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3.3 液晶、纳米材料与超分子
【学习目标】
1.了解液晶结构特点和用途。
2.了解纳米材料性质和用途。
3.了解超分子结构、性质与用途。　
【自主预习】
1.非晶体
(1)定义
内部　　　　的排列呈相对无序的分布状态的固体。
(2)非晶体和晶体的区别
晶体 非晶体
内部微粒排列 原子在三维空间里呈周期性有序排列 原子排列　　　
性质 有对称性、各向异性、自范性 　　　　对称性、各向异性、自范性
2.液晶
(1)定义
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　　　　的物质。
(2)结构特点
液晶内部分子的排列沿分子　　　　呈现出有序的排列,使液晶在　　　　、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。
3.纳米材料
(1)定义
三维空间尺寸至少有　　　　处于纳米尺度的、具有特定功能的材料。
(2)结构特点
a.纳米材料由纳米颗粒和　　　　　　　两部分组成。纳米颗粒内部具有　　　　,界面则为无序结构。
b.组成粒子为原子排列成纳米量级的　　　　。
4.等离子体
定义 由大量　　　　微粒(离子、电子)和　　　　微粒(原子或分子)所组成的物质聚集体
形成 随着温度的升高,构成物质的分子或原子的　　　　加剧,分子或原子之间相互碰撞不仅可能使分子分解为原子或原子团,甚至会把它们中的　　　　撞击出来,使物质含有大量的　　　　
特点 (1)等离子体中正、负电荷数大致　　　　,总体看来呈　　　　 (2)等离子体中的微粒带有　　　　　,而且能　　　　,所以等离子体具有良好的　　　　
5.超分子
(1)超分子定义
超分子是由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。
(2)超分子两个特征——分子识别、分子组装
【参考答案】1.原子　相对无序　无
2.各向异性　长轴方向　折射率
3.一维　颗粒间的界面　晶状结构　原子团
4.带电　中性　热运动　电子　带电微粒　相等　准电中性　电荷　自由运动　导电性
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)固态、液态、气态是三种最常见的物质聚集状态。 (　　)
(2)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。 (　　)
(3)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。 (　　)
(4)液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列密切相关。 (　　)
(5)在施加电压时,液晶分子能够沿电场方向排列,而移去电场后,液晶分子又恢复到原来的状态,所以液晶具有显示功能。 (　　)
(6)含有多种分子的混合物就是超分子。 (　　)
(7)超分子不仅能与分子结合,也可结合某些离子。 (　　)
【答案】(1)√　(2)√　(3)√　(4)√　(5)√　(6)×　(7)√
2.不同冠醚识别不同的碱金属离子,可能由哪些因素决定
【答案】冠醚空腔大小与碱金属离子大小匹配。
3.高锰酸钾溶液氧化乙烯反应较慢,加入适当冠醚,会提高反应速率,简述原理。
【答案】冠醚能识别钾离子,不能识别高锰酸根离子,冠醚溶于烯烃,将高锰酸根离子带入烯烃,裸露的高锰酸根离子活性增大,反应速率增大。
【合作探究】
任务1　液晶
情境导入　北京冬奥会开幕式运用的创新高新技术带来了视觉盛宴,展现出了中华文化的魅力和浪漫。而实现视觉盛宴的是世界最大的LED三维立体舞台,完美呈现裸眼3D效果。舞台应用的LED液晶显示屏总面积接近15000平方米,LED舞台呈现了从二十四节气倒计时、黄河之水天上来、冰立方逐渐破碎到晶莹剔透的冰雪五环等精彩画面,通过LED显示屏与光影完美融合,书写中国式的浪漫。
问题生成
1.有同学认为:“液晶内部沿分子长轴方向呈有序排列,因此液晶也属晶体”。这个观点对吗 说出你的判断理由。
【答案】不对,液晶内部是沿分子长轴方向呈有序排列,但晶体是三维有序的,因此液晶不属于晶体。
2.为什么液晶具有显示功能
【答案】液晶的显示功能与液晶材料内部分子的有序排列有关,在施加电场时,液晶分子能够沿电场方向有序排列,而在移去电场后,液晶分子又恢复到原来的状态,所以液晶具有显示功能。
3.液晶有哪些用途
【答案】液晶显示器,合成高强度液晶纤维已广泛应用于飞机、火箭、坦克、舰船、防弹衣、防弹头盔等。
【核心归纳】
物质的聚集状态
固、液、气三态是对物质聚集状态的大致区分,更具体的还有晶体、非晶体、液晶、塑晶和等离子体等聚集状态。
聚集状态 组成与结构特征 主要性能
非晶体 内部微粒的排列呈现杂乱无章(长程无序,短程有序)的分布状态的固体 某些非晶体合金强度和硬度高、耐腐蚀性强,非晶态硅对光的吸收系数大
等离子体 由电子、阳离子和电中性粒子组成,整体上呈电中性,含有带电粒子且能自由移动 具有良好的导电性和流动性
液晶 内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列 既具有液体的流动性、黏度、形变性,又具有晶体的导热性、光学性质等
【典型例题】
【例1】1925年贝尔德在英国首次成功装配世界第一台电视机。短短几十年时间,电视机经历了从黑白到彩色,从手动到遥控,从平板电视机到液晶电视机的发展历程。下列关于液晶的叙述中,错误的是(　　)。
A.液晶是物质的一种聚集状态
B.液晶具有流动性
C.液晶和液态是物质的同一种聚集状态
D.液晶具有各向异性
【答案】C
【解析】液晶是介于液态和晶态之间的一种特殊的聚集状态,A项正确、C项错误;液晶是液态晶体的简称,既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性,B、D两项正确。
思维引导　解答有关物质聚集状态的思维流程
【例2】液晶广泛用于电子仪表等产品中,MBBA是一种液晶材料,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、氮的原子个数之比为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的,且无固定的化学式,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、氮的原子个数之比为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。
任务2　纳米材料
情境导入　纳米材料具有与传统材料明显不同的特征,如纳米陶瓷具有金属一样的柔韧性,碳纳米管的强度远超过钢,纳米金可以溶于水……为什么纳米材料有如此神奇的功能
问题生成
1.纳米材料有哪些结构特征
【答案】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.为什么纳米材料在声、光、电、磁、化学反应等方面表现出特异性能
【答案】因为组成纳米材料的晶状颗粒内部的有序原子和晶粒界面的无序原子各约占原子总数的50%,使纳米材料的粒子细化和界面原子比例较高,从而使纳米材料有独特的性质。
【核心归纳】
纳米材料的性能与用途
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。
【典型例题】
【例3】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(1 nm=10-9 m)的超细粒子。由于表面效应和体积效应,纳米粒子常有奇特的光、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
【解析】根据纳米粒子大小,判断出其分散质粒子大小刚好处在胶体分散质大小的范围内。
【例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。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】因“纳米铜”表面积大,所以化学反应速率增大,但基本化学性质没有变。
任务3　超分子
情境导入　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。这里,冠醚与金属离子的聚集体可以看成是一类超分子。
问题生成
1.结合下表数据和冠醚的空腔直径,你可以得出哪些结论
　　【答案】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。
2.请你列举冠醚在识别碱金属离子方面的具体应用。
【答案】不同大小的冠醚可以识别不同大小的碱金属离子,如:
【核心归纳】
超分子的特性与特征
1.特性
(1)分子间相互作用: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。
(2)分子聚集体大小:分子聚集体有的是有限的,有的是无限伸展的。
2.特征:分子识别和自组装。
【典型例题】
【例5】下列关于超分子的叙述中正确的是(　　)。
A.超分子就是高分子
B.超分子都是无限伸展的
C.形成超分子的微粒都是分子
D.超分子具有分子识别和自组装的特征
【答案】D
【解析】超分子是由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体。超分子有的是高分子,有的不是,A项错误;超分子这种分子聚集体有的是无限伸展的,有的是有限的,B项错误;形成超分子的微粒也包括离子,C项错误;超分子的特征是分子识别和自组装,D项正确。
【例6】冠醚(皇冠状分子)因具有分子识别能力,成为超分子化学中重要一员。18-冠-6 是其中的一种,结构如图。下列说法正确的是(　　)。
A.该分子是CH3OCH3的同系物
B.该分子中所有原子可能共平面
C.该分子含有σ键、极性键、非极性键
D.该有机物的最简式与甲醛的分子式相同
　　【答案】C
【解析】同系物是指结构相似,分子式相差1个或n个CH2的物质,18-冠-6与CH3OCH3结构不相似,所以不是同系物,A项错误;该分子中碳原子具有甲烷的结构特点,所以该分子中所有原子不可能共平面,B项错误;该分子含有共价单键,所以含有σ键,而且分子中含有C—C键、C—H键,所以还含有极性键、非极性键,C项正确;该有机物的分子式为C12H24O6,最简式为C2H2O,与甲醛的分子式CH2O不相同,D项错误。
【例7】利用分子间作用力形成超分子进行“分子识别”,实现分子分离,是超分子化学的重要研究和应用领域。用“杯酚”对C60和C70进行分离的过程如图。下列对该过程的说法错误的是(　　)。
A.C70能溶于甲苯,C60不溶于甲苯
B.C60能与“杯酚”形成超分子
C.C70不能与“杯酚”形成超分子
D.“杯酚”能够循环使用
【答案】A
【解析】由图可知,C60能够与“杯酚”通过分子间作用力形成超分子,而C70不能,C60与“杯酚”形成的超分子不能溶于甲苯,但不能证明C60是否能溶于甲苯,A项错误,B、C两项正确;通过溶剂氯仿的作用,破坏“杯酚”与C60形成的超分子,可实现将C60与“杯酚”分离,且“杯酚”能够循环使用,D项正确。
【随堂检测】
1.美国科学家用某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”是由一个有机分子和4个C60分子构成,直径为6~9纳米。“纳米车”可以用来运输单个的有机分子。下列说法正确的是(　　)。
A.人们用肉眼可以清晰看到“纳米车”的运动
B.在合适的分散剂中形成的分散系是胶体
C.C60是一种新型的化合物
D.C60与12C是同位素
【答案】B
【解析】“纳米车”的直径为6~9纳米,肉眼不可见,故A项错误;分散质粒径在1~100 nm之间的分散系为胶体,故B项正确;C60是一种单质,故C项错误;同位素是同种元素的不同核素,而C60是一种单质,故D项错误。
2.下列有关超分子的说法正确的是(　　)。
A.超分子是如蛋白质一样的大分子
B.超分子是由小分子通过聚合得到的高分子
C.超分子是由高分子通过非化学键作用形成的分子聚集体
D.超分子是由两个或两个以上分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体
【答案】D
【解析】超分子不同于蛋白质、淀粉等大分子,也不是由小分子通过聚合得到的高分子,超分子是由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,综上所述,D项正确。
3.关于液晶,下列说法正确的是(　　)。
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.液晶的化学性质与温度变化无关
D.液晶的光学性质随外加电场的变化而变化
【答案】D
【解析】液晶在一定温度范围内存在,既具有液体的可流动性,又表现出类似晶体的各向异性,但它不是晶体,A项错误;虽然液晶分子沿特定方向的排列比较有序,但分子的空间排列是不稳定的,B项错误;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,如温度、外加电场等因素变化时,都会改变液晶的光学性质,C项错误;液晶的光学性质随外加电场的变化而变化,D项正确。
4.材料改变着我们的生活,下列有关材料的说法符合科学性的是(　　)。
A.某厂生产的食盐有益于人体健康,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
C.金的常规熔点为1064 ℃,但2 nm尺寸金的熔点仅为327 ℃左右,所以纳米金属于分子晶体
D.液晶是一种具有晶体性质的特殊物质,可用于制造液晶显示器
【答案】D
【解析】食盐易溶于水,易被吸收,不是纳米材料,故A项错误;食盐通常处于晶体状态,而不是处于液晶状态,故B项错误;纳米材料不同于一般的晶体、非晶体,故C项错误;液晶是一种具有晶体性质的特殊物质,可用于制造液晶显示器,故D项正确。
5.下列关于各向异性的描述中正确的是(　　)。
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。
6.电子表、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。
7.请用物质的特殊聚集状态填空:
(1)　　　　中正、负电荷大致相等,总体看来呈准电中性,但此物质具有很好的导电性。
(2)　　既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性。
(3)　　　　无固定的熔沸点。
(4)　　　　具有良好的物理、化学特性,完全不同于微米或毫米量级的材料。
【答案】等离子体　液晶　非晶体　纳米材料
【解析】(1)等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成,其正、负电荷大致相等,总体看来呈准电中性,但此物质具有很好的导电性。(2)某些物质在熔融状态或被溶剂溶解之后,尽管失去固态物质的刚性,却获得了液体的易流动性,并保留着部分晶态物质分子的各向异性有序排列,形成一种兼有晶体和液体的部分性质的中间态,这种由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体称为液晶。(3)非晶体是指组成物质的分子(或原子、离子)不呈空间有规则周期性排列的固体。它没有一定规则的外形,如玻璃、松香、石蜡、塑料等。它的物理性质在各个方向上是相同的,叫“各向同性”,它没有固定的熔点。(4)纳米级结构材料简称为纳米材料,是指其结构单元的尺寸介于1~100纳米,具有良好的物理、化学特性,完全不同于微米或毫米量级的材料。
8.纳米技术日益受到各国科学家的关注。请回答下列问题:
(1)纳米是　　　　单位,1纳米等于　　　　米。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　　　　分散系中分散质的粒子大小一样。
(2)世界上最小的马达是分子马达,只有千万分之一个蚊子那么大,如图所示,这种分子马达将来可用于消除体内垃圾。
该图是这种分子马达的　　　　(填序号)。
a.结构式
b.晶胞
c.比例模型(或填充模型)
d.球棍模型
【答案】(1)长度　10-9　胶体
(2)d
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