3.3 液晶、納米材料與超分子-高二化學同步課堂（魯科版2019選擇性必修2）

魯科版選擇性必修2

物質結構與性質同學們好歡迎來到化學課堂meiyangyang8602復習回憶請你思考！

物質的聚集狀態(tài)只有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種嗎？構成物質的微粒是否還會以其他的方式聚集？在研究物質的結構與性質時，不僅要研究微粒的空間排布狀況和微粒之間的相互作用，還要研究物質的聚集狀態(tài)。meiyangyang8602復習回憶液態(tài)氣態(tài)固態(tài)請你思考！

物質的聚集狀態(tài)只有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種嗎？meiyangyang8602物質三態(tài)間的相互轉化固態(tài)液態(tài)氣態(tài)氣化(吸熱)液化(放熱)凝固(放熱)融化(吸熱)升華(吸熱)凝華(放熱)meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)是物質三種最常見的聚集狀態(tài)物質的聚集狀態(tài)氣態(tài)固態(tài)液態(tài)20世紀前，人們以為分子是所有化學物質能夠保持其性質的最小粒子，物質固、液、氣三態(tài)的相互轉化只是分子間距離發(fā)生了變化。meiyangyang8602

固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)是物質三種最常見的聚集狀態(tài)對于固態(tài)物質來說，不管是晶體還是非晶體，物質中原子或分子相距都很近，它們只能在一定的位置上做不同程度的振動。液態(tài)物質的分子間距離比固態(tài)中的大，分子間作用力相對小，分子運動的自由度有所增加，表現出明顯的流動性。至于氣態(tài)物質，分子間距離顯著變大，分子運動速度明顯加快，體系處于高度無序狀態(tài)。meiyangyang8602meiyangyang8602

你或許還聽說過液晶、納米材料、超分子等物質的聚集狀態(tài)，從它們的名稱中，你能想象出它們有什么特點嗎?例如，某些呈長棒形的有機化合物在加熱熔化時，首先變成一種不透明的狀態(tài)，當繼續(xù)加熱到某一溫度才會突然變得清澈透明（圖3-3-2）。第3節(jié)

液晶、納米材料與超分子課時1液晶、納米材料與超分子

第三章

不同聚集狀態(tài)的物質與性質教材分析

通過初中階段的學習，學生對于物質的三態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)）已有一定的認識，但是對物質在三態(tài)之外還存在其他聚集狀態(tài)，并無直觀認識。因此。本節(jié)在物質三態(tài)的基礎上，進一步介紹了液晶態(tài)、納米材料和超分子，加強了對微觀結構決定宏觀性質這一內在聯系的認識。為了激發(fā)學生的自主學習興趣，本節(jié)教材主要通過"聯想·質疑"欄目啟發(fā)學生的思考，兼以多樣的資料性欄目向學生介紹"液晶的發(fā)現""形態(tài)各異的納米材料""超原子"和"生命中的超分于體系"等內容。教材從聚集狀態(tài)的定義出發(fā)，探究其微觀結構利宏觀性質，再就典型物質進行介紹，展示不同聚集狀態(tài)在生活、生產中的廣泛應用，有利于學生了解不同類型的物質聚集狀態(tài)，形成完整的知識體系，初步建立唯物辯證的結構觀。01

液晶

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液晶的發(fā)現meiyangyang8602meiyangyang8602

你或許還聽說過液晶、納米材料、超分子等物質的聚集狀態(tài)，從它們的名稱中，你能想象出它們有什么特點嗎?例如，某些呈長棒形的有機化合物在加熱熔化時，首先變成一種不透明的狀態(tài)，當繼續(xù)加熱到某一溫度才會突然變得清澈透明（圖3-3-2）。meiyangyang8602meiyangyang8602

認識液晶這類物質在一定的溫度范圍內既具有液體的可流動性，在折射率、磁化率、電導率等宏觀性質方面又表現出類似晶體的各向異性。于是，人們形象地稱這類物質為液態(tài)晶體，簡稱液晶（liquidcrystal）。結構特點液晶內部分子的排列沿分子長軸方向呈現出有序的排列，由此在分子長軸的平行方向和垂直方向表現出不同的性質。meiyangyang8602液晶性質及用途

液晶的顯示功能與液晶材料內部分子的排列密切相關。在施加電壓時，液晶分子能夠沿電場方向排列，而移去電場后，液晶分子又恢復到原來的狀態(tài)，所以液晶具有顯示功能。故液晶可以制造電子手表、計算器、數字儀表、計算機顯示器、電視顯示屏等器材。02納米材料meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

納米材料納米陶瓷隔熱膜碳納米管納米金溶液由直徑為幾或幾十納米的顆粒和顆粒間的界面兩部分組成。通常，納米顆粒內部具有晶狀結構，原子排列有序，而界面則為無序結構。因此，納米材料具有既不同于微觀粒子又不同于宏觀物體的獨特性質。meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

納米材料納米陶瓷不僅保留了陶瓷硬度高、強度高的特點，其韌性和可加工性也顯著增強，甚至具有金屬一樣的柔韌性。meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

納米材料石墨烯平面結構富勒烯（C60等球碳）、石墨烯（單層石墨片）和碳納米管是納米材料中的“明星”，因其獨特性能而具有廣闊的應用前景。meiyangyang8602

納米材料碳納米管是一種管狀結構，它是由石墨片圍繞中心軸按照一定的螺旋角卷繞而成的無縫、中空"微管"，根據條件的不同可以形成單壁碳納米管或者多壁碳納米管。碳納米管不僅纖維長，而且具有高強度、高韌性，其強度比同體積鋼的強度高100倍，質量卻只有鋼的1/6到1/7，因而被稱為"超級纖維";此外，它還具有特殊的電學、熱學、光學、儲氫等性能。meiyangyang8602meiyangyang8602

形態(tài)各異的納米材料將納米金分散在水或其他溶劑中可以得到膠體金。為了防止膠體金中的納米顆粒聚集，通常會添加某些黏附在納米顆粒表面的穩(wěn)定劑。早在1857年，英國科學家法拉第（M.Faraday）就曾將膠狀的金分散在液相中，得到了紅寶石色的納米金［圖3-3-5（a）］。而不同顆粒大小的納米金在溶液中會呈現不同的顏色［圖3-3-5（b）］。meiyangyang8602meiyangyang8602

形態(tài)各異的納米材料因納米金顆粒可與硫化氫在弱堿性環(huán)境中結合而呈現穩(wěn)定的紅色，故可用于現場檢測空氣中是否存在硫化氫；納米金還可以與蛋白質結合，作為快速的免疫檢測方法；此外，納米金在腫瘤檢測、靶向藥物輸送、基因治療等方面也都具有重要應用價值。meiyangyang8602拓展視野meiyangyang8602

形態(tài)各異的納米材料

磁流體又稱磁性液體，是磁性納米粒子（如Fe3O4、Fe2O3等）的超穩(wěn)定懸浮液，它可以像液體一樣流動，在外加磁場作用時又會表現出磁性。磁流體可用于磁性流體密封、聲光儀器設備、磁性靶向藥物等領域。meiyangyang8602meiyangyang8602

形態(tài)各異的納米材料例如，化學家已經合成出豐富多樣的納米機器，圖3-3-7為一輛納米車。納米車雖小，但擁有“底盤”“車軸”等基本部件，四個“輪子”為C60。連接每個輪子的軸都能獨立轉動，使得這種車能夠在凹凸不平的原子表面行進。拓展視野meiyangyang8602

超原子

2005年，卡斯爾曼（A．Castleman）團隊發(fā)現某些特定大小的Al金屬簇具有特殊的穩(wěn)定性。Al13簇具有與氯原子相似的電負性Al13-簇在氧氣氛圍中呈現類似于稀有氣體的化學惰性Al14簇具有與堿土金屬相似的性質這種金屬原子簇與原子性質間的對映關系，也被稱為第三維周期律。具有與某種原子相似性質的金屬簇，被稱為該原子的超原子如Al13稱為鹵素超原子或超鹵素meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

超原子K3O稱為堿金屬超原子或超堿金屬如（Al13K3O）6，由Al13和K3O形成的一個超原子分子Al13簇K3O

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超分子meiyangyang8602meiyangyang8602請你思考！你能想象出分子間通過非共價鍵作用聚集在一起而表現出特殊的性質嗎?常見的DNA堿基配對結構ATGC堿基配對：A與T配對，G與C配對A與T配對：G與C配對：通過2個氫鍵配對通過3個氫鍵配對DNA的雙螺旋結構堿基對是通過氫鍵相互識別并結合的meiyangyang8602

超分子AT氫鍵超分子超分子概念若兩個或多個分子相互“組合”在一起形成具有特定結構和功能的聚集體，能表現出不同于單個分子的性質，可以把這種聚集體看成分子層次之上的分子，稱為超分子。meiyangyang8602meiyangyang8602

超分子超分子結構特點超分子內部分子之間通過非共價鍵相結合，包括氫鍵、靜電作用、疏水作用以及一些分子與金屬離子形成的弱配位鍵等。例如，DNA中兩條分子鏈之間通過氫鍵的作用而組合在一起，細胞膜中的磷脂分子通過疏水端相互作用形成雙層膜結構。meiyangyang8602meiyangyang8602

超分子20世紀80年代，化學家發(fā)現了一類被稱為冠醚的物（圖3-3-9）。冠醚是皇冠狀的分子，有不同大小的空穴，能與正離子，尤其是堿金屬離子絡合，并隨環(huán)的大小不同而與不同的金屬離子絡合，利用此性質可以識別堿金屬離子meiyangyang8602meiyangyang8602

超分子重要特征及其應用——分子識別冠醚識別堿金屬離子(如K＋)

冠醚，是分子中含有多個-氧-亞甲基-結構單元的大環(huán)多醚。冠醚的空穴結構對離子有選擇作用，不同冠醚的空腔尺寸不同，與不同的陽離子相匹配(配位作用)，從而實現選擇性結合(識別不同大小的堿金屬離子)，在有機反應中可作催化劑。冠醚冠醚空腔直徑/pm合適的粒子（直徑/pm）12-冠-4120～150Li+（152）15-冠-5170～220Na+（204）18-冠-6260～320K+（276）Rb+（304）21-冠-7340～430Cs+（334）meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602請你思考！

冠醚靠什么原子吸引陽離子？C原子是環(huán)的骨架，穩(wěn)定了整個冠醚；O原子吸引陽離子。meiyangyang8602meiyangyang8602

超分子冠醚與堿金屬離子之間的配位鍵屬于離子鍵、共價鍵、氫鍵還是分子間作用力？共價鍵冠醚與堿金屬離子形成配合物得到的晶體里還有什么粒子，這類晶體是離子晶體、共價晶體還是分子晶體？陰離子，離子晶體meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

超分子重要特征及其應用——相轉移催化劑將陽離子以及對應的陰離子都帶入有機溶劑，因而成為有機反應中很好的催化劑。KMnO4水溶液對烯烴的氧化效果較差meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

超分子重要特征及其應用——相轉移催化劑在烯烴中溶入冠醚時，冠醚通過與K+結合而將MnO4-也攜帶進入烯烴；冠醚不與MnO4-結合，使游離或裸露的MnO4-反應活性很高，從而使氧化反應能夠迅速發(fā)生（圖3-3-10）。meiyangyang8602

超分子重要特征及其應用——分子識別在鏈狀分子A上同時含有兩個不同的識別位點。在堿性情況下，環(huán)狀分子B與帶有正電荷的位點1的相互作用較強；在酸性情況下，由于位點2的烷基銨結合H＋而帶正電荷，與環(huán)狀分子B的作用增強。因此，通過加入酸和堿，可以實現分子梭在兩個不同狀態(tài)之間的切換?；瘜W與生命meiyangyang8602

生命體中的超分子體系化學與生命meiyangyang8602

生命體中的超分子體系歸納總結液晶、納米材料、超分子三種聚集狀態(tài)的比較聚集狀態(tài)液晶納米材料超分子定義在一定溫度范圍內既具有液體的可流動性，又具有晶體各向異性的聚集狀態(tài)三維空間尺寸至少有一維處于納米尺度的、具有特定功能的材料兩個或者多個分子相互組合在一起，形成具有特殊功能的聚集體，表現出既不同于單個分子，又不同于大塊物體的性質，這樣的分子稱為超分子特征折射率、磁化率、電導率均表現出各向異性