1、1纳米材料与中学化学张玉彬 1 臧奕 2（1 福田区教研中心 广东 深圳 518048；2 红岭中学 广东 深圳 518048 ）有关纳米材料为背景的试题在高中化学试卷中频频出现，体现了中学化学与最新科技成功的联系。本文对纳米技术以及纳米材料与中学化学试题的融合做一个简单的介绍。一、纳米材料简介纳米（nm）是长度的度量单位。一纳米等于十亿分之一米的长度，万分之一头发粗细。一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。 纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。 纳米技术本质是一种可以在分子水平上，一个原子、一个原子地来创造具有全新分子形态的结构的手段。纳米科学技术是以许多现代先进
2、科学技术为基础的科学技术，它是现代科学和现代技术结合的产物。纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。 1984年，德国著名学者格莱特把6纳米的金属粉末压制成纳米块,制出了世界上第一块纳米材料，开纳米材料学之先河。现在，比较常见于报道的纳米材料有：纳米碳管、纳米陶瓷等。纳米材料 在很多领域发挥越来越广泛的作用。比如，纳米材料对光的反射能力非常低，大约低到小于1，所以我们见到的纳米材料便都是黑色的了。利用这一性质，美国在海湾战争执行空袭任务的F117A型隐身战斗机，其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中包含有多种超微颗粒（纳米材料）。又如，日本最近研制出了用 纳米 陶瓷制成的刀和锯子，它比钢制
3、品锋利而且不会锈蚀。还可以把这样的纳米陶瓷制成陶瓷发动机等等。利用先进的纳米技术 ,在不久的将来 ,可以制成含有纳米电脑的人-机对话并具有自我复制能力的纳米装置 ,它能在几秒钟内完成数十亿个操作动作。在军事方面 ,利用昆虫作平台 ,把分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报 ,使目标丧失功能。利用纳米技术还可制成各种分子传感器和探测器。利用纳米羟基磷酸钙为原料 ,可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。将药物储存在碳纳米管中 ,并通过一定的机制来激发药剂的释放 ,则可控药剂有希望变为现实。另外 ,还可利用碳纳米管来制作储氢材料 ,用作燃料汽车的燃料2“储备箱”。利用纳米颗粒膜的巨磁阻
4、效应研制高灵敏度的磁传感器 ；利用具有强红外吸收能力的纳米复合体系来制备红外隐身材料 ,都是很具有应用前景的技术开发领域。二、以纳米材料为背景设计中学化学试题近几年在高中化学试卷中出现以纳米材料为背景的试题，考察中学有关化学知识。本文以例题的形式呈现常见的几种命题形式，供大家赏析。1、以纳米材料为背景考察氧化还原知识例 1、近年来，我国储氢纳米碳管研究获重大进展，电弧法合成的碳纳米管，常伴有大量物质碳纳米颗粒。这种碳纳米颗粒可用氧化气化法提纯。其反应的化学方程式为：C+ K2Cr2O7 + H2SO4(稀) CO2+ K2SO4 + Cr2 (SO4 ) 3+ . （1）完成并配平上述反应的化
5、学方程式。（2）此反应的氧化剂是 ，氧化产物是 。（3）H 2SO4在上述反应中表现出来的性质是 （填选项编号）A酸性 B氧化性 C吸水性 D脱水性（4）上述反应中若产生 11g 气体物质，则转移电子的数目为 。解析：该题将氧化还原知识和碳纳米颗粒的提纯巧妙地结合起来。根据上述化学反应方程式中的反应物和产物，不难判断最后的产物是水（H 2O） ；运用化合价升降的方法进行氧化还原方程式的配平，各物质的系数分别为：3、2、8 3、2、2、8；K 2Cr2O7 化合价 从+6 价降到 +3 价，C 被氧化成 CO2，所以氧化剂是 K2Cr2O7，氧化产物是是 CO2；K 2Cr2O7在酸性条件下表现
6、出强氧化性，所以 H2SO4在上述反应的性质是酸性；11g CO2 为 0.25mol，转移电子数为 0.254=1(mol),即 6.021023个电子。2、以纳米材料为背景考察晶体结构知识例 2、纳米材料的表面粒子占总粒子数比例极大，这是它有许多特殊性质的原因。假设某氯化钠纳米颗粒的大小和形状恰好与氯化钠晶胞的大小和形状相同（如右图所示） ，则这种纳米颗粒的表面粒子数与总粒子数的比值为：A7:8 B13:14 C25:26 D26:27解析：如图正方体有 8 个顶点、6 个面、12 条棱，每个顶点、面、棱上各有一个粒子，它们都在纳米颗粒的表面，共 26 个，体心中有一个粒子，所以总粒子数是
7、 27，答案为D。3例 3、纳米材料的表面微粒数占微粒总数的比例极大。假设某二硼化镁纳米颗粒的大小和形状恰好与二硼化镁晶胞的大小和形状相同(如图所示)，则这种纳米颗粒的表面微粒数占总微粒数的百分数为：A22 B33.3 C66.7 D70解析：如图 12 个顶点、上表面、下表面各有一个粒子，共 14 个粒子在表面，六棱柱内部有 6 个粒子，总粒子数是 20。纳米颗粒的表面微粒数占总微粒数的百分数为 14/20，约 70%。3、以纳米材料为背景考察胶体知识例 4、用特殊方法把固体物质加工到纳米级（1-100nm ）的超细粉末粒子，然后制得纳米材料。下列分散系中的分散质的微粒直径和这种粒子具有相同
8、数量级的是（ ）A.溶液 B.悬浊液 C.胶体 D.乳浊液解析：纳米材料的直径（1-100nm）和胶体直径相近，所以答案为 C。例 5、 “和平使命2005”中俄联合军事演习使用的战机用纳米材料制造飞机的蒙皮，可以灵敏“感知”各种主动式探测信号，并能主动调节表面电磁波或光波特性。 “纳米材料”是指研究、开发出的材料的直径从几纳米至几十纳米。如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.有丁达尔现象C.所得物质属于纯净物 D.所得物质一定是浊液解析：纳米材料的直径从几纳米至几十纳米，正好符合胶体的直径范围。所以纳米材料的性质与胶体相似，具有丁达尔现象，
9、不能透过半透膜，答案为 B。4、以纳米材料为背景考察碳的有关知识例 6、澳大利亚研究人员最近开发出被称为第五形态的固体碳，这种新的碳结构称作“纳米泡沫”， 他外形类似海绵，比重极小，并具有磁性。纳米泡沫碳与金刚石的关系是（ ）A同系物 B同分异构体 C同位素 D同素异形体4解析：纳米泡沫碳与金刚石都是碳元素形成的不同单质，故它们互为同素异形体。例 7、美国科学杂志评出了 2001 年十大科技成就，名列榜首的是纳米电子学，其中美国的 IBM 公司科学家制造了第一批纳米碳管晶体管，发明了利用电子的波性来传递信息的“导线”，已知纳米材料是指微粒直径在 1 nm100 nm 的材料。下列叙述正确的是（ ）A.纳米碳管是一种新型的高分子化合物B.纳米碳管的化学性质稳定C.纳米碳管导电属于化学变化D.纳米碳管的结构和性质与金刚石相同解析：纳米碳管晶体管实质上是碳单质，化学性质稳定，导电是物理变化，结构和物理性质与金刚石相差很大，所以答案为 B。
