化学人教版（2019）选择性必修2 3.4.2超分子（共42张ppt）
文档属性
| 名称 | 化学人教版（2019）选择性必修2 3.4.2超分子（共42张ppt） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 122.6MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-01-12 10:40:14 | ||
图片预览
文档简介
(共42张PPT)
化学潜伏在暗处，我现在身上穿的全跟化学有关，但是它隐藏的很深，你看不到。这就是关键问题，化学并不凸显，但是它一直在那儿。
法国化学家让·玛丽·莱恩（Jean Marie Lehn）
配离子 [Cu(NH3)4]2＋ [Zn(CN)4]2－ [AlF6]3－ [Fe(CN)6]4－
中心离子符号
中心离子电荷数
配位体
配位数
看谁做得既准又快
在1987年，由于合成了穴状配体，唐纳德·克拉姆（Donald Cram）让·玛丽·莱恩和查尔斯·佩德森（Charles Pedersen）共享了诺贝尔化学奖。
超分子
1987年诺贝尔化学奖授予了超分子化学研究方面的三位科学家
克拉姆(美国)
佩德森(美国)
莱恩(法国)
概 述
A
概念
作用力
大小
两 特 征
B
分子识别
自组装
学习目标
法国化学家让·玛丽·莱恩（Jean Marie Lehn）在获奖演说中曾为超分子化学作了如下解释：
超分子化学是研究两种以上的化学物种通过分子间力相互作用缔结而成的具有特定和功能的超分子体系的科学。
超分子长什么样子？
是如何形成的？
核酸的双螺旋结构是靠氢键来保持的
这就是所谓的超分子
分子通过氢键相互结合，形成具有固定组成的一个分子簇。
资料在线
认识“杯酚”
分离 C60 和 C70
超分子
概 概述
1
1
定义
两种或两种以上的分子（包括离子）通过分子间相互作用形成的分子聚集体
2
粒子间作用力—
非共价键
范德华力 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
有的是有限的
有的是无限伸展的
概 概述
1
1
定义
两种或两种以上的分子（包括离子）通过分子间相互作用形成的分子聚集体
2
粒子间作用力—
非共价键
范德华力 氢键 静电作用
3
大小
有限的或无限伸展的
超分子有何特征及应用？
分离 C60 和 C70
C70
C60
超分子
C60
C70
C70
C60
甲苯
过滤
甲苯
超分子
C60
滤液
滤渣
氯仿
滤液
氯仿
滤渣
这个例子反映出来的超分子的特性被称为“分子识别”。
特征与应用
2
分子识别
分离 C60 和 C70
交流讨论
如何分离C70和甲苯？
如何分离杯酚和氯仿？
C70易溶于甲苯，杯酚不溶于甲苯？
杯酚易溶于氯仿，C60不溶于氯仿？
蒸馏
相似相溶
化合物2与LiCl的晶体结构（左）及 化合物3与LiCl的晶体结构（右）
锂元素回收方法最新探索
——利用超分子相互作用从固体、液体中提取锂
离子受体的结构式
化合物2能容纳LiCl、NaCl、KCl及CsCl分子，
而化合物3则只能容纳LiCl分子。
在过去20年里，全世界对锂的需求呈爆炸性增长，这主要是因为锂元素在锂离子电池等现代材料中扮演者不可或缺的角色。然而，地球上锂元素的含量是有限的。有学者预测，以现有的趋势消耗下去，锂元素的供给平衡将在2023年被打破，到时便会出现全球性的锂短缺现象。与锂元素消耗的趋势相比，锂资源的回收则显得微不足道。据统计，每年回收的锂还不到消耗的1%。
观察与思考
冠
醚
是分子中含有多个“氧-亚甲基”-结构单元的大环多醚
皇冠状的分子
资料在线
冠醚
命名方法
12-冠-4
15-冠-5
C 原子：2×5＝10 O 原子：5
10 + 5＝15
O 原子：5
把环上所含C、O原子的总数标注在“冠”字之前，把其中所含氧原子数标注在“冠”之后。
观察与思考
冠醚有不同大小的空穴，能与阳离子，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。
冠醚的空穴结构对离子有选择作用
冠醚靠什么原子吸引阳离子？
思考﹒ 讨论
C 原子是环的骨架，稳定了整个冠醚
O原子吸引阳离子
冠醚 冠醚空腔直径/pm 合适的粒子（直径/pm）
12-冠-4 120～150 Li+（152）
15-冠-5 170～220 Na+（204）
18-冠-6 260～320 K+（276）
Rb+（304）
21-冠-7 340～430 Cs+（334）
感受﹒ 理解
碱金属离子或大或小，猜想冠醚是如何识别它们的？
K+直径为276 pm，应该选择哪种冠醚呢？
冠醚环的大小与金属离子匹配，才能识别
冠醚 适合的粒子（直径/pm）
12-冠-4 15-冠-5 18-冠-6 21-冠-7 Li+
Na+
K+
Rb+
Cs+
冠醚与金属阳离子通过配位作用相结合，不同大小的冠醚可以识别不同大小的碱金属离子。
K+
相转移催化剂
问题背景：
高锰酸钾溶液可以氧化甲苯，从而褪色。
但是高锰酸钾溶解在水中，难溶于甲苯，难以和甲苯充分接触。
探究﹒ 拓展
冠醚环的大小与金属离子匹配，将阳离子以及对应的阴离子(MnO4－)都带入有机溶剂，使游离的高锰酸根反应活性很高，从而快速发生反应。
MnO4－
KMnO4 ＋
甲苯中冠醚的浓度 褪色时间
30 g/L 5 min不褪色
60 g/L 5 min明显褪色
120 g/L 4.5 min明显褪色
溶有18-冠-6的甲苯与高锰酸钾水溶液反应
K+ MnO4－
甲苯
MnO4－
特征与应用
2
分子识别
分离 C60 和 C70
冠醚识别碱金属离子
通过可控自组装构筑超分子
超分子组装的过程称为分子自组装（Molecular self-assembly)
自组装过程（Self-organization)是使超分子产生高度有序的过程。
特征与应用
2
分子识别
分离 C60 和 C70
冠醚识别碱金属离子
分子自组装
操作规范否
自组装
2016年索瓦日、斯托达特、费林加，因其在分子机器方面的贡献获得超分子领域的第二次诺贝尔化学奖
2020年，我国博士后王振元：
潜心创新，成功开发出超分子生物
催化技术，打破了国外巨头在化妆
品高端原料市场的垄断地位。
【工匠精神】
通过对超分子研究，人们可以模拟生物系统，复制出一些新材料，如：新催化剂、新药物、分子器件、生物传感器等功能材料。
超分子的未来发展
这节课我学到了什么？
（用一句话表示）
还有什么疑问？
课堂小结
课堂小结
超分子
超分子
概念
两种或两种以上的分子（包括离子）通过分子间相互作用形成的分子聚集体
作用力
范德华力 氢键 静电作用
大小
有限的或无限伸展的
特征
分子识别
自组装
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。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．杯酚与C60形成氢键
D．C60与金刚石晶体类型不同
小试身手
科学家发现“杯酚”能与C60形成超分子，从而识别C60和C60 ，下列 说法正确的是
A．“杯酚”中的8个羟基之间能形成氢键
B．“杯酚”与C60之间通过共价键形成超分子
C．溶剂氯仿和甲苯均为极性分子
D．“杯酚”不能与C70形成包合物是由于C70是非极性分子
考考你自己
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）Mo处于第五周期第ⅥB族，价电子排布与Cr相似，它的基态价电子排布式是 ；核外未成对电子数是 个。
（2）该超分子中存在的化学键类型有 。
A. σ键 B. π键 C. 离子键 D. 氢键
（3）该超分子中配体CO提供孤电子对的原子是 (填元素符号)，p-甲酸丁酯吡啶配体中C原子的杂化方式有 。
p-甲酸丁酯吡啶配体
sp2和sp3
超分子简介_化学自习室（没有学不到的高中化学知识！） ()
看谁做得既准又快
4d55s1
6
AB
C
化学潜伏在暗处，我现在身上穿的全跟化学有关，但是它隐藏的很深，你看不到。这就是关键问题，化学并不凸显，但是它一直在那儿。
法国化学家让·玛丽·莱恩（Jean Marie Lehn）
配离子 [Cu(NH3)4]2＋ [Zn(CN)4]2－ [AlF6]3－ [Fe(CN)6]4－
中心离子符号
中心离子电荷数
配位体
配位数
看谁做得既准又快
在1987年，由于合成了穴状配体，唐纳德·克拉姆（Donald Cram）让·玛丽·莱恩和查尔斯·佩德森（Charles Pedersen）共享了诺贝尔化学奖。
超分子
1987年诺贝尔化学奖授予了超分子化学研究方面的三位科学家
克拉姆(美国)
佩德森(美国)
莱恩(法国)
概 述
A
概念
作用力
大小
两 特 征
B
分子识别
自组装
学习目标
法国化学家让·玛丽·莱恩（Jean Marie Lehn）在获奖演说中曾为超分子化学作了如下解释：
超分子化学是研究两种以上的化学物种通过分子间力相互作用缔结而成的具有特定和功能的超分子体系的科学。
超分子长什么样子？
是如何形成的？
核酸的双螺旋结构是靠氢键来保持的
这就是所谓的超分子
分子通过氢键相互结合，形成具有固定组成的一个分子簇。
资料在线
认识“杯酚”
分离 C60 和 C70
超分子
概 概述
1
1
定义
两种或两种以上的分子（包括离子）通过分子间相互作用形成的分子聚集体
2
粒子间作用力—
非共价键
范德华力 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
有的是有限的
有的是无限伸展的
概 概述
1
1
定义
两种或两种以上的分子（包括离子）通过分子间相互作用形成的分子聚集体
2
粒子间作用力—
非共价键
范德华力 氢键 静电作用
3
大小
有限的或无限伸展的
超分子有何特征及应用？
分离 C60 和 C70
C70
C60
超分子
C60
C70
C70
C60
甲苯
过滤
甲苯
超分子
C60
滤液
滤渣
氯仿
滤液
氯仿
滤渣
这个例子反映出来的超分子的特性被称为“分子识别”。
特征与应用
2
分子识别
分离 C60 和 C70
交流讨论
如何分离C70和甲苯？
如何分离杯酚和氯仿？
C70易溶于甲苯，杯酚不溶于甲苯？
杯酚易溶于氯仿，C60不溶于氯仿？
蒸馏
相似相溶
化合物2与LiCl的晶体结构（左）及 化合物3与LiCl的晶体结构（右）
锂元素回收方法最新探索
——利用超分子相互作用从固体、液体中提取锂
离子受体的结构式
化合物2能容纳LiCl、NaCl、KCl及CsCl分子，
而化合物3则只能容纳LiCl分子。
在过去20年里，全世界对锂的需求呈爆炸性增长，这主要是因为锂元素在锂离子电池等现代材料中扮演者不可或缺的角色。然而，地球上锂元素的含量是有限的。有学者预测，以现有的趋势消耗下去，锂元素的供给平衡将在2023年被打破，到时便会出现全球性的锂短缺现象。与锂元素消耗的趋势相比，锂资源的回收则显得微不足道。据统计，每年回收的锂还不到消耗的1%。
观察与思考
冠
醚
是分子中含有多个“氧-亚甲基”-结构单元的大环多醚
皇冠状的分子
资料在线
冠醚
命名方法
12-冠-4
15-冠-5
C 原子：2×5＝10 O 原子：5
10 + 5＝15
O 原子：5
把环上所含C、O原子的总数标注在“冠”字之前，把其中所含氧原子数标注在“冠”之后。
观察与思考
冠醚有不同大小的空穴，能与阳离子，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。
冠醚的空穴结构对离子有选择作用
冠醚靠什么原子吸引阳离子？
思考﹒ 讨论
C 原子是环的骨架，稳定了整个冠醚
O原子吸引阳离子
冠醚 冠醚空腔直径/pm 合适的粒子（直径/pm）
12-冠-4 120～150 Li+（152）
15-冠-5 170～220 Na+（204）
18-冠-6 260～320 K+（276）
Rb+（304）
21-冠-7 340～430 Cs+（334）
感受﹒ 理解
碱金属离子或大或小，猜想冠醚是如何识别它们的？
K+直径为276 pm，应该选择哪种冠醚呢？
冠醚环的大小与金属离子匹配，才能识别
冠醚 适合的粒子（直径/pm）
12-冠-4 15-冠-5 18-冠-6 21-冠-7 Li+
Na+
K+
Rb+
Cs+
冠醚与金属阳离子通过配位作用相结合，不同大小的冠醚可以识别不同大小的碱金属离子。
K+
相转移催化剂
问题背景：
高锰酸钾溶液可以氧化甲苯，从而褪色。
但是高锰酸钾溶解在水中，难溶于甲苯，难以和甲苯充分接触。
探究﹒ 拓展
冠醚环的大小与金属离子匹配，将阳离子以及对应的阴离子(MnO4－)都带入有机溶剂，使游离的高锰酸根反应活性很高，从而快速发生反应。
MnO4－
KMnO4 ＋
甲苯中冠醚的浓度 褪色时间
30 g/L 5 min不褪色
60 g/L 5 min明显褪色
120 g/L 4.5 min明显褪色
溶有18-冠-6的甲苯与高锰酸钾水溶液反应
K+ MnO4－
甲苯
MnO4－
特征与应用
2
分子识别
分离 C60 和 C70
冠醚识别碱金属离子
通过可控自组装构筑超分子
超分子组装的过程称为分子自组装（Molecular self-assembly)
自组装过程（Self-organization)是使超分子产生高度有序的过程。
特征与应用
2
分子识别
分离 C60 和 C70
冠醚识别碱金属离子
分子自组装
操作规范否
自组装
2016年索瓦日、斯托达特、费林加，因其在分子机器方面的贡献获得超分子领域的第二次诺贝尔化学奖
2020年，我国博士后王振元：
潜心创新，成功开发出超分子生物
催化技术，打破了国外巨头在化妆
品高端原料市场的垄断地位。
【工匠精神】
通过对超分子研究，人们可以模拟生物系统，复制出一些新材料，如：新催化剂、新药物、分子器件、生物传感器等功能材料。
超分子的未来发展
这节课我学到了什么？
（用一句话表示）
还有什么疑问？
课堂小结
课堂小结
超分子
超分子
概念
两种或两种以上的分子（包括离子）通过分子间相互作用形成的分子聚集体
作用力
范德华力 氢键 静电作用
大小
有限的或无限伸展的
特征
分子识别
自组装
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。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．杯酚与C60形成氢键
D．C60与金刚石晶体类型不同
小试身手
科学家发现“杯酚”能与C60形成超分子，从而识别C60和C60 ，下列 说法正确的是
A．“杯酚”中的8个羟基之间能形成氢键
B．“杯酚”与C60之间通过共价键形成超分子
C．溶剂氯仿和甲苯均为极性分子
D．“杯酚”不能与C70形成包合物是由于C70是非极性分子
考考你自己
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）Mo处于第五周期第ⅥB族，价电子排布与Cr相似，它的基态价电子排布式是 ；核外未成对电子数是 个。
（2）该超分子中存在的化学键类型有 。
A. σ键 B. π键 C. 离子键 D. 氢键
（3）该超分子中配体CO提供孤电子对的原子是 (填元素符号)，p-甲酸丁酯吡啶配体中C原子的杂化方式有 。
p-甲酸丁酯吡啶配体
sp2和sp3
超分子简介_化学自习室（没有学不到的高中化学知识！） ()
看谁做得既准又快
4d55s1
6
AB
C