师：同学们，这节课我们来学习高二人教版化学选择性必修2第三章第四节配合物与超分子第三课时超分子的内容。希望通过本节课，大家能了解从原子、分子、超分子等不同尺度认识物质结构的意义，并能举例说明超分子的特征。
超分子这个概念大家可能比较陌生，我们先举个熟悉的例子。这张图是生物膜的示意图，细胞和细胞器的膜结构都是如此。生物膜由磷脂分子构成，磷脂分子两端极性不同，一端无极性疏水，一端有极性亲水。在水溶液中，磷脂分子会自发组装形成双分子层结构，疏水一端朝向膜内侧，亲水一端朝向膜外侧，规整有序。
请同学们思考，磷脂分子集合到一起依赖的是什么类型的相互作用？是化学键还是分子间的相互作用？
生：应该是分子间的相互作用。
师：非常好。我们知道磷脂分子形成的双分子层在常温下具有流动性，磷脂分子相对位置会改变，这说明使它们聚集在一起的作用力没那么强，而且可能不像共价键一样有方向性，不足以将磷脂分子约束在原地。所以，这些应该是分子间的范德华力等相互作用，相对较弱。像磷脂分子层这样，由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体，我们就称之为超分子。在超分子概念中，分子是广义的，也包含离子。
对于形成超分子的相互作用，说法不一。有的人要求严格，限制必须是分子间的相互作用；有的人宽松些，只要不是构架件就接受，这种情况下，常能见到弱的离子键或配位键。无论采用广义还是狭义概念，超分子种类都非常多样。比如，第一种是由少数几个分子集合形成的分子团簇；第二种是刚才提到的磷脂双分子层，这种层状结构能围出像细胞一样的小囊泡，也能铺展成膜；第三个例子，分子和离子可组合成链状结构，像高分子一样形成可无限延伸的长链。
那么超分子有什么性质呢？我们举例说明。首先是碳60和碳70的分离。我们知道碳60，碳70就是由70个碳原子形成的椭球状分子，它也是碳的单质，与碳60是同素异形体。从结构示意图可看出，由于碳原子数更多，碳70分子比碳60分子稍大一圈，形状也略有变形，更长一点。从图上还能看出，碳60和碳70结构非常相似，化学性质几乎一样，物理性质差别也不大。那怎么分离这两种物质呢？这里有个有趣的方法，向碳60和碳70的混合物中加入一种杯酚。杯酚的结构，左边这张俯视图，可看出主体结构是几个苯环通过亚甲基连起来，我们能通过改变合成反应条件调节杯酚中苯环数量，从而调节分子大小。右边这张立体结构示意图，可看出杯酚中的苯环不是平铺在一个平面，而是围起来，几个苯环分子中间围出一个空腔。最早发现杯酚的人觉得它结构像杯子，所以叫杯酚，也有人觉得像碗，差异不大。杯酚苯环数量可控制，苯环多，中间空腔就大；苯环少，空腔就小。
我们展示的这种杯酚，尺寸刚好能装下碳60，装不下碳70。利用这个特性就能分离碳60和碳70。向碳60和碳70混合物中加入杯酚，杯酚会与碳60结合形成超分子，这个超分子不溶于甲苯。我们向体系中加入甲苯，可溶的碳70就溶解分离出去，过滤出不溶的超分子。之后将超分子加入氯仿中，在氯仿中超分子会解体，可溶的杯酚单独溶解，碳60就释放出来了。经过这样操作，杯酚分子结构不受影响，可重复使用，碳60和碳70就分离开了。在这个例子中，杯酚会与碳60形成超分子，不与碳70形成超分子。虽然碳60和碳70结构和性质相似，杯酚却能准确区分，识别出碳60。这是超分子特有的性质之一。在形成超分子时，像杯酚这样的分子通常称为主体分子。主体分子可选择性地与碳60这样的客体分子结合，不与结构相似的其他分子结合，这种性质叫分子识别。分子识别特性常用于物质的分离和提纯。我们再举个例子。
这个例子主角是冠醚和碱金属离子。冠醚属于醚类物质，结构像皇冠，所以叫冠醚。看这几个冠醚分子，它们名字很有意思，“冠”字代表冠醚，前后各有一个数字。大家思考下，这两个数字分别什么含义？
生：前面数字代表冠醚整个环的原子数量，后面数字代表氧原子数量。
师：非常正确。像12 - 冠 - 4，它围成环的原子正好12个，氧原子是4个；15 - 冠 - 5中氧原子是5个，都可从结构式直接看出。冠醚分子中间有空腔，根据环大小不同，空腔大小也有差异。我们列出了不同冠醚空腔大小，可看出随着成环原子数增加，空腔直径增大。我们还列出不同碱金属阳离子直径，大家看看它们的大小关系，能找到对应关系吗？
生：十五冠五的空腔直径在170 - 220 pm，恰好和直径204 pm的钠离子匹配，对直径276 pm的钾离子来说太小；十八冠六的空腔直径在260 - 320 pm之间，可和钾离子匹配，对钠离子来说太大。
师：很棒。每种冠醚都可和尺寸匹配的碱金属离子形成超分子。利用这个匹配关系，我们可用15 - 冠 - 5识别溶液中的钠离子，实现钠离子和钾离子的分离。如果钾离子和钠离子在水溶液中共存，向溶液中加入15 - 冠 - 5，钠离子会和15 - 冠 - 5形成超分子，这个超分子可溶于有机溶剂。用有机溶剂萃取，就能将组装出的超分子从水溶液中分离出来，钠离子和钾离子就分开了。
事实上，分子识别的情况我们之前学习也接触过。我们常用淀粉检验碘单质，向淀粉水溶液中滴加碘，水溶液会变蓝。有同学知道这过程发生了什么？蓝色来源是什么物质吗？
生：不太清楚。
师：这个过程很特别，碘单质和淀粉化学性质似乎都不受变蓝影响，淀粉水解反应依然能发生，淀粉酶也能被还原剂还原。这里的蓝色来自淀粉和碘单质组装形成的超分子。长链状淀粉分子会卷成长筒，碘分子恰好能填充进去，其他分子因直径差异无法做到。所以淀粉能准确识别溶液中的碘单质并与之组成超分子，就是这个超分子显蓝色。