新教材2023年高中化学第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导学案鲁科版选择性必修2

第3节　液晶、纳米材料与超分子

液晶

1．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．液晶的宏观性质像晶体一样表现出各向异性。液晶内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列，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．液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列密切相关，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。

纳米材料

1．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，而界面为无序结构。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。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。纳米陶瓷不仅保留了陶瓷硬度高、强度高的特点，其韧性和可加工性也显著增强，甚至具有金属一样的柔韧性。

2.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”。碳纳米管是一种管状结构，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”，被称为“超级纤维”，它还具有特殊的电学、热学、光学、储氢等性能。

超分子

1．若两个或多个分子相互“结合”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。

3．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。例如，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，冠醚通过与K＋结合而将MnO也携带进入烯烃；冠醚不与MnO结合，使游离或裸露的MnO反应活性很高，从而使氧化反应能够迅速发生。冠醚与金属离子的聚集体可以看成是一类超分子。

4．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。

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)在一定的温度范围内既具有液体的可流动性，又表现类似晶体的各向异性，人们形象的称这类物质为液态晶体，简称液晶。(　　)

(2)液晶的宏观性质像晶体一样表现各向异性，故而液晶属于晶体。(　　)

(3)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)富勒烯(C60等球碳)、石墨烯(单层石墨片)和碳纳米管都是纳米材料。(　　)

(5)若两个或多个分子相互“结合”在一起形成具有特定结构和功能的聚集体，称为超分子。(　　)

(6)超分子内部分子之间通过共价键相结合。(　　)

答案　(1)√　(2)×　(3)√　(4)√　(5)√　(6)×

解析　(2)液晶像晶体一样表现各向异性，但不是晶体。

(6)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。

2．下列有关液晶的说法，错误的是(　　)

A．液晶具有流动性

B．液晶具有各向异性

C．液晶的分子排列整齐且很稳定

D．液晶分子的特定方向排列整齐

答案　C

解析　液晶分子在某个方向排列有序但不稳定。

3．下列关于纳米材料的叙述中正确的是(　　)

A．包括纳米颗粒和颗粒间界面两部分

B．纳米材料属于晶体

C．纳米材料属于非晶体

D．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

答案　A

解析　组成纳米材料的晶状颗粒内部的有序原子与晶粒界面的无序原子形成与晶体、非晶体均不同的一种新的结构状态；同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体性质差别很大，如金的常规熔点为1064 ℃，但2 nm尺寸的金的熔点仅为327 ℃左右。

4．通过对超分子化学的研究，人们可以(　　)

①模拟生物系统　②在分子水平上进行分子设计　③组装高效专业的新型催化剂　④组装有效的新型药物　⑤组装集成度高、体积小的分子器件

A．①②③  B．③④⑤

C．②③④  D．①②③④⑤

答案　D

解析　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、体积小的分子器件，生物传感器以及很多具有光、电、磁、声、热等特性的功能材料。故选D。

探究　液晶　纳米材料　超分子

1．你知道显示屏上的图像是用什么方法显示出来的吗？

提示：液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列有关，施加电压时，液晶分子能够沿电场方向有序排列，而移去电场后，液晶分子又恢复到原来的状态。

2．纳米材料为什么在光、电、磁、化学反应等方面表现出特异功能？

提示：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，使纳米材料表现出特异功能。

一、液晶

1．定义

在一定的温度范围内既具有液体的可流动性，又具有晶体的各向异性的物质。

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，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。

二、纳米材料

1．定义

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．结构特点

纳米颗粒内部具有晶状结构，界面则为无序结构。

三、超分子

1．定义

两个或多个分子相互“组合”在一起形成具有特定功能和结构的聚集体。

2．结构特点

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。

晶体与非晶体必须是固体，二者本质的区别是物质内部的微粒能否有序地规则排列。

1．下列有关液晶的叙述中不正确的是(　　)

A．具有液体的流动性、晶体的各向异性

B．用来制造液晶显示器

C．不是物质的一种聚集状态

D．液晶分子聚集在一起时，其分子间的相互作用很容易受温度、压力和电场的影响

答案　C

解析　由液晶的定义可知，液晶是物质的一种聚集状态，C错误。这种在一定温度范围内既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性的物质称为液态晶体，简称液晶，所以A正确；液晶分子聚集在一起时，其分子间的相互作用很容易受温度、压力和电场的影响，这是液晶的性质，也可以用来解释为什么可以用液晶来做液晶显示器，所以B、D都正确。

2．纳米材料是21世纪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，其常有奇特的光、电、磁、热等性质，可开发为新型功能材料。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　根据纳米粒子的大小，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，因此我们要结合胶体知识，并紧密联系题干中的有关知识进行分析、讨论。

(1)液晶在一定范围内既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性。是因为其内部分子沿分子长轴方向呈现出有序排列。

(2)纳米材料微粒直径在1～100 nm之间。

本课小结

液晶、纳米材料、超分子的比较

课时作业

一、选择题(本题共7小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．关于液晶的下列说法中正确的是(　　)

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压的变化而变化

答案　D

解析　液晶的微观结构介于晶体和液体之间，A错误；虽然液晶分子在特定方向上的排列比较整齐，且具有各向异性，但液晶分子的排列是不稳定的，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，C错误；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，D正确。

2．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．施加电压时，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的状态

C．施加电压时，液晶分子恢复到原来的状态

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压时，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的状态，B正确。

3．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，下列有关说法中正确的是(　　)

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　有机高分子化合物是由分子聚合而成的一类相对分子质量很大的物质，且无固定的化学式，A错误；MBBA物质由碳、氢、氧、氮四种元素组成，B正确；由MBBA的化学式可知，其分子中碳、氢、氧、氮的原子个数比为18∶21∶1∶1，C错误；MBBA是由C18H21NO分子构成的化合物，D错误。

4．关于纳米材料，下列说法正确的是(　　)

①纳米材料可大大提高材料的强度和硬度　②纳米材料可提高材料的磁性　③纳米材料能制作高贮存密度的量子磁盘　④纳米机器人“医生”能进入人体杀死癌细胞

A．①②③④  B．②③④

C．①②③  D．①③④

答案　A

解析　纳米材料的性能包括提高材料的强度、硬度，改变颜色、增强磁性等。利用纳米技术制造出的纳米“机器人”能进入人体杀死癌细胞，制作的量子磁盘能做高密度的磁记录。

5．纳米材料是当今材料科学研究的前沿，其研究成果广泛应用于催化及军事科学中。将纳米材料分散到液体分散剂中，所得混合物可能具有的性质是(　　)

A．能全部透过半透膜

B．有丁达尔效应

C．所得液体不可以全部透过滤纸

D．所得物质一定是溶液

答案　B

解析　纳米材料微粒直径范围和胶体微粒的直径大小一致，故其可能具备胶体的性质，B正确。

6．下列关于液晶的说法正确的是(　　)

A．液晶是液体和晶体的混合物

B．液晶是一种晶体

C．液晶分子在特定条件下排列比较整齐，但不稳定

D．所有物质在一定条件下都能成为液晶

答案　C

解析　液晶是指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一类特殊的物质，它既不同于晶体又不同于非晶体，在特定条件如外加电场作用下排列整齐，一旦取消电场又恢复原状，所以液晶不稳定。不是所有的物质都能成为液晶。

7．我国科学家已成功合成了一种碳纤维(3 nm长的管状纳米管)，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．碳纤维复合材料不易导电

答案　D

解析　纳米材料具有独特的性能。由于碳纤维的强度高、刚度高、密度小，故它是制造飞机的理想材料；碳纤维复合材料的主要组成元素是碳，但由于合成的是纳米级材料，碳原子最外层有4个电子，也可以有类似于石墨晶体的结构，存在自由电子，故可以导电。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

8．下列关于纳米材料的叙述错误的是(　　)

A．将纳米材料均匀分散到液体分散剂中可制得溶液

B．用纳米级金属颗粒粉剂做催化剂可加快反应速率，提高反应物的平衡转化率

C．将纳米颗粒粉剂制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　AB

解析　纳米材料均匀分散到液体中得到胶体，A错误；催化剂可加快化学反应的速率，但不能使化学平衡发生移动，B错误。

9．纳米材料的表面粒子数占总粒子数的比例极大，这是它具有许多特殊性质的原因。假设某纳米颗粒的大小和形状恰好与某晶体晶胞的大小和形状(如图)相同，则这种纳米颗粒的表面粒子数占总粒子数的百分数约为(　　)

A．87.5%  B．88.9%

C．96.3%  D．100%

答案　B

解析　这种纳米颗粒的表面粒子数占总粒子数的百分数约为×100%≈88.9%。

10．下列属于纳米材料的是(　　)

A．富勒烯  B．石墨烯

C．液晶  D．超分子

答案　AB

解析　富勒烯、石墨烯、碳纳米管是典型的纳米材料。

11．下列不属于超分子内部分子之间的相互作用的是(　　)

A．氢键  B．静电作用

C．共价键  D．疏水作用

答案　C

解析　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、疏水作用等。

三、非选择题(本题共3小题)

12．纳米材料是指在1 nm到100 nm尺寸的材料，这种材料由于尺寸很小，因而具有许多与传统材料截然不同的性质，例如通常的金属材料大多是银白色光泽的，而纳米金属材料却是黑色的。据推测，纳米材料和纳米技术会引起生产和日常生活各方面的革命性的变化，是21世纪新技术发展的前沿。请回答下列问题：

(1)1纳米(1 nm)是________。

A．1×10－7 m  B．1×10－8 m

C．1×10－9 m  D．1×10－10 m

(2)原子的直径处于下列哪一种数量级________。

A．1×10－8 m  B．1×10－9 m

C．1×10－10 m  D．1×10－11 m

(3)纳米材料具有特殊性质的原因之一是由于它具有很大的表面积，即相同体积的纳米材料比一般材料的表面积大很多。所以处于表面的原子数目很多，其化学性质应________(填“很活泼”“较活泼”或“不活泼”)。

答案　(1)C　(2)C　(3)很活泼

解析　(3)纳米材料表面原子较多及原子间的相互作用，因此它很容易与外界的物质发生反应，也就是说它们十分活泼。

13．21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________分散质的粒子大小一样。

(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“”原子的结构特点，进一步确定组成环的原子是碳原子。

14．为了研究在纳米级的空间中水的结冰温度，科学家对不同直径碳纳米管中水的结冰温度进行分析。如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　碳纳米管直径越大，结冰温度越低

解析　由题图可知，随着碳纳米管直径的增大，结冰温度依次为27 ℃、7 ℃、－53 ℃、－83 ℃，即碳纳米管直径越大，结冰温度越低。