选必二 第3章第3节 液晶、纳米材料与超分子导学案
【课标分析】
知道在一定条件下，物质的聚集状态随构成物质的微粒种类、微粒间相互作用、微粒聚集程度的不同而有所不同。
知道物质的聚集状态会影响物质的性质，通过改变物质的聚集状态可能获得特殊的材料。
【教学目标】
1. 通过观察、实验、案例分析、讨论等多种教学方法，使学生全面了解液晶、纳米材料与超分子的基本概念、结构特点、基本性质及制备方法，
2. 培养学生的观察能力、实验操作技能、自主学习能力和创新思维，以及运用所学知识解决实际问题的能力。
【评价目标】
知道物质除有三种基本的聚集状态外，还有其他聚集状态。
知道液晶、纳米材料和超分子的概念及结构与性质的关系。
【教学重难点】
重点：
液晶的性质与应用、纳米材料的特性及其在现实生活中的应用、超分子的概念及在材料科学中的应用。
难点：
液晶、纳米材料和超分子的识别和理解，特别是超分子内部分子之间通过非共价键结合的方式。
【教法与学法】
以问题探究式为主，多媒体为辅，探究实验相结合，充分引导学生主动学习，逐步完成知识上的思维进阶。
【教学准备】
1.硬件资源：实验室设备（如显微镜、烧杯、试管等）、投影仪、白板等，用于实验操作和展示教学内容。
2.软件资源：化学教学资源库、学校教学管理系统等，提供相关的视频、动画、图片等多媒体教学资源，以直观的方式展示液晶、纳米材料和超分子的结构和性质。
3.教学材料：液晶、纳米材料与超分子的相关学术论文、文章、实验报告等，供教师备课和学生深入学习使用。
【教学过程】
（一）活动导入
互动问答：教师提问，学生分享日常生活中见到的液晶显示屏幕及其观察经历。
展示与引导：教师展示相关图片，引导学生思考背后的科学原理，引出主题。
（二）新知探索
分组学习：学生分为液晶组、纳米材料组、超分子组，每组发放学习材料和实验器材。
互动讨论：（三组）
液晶组：讨论液晶的基本概念、分子排列方式及其在显示器中的应用。
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__________。
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____________________。
纳米材料组：探讨纳米材料的特性、制备方法及其在各个领域的应用。
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。
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。
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”。
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。
超分子组：了解超分子的概念、结构特点和识别方法，及其在材料科学和生物科学中的应用。
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。
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。
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MnO结合，使游离或裸露的MnO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。
教师引导：教师巡回指导，解答疑问，引导学生深入思考。
（三）互动评价
教师提问，引导学生深入思考。
学生互评和自评，指出优点和不足，提出改进建议。
（四）课堂总结与拓展
课堂总结：
回顾学习内容，强调重点。强调这些材料在现实生活中的应用和重要性。
拓展延伸：
介绍相关在线课程、教学视频、科普文章等。
鼓励学生关注科技前沿，了解未来发展趋势。(共19张PPT)
选必2第3章第3节
液晶、纳米材料与超分子
第3节 液晶、纳米材料与超分子
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。
核心素养
发展目标
液晶
一
液晶组
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
__________。
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。
纳米材料
二
纳米材料组
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。
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。
晶状
无序
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”。
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。
碳纳米管
绝缘体
黑
磁性液体
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
超分子
三
超分子组
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。
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。
两个或多个
特定结构和功能
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 结合，使游离或裸露的
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＋
(2)通过加入酸和碱，实现分子梭在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。选必2第2章第3节液晶、纳米材料与超分子
教学设计
【教学思路】本节课旨在通过问题探究式的教学方法，结合多媒体辅助和实验操作，引导学生深入了解液晶、纳米材料与超分子的基本概念、结构特点、基本性质及制备方法。通过学生的主动学习和讨论，培养他们的观察能力、实验操作技能、自主学习能力和创新思维，以及运用所学知识解决实际问题的能力。
教学环节 驱动问题与任务 教师活动 学生活动 设计意图
明确任务 明确液晶、纳米材料与超分子的基本概念及重要性； 了解液晶的性质与应用、纳米材料的特性及其应用、超分子的概念及在材料科学中的应用； 3. 能够识别并理解液晶、纳米材料和超分子的基本结构和性质。 展示日常生活中液晶显示屏幕的图片，提问学生关于液晶显示屏幕的观察经历和科学原理。 分享观察经历，思考背后的科学原理，引出主题 激发学生兴趣，明确学习目标。
活动探究 分组实验与讨论：1. 液晶组：讨论液晶的基本概念、分子排列方式及其在显示器中的应用； 2.纳米材料组：探讨纳米材料的特性、制备方法及其在各个领域的应用； 3. 超分子组：了解超分子的概念、结构特点和识别方法，及其在材料科学和生物科学中的应用。 发放学习材料和实验器材，巡回指导，解答疑问。 学生分组学习，进行实验，讨论并记录结果。 培养学生实验操作技能、自主学习能力和团队协作精神。
互动评价 【互动评价】 引导学生互评和自评，指出优点和不足，提出改进建议。 学生互评和自评，回答问题，提出自己的见解和疑问。 培养学生的自我评价能力和批判性思维，提升课堂互动效果。
课堂小结 【课堂小结】 回顾本节课所学内容； 强调液晶、纳米材料和超分子在现实生活中的应用和重要性； 3. 介绍相关在线课程、教学视频、科普文章等拓展资源。 学生听讲，记录总结内容，思考未来学习方向。 巩固所学知识，激发学生持续学习的兴趣和动力。选必2第3章第3节液晶、纳米材料与超分子
课时作业设计
【基础题组】
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
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
3．(2023·孝感市质检)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
4．下列关于纳米材料基本构成微粒的叙述中，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
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
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
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
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
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
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
【创新题组】
11．（2024湖北高考真题）科学家合成了一种如图所示的纳米“分子客车”，能装载多种稠环芳香烃。三种芳烃与“分子客车”的结合常数(值越大越稳定)见表。下列说法错误的是
芳烃 芘 并四苯 蒄
结构
结合常数 385 3764 176000
A．芳烃与“分子客车”可通过分子间相互作用形成超分子
B．并四苯直立装载与平躺装载的稳定性基本相同
C．从分子大小适配看“分子客车”可装载2个芘
D．芳烃π电子数越多越有利于和“分子客车”的结合
选必2第3章第3节液晶、纳米材料与超分子
课时作业 参考答案
1．A [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。]
2．C
3．D [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。]
4．B [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．D [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．A [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．D
8．A [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．B [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．D [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．B [A．“分子客车”能装载多种稠环芳香烃，故芳烃与“分子客车”通过分子间作用力形成分子聚集体——超分子，A项正确；B．“分子客车”的长为2.2nm、高为0.7nm，从长的方向观察，有与并四苯分子适配的结构，从高的方向观察则缺少合适结构，故平躺装载的稳定性大于直立装载的稳定性，B项错误；C．芘与“分子客车”中中间部分结构大小适配，故从分子大小适配看“分子客车”可装载2个芘，C项正确；D．芘、并四苯、蒄中碳原子都采取sp2杂化，π电子数依次为16、18、24，π电子数逐渐增多，与“分子客车”的结合常数逐渐增大，而结合常数越大越稳定，故芳烃π电子数越多越有利于和“分子客车”结合，D项正确；]
