1、第3节液晶、纳米材料与超分子 课前自主学习课前自主学习学习任务液晶、纳米材料与超分子学习任务液晶、纳米材料与超分子任务驱动任务驱动: :显示屏里究竟是什么物质在显示字符显示屏里究竟是什么物质在显示字符? ? 它为什么具有显示功能它为什么具有显示功能? ? 你能从液晶、你能从液晶、纳米材料与超分子的名称中纳米材料与超分子的名称中, ,想象出微粒在这些物质中的聚集方式有什么特点想象出微粒在这些物质中的聚集方式有什么特点吗吗? ? 1.1.液晶液晶概念概念在一定的温度范围内既具有液体的在一定的温度范围内既具有液体的_性性, ,又具有晶又具有晶体的体的_的物质的物质结构特结构特点点液晶内部分子的排列沿
2、分子长轴方向呈现出液晶内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出_,_,所以液晶在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面表现所以液晶在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面表现出类似晶体的出类似晶体的_可流动可流动各向异性各向异性有序的排列有序的排列各向异性各向异性【想一想想一想】液晶是液态的晶体吗液晶是液态的晶体吗? ?提示提示: :液晶不是液态的晶体。液晶是一种液态物质而不是固体液晶不是液态的晶体。液晶是一种液态物质而不是固体, ,只是具有晶体只是具有晶体的某些性质的某些性质( (如各向异性如各向异性) )而已。液晶的性质受温度、压力、外加电场等外界而已。液晶的性质受温度、压力、外加电场等外界因素的影
3、响。因素的影响。2.2.纳米材料纳米材料定义定义 三维空间尺寸至少有三维空间尺寸至少有_处于纳米尺度的、具有特定功能的材料处于纳米尺度的、具有特定功能的材料组成组成 直径为直径为_的颗粒和颗粒界面的颗粒和颗粒界面特点特点 纳米颗粒内部具有纳米颗粒内部具有_,_,界面则是界面则是_性质性质形成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态形成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态, ,既不同于微观粒子既不同于微观粒子, ,又不同于宏观物体又不同于宏观物体一维一维几或几十纳米几或几十纳米晶状结构晶状结构无序结构无序结构【想一想想一想】(1)(1)纳米科学与技术是研究结构尺寸在纳米科学与技术是研究结构尺寸在
4、1 1100100纳米范围内材料的性质与应用。纳米范围内材料的性质与应用。它与哪种分散系的粒子大小一样它与哪种分散系的粒子大小一样? ? 提示提示: :纳米与胶体的粒子大小一致。纳米与胶体的粒子大小一致。(2)(2)纳米材料属于胶体吗纳米材料属于胶体吗? ? 提示提示: :纳米材料既不属于晶体也不属于胶体。纳米材料既不属于晶体也不属于胶体。(3)(3)纳米材料有什么特性纳米材料有什么特性? ?提示提示: :粒子细化、界面原子比例较高粒子细化、界面原子比例较高, ,使纳米材料在光、声、电、磁、热、力、使纳米材料在光、声、电、磁、热、力、化学反应等方面具有特性。化学反应等方面具有特性。3.3.超分
5、子超分子定定义义通常是指由两个或两个以上分子相互通常是指由两个或两个以上分子相互“组合组合”在一起在一起, ,形成具有特定形成具有特定结构和功能的聚集体。结构和功能的聚集体。形形成成超分子内部分子间通过非共价键结合超分子内部分子间通过非共价键结合, ,包括氢键、静电作用、疏水作包括氢键、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。用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。【连一连连一连】将下列物质和用途对应连接。将下列物质和用途对应连接。A A金刚石金刚石(1)(1)用作导线用作导线B B金属铜金属铜(2)(2)显示器显示器C C液晶液晶(3)(3)吸光材料吸光材料D D非晶体硅
6、非晶体硅(4)(4)钻磨材料钻磨材料答案答案: :A-(4)A-(4)B-(1)B-(1)C-(2)C-(2)D-(3)D-(3)课堂合作探究课堂合作探究探究任务物质的三种其他聚集状态比较探究任务物质的三种其他聚集状态比较【科技情境科技情境】液晶显示材料具有明显的优点液晶显示材料具有明显的优点: :驱动电压低、功耗微小、显示信息量大、彩色驱动电压低、功耗微小、显示信息量大、彩色显示、便于携带等。由于这些优点显示、便于携带等。由于这些优点, ,用液晶材料制成的计算机终端和电视可以用液晶材料制成的计算机终端和电视可以大幅度减小体积等。大幅度减小体积等。 【问题探究问题探究】1.1.为什么液晶具有显
7、示功能为什么液晶具有显示功能? ?提示提示: :液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列有关液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列有关, ,在施加电压时在施加电压时, ,液晶分液晶分子能够沿电场方向有序排列子能够沿电场方向有序排列, ,而在移去电场之后而在移去电场之后, ,液晶分子又恢复到原来的状液晶分子又恢复到原来的状态。态。2.2.为什么纳米材料在声、光、电、磁、化学反应等方面表现出特异性能为什么纳米材料在声、光、电、磁、化学反应等方面表现出特异性能? ?提示提示: :因为组成纳米材料的晶状颗粒内部的有序原子和晶粒界面的无序原子各因为组成纳米材料的晶状颗粒内部的有序原子和晶粒界面的无序原子各
8、约占原子总数的约占原子总数的50%,50%,使纳米材料的粒子细化和界面原子比例较高使纳米材料的粒子细化和界面原子比例较高, ,从而使纳米从而使纳米材料有独特的性质。材料有独特的性质。3.3.超分子有哪些应用及前景超分子有哪些应用及前景? ?提示提示: :可以模拟生物系统可以模拟生物系统, ,在分子水平上进行分子设计在分子水平上进行分子设计, ,有序组装甚至复制出新有序组装甚至复制出新型的分子材料型的分子材料, ,如具有分子识别能力的高效专业的新型催化剂如具有分子识别能力的高效专业的新型催化剂, ,有效的新型药有效的新型药物物, ,集成度高、体积小、功能强的分子器件集成度高、体积小、功能强的分子
9、器件, ,生物传感器以及很多具有光、电、生物传感器以及很多具有光、电、磁、声、热等特性的功能材料等。超分子化学的发展不仅与大环化学磁、声、热等特性的功能材料等。超分子化学的发展不仅与大环化学( (冠醚、冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、碳穴醚、环糊精、杯芳烃、碳6060等等) )的发展密切相连的发展密切相连, ,而且与分子自组装而且与分子自组装( (双分子双分子膜、胶束、膜、胶束、DNADNA双螺旋等双螺旋等) )、分子器件和新兴有机材料的研究息息相关。、分子器件和新兴有机材料的研究息息相关。【探究总结探究总结】液晶液晶纳米材料纳米材料超分子超分子定定义义在一定温度范围内在一定温度范围内既具有液体的
10、可流既具有液体的可流动性动性, ,又具有晶体各又具有晶体各向异性的聚集状态向异性的聚集状态三维空间尺寸至少有一三维空间尺寸至少有一维处于纳米尺度的、具维处于纳米尺度的、具有特定功能的材料有特定功能的材料由两个或两个以上分子相由两个或两个以上分子相互互“组合组合”在一起在一起, ,形成形成具有特定结构和功能的聚具有特定结构和功能的聚集体集体特特征征折射率、磁化率、折射率、磁化率、电导率均表现出各电导率均表现出各向异性向异性, ,液晶显示的液晶显示的驱动电压低、功率驱动电压低、功率小小粒子细化、界面原子比粒子细化、界面原子比例高例高, ,使纳米材料在光、使纳米材料在光、声、电、磁、热、力、声、电、
11、磁、热、力、化学反应等方面具有特化学反应等方面具有特性性分子组装体分子组装体, ,分子层次之分子层次之上的分子上的分子, ,保持一定的完保持一定的完整性使其具有明确的微观整性使其具有明确的微观结构和宏观特性结构和宏观特性液晶液晶纳米材料纳米材料超分子超分子重重要要应应用用液晶显示器、电子液晶显示器、电子表、计算器、数字表、计算器、数字仪表仪表化妆品、涂料、食品、化妆品、涂料、食品、化纤布料、隐形飞机化纤布料、隐形飞机有分子识别能力的高效专有分子识别能力的高效专业的新型催化剂业的新型催化剂, ,新型药新型药物、分子器件物、分子器件, ,生物传感生物传感器等器等【探究训练探究训练】1.(20201
12、.(2020南京高二检测南京高二检测) )水的状态除了气态、液态和固态外水的状态除了气态、液态和固态外, ,还有玻璃态还有玻璃态, ,它它是由液态水急速冷却到是由液态水急速冷却到165 K165 K时形成的时形成的, ,玻璃态的水无固定形状玻璃态的水无固定形状, ,不存在晶体结不存在晶体结构构, ,且密度与普通液态水的密度相同且密度与普通液态水的密度相同, ,有关玻璃态水的叙述正确的是有关玻璃态水的叙述正确的是( () )A.A.水由液态变为玻璃态水由液态变为玻璃态, ,体积缩小体积缩小B.B.水由液态变为玻璃态水由液态变为玻璃态, ,体积膨胀体积膨胀C.C.玻璃态是水的一种特殊状态玻璃态是水
13、的一种特殊状态D.D.玻璃态水是分子晶体玻璃态水是分子晶体【解析解析】选选C C。玻璃态水的密度与普通液态水的密度相同。玻璃态水的密度与普通液态水的密度相同, ,水由液态变为玻璃水由液态变为玻璃态态, ,质量不变质量不变, ,所以体积不变所以体积不变, ,故故A A、B B错误错误; ;由由“水的状态除了气态、液态和固水的状态除了气态、液态和固态外态外, ,还有玻璃态还有玻璃态”可知可知, ,玻璃态是水的一种特殊状态玻璃态是水的一种特殊状态, ,故故C C正确正确; ;玻璃态的水无玻璃态的水无固定形状固定形状, ,不存在晶体结构不存在晶体结构, ,不是分子晶体不是分子晶体, ,故故D D错误。
14、错误。2.(20202.(2020防城港高二检测防城港高二检测) )下列关于纳米材料的叙述中下列关于纳米材料的叙述中, ,正确的是正确的是( () )A.A.包括纳米颗粒和颗粒间的界面两部分包括纳米颗粒和颗粒间的界面两部分B.B.将物体粉碎成几纳米的小颗粒即得到纳米材料将物体粉碎成几纳米的小颗粒即得到纳米材料C.C.纳米材料是指一种称为纳米材料是指一种称为“纳米纳米”的新物质制成的材料的新物质制成的材料D.D.同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体具有完全等同的性质同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体具有完全等同的性质【解析解析】选选A A。纳米材料是指三维空间尺寸至少有一维处于纳米
15、尺度的、具有。纳米材料是指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特定功能的材料,B,B、C C项错误项错误; ;由于纳米材料的粒子细化和界面原子所占比例由于纳米材料的粒子细化和界面原子所占比例较高较高, ,使得同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体在性质上具有很大使得同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体在性质上具有很大的差别。的差别。1.(1.(双选双选) )从从19721972年第一只使用液晶显示器的手表诞生年第一只使用液晶显示器的手表诞生, ,到到19891989年第一台液晶显年第一台液晶显示器的笔记本计算机发明示器的笔记本计算机发明, ,短短的短短的1010多
16、年间多年间, ,液晶技术不断完善发展。关于液晶液晶技术不断完善发展。关于液晶, ,下列说法中正确的有下列说法中正确的有( () )A.A.液晶是一种晶体液晶是一种晶体B.B.液晶分子的空间排列是稳定的液晶分子的空间排列是稳定的, ,具有各向异性具有各向异性C.C.液晶的化学性质与温度变化有关液晶的化学性质与温度变化有关D.D.液晶的光学性质随外加电压的变化而变化液晶的光学性质随外加电压的变化而变化课堂素养达标【解析解析】选选C C、D D。液晶的微观结构介于晶体和液体之间。液晶的微观结构介于晶体和液体之间, ,虽然液晶分子在特定虽然液晶分子在特定方向的排列比较整齐方向的排列比较整齐, ,且具有
17、各向异性且具有各向异性, ,但分子的排列是不稳定的但分子的排列是不稳定的, ,选项选项A A、B B错错误误; ;外界条件的微小变化都会引起液晶分子排列的变化外界条件的微小变化都会引起液晶分子排列的变化, ,从而改变液晶的某些从而改变液晶的某些性质。温度、压力、外加电压等因素变化时性质。温度、压力、外加电压等因素变化时, ,都会改变液晶的光学性质都会改变液晶的光学性质, ,选项选项C C、D D正确。正确。2.2.碳纳米管可以看作是石墨烯片层卷曲而成。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、刚度这种碳纤维具有强度高、刚度( (抵抗变形的能力抵抗变形的能力) )高、密度小、熔
18、点高、化学高、密度小、熔点高、化学性质稳定性好的特点性质稳定性好的特点, ,因而被称为因而被称为“超级纤维超级纤维”。下列对碳纤维的说法不正确。下列对碳纤维的说法不正确的是的是( () )A.A.它是制造飞机的理想材料它是制造飞机的理想材料B.B.它的主要组成元素是碳它的主要组成元素是碳C.C.它的抗腐蚀能力强它的抗腐蚀能力强D.D.碳纤维复合材料不易导电碳纤维复合材料不易导电【解析解析】选选D D。纳米材料有其独特的功能。纳米材料有其独特的功能, ,我们都知道我们都知道: :一般飞机是用铝合金及一般飞机是用铝合金及钢制造的钢制造的, ,由于碳纤维的由于碳纤维的“强度高、刚度高、密度小强度高、
19、刚度高、密度小”, ,它也可以作为制造飞它也可以作为制造飞机的理想材料机的理想材料; ;碳纤维复合材料其主要组成元素是碳碳纤维复合材料其主要组成元素是碳, ,但由于合成的是纳米级但由于合成的是纳米级材料材料, ,也可类似于石墨结构也可类似于石墨结构, ,存在着自由电子。存在着自由电子。3.(20203.(2020日照高二检测日照高二检测) )下列关于纳米技术的叙述不正确的是下列关于纳米技术的叙述不正确的是( () )A.A.将将“纳米材料纳米材料”均匀分散到液体分散剂中可制得液溶胶均匀分散到液体分散剂中可制得液溶胶B.B.用纳米级金属颗粒粉剂作催化剂可加快反应速率用纳米级金属颗粒粉剂作催化剂可
20、加快反应速率, ,提高反应物的平衡转化率提高反应物的平衡转化率C.C.用纳米颗粒粉剂做成火箭的固体燃料将有更大的推动力用纳米颗粒粉剂做成火箭的固体燃料将有更大的推动力D.D.银器能抑菌、杀菌银器能抑菌、杀菌, ,纳米银微粒植入内衣织物中纳米银微粒植入内衣织物中, ,有奇异的抑菌、杀菌效果有奇异的抑菌、杀菌效果【解析解析】选选B B。纳米材料的直径在。纳米材料的直径在1 1100 nm100 nm范围内范围内, ,与胶体微粒直径范围相与胶体微粒直径范围相同同,A,A正确正确; ;催化剂可加快化学反应的速率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但不能使化学平衡发生移动,B,B不正
21、不正确确; ;与块状固体相比与块状固体相比, ,纳米颗粒直径小纳米颗粒直径小, ,表面积大表面积大, ,因而化学反应的速率快因而化学反应的速率快, ,所以所以短时间内可产生更大推动力短时间内可产生更大推动力,C,C正确正确; ;银为重金属银为重金属, ,重金属离子重金属离子, ,可使蛋白质变性可使蛋白质变性, ,故有杀菌作用故有杀菌作用,D,D正确。正确。4.4.纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(1(1100 nm)100 nm)或由它们或由它们作为基本单元构成的材料作为基本单元构成的材料, ,其研究成果广泛应用于催化及军事科学中。将
22、纳米其研究成果广泛应用于催化及军事科学中。将纳米材料分散到液体分散剂中材料分散到液体分散剂中, ,所得混合物可能具有的性质是所得混合物可能具有的性质是( () )A.A.能全部透过半透膜能全部透过半透膜B.B.有丁达尔现象有丁达尔现象C.C.所得液体不可以全部透过滤纸所得液体不可以全部透过滤纸D.D.所得物质一定是溶液所得物质一定是溶液【解析解析】选选B B。纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度的、具有特。纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度的、具有特定功能的材料定功能的材料, ,其微粒直径范围和胶体微粒的直径大小一致其微粒直径范围和胶体微粒的直径大小一致, ,故其分散系应为故
23、其分散系应为胶体胶体, ,应具备胶体的性质。应具备胶体的性质。5.(20205.(2020菏泽高二检测菏泽高二检测) )纳米技术制成的金属燃料、非金属固体燃料、氢气纳米技术制成的金属燃料、非金属固体燃料、氢气等已应用到社会生活和高科技领域。等已应用到社会生活和高科技领域。(1)A(1)A和和B B的单质单位质量的燃烧热大的单质单位质量的燃烧热大, ,可用作燃料。已知可用作燃料。已知A A和和B B为短周期元素为短周期元素, ,其其原子的第一至第四电离能如表所示原子的第一至第四电离能如表所示: :I I1 1I I2 2I I3 3I I4 4A A9329321 8211 82115 3901
24、5 39021 77121 771B B7387381 4511 4517 7337 73310 54010 5401(kJ mol )电离能某同学根据上述信息某同学根据上述信息, ,推断推断B B的轨道表示式如图所示的轨道表示式如图所示: :该同学所画的轨道表示式违背了该同学所画的轨道表示式违背了_。 根据价层电子对互斥理论根据价层电子对互斥理论, ,预测预测A A和氯元素形成的和氯元素形成的简单分子空间构型为简单分子空间构型为_。(2)(2)氢气作为一种清洁能源氢气作为一种清洁能源, ,必须解决它的储存问题必须解决它的储存问题,C,C6060可用作储氢材料。可用作储氢材料。已知金刚石中的已
25、知金刚石中的CCCC的键长为的键长为154.45 pm,C154.45 pm,C6060中中CCCC键长为键长为140140145 pm,145 pm,有有同学据此认为同学据此认为C C6060的熔点高于金刚石的熔点高于金刚石, ,你认为是否正确并阐述理由你认为是否正确并阐述理由_。 科学家把科学家把C C6060和和K K掺杂在一起制造了一种富勒烯化合物掺杂在一起制造了一种富勒烯化合物, ,其晶胞如图所示其晶胞如图所示, ,该物质在低温时是一种超导体。该物该物质在低温时是一种超导体。该物质的质的K K原子和原子和C C6060分子的个数比为分子的个数比为_。继继C C6060后后, ,科学家
26、又合成了科学家又合成了SiSi6060、N N6060,C,C、SiSi、N N原子电负性由大到小的顺序是原子电负性由大到小的顺序是_。SiSi6060分子中每个硅原子只跟相邻的分子中每个硅原子只跟相邻的3 3个硅原子形成共价键个硅原子形成共价键, ,且每个且每个硅原子最外层都满足硅原子最外层都满足8 8电子稳定结构电子稳定结构, ,则则SiSi6060分子中分子中键的数目为键的数目为_。 S S【解析解析】(1)(1)根据两原子的第一至第四电离能的变化可以判断出根据两原子的第一至第四电离能的变化可以判断出A A为铍为铍,B,B为镁为镁, ,镁原子的核外电子排布式为镁原子的核外电子排布式为1s
27、1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 2, ,可见题给轨道表示式的电子排布违反可见题给轨道表示式的电子排布违反了能量最低原理了能量最低原理; ;氯化铍分子中铍原子只形成氯化铍分子中铍原子只形成2 2个共价键个共价键, ,根据价电子对互斥理根据价电子对互斥理论论, ,其分子的空间构型应该是直线形。其分子的空间构型应该是直线形。(2)C(2)C6060的熔点应该低于金刚石的熔点应该低于金刚石, ,因为因为C C6060属属于分子晶体于分子晶体, ,分子间只存在范德华力分子间只存在范德华力, ,而金刚石是共价晶体而金刚石是共价晶体, ,原子间以牢固的共原子间以牢固的共价键结合。根据所给晶
28、胞价键结合。根据所给晶胞, ,可以计算出属于该晶胞的可以计算出属于该晶胞的K K原子数和原子数和C C6060分子数分别分子数分别为为6 6、2,2,因此该物质的因此该物质的K K原子和原子和C C6060分子的个数比为分子的个数比为3131。根据。根据C C、SiSi、N N原子在原子在周期表中的位置关系和周期表中电负性的递变规律周期表中的位置关系和周期表中电负性的递变规律, ,可得可得C C、SiSi、N N原子电负性原子电负性由大到小的顺序是由大到小的顺序是NCSiNCSi。由于由于SiSi6060分子中每个硅原子最外层都满足分子中每个硅原子最外层都满足8 8电子稳电子稳定结构定结构,
29、,并且每个硅原子只跟相邻的并且每个硅原子只跟相邻的3 3个硅原子形成共价键个硅原子形成共价键, ,每个硅原子跟相邻每个硅原子跟相邻的的3 3个硅原子必需形成个硅原子必需形成3 3个个键和键和1 1个个键键( (即即2 2个共价单键、个共价单键、1 1个共价双键个共价双键, ,共共4 4个键个键),),每两个硅原子之间形成每两个硅原子之间形成1 1个个键键, ,因此因此SiSi6060分子中共有分子中共有3030个个键。键。答案答案: :(1)(1)能量最低原理直线形能量最低原理直线形(2)(2)不正确不正确,C60,C60的熔点应该低于金刚石。因为的熔点应该低于金刚石。因为C60C60属于分子
30、属于分子晶体晶体, ,而金刚石是共价晶体而金刚石是共价晶体3131NCSiNCSi3030【补偿训练补偿训练】北京大学和中国科学院的化学工作者成功研制出碱金属与北京大学和中国科学院的化学工作者成功研制出碱金属与C C6060形成的球碳形成的球碳盐盐K K3 3C C6060( (如图所示如图所示) )。实验测知该物质属于离子晶体。实验测知该物质属于离子晶体, ,具有良好的超导性。回答具有良好的超导性。回答下列回答下列回答: :(1)K(1)K3 3C C6060晶体中含有的化学键类型有晶体中含有的化学键类型有_。(2)(2)熔点比较熔点比较:K:K3 3C C6060晶体晶体_C_C6060晶
31、体晶体( (填填“大于大于”“”“等于等于”或或“小于小于”) )。(3)(3)该晶体熔化时能导电吗该晶体熔化时能导电吗?_(?_(填填“能能”或或“不能不能”) )。(4)C(4)C6060分子中碳原子采用分子中碳原子采用_杂化。杂化。【解析解析】除离子键外除离子键外,C,C6060内部为非极性键内部为非极性键, ,离子晶体离子晶体K K3 3C C6060比分子晶体比分子晶体C C6060的熔点的熔点高高, ,该晶体为离子晶体该晶体为离子晶体, ,故熔化时能导电故熔化时能导电,C,C6060中每个碳形成四个键中每个碳形成四个键, ,其中有一个其中有一个为双键为双键, ,故应为故应为spsp2 2杂化。杂化。答案答案: :(1)(1)离子键、非极性键离子键、非极性键(2)(2)大于大于(3)(3)能能(4)sp(4)sp2 2
