第3节 液晶、纳米材料与超分子
基础过关练
题组一 液晶的性质与应用
1.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
2.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.液晶是介于液态和固态之间的物质状态
题组二 纳米材料
3.科学家用有机分子和球形笼状分子C60制成了“纳米车”(如图所示),每辆“纳米车”是用一个有机分子和四个球形笼状分子“组装”而成的。下列说法正确的是( )
A.我们可以直接用肉眼清晰地看到这种“纳米车”的运动
B.“纳米车”的诞生,说明人类操纵分子的技术进入一个新阶段
C.“纳米车”是一种分子晶体
D.C60熔点比金刚石熔点高
4.纳米是长度单位,1 nm=1×10-9 m,物质的颗粒达到纳米级时,具有特殊的性质。例如,将单质铜制成“纳米铜”时,具有非常强的化学活性,在空气中可以燃烧。常温下,下列对“纳米铜”的有关叙述中正确的是( )
A.“纳米铜”比铜片的金属性强
B.“纳米铜”比铜片更易失去电子
C.“纳米铜”与铜片的还原性相同
D.“纳米铜”比铜片的氧化性强
5.纳米SiO2为无定形(非晶态)白色粉末,具有颗粒尺寸小、微孔多、比表面积大、对紫外线反射能力强等特点。下列关于纳米SiO2的说法正确的是( )
A.对光有各向异性
B.熔点与晶体SiO2相同
C.与SiO2晶体互为同分异构体
D.可用X射线衍射实验区分纳米SiO2与晶体SiO2
题组三 超分子
6.冠醚是一类皇冠状的分子,可有不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子。18-冠-6可以通过图示方法制备。下列说法错误的是( )
A.18-冠-6分子中C、O都采用sp3杂化
B.18-冠-6可以适配任意碱金属离子
C.冠醚的空穴结构对离子有选择作用,在有机反应中可作催化剂
D.制取方法中(1)为取代反应,另一种产物为HCl
7.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所示。下列说法错误的是( )
A.该流程体现了超分子具有“分子识别”的特征
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
8.(易错题)不同空腔尺寸的葫芦[n](n=5,6,7,8……)脲可以通过形成超分子从气体或溶液中识别不同分子并选择性吸附,对位取代的苯的衍生物恰好可以进入葫芦[6]脲(结构如图所示)的空腔。下列说法正确的是( )
A.葫芦脲可以吸附进入空腔的所有分子
B.可以使用红外光谱测定葫芦[n]脲中n的大小
C.葫芦[6]脲形成的超分子中存在分子内氢键
D.可分离间甲基苯甲酸和对甲基苯甲酸,体现了超分子“分子识别”的功能
9.冠醚能与碱金属离子结合(如图所示),是有机反应很好的催化剂,如能加快KMnO4与环己烯的反应速率。
用结合常数表示冠醚与碱金属离子的结合能力,结合常数越大,两者结合能力越强。
碱金属离子 结合常数 冠醚 Na+(直径:204 pm) K+(直径:276 pm)
冠醚A(空腔直径: 260~320 pm) 199 1 183
冠醚B(空腔直径: 170~220 pm) 371 312
下列说法不正确的是( )
A.由上表可推测结合常数的大小与碱金属离子直径、冠醚空腔直径有关
B.如图所示的实验中c(Na+):①>②>③
C.冠醚通过与K+结合将Mn携带进入有机相,从而加快反应速率
D.为加快KMnO4与环己烯的反应速率,选择冠醚A比冠醚B更合适
10.冠醚是由多个二元醇分子之间失水形成的环状化合物。X、Y、Z是常见的三种冠醚,其结构如图所示。它们能与碱金属离子作用,并且随着环的大小不同而与不同的金属离子作用。
(1)Li+与X的空腔大小相近,恰好能进入X的环内,且Li+与氧原子的一对孤电子对作用形成稳定结构W(如图)。基态锂离子核外能量最高的电子所处电子层符号为 。
(2)冠醚Y能与K+形成稳定结构,但不能与Li+形成稳定结构。理由是 。
(3)烯烃难溶于水,被KMnO4水溶液氧化的效果较差。若将烯烃溶入冠醚Z,氧化效果明显提升。水分子中中心原子的杂化轨道的空间结构是 ,H—O键间的键角 (填“>”“<”或“=”)109°28'。
答案与分层梯度式解析
第3节 液晶、纳米材料与超分子
基础过关练
1.C 液晶是介于液态和晶态之间的一种聚集状态。
2.D 根据题给信息可知该液晶同时具有各向异性和弹性,A正确;液晶弹性体在外界刺激下,其相态或分子结构会产生变化,则这种液晶弹性体机器人可以采用热、光、电、磁等进行驱动,B正确;撤去外界刺激后,液晶弹性体可以恢复到原来的形状,则该液晶弹性体具有形状记忆功能,C正确;液晶是介于液态和晶态之间的物质状态,不是介于液态和固态之间的状态,D错误。
3.B “纳米车”是肉眼看不见的,A错误;“纳米车”的诞生,说明人类操纵分子的技术进入一个新阶段,B正确;“纳米车”只是几个分子的“组装”体,并非晶体,C错误;C60属于分子晶体,熔点比金刚石低得多,D错误。
4.C “纳米铜”和铜片的基本化学性质相同。
5.D 纳米SiO2为无定形白色粉末,不是晶体,对光没有各向异性,故A错误;纳米SiO2不是晶体,晶体SiO2是共价晶体,二者熔点不相同,故B错误;具有相同的分子式而结构不同的化合物互为同分异构体,SiO2只是化学式,SiO2晶体中没有分子,故C错误;纳米SiO2不是晶体,晶体SiO2是共价晶体,可用X射线衍射实验区分纳米SiO2与晶体SiO2,故D正确。
6.B 18-冠-6分子中,C、O的价电子对数都为4,都采用sp3杂化,A正确;由题干信息“不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子”可知,18-冠-6只能适配相应大小的碱金属离子,B错误;由题干信息可知,冠醚的空穴结构对离子有选择作用,在有机反应中可作催化剂,C正确;制取方法(1)中,生成18-冠-6的同时,还有HCl生成,为取代反应,D正确。
7.C 利用杯酚分离C60和C70体现了超分子具有“分子识别”的特征,A项正确;杯酚分子中含有苯环结构,存在大π键,B项正确;杯酚与C60形成的不是氢键,C项错误;金刚石为共价晶体,C60为分子晶体,二者晶体类型不同,D项正确。
8.D 不同空腔尺寸的葫芦[n](n=5,6,7,8……)脲可以通过形成超分子从气体或溶液中识别不同分子并选择性吸附,A错误;红外光谱可以用来研究分子的结构和化学键,无法测定葫芦[n]脲中n的大小,B错误;葫芦[6]脲形成的超分子中,N、O均不与H相连,因而不能形成分子内氢键,C错误;对位取代的苯的衍生物恰好可以进入葫芦[6]脲的空腔,可分离间甲基苯甲酸和对甲基苯甲酸,体现了超分子“分子识别”的功能,D正确。
9.B 由表格中的信息可知,同一碱金属离子与空腔直径大小不同的冠醚结合时其结合常数不同,同一冠醚与不同碱金属离子结合时其结合常数不同,因此可推测结合常数的大小与碱金属离子直径、冠醚空腔直径有关,A正确;冠醚A与K+的结合常数大,结合能力强,因此加入KCl固体后,与冠醚A结合的Na+被K+替代,Na+被释放,溶液中c(Na+):③>②,B错误;冠醚通过与K+结合将Mn携带进入有机相,增大Mn与环己烯的接触面积,从而加快反应速率,C正确;K+与冠醚A的结合常数大于冠醚B,则选择冠醚A比冠醚B更合适,D正确。
10.答案 (1)K (2)Li+的半径比Y的空腔小得多,不易与Y的空腔内氧原子的孤电子对作用 (3)四面体形 <
解析 (1)锂离子核外只有2个电子,在1s能级上,电子层符号为K。(3)水分子中氧原子的价电子对数为4,采用sp3杂化,则中心O原子的杂化轨道的空间结构为四面体形。水分子中氧原子含有2对孤电子对,孤电子对之间的排斥力大于成键电子对与孤电子对之间的排斥力,所以水分子中H—O键间的键角小于109°28'。
2(共21张PPT)
必备知识 清单破
知识点 1 液晶
第3节 液晶、纳米材料与超分子
1.定义
有一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,人们形象地称这类物质为液态晶体,简称液晶。
2.性质及原因
液晶的宏观性质像晶体一样表现出各向异性,是因为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。
3.液晶的应用
液晶最重要的用途是制造液晶显示器,这种显示器在电子手表、计算器、数字仪表、计算机
显示器、电视显示屏等器材中得到广泛应用。
液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列有关。所选取的液晶材料在没有外加电场时,液晶分子呈逐层扭转的螺旋形排列;在施加电压时,分子变成沿电场方向排列;而在移去电场之
后,又恢复到原来的状态。由此,在存在或撤去电场的两种不同条件下,材料的旋光性能发生
变化,从而达到控制显示的目的。
1.组成
纳米材料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
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。
3.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。正是由于纳米材料的颗
粒很小和处于界面的原子所占比例较高,使得纳米材料在光学、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。
4.应用
用于化妆品、涂料、化纤布料、隐形飞机等。
知识点 2 纳米材料
5.“明星”纳米材料
(1)富勒烯(C60等球碳)、石墨烯(单层石墨片)和碳纳米管。
(2)碳纳米管
①结构:管状结构,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”
(如图)。
②特点:纤维长、强度高、韧性高。
③性能:具有特殊的电学、热学、光学、储氢等性能。
1.定义
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.超分子内部分子之间的作用力
超分子内部分子之间通过非共价键结合,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。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。
知识点 3 超分子
不同大小的冠醚可以“夹带”不同的金属离子
(1)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入有机溶剂,因而成为有机反应中很好的催化剂。
如高锰酸钾水溶液对烯烃的氧化效果较差,在烯烃中溶入冠醚时,氧化反应能够迅速发生。
(2)冠醚与金属离子的聚集体可以看成是一类超分子。
3.冠醚
知识拓展 超分子是组成复杂的、有组织的聚集体,并保持一定的完整性使其具有明确的微
观结构和宏观特性。已报道的超分子大环主体分子有冠醚、环糊精、杯吡咯、杯咔唑、瓜
环葫芦脲、柱芳烃等。
4.重要特征
(1)分子识别。
(2)分子组装。
5.超分子的未来发展
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,如新型催化剂、新型药物、分子器件、生物传感器等。
知识辨析
1.液晶是一种晶体,这种说法正确吗
2.液晶的光学性质随外加电压的变化而变化,这种说法正确吗
3.金的常规熔点约为1 064 ℃,而制成2 nm的金的熔点约为327 ℃,所以纳米金属于分子晶体,
这种说法正确吗
4.超分子的性质与组成超分子的单个分子的性质相同,这种说法正确吗
5.超分子内部的分子间一般通过共价键或分子间作用力结合成聚集体,这种说法正确吗
6.纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分,两部分都是有序的,这种说法正确吗
一语破的
1.不正确。液晶在一定的温度范围内既具有液体的可流动性,在宏观性质方面又表现出类似
晶体的各向异性。
2.正确。温度、压力、电场等因素变化时,都会改变液晶的光学性质。
3.不正确。纳米材料不同于一般的晶体,纳米金不属于分子晶体。
4.不正确。超分子能表现出不同于单个分子的性质。
5.不正确。超分子内部的分子间通过非共价键结合成聚集体。
6.不正确。通常纳米颗粒内部具有晶状结构,原子排列有序,而界面为无序结构。
情境探究
素养 证据推理与模型认知——晶胞参数在晶体计算中的应用
学科素养 情境破
1.晶胞参数
晶胞的形状和大小可以用6个参数来表示,包括晶胞的棱长a、b、c和棱相互间的夹角α、β、γ,此即晶胞参数。
2.晶胞密度的计算方法
问题1 晶胞参数中,是否存在晶胞的3组棱长相等,三个夹角相等的情况 如果存在,晶胞的形
状是什么
提示 存在;立方晶胞中,晶胞参数a=b=c,α=β=γ=90°。
问题2 某晶胞结构如图所示,原子的半径为r,立方体的边长为2r,试列式求算该晶胞的空间
利用率。
提示 该晶胞中含有的原子数为8× =1,V球= πr3,V晶胞=(2r)3=8r3,空间利用率= ×100%=
×100%≈52%。
问题3 近期我国科学家合成了一种电化学性能优异的铜硒化合物,其晶胞结构如图所示,其
中铜元素以Cu+和Cu2+存在。试列式求算该晶体的密度。(用代数式表示,Cu的相对原子质量
为64,Se的相对原子质量为79,设NA为阿伏加德罗常数的值)
提示 由晶胞结构示意图知,该铜硒化合物中Cu的数目为8× +2× +4=6,Se的数目为4,该晶
体的密度ρ= = g/cm3= g/cm3。
典例呈现
例题 现有第4周期某过渡金属元素A,其基态原子中有4个未成对电子,由此元素可构成晶
体X。
(1)若此晶体结构如图甲、乙所示,则按甲虚线方向切乙得到的截面A~D图中正确的是
。
(2)晶体X中原子的半径为r,试列式求算该晶胞的空间利用率为 。
(3)A可与另两种元素B、C构成某种化合物,B、C的价电子排布分别为3d104s1、3s23p4,其晶胞
如图所示,则其化学式为 。该晶胞上、下底面为正方形,侧面与底面垂直,根据图中
所示的数据计算该晶体的密度d= g·cm-3(保留两位小数)。
素养解读 本题以元素A及其相关化合物为情境素材,考查晶体的相关计算,提升学生学以致
用的能力,培养证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
信息提取 第4周期某元素基态原子中有4个未成对电子,该元素是铁元素;Fe晶胞的结构如
图1所示,几何关系如图2所示:
解题思路 (1)根据题干信息可知元素A为Fe。甲中Fe位于顶点和体心,乙由8个甲组成,按甲
虚线方向切乙形成的截面是长方形,则排除B、D,由于甲的体心含有1个Fe原子,则A图符合
题意。(2)图2中,体对角线的长度c为4r,面对角线的长度b为 a,由(4r)2=a2+b2得a= r。1个
晶胞中有2个原子,故空间利用率= ×100%= ×100%= ×100%≈68%。(3)根
据B、C的价电子排布可判断B为Cu、C为S。该晶胞中,Fe原子有6个位于面上、4个位于棱
上,个数为4× +6× =4,Cu原子有4个位于面上、1个位于体内、8个位于顶点,个数为8× +4× +1=4,S原子数为8。晶体中N(Cu)∶N(Fe)∶N(S)=4∶4∶8=1∶1∶2,故该晶体的化学式为
CuFeS2。晶胞质量= ,晶胞体积=(524×10-10 cm)2×1 030×10-10 cm,故该
晶体的密度d= ≈4.32 g·cm-3。
答案 (1)A (2)68% (3)CuFeS2 4.32
思维升华
晶体的摩尔质量M g·mol-1、密度ρ g·cm-3、晶胞边长a cm之间的关系
若1个晶胞中含有x个粒子,则1 mol该晶胞中含有x mol粒子,其质量为xM g;根据质量=密度×
体积计算该晶胞的质量为ρa3 g,则1 mol晶胞的质量为ρa3NA g(NA为阿伏加德罗常数的值),因此有xM=ρa3NA。
