3.3 液晶、纳米材料与超分子-高二化学同步课堂（鲁科版2019选择性必修2）

鲁科版选择性必修2

物质结构与性质同学们好欢迎来到化学课堂meiyangyang8602复习回忆请你思考！

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？在研究物质的结构与性质时，不仅要研究微粒的空间排布状况和微粒之间的相互作用，还要研究物质的聚集状态。meiyangyang8602复习回忆液态气态固态请你思考！

物质的聚集状态只有固态、液态、气态三种吗？meiyangyang8602物质三态间的相互转化固态液态气态气化(吸热)液化(放热)凝固(放热)融化(吸热)升华(吸热)凝华(放热)meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

固态、液态、气态是物质三种最常见的聚集状态物质的聚集状态气态固态液态20世纪前，人们以为分子是所有化学物质能够保持其性质的最小粒子，物质固、液、气三态的相互转化只是分子间距离发生了变化。meiyangyang8602

固态、液态、气态是物质三种最常见的聚集状态对于固态物质来说，不管是晶体还是非晶体，物质中原子或分子相距都很近，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，分子间距离显著变大，分子运动速度明显加快，体系处于高度无序状态。meiyangyang8602meiyangyang8602

你或许还听说过液晶、纳米材料、超分子等物质的聚集状态，从它们的名称中，你能想象出它们有什么特点吗?例如，某些呈长棒形的有机化合物在加热熔化时，首先变成一种不透明的状态，当继续加热到某一温度才会突然变得清澈透明（图3-3-2）。第3节

液晶、纳米材料与超分子课时1液晶、纳米材料与超分子

第三章

不同聚集状态的物质与性质教材分析

通过初中阶段的学习，学生对于物质的三态（气态、液态和固态）已有一定的认识，但是对物质在三态之外还存在其他聚集状态，并无直观认识。因此。本节在物质三态的基础上，进一步介绍了液晶态、纳米材料和超分子，加强了对微观结构决定宏观性质这一内在联系的认识。为了激发学生的自主学习兴趣，本节教材主要通过"联想·质疑"栏目启发学生的思考，兼以多样的资料性栏目向学生介绍"液晶的发现""形态各异的纳米材料""超原子"和"生命中的超分于体系"等内容。教材从聚集状态的定义出发，探究其微观结构利宏观性质，再就典型物质进行介绍，展示不同聚集状态在生活、生产中的广泛应用，有利于学生了解不同类型的物质聚集状态，形成完整的知识体系，初步建立唯物辩证的结构观。01

液晶

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液晶的发现meiyangyang8602meiyangyang8602

你或许还听说过液晶、纳米材料、超分子等物质的聚集状态，从它们的名称中，你能想象出它们有什么特点吗?例如，某些呈长棒形的有机化合物在加热熔化时，首先变成一种不透明的状态，当继续加热到某一温度才会突然变得清澈透明（图3-3-2）。meiyangyang8602meiyangyang8602

认识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（liquidcrystal）。结构特点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。meiyangyang8602液晶性质及用途

液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列密切相关。在施加电压时，液晶分子能够沿电场方向排列，而移去电场后，液晶分子又恢复到原来的状态，所以液晶具有显示功能。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。02纳米材料meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

纳米材料纳米陶瓷隔热膜碳纳米管纳米金溶液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。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。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。meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

纳米材料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。meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

纳米材料石墨烯平面结构富勒烯（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。meiyangyang8602

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，而且具有高强度、高韧性，其强度比同体积钢的强度高100倍，质量却只有钢的1/6到1/7，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。meiyangyang8602meiyangyang8602

形态各异的纳米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。早在1857年，英国科学家法拉第（M.Faraday）就曾将胶状的金分散在液相中，得到了红宝石色的纳米金［图3-3-5（a）］。而不同颗粒大小的纳米金在溶液中会呈现不同的颜色［图3-3-5（b）］。meiyangyang8602meiyangyang8602

形态各异的纳米材料因纳米金颗粒可与硫化氢在弱碱性环境中结合而呈现稳定的红色，故可用于现场检测空气中是否存在硫化氢；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。meiyangyang8602拓展视野meiyangyang8602

形态各异的纳米材料

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。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。meiyangyang8602meiyangyang8602

形态各异的纳米材料例如，化学家已经合成出丰富多样的纳米机器，图3-3-7为一辆纳米车。纳米车虽小，但拥有“底盘”“车轴”等基本部件，四个“轮子”为C60。连接每个轮子的轴都能独立转动，使得这种车能够在凹凸不平的原子表面行进。拓展视野meiyangyang8602

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。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映关系，也被称为第三维周期律。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如Al13称为卤素超原子或超卤素meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

超原子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

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超分子meiyangyang8602meiyangyang8602请你思考！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特殊的性质吗?常见的DNA碱基配对结构ATGC碱基配对：A与T配对，G与C配对A与T配对：G与C配对：通过2个氢键配对通过3个氢键配对DNA的双螺旋结构碱基对是通过氢键相互识别并结合的meiyangyang8602

超分子AT氢键超分子超分子概念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。meiyangyang8602meiyangyang8602

超分子超分子结构特点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。meiyangyang8602meiyangyang8602

超分子20世纪80年代，化学家发现了一类被称为冠醚的物（图3-3-9）。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meiyangyang8602meiyangyang8602

超分子重要特征及其应用——分子识别冠醚识别碱金属离子(如K＋)

冠醚，是分子中含有多个-氧-亚甲基-结构单元的大环多醚。冠醚的空穴结构对离子有选择作用，不同冠醚的空腔尺寸不同，与不同的阳离子相匹配(配位作用)，从而实现选择性结合(识别不同大小的碱金属离子)，在有机反应中可作催化剂。冠醚冠醚空腔直径/pm合适的粒子（直径/pm）12-冠-4120～150Li+（152）15-冠-5170～220Na+（204）18-冠-6260～320K+（276）Rb+（304）21-冠-7340～430Cs+（334）meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602请你思考！

冠醚靠什么原子吸引阳离子？C原子是环的骨架，稳定了整个冠醚；O原子吸引阳离子。meiyangyang8602meiyangyang8602

超分子冠醚与碱金属离子之间的配位键属于离子键、共价键、氢键还是分子间作用力？共价键冠醚与碱金属离子形成配合物得到的晶体里还有什么粒子，这类晶体是离子晶体、共价晶体还是分子晶体？阴离子，离子晶体meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

超分子重要特征及其应用——相转移催化剂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。KMnO4水溶液对烯烃的氧化效果较差meiyangyang8602meiyangyang8602meiyangyang8602

超分子重要特征及其应用——相转移催化剂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（图3-3-10）。meiyangyang8602

超分子重要特征及其应用——分子识别在链状分子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。化学与生命meiyangyang8602

生命体中的超分子体系化学与生命meiyangyang8602

生命体中的超分子体系归纳总结液晶、纳米材料、超分子三种聚集状态的比较聚集状态液晶纳米材料超分子定义在一定温度范围内既具有液体的可流动性，又具有晶体各向异性的聚集状态三维空间尺寸至少有一维处于纳米尺度的、具有特定功能的材料两个或者多个分子相互组合在一起，形成具有特殊功能的聚集体，表现出既不同于单个分子，又不同于大块物体的性质，这样的分子称为超分子特征折射率、磁化率、电导率均表现出各向异性