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液晶、納米材料與超分子
第3章 不同聚集狀態的物質與性質
1.知道物質除有三種基本的聚集狀態外，還有液晶、納米材料、超分子等其他聚集狀態。
2.知道液晶、納米材料和超分子的結構與性質的關系。探析物質結構對性質的影響。
液態
氣態
固態
物質的聚集狀態只有固態、液態、氣態三種嗎？
某些呈長棒形的有機化合物在加熱熔化時，首先變成一種不透明的狀態，當繼續加熱到某一溫度才會突然變得清澈透明
一、液晶
這類物質在一定的溫度范圍內既具有液體的可流動性，在折射率、磁化率、電導率等宏觀性質方面又表現出類似晶體的各向異性。于是，人們形象地稱這類物質為液態晶體，簡稱液晶。
液晶內部分子的排列沿分子長軸方向呈現出有序的排列，由此在分子長軸的平行方向和垂直方向表現出不同的性質。
液晶的顯示功能與液晶材料內部分子的排列密切相關。在施加電壓時，液晶分子能夠沿電場方向排列，而移去電場后，液晶分子又恢復到原來的狀態，所以液晶具有顯示功能。故液晶可以制造電子手表、計算器、數字儀表、計算機顯示器、電視顯示屏等器材。
二、納米材料
納米陶瓷隔熱膜
碳納米管
納米金溶液
由直徑為幾或幾十納米的顆粒和顆粒間的界面兩部分組成。通常，納米顆粒內部具有晶狀結構，原子排列有序，而界面則為無序結構。因此，納米材料具有既不同于微觀粒子又不同于宏觀物體的獨特性質。
納米陶瓷不僅保留了陶瓷硬度高、強度高的特點，其韌性和可加工性也顯著增強，甚至具有金屬一樣的柔韌性。
碳納米管是一種管狀結構，它是由石墨片圍繞中心軸按照一定的螺旋角卷繞而成的無縫、中空"微管"，根據條件的不同可以形成單壁碳納米管或者多壁碳納米管。碳納米管不僅纖維長，而且具有高強度、高韌性，其強度比同體積鋼的強度高 100 倍，質量卻只有鋼的1/6 到1/7，因而被稱為"超級纖維";此外，它還具有特殊的電學、熱學、光學、儲氫等性能。
將納米金分散在水或其他溶劑中可以得到膠體金。
因納米金顆粒可與硫化氫在弱堿性環境中結合而呈現穩定的紅色，故可用于現場檢測空氣中是否存在硫化氫；納米金還可以與蛋白質結合，作為快速的免疫檢測方法；此外，納米金在腫瘤檢測、靶向藥物輸送、基因治療等方面也都具有重要應用價值。
三、超分子
若兩個或多個分子相互“組合”在一起形成具有特定結構和功能的聚集體，能表現出不同于單個分子的性質，可以把這種聚集體看成分子層次之上的分子，稱為超分子。
超分子結構特點
超分子內部分子之間通過非共價鍵相結合，包括氫鍵、靜電作用、疏水作用以及一些分子與金屬離子形成的弱配位鍵等。例如，DNA中兩條分子鏈之間通過氫鍵的作用而組合在一起，細胞膜中的磷脂分子通過疏水端相互作用形成雙層膜結構。
20 世紀 80 年代，化學家發現了一類被稱為冠醚的物（圖 3-3-9）。
冠醚是皇冠狀的分子，有不同大小的空穴，能與正離子，尤其是堿金屬離子絡合，并隨環的大小不同而與不同的金屬離子絡合，利用此性質可以識別堿金屬離子
重要特征及其應用——分子識別
冠醚識別堿金屬離子(如K＋)
冠醚，是分子中含有多個-氧-亞甲基-結構單元的大環多醚。冠醚的空穴結構對離子有選擇作用，不同冠醚的空腔尺寸不同，與不同的陽離子相匹配(配位作用)，從而實現選擇性結合(識別不同大小的堿金屬離子)，在有機反應中可作催化劑。
冠醚 冠醚空腔直徑/pm 合適的粒子（直徑/pm）
12-冠-4 120～150 Li+（152）
15-冠-5 170～220 Na+（204）
18-冠-6 260～320 K+（276）
Rb+（304）
21-冠-7 340～430 Cs+（334）
冠醚靠什么原子吸引陽離子？
C 原子是環的骨架，穩定了整個冠醚；
O 原子吸引陽離子。
冠醚與堿金屬離子之間的配位鍵屬于離子鍵、共價鍵、氫鍵還是分子間作用力？
共價鍵
冠醚與堿金屬離子形成配合物得到的晶體里還有什么粒子，這類晶體是離子晶體、共價晶體還是分子晶體？
陰離子，離子晶體
重要特征及其應用——相轉移催化劑
將陽離子以及對應的陰離子都帶入有機溶劑，因而成為有機反應中很好的催化劑。
KMnO4 水溶液對烯烴的氧化效果較差
重要特征及其應用——相轉移催化劑
在烯烴中溶入冠醚時，冠醚通過與 K+ 結合而將 MnO4- 也攜帶進入烯烴；冠醚不與 MnO4- 結合，使游離或裸露的MnO4- 反應活性很高，從而使氧化反應能夠迅速發生（圖 3-3-10）。
重要特征及其應用——分子識別
在鏈狀分子A上同時含有兩個不同的識別位點。在堿性情況下，環狀分子B與帶有正電荷的位點1的相互作用較強；在酸性情況下，由于位點2的烷基銨結合H＋而帶正電荷，與環狀分子B的作用增強。因此，通過加入酸和堿，可以實現分子梭在兩個不同狀態之間的切換。
聚集狀態 液晶 納米材料 超分子
定義 在一定溫度范圍內既具有液體的可流動性，又具有晶體各向異性的聚集狀態 三維空間尺寸至少有一維處于納米尺度的、具有特定功能的材料 兩個或者多個分子相互組合在一起，形成具有特殊功能的聚集體，表現出既不同于單個分子，又不同于大塊物體的性質，這樣的分子稱為超分子
特征 折射率、磁化率、電導率均表現出各向異性，液晶顯示的驅動電壓低、功率小 粒子細化、界面原子比例高，使納米材料在光學、聲學、電學、磁學、熱學、力學、化學反應等方面具有特性 超分子內部分子之間通過非共價鍵相結合，包括氫鍵、靜電作用、疏水作用以及一些分子與金屬離子形成的弱配位鍵等
重要應用 液晶顯示器、電子表、計算器、數字儀表 化妝品、涂料、食品、化纖布料、隱形飛機 在分子水平上進行分子設計，有序組裝甚至復制出一些新型的分子材料，如功能材料等
1.(雙選)從1972年第一只使用液晶顯示器的手表誕生,到1989年第一臺液晶顯示器的筆記本計算機發明,短短的10多年間,液晶技術不斷完善發展。關于液晶,下列說法中正確的有(　　)
A.液晶是一種晶體
B.液晶分子的空間排列是穩定的,具有各向異性
C.液晶的化學性質與溫度變化有關
D.液晶的光學性質隨外加電壓的變化而變化
C、D
2.碳納米管可以看作是石墨烯片層卷曲而成。
這種碳纖維具有強度高、剛度(抵抗變形的能力)高、密度小、熔點高、化學性質穩定性好的特點,因而被稱為“超級纖維”。下列對碳纖維的說法不正確的是(　　)
A.它是制造飛機的理想材料
B.它的主要組成元素是碳
C.它的抗腐蝕能力強
D.碳纖維復合材料不易導電
D
D
3．下列不能看作超分子的是(　　)
A．兩個DNA分子鏈通過氫鍵結合在一起
B．細胞膜中的磷脂分子的雙層膜結構
C．冠醚與金屬離子的聚集體
D．所有以氫鍵結合在一起的分子

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