成了过渡，架起了认识生命现象、进行超分子仿生、合成超分子药物的桥梁。超分子化学在生命科学领域有着广泛的应用，超分子体系在生命体中扮演着举足轻重的角色。 三、超分子 3.生命体中的超分子体系 以植物的光合作用为例，这是人们千百年来持续探寻的谜题，相关的研究表明其作用机理与复杂的超分子体系密切相关。目前，科学家已从叶绿体中分离出两个光系统——光系统 I 和光系统Ⅱ，光合作用的光化学反应就在这两个光系统中进行。 探·知识奥秘 3.生命体中的超分子体系 三、超分子 光系统 I 的结构，它是镶嵌在细胞膜上的蛋白质，蛋白质结构内部包裹了若干叶绿素分子。处在上部的叶绿素分子可以收集、捕获光子，称为天线叶绿素。 有“手掌”相对的两个叶绿素分子，它们是光化学反应的活性中心 这两个叶绿素分子中吡咯环的部分相互 重叠。吡咯环是具有芳香性的五元环，二者之间的距离很近，从而可以形成 π-π 堆积作用。 探·知识奥秘 3.生命体中的超分子体系 这种作用能量比较高，非常不稳定，天线叶绿素将吸收的光子传递到活性部位，激发出一个大 π 键中的一个电子，导致辅酶得到电子发生还原反应，引发光合作用。由此可见，单一的叶绿素不能发生光合作用，发生光合作用要经历一场“团队的战斗”。在这场“战斗”中，正是分子之间的相互作用才使得分子的性质得到充分体现。 三、超分子 析·典型范例 【例1】冠醚能与阳离子作用，12⁃冠⁃4与Li+作用而不与K+作用；18⁃冠⁃6与K+作用，但不与Li+或Na+作用。下列说法错误的是 （　　） A.冠醚与阳离子作用跟环的大小有关 B.超分子中O原子与K+间存在离子键 C.12⁃冠⁃4中C和O的杂化方式相同 D.18⁃冠⁃6可将KCN带入溴乙烷中 B 三、超分子 理·核心要点 液晶、纳米材料与超分子 液晶 纳米材料 超分子 液晶的发现 液晶 纳米材料 形态各异的纳米材料 超原子 超分子 冠醚 液晶结构特点 生命体中的超分子体系 液晶性质及用途 练·技能实战 1.碳纳米管可以看作是石墨烯片层卷曲而成。 这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小、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 练·技能实战 2．下列不能看作超分子的是(　　) A．两个DNA分子链通过氢键结合在一起 B．细胞膜中的磷脂分子的双层膜结构 C．冠醚与金属离子的聚集体 D．所有以氢键结合在一起的分子 D 练·技能实战 3.下列关于聚集状态的叙述错误的是 （　　） 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.固态中的原子或分子结合的较紧凑，相对运动较弱 D.液态物质微粒间的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 练·技能实战 4.利用超分子可分离C60和C70。将C60、C70混合物加入一种空腔大小适配C60的“杯酚”中进行分离的流程如图所示。下列说法错误的是 (　　) A.第一电离能：C＜O B.“杯酚”分子中存在大π键 C.“杯酚”分子与C60分子间形成氢键 D.C60与金刚石晶体类型不同 C 练·技能实战 5.美国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熔点比金刚石熔点高 B 感谢 您的聆听 THANKS 人教版2019必修第一册 https://www.zxxk.com/user/13354804 $