第十二章无机化学研究前沿
【习题答案】
12.1 超分子化学的定义是什么？超分子化合物的成键有哪些特点？
解：超分子化学的定义为“超越分子概念的化学”，即两个以上分子通过分子间力高层次组装的化学，是研究多个分子通过非共价键作用而形成的功能体系的科学，是分子识别和分子组装的化学。
超分子化合物的成键特点：多个分子通过非共价键作用形成超分子体系。
12.2 简述超分子化学的发展史及与其他学科发展的关系。
解：超分子的概念起源于20世纪60年代中期，用天然抗菌素和人工合成的大环聚醚类化合物对碱金属离子的分子识别的研究可以看作是超分子化学的里程碑。20世纪70年代，建立了超分子化学的基本概念和规则。近年来，超分子化学的理论和应用研究越来越受到科学家重视。
超分子化学是一门处于化学学科和物理学、生命学相互交叉的前沿学科。它的发展不仅与大环化学的发展密切相关，而且与分子自组装、分子器件和新颖有机材料的研究息息相关。从某种意义上讲，超分子化学淡化了有机化学、无机化学、生物化学和材料科学相互之间的界限，着重强调了具有特定结构和功能的超分子体系，将4大基础化学（有机、无极、分析和物化）有机地结合成一个整体。
12.3 何谓C60、富勒烯？其结构和成键有哪些特点？
解：C60是由60个C原子围成的一个球体，由12个五边形和20个六边形围成1个32面体，该结构既像Buckminster Fuller设计的球面建筑，又酷似英式足球，故命名为Buckminster Fullerene，即富勒烯，又俗称巴基球或足球烯。后来将富勒烯作为C50、C60、C70、C240乃至C540等全碳分子团簇的总称。
C60球体相当于1个I h结构的20面体均衡地截去12个顶点所得的32面体结构，每个五边形均与6个六边形共边，而六边形则将12个五边形彼此隔开。C60属于I h点群，60个C原子位于32面体的顶点上，所有碳原子等价。每个碳原子以近似于sp2.28的方式杂化，并分别与周围3个碳原子形成3个σ键，剩余的轨道和电子共同组成离域π键。可简单地看作每个碳原子与周围3个碳原子形成2个单键和1个双键。
12.4 简述C60、富勒烯的发现与发展历史，有何应用前景？
解：1985年，英国科学家H. W. Kroto和美国科学家R. E. Smalley等人用激光作石墨的气
化实验发现了C60，此后又发现了C50、C70、C240乃至C540。在富勒烯中，人们对C60的研究最深入，其研究领域不仅涉及化学各个分支，还涉及到生命科学、材料科学及固体物理等方面。C60是20世纪的重大科学发现之一，因此而荣获1996年诺贝尔化学奖。
富勒烯及其衍生物在许多领域都具有诱人的应用前景，其中最令人关注的是金属掺杂富勒烯的超导性。此外，C60有可能用作光学电脑开关，C70可能用于光纤通讯。
12.5 试画出C70的结构。它属于哪一类型的化合物？
解：C70的结构如下图所示，它属于富勒烯化合物。
12.6 简述纳米粒子的定义、量子尺寸效应和表面效应。
解：纳米粒子是指粒径介于1～100 nm之间的粒子，也有人将粒径定义为0.1～100 nm。广义的纳米材料指材料粒子的三维尺寸至少有一维处于纳米尺寸。
量子尺寸效应：随着粒径的减小，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级，能带带隙变宽的现象称为量子尺寸效应。
表面效应也称界面效应：随着粒径的减小，纳米粒子的表面积迅速增大，表面原子数增大，表面能和表面结合能迅速增大，由此而引起的种种特殊效应称为表面效应。
12.7 纳米粒子的量子尺寸效应和表面效应将产生什么现象？
解：纳米粒子的量子尺寸效应在吸收光谱上的表现特征就是从没有结构的宽谱带过渡到具有结构的分立谱带。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，会导致纳米粒子的磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特征有显著不同。
纳米粒子的比表面积很大，存在大量的表面原子，表面能和表面结合能很大，容易与其它原子相结合而稳定下来，具有很高的化学活性。这种表面状态，不但会引起纳米粒子表面原子输运和构型变化，同时也会引起表面电子自旋和电子能谱变化。
12.8 纳米粒子有哪些表征方法和手段？
解：（1）采用电子显微镜观察表征纳米颗粒的尺寸、形貌；采用粉末X射线衍射表征纳米颗粒的物相；
（2）通过热重分析和差热分析研究纳米颗粒的热稳定性和相变；
（3）通过X射线光电子能谱研究纳米颗粒的元素组成和价态；
（4）通过紫外－可见吸收光谱和发射光谱研究纳米颗粒的光学性质；
（5）通过导电性测量研究纳米颗粒的电性质；
（6）通过磁化率测量研究纳米颗粒的磁性质。
12.9 合成纳米粒子有哪几种方法？试各举一例。
解：（1）气相法。例如：激光诱导CVD法制备纳米SiC：
SiH4（g）＋ CH4（g）→ SiC（g）＋ 4H2（g）
（2）液相法。例如：利用溶胶－凝胶法制备纳米ZnO粉末。
（3）固相法。例如：球磨法制得纳米TaC、NbC和WC。
12.10 纳米材料有哪些主要用途？试各举一例。
解：（1）纳米磁性材料。例如：用超微粉末制得的Nd2Fe14B永磁体是一种新型高磁能级磁性材料。
（2）纳米陶瓷材料。例如：超微Y2O3ZrO2在较低温度下烧结成的氧化锆陶瓷具有很高的强度和韧性。
（3）纳米传感器。例如：纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷材料可用作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪。
（4）纳米催化剂。例如：镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钯催化剂。
（5）纳米半导体材料。例如：可利用半导体纳米粒子制备出光电转化效率高的新型太阳能电池。
（6）纳米高温超导材料。例如：在制备高温超导材料YBa2Cu3O7-x时，采用Y2O3等超微粉末作原料，能获得质地均匀的高温超导材料。
（7）在生物和医学上的应用。例如：可利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗。
