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(共36張PPT)
第3章 不同聚集狀態的物質與性質
第3節 液晶、納米材料與超分子
思考：液晶電視屏、電腦顯示屏等已在生產生活中普遍應用，碳納米材料等研發和應用日新月異，綠色植物中含有超分子葉綠素等，液晶、納米材料與超分子有著怎樣的結構和性質呢？
1.認識物質的性質與微觀結構的關系，知道介于典型晶體之間的過渡晶體及混合型晶體.是普遍存在的。
2.知道物質的聚集狀態會影響物質的性質,通過改變物質的聚集狀態可以獲得特殊的材料。
1.能舉例說明物質在原子、分子、超分子、聚集狀態等不同尺度上的結構特點對物質性質的影響。(宏觀辨識與微觀探析)
2.能舉例說明結構研究對于發現、制備新物質的作用，感受化學研究創新發展的前沿與方向。(科學探究與創新意識)
3.能欣賞物質結構的研究及理論發展對化學學科發展的貢獻，形成通過科學研究促進社會發展、造福人類命運共同體的意識。(科學態度與社會責任)
體會課堂探究的樂趣，
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聯想 質疑
固態、液態、氣態是物質三種最常見的聚集狀態。對于固態物質來說，不管是晶體還是非晶體，物質中原子或分子相距都很近，它們只能在一定的位置上做不同程度的振動。液態物質的分子間距離比固態中的大，分子間作用力相對小，分子運動的自由度有所增加，表現出明顯的流動性。至于氣態物質，分子間距離顯著變大，分子運動速度明顯加快，體系處于高度無序狀態。除了固態（包含晶體和非晶體）、液態、氣態外，你或許還聽說過液晶、納米材料、超分子等物質的聚集狀態，從它們的名稱中，你能想象出它們有什么特點嗎
聯想 質疑
一、液晶
1.定義：
隨著科學研究的不斷深人，人們認識到所謂的固、液、氣三態只是對物質存在狀態的大致區分。例如，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，當繼續加熱到某溫度才會突然變得清澈透明(圖3-3-2)。
在一定的溫度范圍內既具有液體的可流動性，又具有晶體的各向異性的物質。
資料在線
液晶的發現
液晶的發現最早可追溯到奧地利植物學家萊尼茨爾（F.Reinitzer）在 1888 年的工作。他在研究膽甾醇苯甲酸酯的性質時觀察到一個奇妙的現象∶該物質在 145.5 ℃時呈現不透明的渾濁狀態，繼續加熱到178.5℃時才變成透明清亮的液體;將這種液體慢慢冷卻，先出現藍紫色，不久這種藍紫色便自行消失，再呈現渾濁狀，又出現藍紫色，最后固化為白色晶體。1889 年，德國物理學家萊曼（O.Lehmann）使用他自己設計的偏光顯微鏡對膽甾醇的酯類化合物進行了研究，發現這類渾濁狀態的物質外觀上雖然呈液態，但在不同方向上對光的折射率不同，即顯示出各向異性晶體所特有的雙折射性。于是，萊曼將其命名為"液態晶體"，這就是"液晶"名稱的由來。
2.結構特點：
液晶內部分子的排列沿分子長軸方向呈現出有序的排列。如圖3-3-3：
3.性質：
在分子長軸的平行方向和垂直方向表現出不同的性質，表現出各向異性。
4.來源：
有天然的，也有人工合成的。
5.用途：
制造液晶顯示器，如電子手表、計算器、數字儀表、計算機顯示器、電視顯示屏等。
6.液晶材料的性能：
1.具有旋光性。
2.驅動電壓低、功率小。
二、納米材料
聯想 質疑
納米材料具有某些與傳統材料明顯不同的特征，如納米陶瓷可以具有像金屬一樣的柔韌性，碳納米管的強度遠超過鋼，納米金居然可以溶于水……為什么納米材料具有如此神奇的功能
1.結構特點：
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。
2.性質：
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。
3.用途：
納米材料在光學、聲學、電學、磁學、熱學、力學、化學反應等方面完全不同于由微米量級或毫米量級的結構顆粒構成的材料。
納米材料中的明星
1.富勒烯（C60等球碳）
2.石墨烯（單層石墨片）
3.碳納米管
碳納米管是一種管狀結構[圖3-3-4（a）]，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[圖3-3-4（b）]。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。
拓展視野
形態各異的納米材料
金屬及其化合物在不同的純在形態下具有不同的性質。優良的金屬導體在尺寸減小到幾納米時就成了絕緣體，多數金屬納米顆粒在特定尺寸時會呈現為黑色，因此納米金屬材料可用于制作隱形飛機上的雷達吸波材料。
金是一種具有悠久歷史而又不斷煥發青春的金屬，金的熔點為 1064℃，但2nm 尺寸金的熔點僅為327℃左右。將納米金分散在水或其他溶劑中可以得到膠體金，為了防止膠體金中納米顆粒聚集，通常會添加某些黏附在納米顆粒表面的穩定劑。
早在 1857年，英國科學家法拉第（M.Faraday ）
就曾將膠狀的金分散在液相中，得到了紅寶石色的納
米金[圖3-3-5（a）]。而不同顆粒大小的納米金在溶
液中會呈現出不同的顏色[圖3-3-5（b）]。納米金顆
粒由于可以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。
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磁流體又稱磁性液體，是磁性納米粒子（如Fe3O4、Fe2O3等）的超穩定懸浮液，它可以像液體一樣流動，在外加磁場作用時又會表現出磁性[圖3-3-6]。磁流體可用于磁性流體密封、聲光儀器設備、磁性靶向藥物等領域。
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納米技術的應用發展前景
納米材料的廣泛應用促進了納米技術的發展，而納米技術的發展將會開創一個嶄新的時代。例如，化學家已經合成出豐富多樣的納米機器，圖3-3-7為一輛納米車。 納米車雖小，但擁有“底盤”“車軸”等基本部件，四個“輪子”為C60。連接每個輪子的軸都能獨立轉動，使得這種車能夠在凹凸不平的原子表面行進。化學家有望制造出各種各樣納米尺度的微型機器，可用于消滅傳染性微生物、逐個殺死癌細胞、清除血液中的血小板、修復受損細胞、吞噬有害物質、制造原子大小的超級
計算機等。再如，向化妝品中加人納米顆粒可使化妝品具備防紫外線功能，在化纖布料中加人少量納米顆粒可使化纖布料防靜電，等等。納米技術于細微處顯神奇，已經悄然滲透到人們的衣、食、住、行等領域。
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超原子
2005 年，卡斯爾曼（A．Castleman）團隊發現某些特定大小的 Al 金屬簇具有特殊的穩定性。隨后，他們發現這些金屬簇具有與某些原子相似的性質。例如，Al13簇具有與氯原子相似的電負性，Al13-簇在氧氣氛圍中呈現類似于稀有氣體的化學惰性，Al14簇具有與堿土金屬相似的性質。這種金屬原子簇與原子性質間的對映關系，也被稱為第三維周期律。
具有與某種原子相似性質的金屬簇，被稱為該原子的超原子，如 Al13稱為鹵素超原子或超鹵素，K3O 稱為堿金屬超原子或超堿金屬。一些超原子，如 WC、ZrO，分別具有與貴金屬原子 Pt、Pd 相近的性質，可作為重要化工生產催化劑的潛在廉價替代品。超原子概念已經開始用于指導新材料的設計，如（Al13K3O)6，由 Al13和 K3O 形成的一個超原子分子。
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三、超分子
聯想 質疑
微粒間相互作用都包括哪些類型 它們之間有什么相似和不同之處 這些不同的作用力對物質的性質又有怎樣的影響 你能想象出分子間通過非共價鍵作用聚集在一起而表現出特殊的性質嗎
1.概念：
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。
2.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。
典型的超分子
1.DNA：
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。DNA如右圖所示：
氫鍵
分子鏈
2.冠醚：
20世紀80年代，化學家發現了一類被稱為冠醚的物質(圖3-3-9)。
由于冠醚能與陽離子( 尤其是堿金屬陽離子)作用，并且隨環的大小不同而與不同的金屬離子作用，將陽離子以及對應的陰離子都帶人有機溶劑，因而成為有機反應中很好的催化劑。例如，KMnO4水溶液對烯烴的氧化效果較差，在烯烴中溶人冠醚時，冠醚通過與K結合而將MnO4-也攜帶進人烯烴;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)。這里，冠醚與金屬離子的聚集體可以看成是類超分子。
這一應用引發化學家進一步關注分子之間通過空間結構和作用力的協同所產生的某種選擇性，從而實現分子識別、分子組裝，促進了超分子化學研究的發展。例如，化學家合成出一種分子梭(圖3-3-11)。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，通過加人酸和堿， 可以實現分子梭在兩個不同狀態之間的切換。
3.分子梭：
通過對超分子化學的研究，人們可以模擬生物系統，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，如具有分子識別能力的高效專業的新型催化劑有效的新型藥物，集成度高、體積小、功能強的分子器件(分子導線、分子開關、分子息存儲元件等)，生物傳感器以及很多具有光、電、磁、聲、熱等特性的功能材料等。
化學與生命
生命體中的超分子體系
盡管超分子不是生命組織，但它在純粹化學和生命秩序之間形成了過渡，架起認識生命現象、進行超分子仿生、合成超分子藥物的橋梁。超分子化學在生命科學領域有著廣泛的應用，超分子體系在生命體中扮演著舉足輕重的角色。
以植物的光合作用為例，這是人們千百年來持續探尋的謎題，相關的研究表明其作用機理與復雜的超分子體系密切相關。目前科學家已，從葉綠體中分離出兩個光系統——光系統Ⅰ和光系統II，光合作用的光化學反應就在這兩個光系統中進行。
圖 3-3-12 呈現了光系統L的結構，它是鑲嵌在細胞膜上的蛋白
質，蛋白質結構內部包裹了若干葉綠素分子。處在上部的四個葉綠素
分子可以收集、 捕獲光子，稱為天線葉綠素。在天線葉綠素的下方，
有"手掌"相對的兩個葉綠素分子，它們是光化學反應的活性中心。
這兩個葉綠素分子中吡咯環的部分相互重疊。吡咯環是具有芳香性的
五元環，兩者之間的距離很近，從而可以形成π-π分子間作用（芳
環堆積）。這種作用能量比較高，非常不穩定，天線葉綠素將吸收的
光子傳遞到活性部位，激發出一個大 T 電子，導致輔酶得到電子發
生還原反應，引發光合作用。由此可見，單一的葉綠素不能發生光合作用，發生光合作用要經歷一場"團隊的戰斗"。在這場"戰斗"中，正是分子之間的相互作用才使得分子的性質得到充分體現。
液晶
概念
結構
性質
應用
納米材料
超分子
富勒烯
石墨烯
碳納米管
DNA
冠醚
1.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.液晶的性質與溫度變化無關
D.液晶的光學性質隨外加電壓的變化而變化
D
2.納米材料是最有前途的新型材料之一,世界各國對這一新材料給予了極大的關注。納米粒子是指直徑為1~100 nm的超細粒子(1 nm=10-9 m)。由于表面效應和體積效應,使其常有奇特的光、電、磁、熱等性質,可開發為新型功能材料,下列有關納米粒子的敘述不正確的是(　　)
A.因納米粒子半徑太小,故不能將其制成膠體
B.一定條件下納米粒子可催化水的分解
C.一定條件下,納米TiO2陶瓷可發生任意彎曲,可塑性好
D.納米粒子半徑小,表面活性高
A
3.我國科學家制得了SiO2超分子納米管,微觀結構如圖所示。下列敘述正
確的是(　　)
A.SiO2與干冰的晶體結構相似
B.SiO2耐腐蝕,不與任何酸反應
C.工業上用SiO2制備粗硅
D.光纖主要成分是SiO2,具有導電性
C
4.我國科學家成功合成了3 nm長的管狀定向碳納米管。這種碳纖維具有強度高、剛度(抵抗變形的能力)高、密度小(只有鋼的1/4)、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.碳纖維復合材料為高分子化合物
D
5.下列有關液晶的敘述不正確的是( )
A.液晶既具有液體的流動性，又具有晶體的各向異性
B.液晶最重要的用途是制造液晶顯示器
C.液晶不是物質的一種 聚集狀態
D.液晶分子聚集在一起時，其分子間相互作用很容易受溫度、壓力和電場的影響
C
6.下列關于物質特殊聚集狀態的敘述中，錯誤的是( )
A.等離子體的基本構成微粒是帶電的離子和電子及不帶電的分子或原子
B.非晶體基本構成微粒的排列是長程無序和短程有序
C.液晶內部分子沿分子長軸方向有序排列,使液晶具有各異
D.納米材料包括納米顆粒與顆粒間的界面兩部分，兩部分的排列都是長程有序
D
7.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
D
勤能補拙是良訓，一分辛苦，一分才。

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