2025年高一上學(xué)期化學(xué)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)相關(guān)知識(shí)考查一、2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主及其貢獻(xiàn)2025年10月8日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予日本京都大學(xué)教授北川進(jìn)（SusumuKitagawa）、澳大利亞墨爾本大學(xué)教授理查德·羅布森（RichardRobson）和美國加州大學(xué)伯克利分校教授奧馬爾·M·亞吉（OmarM.Yaghi），以表彰他們在金屬有機(jī)框架（Metal-OrganicFrameworks,MOFs）開發(fā)領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。三位科學(xué)家將平分1100萬瑞典克朗（約合836萬元人民幣）獎(jiǎng)金。北川進(jìn)作為多孔配位聚合物（PCP）領(lǐng)域的先驅(qū)，首次將這類材料應(yīng)用于氫氣、甲烷等能源氣體的儲(chǔ)存，其研究為解決能源與環(huán)境問題提供了新思路。理查德·羅布森于1989年首次合成具有規(guī)則孔洞的金屬有機(jī)框架，通過銅離子與四臂有機(jī)分子的自組裝，構(gòu)建出首個(gè)具有明確拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MOF晶體，奠定了該領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。奧馬爾·亞吉?jiǎng)t系統(tǒng)發(fā)展了MOF的合成方法，提出“網(wǎng)狀化學(xué)”概念，推動(dòng)MOF材料從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，其團(tuán)隊(duì)開發(fā)的MOF材料可從沙漠空氣中高效提取水分，為水資源短缺地區(qū)提供解決方案。二、金屬有機(jī)框架的結(jié)構(gòu)原理1.基本構(gòu)成：無機(jī)-有機(jī)雜化體系金屬有機(jī)框架是由金屬離子（或金屬簇）與有機(jī)配體通過配位鍵連接形成的三維晶體結(jié)構(gòu)，可類比為“分子樂高”：金屬離子作為“連接點(diǎn)”（如鐵、鋅、銅等），有機(jī)分子作為“支架”（如羧酸類、咪唑類化合物），通過自組裝形成規(guī)則的多孔網(wǎng)絡(luò)。例如，羅布森1989年合成的MOF結(jié)構(gòu)中，銅離子（Cu2?）作為中心節(jié)點(diǎn)，與含氮有機(jī)配體形成正四面體配位結(jié)構(gòu)，最終拓展為具有立方孔洞的三維骨架。2.核心特性：超高比表面積與可設(shè)計(jì)性MOF的突出特點(diǎn)是超高比表面積，1克MOF材料的內(nèi)部表面積可達(dá)6400平方米（約1個(gè)足球場大?。@源于其密集的納米級(jí)孔洞結(jié)構(gòu)。孔洞尺寸可通過調(diào)整配體長度精確調(diào)控（0.3-10納米），例如亞吉團(tuán)隊(duì)開發(fā)的MOF-74材料，通過改變有機(jī)配體碳鏈長度，將孔徑從0.5納米調(diào)至2.0納米，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體分子的選擇性吸附。3.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與柔性盡管由配位鍵構(gòu)成，MOF材料可通過選擇剛性配體（如芳香族化合物）或引入交聯(lián)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)穩(wěn)定性。部分MOF還具有“呼吸效應(yīng)”——在吸附/脫附氣體時(shí)發(fā)生可逆形變，如北川進(jìn)發(fā)現(xiàn)的PCP-11材料，吸附二氧化碳后晶胞體積膨脹30%，脫附后恢復(fù)原狀，這一特性使其在氣體儲(chǔ)存中具有獨(dú)特優(yōu)勢。三、與高一化學(xué)知識(shí)的聯(lián)系1.化學(xué)鍵與晶體結(jié)構(gòu)MOF的形成依賴配位鍵（一種特殊的共價(jià)鍵，由配體提供孤對(duì)電子，金屬離子提供空軌道），這與高一化學(xué)“化學(xué)鍵”章節(jié)中“配位化合物”知識(shí)點(diǎn)直接相關(guān)。例如，硫酸銅溶液中[Cu(H?O)?]2?的形成（Cu2?與H?O分子通過配位鍵結(jié)合），可類比MOF中金屬離子與有機(jī)配體的配位作用。此外，MOF的晶體結(jié)構(gòu)（如立方晶系、六方晶系）可結(jié)合“物質(zhì)結(jié)構(gòu)”章節(jié)中“晶體的周期性排列”概念理解，其規(guī)則孔洞相當(dāng)于晶體中的“晶胞間隙”。2.化學(xué)計(jì)量與化學(xué)式書寫MOF的化學(xué)式可根據(jù)金屬離子與配體的比例確定。以簡單MOF為例：若鋅離子（Zn2?）與對(duì)苯二甲酸根（C?H?O?2?）以1:1比例配位，形成的MOF化學(xué)式為Zn(C?H?O?)，符合高一化學(xué)“根據(jù)化合價(jià)書寫化學(xué)式”的基本規(guī)則。復(fù)雜MOF（如含金屬簇的MOF）的化學(xué)式書寫，則需結(jié)合“物質(zhì)的量”計(jì)算金屬離子與配體的摩爾比。3.氣體性質(zhì)與吸附原理MOF對(duì)氣體的吸附能力與其孔洞大小、表面極性相關(guān)，體現(xiàn)“相似相溶”原理。例如，極性MOF材料（含-OH、-NH?基團(tuán)）易吸附極性分子（如水、氨氣），非極性MOF（如純碳?xì)渑潴w構(gòu)成的MOF）則優(yōu)先吸附氮?dú)?、甲烷等非極性分子。這一過程可類比活性炭吸附毒氣（物理吸附），但MOF的吸附選擇性更高，屬于“選擇性物理吸附”。四、金屬有機(jī)框架的應(yīng)用場景1.能源儲(chǔ)存：氫氣與甲烷的高效儲(chǔ)運(yùn)MOF可在常溫低壓下儲(chǔ)存氫氣，其吸附容量達(dá)7.5wt%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），遠(yuǎn)超傳統(tǒng)高壓鋼瓶（3wt%）。亞吉團(tuán)隊(duì)開發(fā)的MOF-5材料，在77K（液氮溫度）下每克可吸附1.0升氫氣，若用于氫能源汽車，續(xù)航里程可達(dá)傳統(tǒng)儲(chǔ)氫罐的2倍。對(duì)于甲烷（天然氣主要成分），MOF材料在室溫25℃、3.5MPa壓力下的儲(chǔ)存密度達(dá)0.15g/cm3，滿足美國能源部（DOE）提出的車載天然氣儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)。2.環(huán)境治理：碳捕獲與污染物去除在碳達(dá)峰、碳中和背景下，MOF的碳捕獲能力備受關(guān)注。含胺基（-NH?）的MOF材料可選擇性吸附二氧化碳，吸附量達(dá)4.5mmol/g，且再生能耗僅為傳統(tǒng)胺吸收法的60%。例如，亞吉團(tuán)隊(duì)開發(fā)的Mg-MOF-74在電廠煙道氣中二氧化碳分離效率達(dá)99.5%，有望降低碳捕集成本70%。此外，MOF可去除水中重金屬離子（如Pb2?、Hg2?），通過配位作用將污染物濃度從10ppm降至0.1ppb以下，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)活性炭吸附效果。3.水資源利用：空氣取水技術(shù)MOF材料可從低濕度空氣中提取水分，如亞吉團(tuán)隊(duì)開發(fā)的MOF-801，在相對(duì)濕度15%的沙漠環(huán)境中，每千克材料每天可提取2.8升水。其原理是：MOF孔洞中的金屬離子（如鋯離子）與水分子形成配位鍵，夜間吸附空氣中的水蒸氣，白天通過陽光加熱（約50℃）釋放水分，經(jīng)冷凝后得到飲用水。2024年，該技術(shù)已在智利阿塔卡馬沙漠試點(diǎn)應(yīng)用，為當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)提供清潔水源。五、科學(xué)意義與未來展望金屬有機(jī)框架的開發(fā)打破了無機(jī)化學(xué)與有機(jī)化學(xué)的界限，開創(chuàng)了“材料可編程設(shè)計(jì)”的新范式。傳統(tǒng)多孔材料（如沸石、活性炭）的結(jié)構(gòu)不可控，而MOF通過模塊化組裝，實(shí)現(xiàn)了從“試錯(cuò)合成”到“理性設(shè)計(jì)”的跨越。目前，全球已合成超過10萬種MOF材料，涵蓋能源、環(huán)境、醫(yī)療等領(lǐng)域：在醫(yī)療領(lǐng)域，MOF可作為藥物載體，通過孔洞緩釋抗癌藥物；在電子領(lǐng)域，MOF衍生的碳材料可用作超級(jí)電容器電極，比容量達(dá)1500F/g。對(duì)于高一學(xué)生，理解MOF技術(shù)不僅能鞏固配位鍵、晶體結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)概念，更能培養(yǎng)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的化學(xué)思維。正如諾貝爾化學(xué)委員會(huì)評(píng)價(jià)：“金屬有機(jī)框架為人類面臨的能源危機(jī)、水資源短缺和氣候變化提供了材料學(xué)解決方案，其影響將持續(xù)數(shù)十年?！绷?、典型例題與解析（結(jié)合高一知識(shí)點(diǎn)）例題：某MOF材料由Zn2?與對(duì)苯二甲酸（C?H?O?）通過配位鍵結(jié)合而成，已知每個(gè)Zn2?與4個(gè)氧原子配位，每個(gè)對(duì)苯二甲酸分子提供2個(gè)氧原子參與配位。（1）寫出該MOF的最簡化學(xué)式；（2）若1個(gè)晶胞中含有8個(gè)Zn2?，計(jì)算晶胞中對(duì)苯二甲酸分子的數(shù)目。解析：（1）設(shè)Zn2?數(shù)目為x，對(duì)苯二甲酸分子數(shù)目為y。每個(gè)Zn2?形成4個(gè)配位鍵，每個(gè)對(duì)苯二甲酸分子提供2個(gè)配位氧原子，故配位鍵總數(shù)：4x=2y→y=2x，最簡化學(xué)式為Zn(C?H?O?)?（對(duì)苯二甲酸根為C?H?O?2?）。（2）由（1）知n(Zn2?):n(對(duì)苯二甲酸)=1:2，故晶胞中對(duì)苯二甲酸分子數(shù)目為8×2=16?？键c(diǎn)：配位鍵數(shù)目計(jì)算、化學(xué)式確定（高一化