(共19张PPT)
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,还有液晶、纳米材料、超分子等其他聚集状态。通过认识不同状态物质的重要应用,认识化学技术与社会之间的相互关系,感知科学态度与社会责任的化学核心素养。
2.知道液晶、纳米材料和超分子的结构与性质的关系。探析物质结构对性质的影响,形成宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
知识铺垫
必备知识
正误判断
1.晶体与非晶体的最大区别在于物质内部的微粒能否按一定规律做周期性重复排列。
2.非晶体的定义是微粒无周期性重复排列的固体物质。
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必备知识
正误判断
一、液晶
定义
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示出类似晶体的
各向异性的物质
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,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
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必备知识
正误判断
【微思考】为什么液晶具有显示功能?
提示:液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列密切相关。在施加电压时,液晶分子能够沿电场方向排列;而在移去电场后,液晶分子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,所以液晶具有显示功能。
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正误判断
二、纳米材料
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。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。因此,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。
富勒烯(C60等球碳)、石墨烯(单层石墨片)和碳纳米管是纳米材料中的“明星”,因其独特性能而具有广阔的应用前景,而且它们的发现与制备过程也妙趣横生。
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正误判断
三、超分子
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是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。
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正误判断
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
1.纳米是一种非晶体。( )
2.纳米材料具有丁达尔效应。( )
3.液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列,使液晶具有各向异性。( )
4.纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分,两部分中原子都排列有序。( )
答案:1.× 2.× 3.√ 4.×
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素养脉络
随堂检测
物质的其他聚集状态比较
问题探究
为什么冠醚是有机反应中很好的催化剂?
提示: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。
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随堂检测
深化拓展
聚集
状态
液晶
纳米材料
超分子
重要
应用
计算机显示器、电子手表、计算器、数字仪表、电视显示屏
化妆品、涂料、食品、化纤布料、隐形飞机、微型机器
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、分子信息存储元件等),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
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素养脉络
随堂检测
素能应用
典例下列关于物质特殊聚集状态结构的叙述中,错误的是( )
A.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
B.超分子内部分子可以通过非共价键结合
C.液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列,使液晶具有各向异性
D.纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分
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素养脉络
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答案:A
解析: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差别,如金的熔点为1
064
℃,但2
nm尺寸金的熔点仅为327
℃左右,A项错误;超分子内部分子可以通过非共价键结合,如氢键、静电作用等,B项正确;液晶内部分子沿分子长轴方向呈现出有序排列,使液晶在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面表现出类似晶体的各向异性,C项正确;由纳米材料的定义知,D项正确。
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变式训练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
答案:D
解析:本题考查液晶的结构和性质。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方向的排列比较整齐,且具有各向异性,但分子的排列是不稳定的,选项A、B错误;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,选项C错误,选项D正确。
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变式训练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
答案:A
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素养脉络
随堂检测
探究
素养脉络
随堂检测
1.(2020山东德州一中高二检测)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
答案:C
解析:SiO2是共价晶体,而干冰是分子晶体,二者结构不相似,故A错误;SiO2耐腐蚀,但可与氢氟酸反应,故B错误;工业上用SiO2与焦炭反应生成一氧化碳和粗硅,故C正确;光纤主要成分是SiO2,晶体硅具有导电性,而二氧化硅不导电,故D错误。
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2.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
答案:C
解析:液晶是物质的一种聚集状态,故C选项错误。
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3.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
)、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
答案:D
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4.下列关于各向异性的描述正确的是( )
A.各向异性是指非晶体没有规则的几何形状
B.各向异性是指非晶体的物理性质与方向的关系
C.各向异性是指非晶体的内部结构与方向有关
D.各向异性是指晶体的物理性质与方向的关系
答案:D
解析:各向异性指晶体在不同的方向上表现出不同的物理性质。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
课后篇素养形成
夯实基础轻松达标
1.电子手表、电子计算器、电脑显示器都运用了液晶材料显示图像和文字。有关其显示原理的叙述中,正确的是
( )
A.施加电场时,液晶分子沿垂直于电场方向排列
B.移去电场后,液晶分子恢复到原来状态
C.施加电场后,液晶分子恢复到原来状态
D.移去电场后,液晶分子沿电场方向排列
答案B
解析液晶的显示原理为施加电场时,液晶分子沿电场方向排列;移去电场后,液晶分子恢复到原来状态。
2.(2020山东淄博实验中学高二检测)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。如将单质铜制成“纳米铜”时,“纳米铜”具有非常强的化学活性,在空气中可以燃烧。下列对“纳米铜”的有关叙述中正确的是( )
A.常温下,“纳米铜”比铜片的金属性强
B.常温下,“纳米铜”比铜片更易失去电子
C.常温下,“纳米铜”与铜片的还原性相同
D.常温下,“纳米铜”比铜片的氧化性强
答案C
解析“纳米铜”因其表面积大,所以化学反应速率大,但基本化学性质没有改变。
3.下列叙述正确的是( )
A.食盐粉末为非晶体
B.液体与晶体混合物叫液晶
C.最大维度处于纳米尺度的材料叫纳米材料
D.晶体具有固定的熔、沸点,而非晶体没有固定熔、沸点
答案D
解析食盐粉末由无数晶体颗粒组成,属于晶体;液晶是一种单独的物质聚集状态,不是液体与晶体的混合物;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。
4.下列说法符合科学性的是( )
A.某厂生产的食盐有益人体健康,它是纳米材料,易吸收、易消化
B.某厂生产的食盐,处于液晶状态,是日常生活中不可缺少的物质,它是非常纯净的非晶体
C.金的熔点为1
064
℃,而制成2
nm尺寸的金的熔点仅为327
℃左右,所以纳米金属于分子晶体
D.液晶在一定温度范围内为液体状态,是一种具有晶体性质的特殊物质,可用于制造显示器
答案D
解析食盐处于晶体状态,而不是处于液晶状态,也不是纳米材料,A、B错误。纳米材料不同于一般的晶体、非晶体,C错误。
5.(2020山东济南历城第二中学高二检测)下列关于物质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.固态中的原子或者分子结合的较紧凑,相对运动较弱
D.液态物质的微粒间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
答案A
解析物质除气、液、固三种聚集状态以外,还有其他的聚集状态,如液晶、纳米材料、超分子。
6.下列关于物质聚集状态应用的描述错误的是( )
A.晶体和非晶体均呈固态
B.晶体合金的硬度和强度均比非晶体合金的硬度和强度高
C.液晶可用于各种显示仪器上
D.化妆品中加入纳米颗粒可使其具备防紫外线的功能
答案B
解析某些非晶体合金的硬度和强度比晶体合金的硬度和强度高。
7.下列关于纳米技术的叙述不正确的是( )
A.将“纳米材料”均匀分散到液体分散剂中可制得液溶胶
B.用纳米级金属颗粒粉剂作催化剂可增大化学反应速率,提高反应物的平衡转化率
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
D.银器能抑菌、杀菌,将纳米银微粒植入内衣织物中,有奇异的抑菌、杀菌效果
答案B
解析纳米材料颗粒的直径在1~100
nm之内,与胶体粒子直径范围相同,A正确;催化剂可增大化学反应的速率,但不能使化学平衡发生移动,B不正确;与块状固体相比,纳米颗粒直径小,表面积大,因而发生化学反应的速率大,所以短时间内可产生更大推动力,C正确;银为重金属,重金属微粒可使蛋白质变性,故有抑菌、杀菌作用,D正确。
提升能力跨越等级
1.液晶广泛用于电子仪表产品等,MBBA是一种研究较多的液晶材料,其化学式为C18H21NO,下列有关说法正确的是( )
A.MBBA属于有机高分子化合物
B.MBBA由碳、氢、氧、氮四种元素组成
C.MBBA中碳、氢、氧、氮的原子个数比为18∶21∶2∶1
D.MBBA中含有一氧化氮分子
答案B
解析A项,有机高分子化合物是由一类相对分子质量很大的分子聚集而成,一般无固定的化学式,错误;B项,此物质由碳、氢、氧、氮四种元素组成,正确;C项,由MBBA的化学式可知,碳、氢、氧、氮的原子个数比为18∶21∶1∶1,错误;D项,MBBA是由C18H21NO分子构成的化合物,不含NO分子,错误。
2.(2020山东东营一中高二检测)2016年诺贝尔化学奖授予在合成分子机器领域做出贡献的三位科学家。分子机器是一种特殊的超分子体系,当体系受到外在刺激(如pH变化、吸收光子、电子得失等)时,分子组分间原有作用被破坏,各组分间发生类似于机械运动的某种热运动。下列说法不正确的是( )
A.驱动分子机器时,需要对体系输入一定的能量
B.分子状态的改变会伴随能量变化,属于化学变化
C.氧化还原反应有可能是刺激分子机器体系的因素之一
D.光照有可能使分子产生类似于机械运动的某种热运动
答案B
解析分子状态的改变没有发生化学变化,故B项错误。
3.21世纪的新领域纳米技术正日益受到各国科学家的关注,请据图回答下列问题:
(1)纳米是 单位,1
nm等于
m。纳米科学与技术是研究结构尺寸在1~100
nm范围内材料的性质与应用。它与 的分散质粒子大小一样。?
(2)世界上最小的马达只有千万分之一个蚊子那么大,如图,这种分子马达将来可用于消除体内垃圾。
①该图是马达分子的 。?
②该分子中含有的组成环的原子是 元素的原子,分子中共有 个该原子。?
答案(1)长度 10-9 胶体
(2)①球棍模型 ②碳 30
解析根据题给信息,分子马达可用于消除体内垃圾,应是含碳物质,再根据图中“”所表示原子的成键特点,进一步确定组成环的原子是碳原子。
4.(1)(CH3)3NH+和[AlCl4]-可形成离子液体。离子液体由阴、阳离子构成,熔点低于100
℃,其挥发性一般比有机溶剂 (填“强”或“弱”),可用作 (填代号)。?
a.助燃剂
b.“绿色”溶剂
c.复合材料
d.绝热材料
(2)在纳米级的空间中,水的结冰温度是怎样的呢?为此,科学家对不同直径碳纳米管中水的结冰温度进行分析。下图是四种不同直径碳纳米管中的冰柱结构及结冰温度,冰柱的大小取决于碳纳米管的直径。水在碳纳米管中结冰的规律是 。?
答案(1)弱 b
(2)碳纳米管直径越大,水的结冰温度越低
解析(1)由(CH3)3NH+和[AlCl4]-形成的离子液体,阴、阳离子间的作用力肯定大于有机溶剂分子间的范德华力,因此其挥发性一般比有机溶剂弱。
(2)由题图可知,随着碳纳米管直径的增大,水的结冰温度依次为27
℃、7
℃、-53
℃、-83
℃,即碳纳米管直径越大,水的结冰温度越低。
贴近生活拓展创新
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。
(1)A和B的单质单位质量放出的热量大,可用作燃料。已知A和B为短周期元素,其原子的第一至第四电离能如下表所示:
I1
I2
I3
I4
A
932
1
821
15
390
21
771
B
738
1
451
7
733
10
540
某同学根据上述信息,推断B的轨道表示式如下图所示:
①该同学所画的轨道表示式违背了 。?
②根据价电子对互斥理论,预测A和氯元素形成的简单分子空间构型为 。?
(2)氢气作为一种清洁能源,必须解决它的储存问题,C60可用作储氢材料。
①已知金刚石中C—C键的键长为154.45
pm,C60中C—C键的键长为140~145
pm,有同学据此认为C60的熔点高于金刚石,你认为是否正确并阐述理由:?
。?
②科学家把C60和K掺杂在一起制造了一种富勒烯化合物,其晶胞如图所示,该物质在低温时是一种超导体。该物质中K原子和C60分子的个数比为 。?
③继C60后,科学家又合成了Si60、N60,C、Si、N原子电负性由大到小的顺序是 。Si60分子中每个硅原子只跟相邻的3个硅原子形成共价键,且每个硅原子最外层都满足8电子稳定结构,则一个Si60分子中π键的数目为 。?
答案(1)①能量最低原理 ②直线形
(2)①不正确,C60的熔点应该低于金刚石。因为C60属于分子晶体,而金刚石是共价晶体 ②3∶1 ③N>C>Si 30
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A为铍,B为镁,镁原子的核外电子排布式为1s22s22p63s2,可见题给轨道表示式的电子排布违反了能量最低原理;②氯化铍分子中铍原子只形成2个共价键,根据价电子对互斥理论,其分子的空间构型应该是直线形。
(2)①C60的熔点应该低于金刚石,因为C60属于分子晶体,分子间只存在范德华力,而金刚石是共价晶体,原子间以牢固的共价键结合。②根据所给晶胞,可以计算出属于该晶胞的K原子数和C60分子数分别为6、2,因此该物质中K原子和C60分子的个数比为3∶1。③根据C、Si、N原子在周期表中的位置关系和周期表中元素电负性的递变规律,可得C、Si、N电负性由大到小的顺序是N>C>Si。由于Si60分子中每个硅原子最外层都满足8电子稳定结构,并且每个硅原子只跟相邻的3个硅原子形成共价键,则每个硅原子跟相邻的3个硅原子必须形成3个σ键和1个π键(即2个共价单键、1个共价双键,共4个键),每个硅原子都与另一个硅原子之间形成1个π键,因此一个Si60分子中共有30个π键。
