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第三章 晶体结构与性质
第四节 配合物与超分子
3.4.2　超分子
氢键是最强的分子间相互作用，很多分子可以通过氢键相互结合，形成具有固定组成的一个分子簇，这就是所谓的超分子。
核酸的双螺旋结构是靠氢键来保持的
生命体中超分子体系：
叶绿体中的光系统I蛋白
一、概念:
由两种或两种以上的分子(包括离子)通过分子间相互作用形成的分子聚集体。
二、 微粒间作用力
主要是静电作用、范德华力、氢键、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。
注意：超分子定义中的分子是广义的，包括离子。
——非共价键
超分子
有人则将其限于分子间作用力
三、大小
有的是有限的 有的是无限伸展的
超分子这种分子聚集体，有的是有限的，有的是无限伸展的。
(1)“杯酚”分离 C60 和 C70
C60
C70
这个例子反映出来的超分子的特性被称为“分子识别”。
四、超分子的特征
杯酚与C60通过范德华力相结合，通过尺寸匹配实现分子识别
1.分子识别：
(2)“冠醚”识别碱金属离子
①冠醚定义：分子中含有多个-氧-亚甲基(CH2)-结构单元的大环多醚。
15-冠-5
②冠醚名称的含义
12-冠-4
C 原子：8 O 原子：4
环上总原子数：8 + 4 = 12
C 原子：10 O 原子：5
环上总原子数：10 + 5 = 15
1.分子识别：
冠醚 冠醚空腔直径/pm 适合的粒子（直径/pm）
12-冠-4 15-冠-5 18-冠-6 21-冠-7 120～150 170～220 260～320 340～430 Li+（152）
Na+（204）
Rb+（304）
Cs+（334）
思考： K+ 直径为276 pm，应该选择哪种冠醚呢？
③冠醚特点：是皇冠状的分子，有不同大小的空穴，能与阳离子，尤其是碱金属离子络合，并随环的大小不同而与不同的金属离子络合，利用此性质可以识别碱金属离子,从而实现选择性结合。
(2)“冠醚”识别碱金属离子
1.分子识别：
18-冠-6
(2)“冠醚”识别碱金属离子
1.分子识别：
思考：冠醚靠什么原子吸引阳离子？
C 原子是环的骨架，稳定了整个冠醚，
O 原子吸引阳离子。
冠醚与金属阳离子通过配位作用相结合形成超分子
冠醚环的大小与金属离子匹配，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。
应用举例：相转移催化剂
问题背景：
高锰酸钾溶液可以氧化甲苯，从而褪色。
但是高锰酸钾易溶于水，难溶于甲苯，难以和甲苯充分接触。
甲苯
K+
MnO4
④冠醚识别碱金属离子的应用
溶有18-冠-6的甲苯与高锰酸钾水溶液反应
甲苯中 冠醚的浓度 褪色时间
30 g/L 5 min不褪色
60 g/L 5 min明显褪色
120 g/L 4.5 min明显褪色
甲苯
K+
MnO4—
MnO4—
水层
KMnO4水溶液对烯烃氧化效果差，
在烯烃中加入冠醚时，冠醚通过与K+结合而将高锰酸根也带入烯烃中；而冠醚不与高锰酸根结合，使游离的高锰酸根反应活性很高，从而快速发生反应。
1.冠醚与碱金属离子之间的配位键属于离子键、共价键、氢键还是分子间作用力？
提示　共价键。
2.冠醚与碱金属离子形成配合物得到的晶体里还有什么粒子，这类晶体是离子晶体、共价晶体还是分子晶体？
提示　阴离子，离子晶体。
深度思考
“杯酚”与冠醚形成的超分子，虽然识别的分子、离子不同，但环状结构异曲同工，且尺寸可控。
1987年，诺贝尔化学奖授予三位化学家，以表彰他们在超分子化学理论方面的开创性工作，这是人类在操控分子方面迈出的重要一步。
超分子方面的诺贝尔奖
资料卡片
2.自组装
四、超分子的特征
超分子组装的过程称为分子自组装，自组装过程是使超分子产生高度有序的过程。
细胞膜的组成
细胞和细胞器的双分子膜
细胞膜两侧为水溶液，水是极性分子，而构成膜的两性分子的头基是极性基团而尾基是非极性基团。头基为亲水基团，头部会朝向水溶液一侧，从而实现自组装。
P54
超分子的自组装示例1
表面活性剂
“两亲分子”：一端为亲水基团，另一端为疏水基团
低浓度时，优先在溶液表面形成单分子层
高浓度时，在溶液中形成胶束
超分子的自组装示例2
2020年，我国博士后王振元：潜心创新，成
功开发出超分子生物催化技术，打破了国外
巨头在化妆品高端原料市场的垄断地位。
超分子的未来发展：通过对超分子研究，
人们可以模拟生物系统，复制出一些新材料，
如：新催化剂、新药物、分子器件、生物传感器等功能材料。
【超分子化学】
含义：研究超分子的化学叫超分子化学，是一门处于近代化学、材料化学和生命科学交汇点的新兴学科。
应用：在分子识别与人工酶、酶的功能、短肽和环核酸的组装体及其功能等领域有着广阔的应用前景。
资料卡片
由于相邻碳原子平面之间相隔较远，电子不能从一个平面跳跃到另一个平面。
石墨结构中未参与杂化的p轨道
层中每个碳原子均剩余一个未参与杂化的含1个电子的p轨道,所有的p轨道相互平行而且相互重叠，使p轨道中的电子可在整个层平面中运动。
因此石墨有类似金属晶体的导电性
所以石墨的导电性只能沿石墨平面方向。
【思考3】石墨为何可导电？从结构上做出解释。
石墨中无双键
30
【思考】1mol石墨中有多少mol双键？
【思考】1mol足球烯中有多少mol双键？
有金属键的性质
范德华力
层内碳原子之间
未参与杂化的轨道上的电子可在层内运动
层与层碳原子之间
共价键
石墨
石墨晶体内既有共价键，又有类似金属键的非定域键，还有范德华力，因此称为混合型晶体，兼具共价晶体、分子晶体和金属晶体的特征。
资料卡片：硅酸盐
硅酸盐是地壳岩石的主要成分。硅酸盐的阴离子结构丰富多样，既有有限数目的硅氧四面体构建的简单阴离子，如SiO44－、Si2O76－、(SiO3)612－（六元环）等，
单链
双链
也有以硅氧四面体为结构单元构成一维、二维、三维无限伸展的共价键骨架。
金属离子填充在部分骨架之间的空隙以平衡电荷，阴阳离子间以离子键相结合。部分Si被Al取代则得到铝硅酸盐。
资料卡片：纳米晶体
纳米晶体是晶体颗粒尺寸在纳米（10－9 m）量级的晶体。纳米晶体相对于通常的晶体，在声、光、电、磁、热等性能上常会呈现新的特性，有广阔的应用前景。仅以熔点为例，当晶体颗粒小至纳米量级，熔点会下降。
金属铅的晶粒大小与熔点的关系如下表所示：
r/nm 5 10 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
T/K 34.7 144 294 420 473 502 520 533 542 549 554 559
【思考1】从金属铅的晶粒大小与熔点的关系图和表中，能得出什么结论？
金属铅的晶粒大小与熔点的关系
50
100
150
200
200
400
600
0
T/K
r/nm
晶体颗粒小于200nm时，晶粒越小，金属铅的熔点越低。因此，我们通常说纯物质有固定的熔点，但当纯物质晶体的颗粒小于200nm(或者250nm)时，其熔点会发生变化
主要原因是晶体的表面积增大。
【思考2】纳米晶体为什么会有不同于大块晶体的特性呢
资料卡片：纳米晶体
1、判断正误
(1)超分子的性质与组成超分子的单个分子的性质相同。( )
(2)超分子是相对分子质量很大的有机化合物。(　　)
(3)超分子内部分子可以通过非共价键结合。(　　)
√ 　　
×
×
2、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
D
对点训练

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