3.3 液晶、纳米材料与超分子 课件(共36张PPT)2024-2025学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2
文档属性
| 名称 | 3.3 液晶、纳米材料与超分子 课件(共36张PPT)2024-2025学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2 |  | |
| 格式 | ppt | ||
| 文件大小 | 9.9MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 鲁科版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2025-04-27 14:12:24 | ||
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文档简介
(共36张PPT)
第3章 不同聚集状态的物质与性质
第3节 液晶、纳米材料与超分子
思考：液晶电视屏、电脑显示屏等已在生产生活中普遍应用，碳纳米材料等研发和应用日新月异，绿色植物中含有超分子叶绿素等，液晶、纳米材料与超分子有着怎样的结构和性质呢？
1.认识物质的性质与微观结构的关系，知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体.是普遍存在的。
2.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以获得特殊的材料。
1.能举例说明物质在原子、分子、超分子、聚集状态等不同尺度上的结构特点对物质性质的影响。(宏观辨识与微观探析)
2.能举例说明结构研究对于发现、制备新物质的作用，感受化学研究创新发展的前沿与方向。(科学探究与创新意识)
3.能欣赏物质结构的研究及理论发展对化学学科发展的贡献，形成通过科学研究促进社会发展、造福人类命运共同体的意识。(科学态度与社会责任)
体会课堂探究的乐趣，
汲取新知识的营养，
让我们一起 吧！
进
走
课
堂
联想 质疑
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。除了固态（包含晶体和非晶体）、液态、气态外，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
联想 质疑
一、液晶
1.定义：
随着科学研究的不断深人，人们认识到所谓的固、液、气三态只是对物质存在状态的大致区分。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，当继续加热到某温度才会突然变得清澈透明(图3-3-2)。
在一定的温度范围内既具有液体的可流动性，又具有晶体的各向异性的物质。
资料在线
液晶的发现
液晶的发现最早可追溯到奥地利植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer）在 1888 年的工作。他在研究胆甾醇苯甲酸酯的性质时观察到一个奇妙的现象∶该物质在 145.5 ℃时呈现不透明的浑浊状态，继续加热到178.5℃时才变成透明清亮的液体;将这种液体慢慢冷却，先出现蓝紫色，不久这种蓝紫色便自行消失，再呈现浑浊状，又出现蓝紫色，最后固化为白色晶体。1889 年，德国物理学家莱曼（O.Lehmann）使用他自己设计的偏光显微镜对胆甾醇的酯类化合物进行了研究，发现这类浑浊状态的物质外观上虽然呈液态，但在不同方向上对光的折射率不同，即显示出各向异性晶体所特有的双折射性。于是，莱曼将其命名为"液态晶体"，这就是"液晶"名称的由来。
2.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。如图3-3-3：
3.性质：
在分子长轴的平行方向和垂直方向表现出不同的性质，表现出各向异性。
4.来源：
有天然的，也有人工合成的。
5.用途：
制造液晶显示器，如电子手表、计算器、数字仪表、计算机显示器、电视显示屏等。
6.液晶材料的性能：
1.具有旋光性。
2.驱动电压低、功率小。
二、纳米材料
联想 质疑
纳米材料具有某些与传统材料明显不同的特征，如纳米陶瓷可以具有像金属一样的柔韧性，碳纳米管的强度远超过钢，纳米金居然可以溶于水……为什么纳米材料具有如此神奇的功能
1.结构特点：
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。
2.性质：
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。
3.用途：
纳米材料在光学、声学、电学、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。
纳米材料中的明星
1.富勒烯（C60等球碳）
2.石墨烯（单层石墨片）
3.碳纳米管
碳纳米管是一种管状结构[图3-3-4（a）]，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[图3-3-4（b）]。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。
拓展视野
形态各异的纳米材料
金属及其化合物在不同的纯在形态下具有不同的性质。优良的金属导体在尺寸减小到几纳米时就成了绝缘体，多数金属纳米颗粒在特定尺寸时会呈现为黑色，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。
金是一种具有悠久历史而又不断焕发青春的金属，金的熔点为 1064℃，但2nm 尺寸金的熔点仅为327℃左右。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
液中会呈现出不同的颜色[图3-3-5（b）]。纳米金颗
粒由于可以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。
拓展视野
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[图3-3-6]。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。
拓展视野
纳米技术的应用发展前景
纳米材料的广泛应用促进了纳米技术的发展，而纳米技术的发展将会开创一个崭新的时代。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。化学家有望制造出各种各样纳米尺度的微型机器，可用于消灭传染性微生物、逐个杀死癌细胞、清除血液中的血小板、修复受损细胞、吞噬有害物质、制造原子大小的超级
计算机等。再如，向化妆品中加人纳米颗粒可使化妆品具备防紫外线功能，在化纤布料中加人少量纳米颗粒可使化纤布料防静电，等等。纳米技术于细微处显神奇，已经悄然渗透到人们的衣、食、住、行等领域。
拓展视野
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。随后，他们发现这些金属簇具有与某些原子相似的性质。例如，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，K3O 称为碱金属超原子或超碱金属。一些超原子，如 WC、ZrO，分别具有与贵金属原子 Pt、Pd 相近的性质，可作为重要化工生产催化剂的潜在廉价替代品。超原子概念已经开始用于指导新材料的设计，如（Al13K3O)6，由 Al13和 K3O 形成的一个超原子分子。
拓展视野
三、超分子
联想 质疑
微粒间相互作用都包括哪些类型 它们之间有什么相似和不同之处 这些不同的作用力对物质的性质又有怎样的影响 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
1.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。
2.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。
典型的超分子
1.DNA：
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。DNA如右图所示：
氢键
分子链
2.冠醚：
20世纪80年代，化学家发现了一类被称为冠醚的物质(图3-3-9)。
由于冠醚能与阳离子( 尤其是碱金属阳离子)作用，并且随环的大小不同而与不同的金属离子作用，将阳离子以及对应的阴离子都带人有机溶剂，因而成为有机反应中很好的催化剂。例如，KMnO4水溶液对烯烃的氧化效果较差，在烯烃中溶人冠醚时，冠醚通过与K结合而将MnO4-也携带进人烯烃;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)。这里，冠醚与金属离子的聚集体可以看成是类超分子。
这一应用引发化学家进一步关注分子之间通过空间结构和作用力的协同所产生的某种选择性，从而实现分子识别、分子组装，促进了超分子化学研究的发展。例如，化学家合成出一种分子梭(图3-3-11)。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，通过加人酸和碱， 可以实现分子梭在两个不同状态之间的切换。
3.分子梭：
通过对超分子化学的研究，人们可以模拟生物系统，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物，集成度高、体积小、功能强的分子器件(分子导线、分子开关、分子息存储元件等)，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。
化学与生命
生命体中的超分子体系
尽管超分子不是生命组织，但它在纯粹化学和生命秩序之间形成了过渡，架起认识生命现象、进行超分子仿生、合成超分子药物的桥梁。超分子化学在生命科学领域有着广泛的应用，超分子体系在生命体中扮演着举足轻重的角色。
以植物的光合作用为例，这是人们千百年来持续探寻的谜题，相关的研究表明其作用机理与复杂的超分子体系密切相关。目前科学家已，从叶绿体中分离出两个光系统——光系统Ⅰ和光系统II，光合作用的光化学反应就在这两个光系统中进行。
图 3-3-12 呈现了光系统L的结构，它是镶嵌在细胞膜上的蛋白
质，蛋白质结构内部包裹了若干叶绿素分子。处在上部的四个叶绿素
分子可以收集、 捕获光子，称为天线叶绿素。在天线叶绿素的下方，
有"手掌"相对的两个叶绿素分子，它们是光化学反应的活性中心。
这两个叶绿素分子中吡咯环的部分相互重叠。吡咯环是具有芳香性的
五元环，两者之间的距离很近，从而可以形成π-π分子间作用（芳
环堆积）。这种作用能量比较高，非常不稳定，天线叶绿素将吸收的
光子传递到活性部位，激发出一个大 T 电子，导致辅酶得到电子发
生还原反应，引发光合作用。由此可见，单一的叶绿素不能发生光合作用，发生光合作用要经历一场"团队的战斗"。在这场"战斗"中，正是分子之间的相互作用才使得分子的性质得到充分体现。
液晶
概念
结构
性质
应用
纳米材料
超分子
富勒烯
石墨烯
碳纳米管
DNA
冠醚
1.关于液晶,下列说法中正确的有( )
A.液晶是一种晶体
B.液晶分子的空间排列是稳定的,具有各向异性
C.液晶的性质与温度变化无关
D.液晶的光学性质随外加电压的变化而变化
D
2.纳米材料是最有前途的新型材料之一,世界各国对这一新材料给予了极大的关注。纳米粒子是指直径为1~100 nm的超细粒子(1 nm=10-9 m)。由于表面效应和体积效应,使其常有奇特的光、电、磁、热等性质,可开发为新型功能材料,下列有关纳米粒子的叙述不正确的是( )
A.因纳米粒子半径太小,故不能将其制成胶体
B.一定条件下纳米粒子可催化水的分解
C.一定条件下,纳米TiO2陶瓷可发生任意弯曲,可塑性好
D.纳米粒子半径小,表面活性高
A
3.我国科学家制得了SiO2超分子纳米管,微观结构如图所示。下列叙述正
确的是( )
A.SiO2与干冰的晶体结构相似
B.SiO2耐腐蚀,不与任何酸反应
C.工业上用SiO2制备粗硅
D.光纤主要成分是SiO2,具有导电性
C
4.我国科学家成功合成了3 nm长的管状定向碳纳米管。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1/4)、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
D
5.下列有关液晶的叙述不正确的是( )
A.液晶既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性
B.液晶最重要的用途是制造液晶显示器
C.液晶不是物质的一种 聚集状态
D.液晶分子聚集在一起时，其分子间相互作用很容易受温度、压力和电场的影响
C
6.下列关于物质特殊聚集状态的叙述中，错误的是( )
A.等离子体的基本构成微粒是带电的离子和电子及不带电的分子或原子
B.非晶体基本构成微粒的排列是长程无序和短程有序
C.液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列,使液晶具有各异
D.纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分，两部分的排列都是长程有序
D
7.下列不能看作超分子的是( )
A.两个DNA分子链通过氢键结合在一起
B.细胞膜中的磷脂分子的双层膜结构
C.冠醚与金属离子的聚集体
D.所有以氢键结合在一起的分子
D
勤能补拙是良训，一分辛苦，一分才。
第3章 不同聚集状态的物质与性质
第3节 液晶、纳米材料与超分子
思考：液晶电视屏、电脑显示屏等已在生产生活中普遍应用，碳纳米材料等研发和应用日新月异，绿色植物中含有超分子叶绿素等，液晶、纳米材料与超分子有着怎样的结构和性质呢？
1.认识物质的性质与微观结构的关系，知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合型晶体.是普遍存在的。
2.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以获得特殊的材料。
1.能举例说明物质在原子、分子、超分子、聚集状态等不同尺度上的结构特点对物质性质的影响。(宏观辨识与微观探析)
2.能举例说明结构研究对于发现、制备新物质的作用，感受化学研究创新发展的前沿与方向。(科学探究与创新意识)
3.能欣赏物质结构的研究及理论发展对化学学科发展的贡献，形成通过科学研究促进社会发展、造福人类命运共同体的意识。(科学态度与社会责任)
体会课堂探究的乐趣，
汲取新知识的营养，
让我们一起 吧！
进
走
课
堂
联想 质疑
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。除了固态（包含晶体和非晶体）、液态、气态外，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
联想 质疑
一、液晶
1.定义：
随着科学研究的不断深人，人们认识到所谓的固、液、气三态只是对物质存在状态的大致区分。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，当继续加热到某温度才会突然变得清澈透明(图3-3-2)。
在一定的温度范围内既具有液体的可流动性，又具有晶体的各向异性的物质。
资料在线
液晶的发现
液晶的发现最早可追溯到奥地利植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer）在 1888 年的工作。他在研究胆甾醇苯甲酸酯的性质时观察到一个奇妙的现象∶该物质在 145.5 ℃时呈现不透明的浑浊状态，继续加热到178.5℃时才变成透明清亮的液体;将这种液体慢慢冷却，先出现蓝紫色，不久这种蓝紫色便自行消失，再呈现浑浊状，又出现蓝紫色，最后固化为白色晶体。1889 年，德国物理学家莱曼（O.Lehmann）使用他自己设计的偏光显微镜对胆甾醇的酯类化合物进行了研究，发现这类浑浊状态的物质外观上虽然呈液态，但在不同方向上对光的折射率不同，即显示出各向异性晶体所特有的双折射性。于是，莱曼将其命名为"液态晶体"，这就是"液晶"名称的由来。
2.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。如图3-3-3：
3.性质：
在分子长轴的平行方向和垂直方向表现出不同的性质，表现出各向异性。
4.来源：
有天然的，也有人工合成的。
5.用途：
制造液晶显示器，如电子手表、计算器、数字仪表、计算机显示器、电视显示屏等。
6.液晶材料的性能：
1.具有旋光性。
2.驱动电压低、功率小。
二、纳米材料
联想 质疑
纳米材料具有某些与传统材料明显不同的特征，如纳米陶瓷可以具有像金属一样的柔韧性，碳纳米管的强度远超过钢，纳米金居然可以溶于水……为什么纳米材料具有如此神奇的功能
1.结构特点：
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。
2.性质：
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。
3.用途：
纳米材料在光学、声学、电学、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。
纳米材料中的明星
1.富勒烯（C60等球碳）
2.石墨烯（单层石墨片）
3.碳纳米管
碳纳米管是一种管状结构[图3-3-4（a）]，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[图3-3-4（b）]。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。
拓展视野
形态各异的纳米材料
金属及其化合物在不同的纯在形态下具有不同的性质。优良的金属导体在尺寸减小到几纳米时就成了绝缘体，多数金属纳米颗粒在特定尺寸时会呈现为黑色，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。
金是一种具有悠久历史而又不断焕发青春的金属，金的熔点为 1064℃，但2nm 尺寸金的熔点仅为327℃左右。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
液中会呈现出不同的颜色[图3-3-5（b）]。纳米金颗
粒由于可以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。
拓展视野
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[图3-3-6]。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。
拓展视野
纳米技术的应用发展前景
纳米材料的广泛应用促进了纳米技术的发展，而纳米技术的发展将会开创一个崭新的时代。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。化学家有望制造出各种各样纳米尺度的微型机器，可用于消灭传染性微生物、逐个杀死癌细胞、清除血液中的血小板、修复受损细胞、吞噬有害物质、制造原子大小的超级
计算机等。再如，向化妆品中加人纳米颗粒可使化妆品具备防紫外线功能，在化纤布料中加人少量纳米颗粒可使化纤布料防静电，等等。纳米技术于细微处显神奇，已经悄然渗透到人们的衣、食、住、行等领域。
拓展视野
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。随后，他们发现这些金属簇具有与某些原子相似的性质。例如，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，K3O 称为碱金属超原子或超碱金属。一些超原子，如 WC、ZrO，分别具有与贵金属原子 Pt、Pd 相近的性质，可作为重要化工生产催化剂的潜在廉价替代品。超原子概念已经开始用于指导新材料的设计，如（Al13K3O)6，由 Al13和 K3O 形成的一个超原子分子。
拓展视野
三、超分子
联想 质疑
微粒间相互作用都包括哪些类型 它们之间有什么相似和不同之处 这些不同的作用力对物质的性质又有怎样的影响 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
1.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。
2.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。
典型的超分子
1.DNA：
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。DNA如右图所示：
氢键
分子链
2.冠醚：
20世纪80年代，化学家发现了一类被称为冠醚的物质(图3-3-9)。
由于冠醚能与阳离子( 尤其是碱金属阳离子)作用，并且随环的大小不同而与不同的金属离子作用，将阳离子以及对应的阴离子都带人有机溶剂，因而成为有机反应中很好的催化剂。例如，KMnO4水溶液对烯烃的氧化效果较差，在烯烃中溶人冠醚时，冠醚通过与K结合而将MnO4-也携带进人烯烃;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)。这里，冠醚与金属离子的聚集体可以看成是类超分子。
这一应用引发化学家进一步关注分子之间通过空间结构和作用力的协同所产生的某种选择性，从而实现分子识别、分子组装，促进了超分子化学研究的发展。例如，化学家合成出一种分子梭(图3-3-11)。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，通过加人酸和碱， 可以实现分子梭在两个不同状态之间的切换。
3.分子梭：
通过对超分子化学的研究，人们可以模拟生物系统，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物，集成度高、体积小、功能强的分子器件(分子导线、分子开关、分子息存储元件等)，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。
化学与生命
生命体中的超分子体系
尽管超分子不是生命组织，但它在纯粹化学和生命秩序之间形成了过渡，架起认识生命现象、进行超分子仿生、合成超分子药物的桥梁。超分子化学在生命科学领域有着广泛的应用，超分子体系在生命体中扮演着举足轻重的角色。
以植物的光合作用为例，这是人们千百年来持续探寻的谜题，相关的研究表明其作用机理与复杂的超分子体系密切相关。目前科学家已，从叶绿体中分离出两个光系统——光系统Ⅰ和光系统II，光合作用的光化学反应就在这两个光系统中进行。
图 3-3-12 呈现了光系统L的结构，它是镶嵌在细胞膜上的蛋白
质，蛋白质结构内部包裹了若干叶绿素分子。处在上部的四个叶绿素
分子可以收集、 捕获光子，称为天线叶绿素。在天线叶绿素的下方，
有"手掌"相对的两个叶绿素分子，它们是光化学反应的活性中心。
这两个叶绿素分子中吡咯环的部分相互重叠。吡咯环是具有芳香性的
五元环，两者之间的距离很近，从而可以形成π-π分子间作用（芳
环堆积）。这种作用能量比较高，非常不稳定，天线叶绿素将吸收的
光子传递到活性部位，激发出一个大 T 电子，导致辅酶得到电子发
生还原反应，引发光合作用。由此可见，单一的叶绿素不能发生光合作用，发生光合作用要经历一场"团队的战斗"。在这场"战斗"中，正是分子之间的相互作用才使得分子的性质得到充分体现。
液晶
概念
结构
性质
应用
纳米材料
超分子
富勒烯
石墨烯
碳纳米管
DNA
冠醚
1.关于液晶,下列说法中正确的有( )
A.液晶是一种晶体
B.液晶分子的空间排列是稳定的,具有各向异性
C.液晶的性质与温度变化无关
D.液晶的光学性质随外加电压的变化而变化
D
2.纳米材料是最有前途的新型材料之一,世界各国对这一新材料给予了极大的关注。纳米粒子是指直径为1~100 nm的超细粒子(1 nm=10-9 m)。由于表面效应和体积效应,使其常有奇特的光、电、磁、热等性质,可开发为新型功能材料,下列有关纳米粒子的叙述不正确的是( )
A.因纳米粒子半径太小,故不能将其制成胶体
B.一定条件下纳米粒子可催化水的分解
C.一定条件下,纳米TiO2陶瓷可发生任意弯曲,可塑性好
D.纳米粒子半径小,表面活性高
A
3.我国科学家制得了SiO2超分子纳米管,微观结构如图所示。下列叙述正
确的是( )
A.SiO2与干冰的晶体结构相似
B.SiO2耐腐蚀,不与任何酸反应
C.工业上用SiO2制备粗硅
D.光纤主要成分是SiO2,具有导电性
C
4.我国科学家成功合成了3 nm长的管状定向碳纳米管。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1/4)、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
D
5.下列有关液晶的叙述不正确的是( )
A.液晶既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性
B.液晶最重要的用途是制造液晶显示器
C.液晶不是物质的一种 聚集状态
D.液晶分子聚集在一起时，其分子间相互作用很容易受温度、压力和电场的影响
C
6.下列关于物质特殊聚集状态的叙述中，错误的是( )
A.等离子体的基本构成微粒是带电的离子和电子及不带电的分子或原子
B.非晶体基本构成微粒的排列是长程无序和短程有序
C.液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列,使液晶具有各异
D.纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分，两部分的排列都是长程有序
D
7.下列不能看作超分子的是( )
A.两个DNA分子链通过氢键结合在一起
B.细胞膜中的磷脂分子的双层膜结构
C.冠醚与金属离子的聚集体
D.所有以氢键结合在一起的分子
D
勤能补拙是良训，一分辛苦，一分才。