第3章 第3节 液晶、纳米材料与超分子（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二化学选择性必修2教师用书（鲁科版 鲁琼）

液晶、纳米材料与超分子 第3节 第3章　 <<< 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。 2 内容索引 一、液晶 二、纳米材料 课时对点练 三、超分子 3 液晶 > < 一 1.概念 在一定的温度范围内既具有液体的 性，又具有类似晶体的____ _____的物质。 2.结构 液晶内部分子的排列沿 方向呈现出有序的排列。 3.性质 在 、 、 等宏观性质方面表现出类似晶体的____ _____。 一、液晶 可流动 各向 异性 分子长轴 折射率 磁化率 电导率 各向 异性 4.用途 制造 。液晶的显示功能与液晶材料 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 ；而在移去电场之后，液晶分子 。 液晶显示器 内部分子的排列 电场方向排列 又恢复到原来的状态 1.液晶主要由哪些化学物质组成？ 深度思考 提示　液晶由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。 1.正误判断 (1)液晶内部分子沿长轴方向有序排列，使液晶具有各向异性 (2)液晶是一种特殊的物质聚集状态 (3)液晶就是液体和晶体的混合物，是一种液态晶体 √ √ × 应用体验 2.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 √ 在一定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，这类物质称为液晶，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正确； 液晶是物质的一种聚集状态，C错误。 返回 > < 二 纳米材料 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 结构，原子排列有序，而界面则为 结构。 晶状 无序 3.性质及应用 (1)纳米材料具有既不同于 又不同于 的独特性质。 (2)纳米材料在 、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 、强度 ，其 也显著增强，甚至具有金属一样的柔韧性。 微观粒子 宏观物体 光学、声学、电学 高 高 韧性和可加工性 4.纳米材料“明星” 富勒烯、石墨烯和碳纳米管。其中， 因其纤维长、强度高、韧性高等特点被称为“超级纤维”。 碳纳米管 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 ，多数金属纳米颗粒在特定尺寸时会呈现 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 ，是磁性纳米粒子的超稳定悬浮液。 绝缘体 黑 磁性液体 什么是纳米材料？纳米材料一定是直径在1~100 nm的颗粒吗？ 深度思考 提示　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。 1.正误判断 (1)纳米是一种属于长度为10-9 m的物质 (2)纳米材料不属于晶体，也不属于胶体 (3)纳米材料具有丁达尔效应 × √ × 应用体验 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= 10-9m)。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。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 √ 3.(1)(CH3)3NH+和［AlCl4］-可形成离子液体。离子液体由阴、阳离子组成，熔点低于100 ℃，其挥发性一般比有机溶剂　　(填“大”或“小”)，可用作　　(填字母)。 a.助燃剂 b.“绿色”溶剂 c.复合材料 d.绝热材料 小 b 由(CH3)3NH+和［AlCl4］-形成的离子液体，阴、阳离子间的作用力大于有机溶剂分子间的范德华力，因此其挥发性一般比有机溶剂小。该离子液体中不含氧，则其不助燃；液体一般不能用作复合材料；由阴、阳离子形成的离子液体，具有导热性，不可能用作绝热材料。 (2)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。下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　　　 　　 　　。 碳纳米管直径越大，结冰温度越低 由题图可知，随着碳纳米管直径的增大，结冰温度依次为27 ℃、7 ℃、-53 ℃、-83 ℃，即碳纳米管直径越大，结冰温度越低。 返回 > < 三 超分子 三、超分子 1.定义 若 分子相互“组合”在一起形成具有 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。 两个或多个 特定结构和功能 2.结合方式 超分子内部分子之间通过 相结合，包括 、 、 以及 等。 例如，DNA中两条分子链之间通过 的作用而组合在一起，细胞膜中的磷脂分子通过 形成 结构。 非共价键 氢键 静电作用 疏水作用 一些分子与金属离子形成的弱配位键 氢键 疏水端相互作用 双层膜 3.应用实例 (1)冠醚催化有机反应：冠醚能与 (尤其是碱金属阳离子)作用，并且随环的大小不同而与 的金属离子作用，将阳离子以及对应的 都带入有机溶剂，从而催化反应。如KMnO4水溶液对烯烃的氧化效果较差，在烯烃中溶入特定的冠醚后，冠醚能与 结合而将 也携带进入烯烃；冠醚不与Mn结合，使游离或裸露的Mn反应活性很高，从而使氧化反应迅速发生。 阳离子 不同 阴离子 K+ Mn (2)通过加入酸和碱，实现分子梭在两个不同状态之间的切换，从而完成分子组装。还可以实现分子识别。 (3)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，如功能材料等。 1.(2023·安徽淮南高二月考)下列关于超分子的说法不正确的是 A.超分子是有机聚合物 B.超分子能表现出不同于组成超分子的单个分子的性质 C.超分子具有特定结构和功能 D.DNA是一种超分子 √ 应用体验 2.(2024·青岛月考)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的杂化方式不相同 D.18⁃冠⁃6可将KCN带入溴乙烷中 √ √ 由题意得，冠醚不同大小的空穴适 配不同大小的碱金属离子，A正确； 由图可知18⁃冠⁃6中O原子与相邻的 2个C形成极性共价键，O带部分负 电荷，与钾离子之间存在静电作用，但是冠醚分子、O原子均不是离子，故O原子与 K+ 间不存在离子键，B错误； 12⁃冠⁃4中C均为饱和碳原子，C、O 的价电子对数均为4，故C和O的杂化 轨道类型相同，均为sp3杂化，C错误； 利用该原理可以用冠醚将 KCN 带入有机物中，D正确。 3.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)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 AB 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。 (2)该超分子中配体CO提供孤电子对的原子是 　　(填元素符号)。 (3)配体p⁃甲酸丁酯吡啶中C原子的杂化方式有 　　　　。 C sp3、sp2 返回 课时对点练 题组一　物质的聚集状态 1.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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 物质的聚集状态除了气、液、固三态外，还有其他聚集状态，如液晶、纳米材料等，A错误； 物质处于气态时，分子间距离大，分子运动速度快，体系处于高度无序状态，B正确； 对于固态物质，原子或分子相距很近，分子难以平动和转动，但能够在一定位置上做不同程度的振动，C正确； 对液态物质而言，分子相距比较近，分子间作用力也较强，分子的转动明显活跃，平动也有所增加，使之表现出明显的流动性，D正确。 对点训练 题组二　液晶 2.下列关于液晶的说法正确的是 A.液晶分子在长轴的平行方向和垂直方向具有相同的性质 B.液晶是一种晶体 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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 3.(2024·南京质检)目前最热门的机器人材料液晶弹性体是一种最具代表性的智能材料，在外界刺激下，其相态或分子结构会产生变化，进而改变液晶基元的排列顺序，从而导致材料本身发生宏观形变，当撤去外界刺激后，液晶弹性体可以恢复到原来的形状。下列说法错误的是 A.该液晶同时具有各向异性和弹性 B.这种液晶弹性体机器人可以采用热、光、电、磁等进行驱动 C.该液晶弹性体具有形状记忆功能 D.液晶是介于液态和晶态之间的物质状态，而固体SiO2一定是晶体 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 液晶具有各向异性，根据题意其具有弹性，故A正确； 液晶的各向异性即在热、电、光、磁等改变的情况下发生形变从而驱动，故B正确； 液晶弹性体可以恢复到原来的形状即形状记忆功能，故C正确； 液晶是介于液态和晶态之间的物质状态，固体SiO2有晶体和非晶体之分，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 题组三　纳米材料 4.下列关于纳米材料基本构成微粒的叙述错误的是 A.是长程无序的一种结构状态 B.纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分，两部分的排列都是有 序的 C.既不是微观粒子，也不是宏观物质 D.碳纳米材料中的石墨烯、富勒烯(C60)互为同素异形体 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 纳米材料是短程有序而长程无序的一种结构状态，A正确； 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，故B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，C正确； 石墨烯、富勒烯(C60)互为同素异形体，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 5.我国科学家成功合成了3 nm长的管状定向碳纳米管，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.碳纤维复合材料为高分子化合物 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 由于碳纤维的强度高、刚度高、密度小，它可以是制造飞机的理想材料；碳纤维复合材料的主要组成元素是碳，性质稳定，抗腐蚀能力强。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 6.纳米材料具有一些与传统材料不同的特征，下列关于纳米材料的叙述错误的是 A.三维空间尺寸必须都处于纳米尺度 B.具有既不同于微观粒子也不同于宏观物体的独特性质 C.是原子排列成的纳米数量级原子团 D.具有与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 纳米颗粒的三维空间尺寸只要有一维处于纳米尺度即可，故A错误；由于纳米粒子存在巨大的比表面积，由纳米粒子构成的材料，往往产生既不同于微观原子、分子，也不同于宏观物质的特性，故B正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 7.关于纳米材料，下列说法正确的是 ①纳米是长度单位 ②将材料制成纳米尺度可提高材料的磁性 ③将材料制成纳米尺度可大大提高材料的强度和硬度 ④纳米机器人“医生”能进入人体杀死癌细胞 ⑤纳米材料能制作高贮存密度的量子磁盘 A.②③④ B.①②③④ C.②③④⑤ D.①②③④⑤ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 题组四　超分子 8.超分子内部分子间相互结合的作用一定不是 A.共价键 B.氢键 C.弱配位键 D.静电作用 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 √ 超分子内部分子间通过非共价键相结合，包括氢键、静电作用、疏水作用、弱配位键等，A项符合题意。 对点训练 9.(2023·湖北鄂州月考)冠醚是皇冠状的分子，可有不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子。18⁃冠⁃6与钾离子形成的超分子结构如图所示。下列说法正确的是 A.含该超分子的物质属于分子晶体 B.冠醚可用于分离不同的碱金属离子 C.中心碱金属离子的配位数是不变的 D.冠醚与碱金属离子之间形成离子键 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 冠醚与碱金属离子形成的配合物中还含有阴离子，该 物质是离子晶体，A错误； 由题意得，冠醚是皇冠状的分子，可有不同大小的空 穴适配不同大小的碱金属离子，故可用于分离不同的 碱金属离子，B正确； 不同的碱金属离子直径大小不同，配位数随着空穴大小不同而改变，形成的超分子中心碱金属离子配位数也不同，C错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 10.“杯酚”能与C60形成超分子、但不能与C70形成超分子，利用此性质的差异，实验室可用来分离 C60、C70。已知C60、C70与 “杯酚”的结构如右： 下列叙述正确的是 A.C60、C70都是一种新型的化合物 B.C60、C70与“杯酚”均属于共价晶体 C.C60中虽然没有离子键，但固体为离子晶体 D.“杯酚”分子中既存在σ键又存在π键 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 C60、C70都是由一种元素 组成的单质，故A错误； C60、C70与“杯酚”均属 于分子晶体，B项错误； C60中碳原子间形成的是 共价键，但固体为分子晶体，故C错误； “杯酚”分子结构中含有苯环，故存在σ键和π键，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 11.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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 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项错误。 综合强化 12.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熔点比金刚石熔点低 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 √ 综合强化 “纳米车”是肉眼不能看见的，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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 13.下列说法不正确的是 A.液晶具有类似晶体的各向异性和液体的可流动性 B.蛋白质的变性和纳米银离子的聚集都是化学变化 C.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 都与分子间的氢键有关 D.冠醚和金属离子的聚集体可以看成是一类超分子 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 √ 蛋白质的变性属于化学变化，纳米银离子的聚集属于物理变化，故B不正确。 综合强化 14.科学家利用四种原子序数依次递增的短周期元素W、X、Y、Z“组合”成一种具有高效催化性能的超分子，其分子结构示意图如图所示(注：实线代表共价键，其他重复单元的W、X未标注)。W、X、Z分别位于不同周期，Z的原子半径在同周期元素中最大。下列说法不正确的是 A.Y的单质的氧化性在同主族中最强 B.简单离子半径：Z>Y C.Z与Y可形成多种离子化合物 D.简单氢化物的热稳定性：X>Y 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 √ √ 综合强化 根据题图可知，W形成1个共价键，且是四种短周期元 素W、X、Y、Z中原子序数最小的元素，说明W原子核 外只有1个电子，又W、X、Z分别位于不同周期，则W 是H元素；X形成4个共价键，则X是C元素；Z的原子半 径在同周期元素中最大，则Z是Na元素；Y形成2个共价键，其原子序数比C元素的大，比Na元素的小，则Y是O元素。同主族自上而下，元素非金属性逐渐减弱，单质的氧化性逐渐减弱，故O2的氧化性在同主族中最强，A项正确； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 电子层结构相同的不同离子，核电荷数越大，离子半 径越小，故简单离子半径：Na+<O2-，B项错误； O、Na两种元素可形成Na2O、Na2O2等离子化合物，C 项正确； 元素的非金属性越强，其形成的简单氢化物的热稳定性就越强，元素的非金属性：C<O，所以形成的简单氢化物的热稳定性：CH4<H2O，D项错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 15.(2023·郑州期中)西北工业大学曾华强课题组借用足球烯核心，成功实现了高效且选择性可精准定制的离子跨膜运输，如图甲所示。 已知：图甲中的有机物为“冠醚”， 命名规则是“环上原子个数⁃冠⁃氧 原子个数”。 请回答下列问题： (1)基态Cs原子的价电子排布式为 　　。基态K原子的核外电子云有　个伸展方向。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 6s1 4 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Cs为第6周期ⅠA族元素，故基态Cs原子的价电子排布式为6s1；K原子ns能级有一个伸展方向，np能级有3个伸展方向，故基态K原子的核外电子云有4个伸展方向。 综合强化 (2)运输Cs+的冠醚名称是　　 。 冠醚分子中氧原子的杂化类型是 　　　　，冠醚与碱金属离子之 间存在微弱的配位键，配位原子 是　　(填元素符号)。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 21⁃冠⁃7 sp3 杂化 O 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 运输Cs+的冠醚的分子中有21个原子，7个氧原子，故名称为21⁃冠⁃7；冠醚分子中氧原子有2个σ键，孤电子对数为2，价电子对数为4，故轨道的杂化类型是sp3杂化；氧原子有孤电子对，故氧原子形成配位键。 综合强化 (3)几种冠醚与识别的 碱金属离子的有关数 据如右表所示： 18⁃冠⁃6不能识别和运 输Na+和Cs+的原因是 __________________ _______。 冠醚 冠醚空腔直径/pm 适合的粒子(直径/pm) 12⁃冠⁃4 120~150 Li+(152) 15⁃冠⁃5 170~220 Na+(204) 18⁃冠⁃6 260~320 K+(276) —— 340~430 Rb+(304) Cs+(334) Na+直径太小，Cs+直径太大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 观察图甲，冠醚不能识别和运输 X-的主要原因可能是__________ ____________________________ ___________。 氧的电负性 较大，X-带负电荷，冠醚与阴离子作用力弱 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 (4)足球烯的结构如图乙所示。1 mol足球烯含　　mol σ键。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 90 1个C60分子有60个碳原子，每个碳原子与周围3个碳原子成键，每个碳 原子成键数量为×3=1.5，则1 mol足球烯成键数量为1 mol×60×1.5= 90 mol。 综合强化 (5)锂晶体结构及晶胞如图丙所示。锂晶胞中底边长为a pm，高为b pm，设NA为阿伏加德罗常数的值，则锂晶体的密度为 　　 　　g· cm-3(用含字母的式子表示)。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ×1030 图丙锂晶胞中含有原子数为1+4×+4×=2，晶胞的体积为V=a2b× 10-30 cm3，则锂晶体的密度为ρ= g·cm-3=×1030 g· cm-3。 返回 综合强化 $ 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 液晶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.液晶主要由哪些化学物质组成？ 提示　液晶由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。 1.正误判断 （1）液晶内部分子沿长轴方向有序排列，使液晶具有各向异性 （　　） （2）液晶是一种特殊的物质聚集状态 （　　） （3）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）× 2.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 答案　C 解析　在一定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，这类物质称为液晶，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正确；液晶是物质的一种聚集状态，C错误。 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.性质及应用 （1）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）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，甚至具有金属一样的柔韧性。 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。 什么是纳米材料？纳米材料一定是直径在1~100 nm的颗粒吗？ 提示　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。 1.正误判断 （1）纳米是一种属于长度为10-9 m的物质 （　　） （2）纳米材料不属于晶体，也不属于胶体 （　　） （3）纳米材料具有丁达尔效应 （　　） 答案　（1）×　（2）√　（3）× 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=10-9m）。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。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 答案　A 3.（1）（CH3）3NH+和［AlCl4］-可形成离子液体。离子液体由阴、阳离子组成，熔点低于100 ℃，其挥发性一般比有机溶剂　　　　（填“大”或“小”），可用作　　　　（填字母）。  a.助燃剂 b.“绿色”溶剂 c.复合材料 d.绝热材料 （2）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。下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　　　 　　　　。  答案　（1）小　b （2）碳纳米管直径越大，结冰温度越低 解析　（1）由（CH3）3NH+和［AlCl4］-形成的离子液体，阴、阳离子间的作用力大于有机溶剂分子间的范德华力，因此其挥发性一般比有机溶剂小。该离子液体中不含氧，则其不助燃；液体一般不能用作复合材料；由阴、阳离子形成的离子液体，具有导热性，不可能用作绝热材料。（2）由题图可知，随着碳纳米管直径的增大，结冰温度依次为27 ℃、7 ℃、-53 ℃、-83 ℃，即碳纳米管直径越大，结冰温度越低。 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.结合方式 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。 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。 3.应用实例 （1）冠醚催化有机反应：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，从而催化反应。如KMnO4水溶液对烯烃的氧化效果较差，在烯烃中溶入特定的冠醚后，冠醚能与K+结合而将Mn也携带进入烯烃；冠醚不与Mn结合，使游离或裸露的Mn反应活性很高，从而使氧化反应迅速发生。 （2）通过加入酸和碱，实现分子梭在两个不同状态之间的切换，从而完成分子组装。还可以实现分子识别。 （3）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，如功能材料等。 1.（2023·安徽淮南高二月考）下列关于超分子的说法不正确的是 （　　） A.超分子是有机聚合物 B.超分子能表现出不同于组成超分子的单个分子的性质 C.超分子具有特定结构和功能 D.DNA是一种超分子 答案　A 2.（2024·青岛月考）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的杂化方式不相同 D.18⁃冠⁃6可将KCN带入溴乙烷中 答案　BC 解析　由题意得，冠醚不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子，A正确；由图可知18⁃冠⁃6中O原子与相邻的2个C形成极性共价键，O带部分负电荷，与钾离子之间存在静电作用，但是冠醚分子、O原子均不是离子，故O原子与 K+ 间不存在离子键，B错误；12⁃冠⁃4中C均为饱和碳原子，C、O的价电子对数均为4，故C和O的杂化轨道类型相同，均为sp3杂化，C错误；利用该原理可以用冠醚将 KCN 带入有机物中，D正确。 3.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）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 （2）该超分子中配体CO提供孤电子对的原子是　　　　（填元素符号）。  （3）配体p⁃甲酸丁酯吡啶中C原子的杂化方式有　　　　　　　　　　　。  答案　（1）AB　（2）C　（3）sp3、sp2 解析　（1）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。 课时对点练　［分值：100分］ （选择题1~10题，每小题5分，11~14题，每小题8分，共82分） 题组一　物质的聚集状态 1.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 答案　A 解析　物质的聚集状态除了气、液、固三态外，还有其他聚集状态，如液晶、纳米材料等，A错误；物质处于气态时，分子间距离大，分子运动速度快，体系处于高度无序状态，B正确；对于固态物质，原子或分子相距很近，分子难以平动和转动，但能够在一定位置上做不同程度的振动，C正确；对液态物质而言，分子相距比较近，分子间作用力也较强，分子的转动明显活跃，平动也有所增加，使之表现出明显的流动性，D正确。 题组二　液晶 2.下列关于液晶的说法正确的是 （　　） A.液晶分子在长轴的平行方向和垂直方向具有相同的性质 B.液晶是一种晶体 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 答案　C 3.（2024·南京质检）目前最热门的机器人材料液晶弹性体是一种最具代表性的智能材料，在外界刺激下，其相态或分子结构会产生变化，进而改变液晶基元的排列顺序，从而导致材料本身发生宏观形变，当撤去外界刺激后，液晶弹性体可以恢复到原来的形状。下列说法错误的是 （　　） A.该液晶同时具有各向异性和弹性 B.这种液晶弹性体机器人可以采用热、光、电、磁等进行驱动 C.该液晶弹性体具有形状记忆功能 D.液晶是介于液态和晶态之间的物质状态，而固体SiO2一定是晶体 答案　D 解析　液晶具有各向异性，根据题意其具有弹性，故A正确；液晶的各向异性即在热、电、光、磁等改变的情况下发生形变从而驱动，故B正确；液晶弹性体可以恢复到原来的形状即形状记忆功能，故C正确；液晶是介于液态和晶态之间的物质状态，固体SiO2有晶体和非晶体之分，故D错误。 题组三　纳米材料 4.下列关于纳米材料基本构成微粒的叙述错误的是 （　　） A.是长程无序的一种结构状态 B.纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分，两部分的排列都是有序的 C.既不是微观粒子，也不是宏观物质 D.碳纳米材料中的石墨烯、富勒烯（C60）互为同素异形体 答案　B 解析　纳米材料是短程有序而长程无序的一种结构状态，A正确；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，故B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，C正确；石墨烯、富勒烯（C60）互为同素异形体，D正确。 5.我国科学家成功合成了3 nm长的管状定向碳纳米管，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.碳纤维复合材料为高分子化合物 答案　D 解析　由于碳纤维的强度高、刚度高、密度小，它可以是制造飞机的理想材料；碳纤维复合材料的主要组成元素是碳，性质稳定，抗腐蚀能力强。 6.纳米材料具有一些与传统材料不同的特征，下列关于纳米材料的叙述错误的是 （　　） A.三维空间尺寸必须都处于纳米尺度 B.具有既不同于微观粒子也不同于宏观物体的独特性质 C.是原子排列成的纳米数量级原子团 D.具有与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态 答案　A 解析　纳米颗粒的三维空间尺寸只要有一维处于纳米尺度即可，故A错误；由于纳米粒子存在巨大的比表面积，由纳米粒子构成的材料，往往产生既不同于微观原子、分子，也不同于宏观物质的特性，故B正确。 7.关于纳米材料，下列说法正确的是 （　　） ①纳米是长度单位 ②将材料制成纳米尺度可提高材料的磁性 ③将材料制成纳米尺度可大大提高材料的强度和硬度 ④纳米机器人“医生”能进入人体杀死癌细胞 ⑤纳米材料能制作高贮存密度的量子磁盘 A.②③④ B.①②③④ C.②③④⑤ D.①②③④⑤ 答案　D 题组四　超分子 8.超分子内部分子间相互结合的作用一定不是 （　　） A.共价键 B.氢键 C.弱配位键 D.静电作用 答案　A 解析　超分子内部分子间通过非共价键相结合，包括氢键、静电作用、疏水作用、弱配位键等，A项符合题意。 9.（2023·湖北鄂州月考）冠醚是皇冠状的分子，可有不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子。18⁃冠⁃6与钾离子形成的超分子结构如图所示。下列说法正确的是 （　　） A.含该超分子的物质属于分子晶体 B.冠醚可用于分离不同的碱金属离子 C.中心碱金属离子的配位数是不变的 D.冠醚与碱金属离子之间形成离子键 答案　B 解析　冠醚与碱金属离子形成的配合物中还含有阴离子，该物质是离子晶体，A错误；由题意得，冠醚是皇冠状的分子，可有不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子，故可用于分离不同的碱金属离子，B正确；不同的碱金属离子直径大小不同，配位数随着空穴大小不同而改变，形成的超分子中心碱金属离子配位数也不同，C错误。 10.“杯酚”能与C60形成超分子、但不能与C70形成超分子，利用此性质的差异，实验室可用来分离C60、C70。已知C60、C70与“杯酚”的结构如下： 下列叙述正确的是 （　　） A.C60、C70都是一种新型的化合物 B.C60、C70与“杯酚”均属于共价晶体 C.C60中虽然没有离子键，但固体为离子晶体 D.“杯酚”分子中既存在σ键又存在π键 答案　D 解析　C60、C70都是由一种元素组成的单质，故A错误；C60、C70与“杯酚”均属于分子晶体，B项错误；C60中碳原子间形成的是共价键，但固体为分子晶体，故C错误；“杯酚”分子结构中含有苯环，故存在σ键和π键，故D正确。 (11~14题有一个或两个选项符合题目要求) 11.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 答案　B 解析　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项错误。 12.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熔点比金刚石熔点低 答案　BD 解析　“纳米车”是肉眼不能看见的，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。 13.下列说法不正确的是 （　　） A.液晶具有类似晶体的各向异性和液体的可流动性 B.蛋白质的变性和纳米银离子的聚集都是化学变化 C.常压下，0 ℃时冰的密度比水的密度小，水在4 ℃时密度最大，这些都与分子间的氢键有关 D.冠醚和金属离子的聚集体可以看成是一类超分子 答案　B 解析　蛋白质的变性属于化学变化，纳米银离子的聚集属于物理变化，故B不正确。 14.科学家利用四种原子序数依次递增的短周期元素W、X、Y、Z“组合”成一种具有高效催化性能的超分子，其分子结构示意图如图所示（注：实线代表共价键，其他重复单元的W、X未标注）。W、X、Z分别位于不同周期，Z的原子半径在同周期元素中最大。下列说法不正确的是 （　　） A.Y的单质的氧化性在同主族中最强 B.简单离子半径：Z>Y C.Z与Y可形成多种离子化合物 D.简单氢化物的热稳定性：X>Y 答案　BD 解析　根据题图可知，W形成1个共价键，且是四种短周期元素W、X、Y、Z中原子序数最小的元素，说明W原子核外只有1个电子，又W、X、Z分别位于不同周期，则W是H元素；X形成4个共价键，则X是C元素；Z的原子半径在同周期元素中最大，则Z是Na元素；Y形成2个共价键，其原子序数比C元素的大，比Na元素的小，则Y是O元素。同主族自上而下，元素非金属性逐渐减弱，单质的氧化性逐渐减弱，故O2的氧化性在同主族中最强，A项正确；电子层结构相同的不同离子，核电荷数越大，离子半径越小，故简单离子半径：Na+<O2-，B项错误；O、Na两种元素可形成Na2O、Na2O2等离子化合物，C项正确；元素的非金属性越强，其形成的简单氢化物的热稳定性就越强，元素的非金属性：C<O，所以形成的简单氢化物的热稳定性：CH4<H2O，D项错误。 15.（18分）（2023·郑州期中）西北工业大学曾华强课题组借用足球烯核心，成功实现了高效且选择性可精准定制的离子跨膜运输，如图甲所示。 已知：图甲中的有机物为“冠醚”，命名规则是“环上原子个数⁃冠⁃氧原子个数”。 请回答下列问题： （1）基态Cs原子的价电子排布式为　　　　　。基态K原子的核外电子云有　　　　个伸展方向。  （2）运输Cs+的冠醚名称是　　　　　　　。冠醚分子中氧原子的杂化类型是　　　　　，冠醚与碱金属离子之间存在微弱的配位键，配位原子是　　　　　（填元素符号）。  （3）几种冠醚与识别的碱金属离子的有关数据如下表所示： 冠醚 冠醚空腔直径/pm 适合的粒子（直径/pm） 12⁃冠⁃4 120~150 Li+（152） 15⁃冠⁃5 170~220 Na+（204） 18⁃冠⁃6 260~320 K+（276） —— 340~430 Rb+（304） Cs+（334） 18⁃冠⁃6不能识别和运输Na+和Cs+的原因是　　　　。观察图甲，冠醚不能识别和运输X-的主要原因可能是　　　　　　　　。  （4）足球烯的结构如图乙所示。1 mol足球烯含　　　　mol σ键。  （5）锂晶体结构及晶胞如图丙所示。锂晶胞中底边长为a pm，高为b pm，设NA为阿伏加德罗常数的值，则锂晶体的密度为　　　　g· cm-3（用含字母的式子表示）。  答案　（1）6s1　4　（2）21⁃冠⁃7　sp3 杂化　O （3）Na+直径太小，Cs+直径太大　氧的电负性较大，X-带负电荷，冠醚与阴离子作用力弱 （4）90　（5）×1030 解析　（1）Cs为第6周期ⅠA族元素，故基态Cs原子的价电子排布式为6s1；K原子ns能级有一个伸展方向，np能级有3个伸展方向，故基态K原子的核外电子云有4个伸展方向。 （2）运输Cs+的冠醚的分子中有21个原子，7个氧原子，故名称为21⁃冠⁃7；冠醚分子中氧原子有2个σ键，孤电子对数为2，价电子对数为4，故轨道的杂化类型是sp3杂化；氧原子有孤电子对，故氧原子形成配位键。 （4）1个C60分子有60个碳原子，每个碳原子与周围3个碳原子成键，每个碳原子成键数量为×3=1.5，则1 mol足球烯成键数量为1 mol×60×1.5=90 mol。 （5）图丙锂晶胞中含有原子数为1+4×+4×=2，晶胞的体积为V=a2b×10-30 cm3，则锂晶体的密度为ρ= g·cm-3=×1030 g·cm-3。 学科网（北京）股份有限公司 $