鲁科版化学选择性必修二第3章 第3节 液晶纳米材料与超分子.docx

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鲁科版化学选择性必修二第3章第3节液晶纳米材料与超分子

第3节　液晶、纳米材料与超分子

[核心素养发展目标]　1.知道物质除有三种基本的聚集状态外，还有其他聚集状态。

2.知道液晶、纳米材料和超分子的概念及结构与性质的关系。

一、液晶

（1）概念：

在一定的温度范围内既具有液体的可流动性，又具有类似晶体的各向异性的物质。

（2）结构：

内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列。

（3）性质：

在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面表现出类似晶体的各向异性。

（4）用途：

制造液晶显示器。

液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列密切相关。

在没有外加电场时，液晶分子呈逐层扭转的螺旋形排列，在施加电压时，液晶分子变成沿电场方向排列，而在移去电场之后，液晶分子又恢复到原来的状态。

（1）物质只有气、液、固三种聚集状态（　　）

（2）液晶内部分子沿长轴方向有序排列，使液晶具有各向异性（　　）

（3）液晶是一种特殊的物质聚集状态（　　）

（4）液晶最重要的用途是制造液晶显示器（　　）

（5）液晶就是液体和晶体的混合物，是一种液态晶体（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）√　（4）√　（5）×

1．液晶主要有哪些化学物质组成？

提示　液晶是具有特殊形状分子的物质组成，大多数液晶都属于有机复合物质，由长棒状的分子构成。

2．试从微观层面解释液晶具有各向异性的原因。

提示　在微观结构层面，液晶内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列，由此在分子长轴的平行方向和垂直方向表现出不同的性质。

二、纳米材料

（1）组成：

由直径为几或几十纳米的颗粒和颗粒间的界面两部分组成。

（2）结构：

纳米颗粒内部具有晶状结构，原子排列有序，而界面则为无序结构。

（3）性质：

具有既不同于微观粒子又不同于宏观物体的独特性质。

纳米材料在光学、声学、电学、磁学、热学、力学、化学反应等方面完全不同于由微米量级或毫米量级的结构颗粒构成的材料。

例如，纳米陶瓷不仅硬度高、强度高，其韧性和可加工性也显著增强。

（4）纳米材料“明星”：

富勒烯、石墨烯和碳纳米管。

其中，碳纳米管因其纤维长、强度高、韧性高等特点被称为“超级纤维”。

（5）形态各异的纳米材料

①优良的金属导体在尺寸减小到几纳米时就可成为绝缘体，多数金属纳米颗粒在特定尺寸时会呈现黑色，因此纳米金属材料可用于制作隐形飞机上的雷达吸波材料。

②金的熔点为1064℃，但2nm尺寸金的熔点仅为327℃左右。

不同颗粒大小的纳米金在溶液中会呈现不同的颜色。

③磁流体又称磁性液体，是磁性纳米粒子的超稳定悬浮液。

（1）纳米材料包括纳米颗粒与颗粒界面两部分，两部分都是有序排列（　　）

（2）纳米是一种属于长度为10－9m的物质（　　）

（3）纳米材料不属于晶体，也不属于胶体（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）√

1．什么是纳米材料？

纳米材料一定是直径在1～100nm的颗粒吗？

答案　纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1～100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。

纳米材料分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块。

2．试从杂化方式角度解释碳纳米管具有高强度的原因。

答案　碳纳米管中碳原子采取sp2杂化，相比sp3杂化，sp2杂化中s轨道成分比较大，形成的共价键键长短，共价键更牢固，因而碳纳米管具有高强度。

3．纳米材料是21世纪最有前途的新型材料之一，世界各国对这一新材料给予了极大的关注。

纳米粒子是指直径为1～100nm的超细粒子（1nm＝10－9m）。

由于表面效应和体积效应，其常有奇特的光、电、磁、热等性质，可开发为新型功能材料。

有关纳米粒子的叙述不正确的是（　　）

A．因纳米粒子半径太小，故不能将其制成胶体

B．一定条件下，纳米粒子可催化水的分解

C．一定条件下，纳米TiO2陶瓷可发生任意弯曲，可塑性好

D．纳米粒子半径小，表面活性高

答案　A

三、超分子

（1）概念：

两个或多个分子相互“组合”在一起形成具有特定结构和功能的聚集体。

（2）结构：

内部分子之间通过非共价键结合，包括氢键、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等。

例如，DNA中两条分子链之间通过氢键的作用而组合在一起，细胞膜中的磷脂分子通过疏水端相互作用形成双层膜结构。

再如，化学家于20世纪80年代发现的一类被称为冠醚的物质能与阳离子（尤其是碱金属阳离子）作用，并且随环的大小不同而与不同的金属离子作用，这里冠醚与金属离子的聚集体可以看成是一类超分子。

如下图所示：

（3）应用

①作有机反应中的催化剂

由于冠醚与金属阳离子的作用，可以将阳离子以及对应的阴离子都带入有机溶剂，因而成为有机反应中很好的催化剂。

②引发化学家进一步关注分子之间通过空间结构和作用力的协同所产生的某种选择性，从而实现分子识别、分子组装，促进了超分子化学研究的发展。

③通过对超分子化学的研究，人们可以模拟生物系统，在分子水平上进行分子设计，有序组装甚至复制出一些新型的分子材料，如具有分子识别能力的高效专业的新型催化剂，有效的新型药物，集成度高、体积小、功能强的分子器件（分子导线、分子开关、分子信息存储元件等），生物传感器以及很多具有光、电、磁、声、热等特性的功能材料等。

1．KMnO4水溶液对烯烃的氧化效果较差，在烯烃中溶入冠醚就能加快化学氧化速率，试解释原因。

答案　在烯烃中溶入冠醚时，冠醚通过与K＋结合而将MnO

也携带进入烯烃；冠醚不与MnO

结合，使游离或裸露的MnO

反应活性很高，从而使氧化反应能够迅速发生。

如下图所示：

2.超分子化学已逐渐扩展到化学的各个分支，还扩展到生命科学和物理学等领域。

由Mo将2个C60分子，2个p甲酸丁酯吡啶及2个CO分子利用配位键自组装的超分子结构如图所示。

（1）该超分子中存在的化学键类型有________。

A．σ键

B．π键

C．离子键

D．氢键

（2）该超分子中配体CO提供孤电子对的原子是________（填元素符号）。

（3）配体p甲酸丁酯吡啶中C原子的杂化方式有_____________________________________。

答案　

（1）AB　

（2）C　（3）sp3、sp2

解析　

（1）该分子中只存在共价键，共价键为σ键、共价双键中含有σ键和π键。

（2）由图示可知，都是由碳原子与Mo原子直接连接。

液晶、纳米材料和超分子的比较

液晶

纳米材料

超分子

定义

在一定温度范围内既具有液体的可流动性，又具有晶体的各向异性的物质

－

两个或多个分子相互“组合”在一起形成具有特定结构和功能的聚集体

特征

折射率、磁化率、电导率均表现出各向异性，液晶显示的驱动电压低、功率小

粒子细化、界面原子比例高，使纳米材料在光学、声学、电学、磁学、热学、力学、化学反应等方面具有特性

内部分子间通过非共价键结合，包括氢键、静电作用、疏水作用以及一些分子与金属离子形成的弱配位键等

重要应用

制造液晶显示器

化妆品、涂料、食品、化纤布料、隐形飞机

分子识别和组装

1．关于液晶，下列说法中正确的有（　　）

A．液晶是一种晶体

B．液晶分子的空间排列是稳定的，具有各向异性

C．液晶的化学性质与温度变化无关

D．液晶的光学性质随外加电压的变化而变化

答案　D

解析　本题考查液晶的结构和性质。

液晶的微观结构介于晶体和液体之间，虽然液晶分子在特定方向的排列比较整齐，且具有各向异性，但分子的排列是不稳定的，选项A、B错误；外界条件的微小变化都会引起液晶分子排列的变化，从而改变液晶的某些性质，选项C错误；温度、压力、外加电压等因素变化时，都会改变液晶的光学性质，选项D正确。

2．下列关于物质特殊聚集状态的叙述中，错误的是（　　）

A．在电场存在的情况下，液晶分子沿着电场方向有序排列

B．非晶体的内部原子或分子的排列杂乱无章

C．液晶最重要的用途是制造液晶显示器

D．由纳米粒子构成的纳米陶瓷有极高的硬度，但低温下不具有优良的延展性

答案　D

解析　纳米粒子构成的纳米陶瓷在低温下具有良好的延展性。

3．下列关于纳米材料的叙述中正确的是（　　）

A．包括纳米颗粒和颗粒间界面两部分

B．纳米材料属于晶体

C．纳米材料属于非晶体

D．同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体具有完全等同的性质

答案　A

解析　组成纳米材料的晶状颗粒内部的有序原子与晶粒界面的无序原子各约占原子总数的50%，从而形成与晶体、非晶体均不同的一种新的结构状态；同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体的性质差别很大，如金的常规熔点为1064℃，但2nm尺寸的金的熔点仅为327℃左右。

4．下列说法符合科学性的是（　　）

A．某厂生产的食盐有益于人体健康，它是纳米材料，易吸收、易消化

B．某厂生产的食盐，处于液晶状态，是日常生活中不可缺少的物质

C．金的常规熔点为1064℃，但2nm尺寸金的熔点仅为327℃左右，所以纳米金属于分子晶体

D．液晶是一种具有晶体性质的特殊物质，可用于制造显示器

答案　D

解析　食盐易溶于水，故易被吸收，与其原始状态无关，A错误；食盐通常处于晶体状态，而不是处于液晶状态，B错误；纳米材料不同于一般的晶体、非晶体，C错误。

5．水的状态除了气、液和固态外，还有玻璃态。

它是由液态水急速冷却到165K时形成的，玻璃态的水无固定形状，不存在晶体结构，且密度与普通液态水的密度相同。

有关玻璃态水的叙述正确的是（　　）

A．水由液态变为玻璃态，体积缩小B．水由液态变为玻璃态，体积膨胀

C．玻璃态水中氢键与冰不同D．玻璃态水是分子晶体

答案　C

解析　由于玻璃态的水与普通液态水的密度相同，水由液态变为玻璃态时，体积不变，A、B不正确；玻璃态水中氢键与冰中不相同，冰中水分子间因氢键的形成而出现空洞造成体积膨胀，C正确；玻璃态水不属于晶体，D不正确。

6．纳米是长度单位，1nm＝1×10－9m，物质的颗粒达到纳米级时，具有特殊的性质。

如将单质铜制成“纳米铜”时，“纳米铜”具有非常强的化学活性，在空气中可以燃烧。

下列对“纳米铜”的有关叙述中正确的是（　　）

A．常温下，“纳米铜”比铜片的金属性强

B．常温下，“纳米铜”比铜片更易失去电子

C．常温下，“纳米铜”与铜片的还原性相同

D．常温下，“纳米铜”比铜片的氧化性强

答案　C

解析　“纳米铜”因其表面积大，所以化学反应速率快，但基本化学性质没有变。

7．纳米材料是当今材料科学研究的前沿，其研究成果广泛应用于催化及军事科学中。

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．所得液体不可以全部透过滤纸D．所得物质一定是溶液

答案　B

解析　纳米材料的微粒直径范围和胶体分散质微粒的直径范围一致，故其分散系应为胶体，应具备胶体的性质。

8．纳米技术日益受到各国科学家的关注。

请回答下列问题：

（1）纳米是________单位，1纳米等于_______米。

纳米科学与技术是研究结构尺寸在1～100nm范围内材料的性质与应用。

它与____________分散系的分散质粒子大小一样。

（2）世界上最小的马达是分子马达，只有千万分之一个蚊子那么大，如图所示，这种分子马达将来可用于消除体内垃圾。

①上图是这种分子马达的________（填字母）。

a．结构式b．晶胞

c．比例模型（或填充模型）d．球棍模型

②在这种分子马达中，构成环状结构的是________元素的原子，这种原子在1个分子马达中共有________个。

答案　

（1）长度　10－9　胶体　

（2）①d　②碳　30

9．

（1）（CH3）3NH＋和[AlCl4]－可形成离子液体。

离子液体由阴、阳离子组成，熔点低于100℃，其挥发性一般比有机溶剂________（填“大”或“小”），可用作________（填字母）。

a．助燃剂b．“绿色”溶剂

c．复合材料d．绝热材料

（2）在纳米级的空间中，水的结冰温度是怎样的呢？

为此，科学家对不同直径碳纳米管中水的结冰温度进行分析。

下图是四种不同直径碳纳米管中的冰柱结构及结冰温度，冰柱的大小取决于碳纳米管的直径。

水在碳纳米管中结冰的规律是__________________________________

_______________________________________________________________________________。

答案　

（1）小　b　

（2）碳纳米管直径越大，结冰温度越低

解析　

（1）由（CH3）3NH＋和[AlCl4]－形成的离子液体，阴、阳离子间的作用力肯定大于有机溶剂分子间的范德华力，因此其挥发性一般比有机溶剂小；该离子液体中不含氧，则其不助燃；液体一般不能用作复合材料；由阴、阳离子形成的离子液体，应该具有导热性，不可能用作绝热材料。

（2）由题图可知，随着碳纳米管直径的增大，结冰温度依次为27℃、7℃、－53℃、－83℃，即碳纳米管直径越大，结冰温度越低。

一、单项选择题

1．下列关于聚集状态的叙述中，错误的是（　　）

A．物质只有气、液、固三种聚集状态

B．气态是高度无序的体系存在状态

C．固态中的原子或分子结合的较紧凑，相对运动较弱

D．液态物质微粒间的距离和作用力的强弱介于固、气两态之间，表现出明显的流动性

答案　A

解析　物质的聚集状态，除了气、液、固三态外，还有其他聚集状态，如非晶体、液晶、纳米材料等物质就处于气、液、固三态外的其他聚集状态，A错误；物质处于气态时，分子间距离大，分子运动速度快，体系处于高度无序状态，B正确；对于固态物质，原子或分子相距很近，分子难以平动和转动，但能够在一定位置上做不同程度的振动，C正确；对液态物质而言，分子相距比较近，分子间作用力也较强，分子的转动明显活跃，平动也有所增加，使之表现出明显的流动性，D正确。

2．下列关于液晶的说法正确的是（　　）

A．液晶是液体和晶体的混合物

B．液晶是一种晶体

C．液晶分子在特定条件下排列比较整齐，但不稳定

D．所有物质在一定条件下都能成为液晶

答案　C

解析　液晶是某些特殊的化合物，不是混合物，并非所有物质都能够成为液晶，是一种介于晶体和液体之间的物质。

3．电子表、电子计算器、电脑显示器都运用了液晶材料显示图像和文字。

有关其显示原理的叙述正确的是（　　）

A．施加电压时，液晶分子垂直于电场方向排列

B．移去电场后，液晶分子不能恢复到原来的状态

C．施加电压时，液晶分子沿电场方向排列

D．移去电场后，液晶分子垂直于原电场方向排列

答案　C

解析　液晶材料的显示原理为施加电压时，液晶分子沿电场方向排列；移去电场后，液晶分子能够恢复到原来的状态。

4．液晶广泛用于电子仪表产品等，MBBA是一种研究较多的液晶材料，其化学式为C18H21NO，下列有关说法中正确的是（　　）

A．MBBA属于有机高分子化合物

B．MBBA由碳、氢、氧、氮四种元素组成

C．MBBA中碳、氢、氧、氮的原子个数比为18∶21∶2∶1

D．MBBA中含有一氧化氮分子

答案　B

解析　有机高分子化合物是由一类相对分子质量很大的物质，且无固定的化学式，A错误；MBBA由碳、氢、氧、氮四种元素组成，B正确；由MBBA的化学式可知，其分子中碳、氢、氧、氮的原子个数比为18∶21∶1∶1，C错误；MBBA是由C18H21NO分子构成的化合物，D错误。

5．下列说法不正确的是（　　）

A．液晶态介于晶体状态和液态之间，液晶具有一定程度的晶体的有序性和液体的流动性

B．常压下，0℃时冰的密度比水的密度小，水在4℃时密度最大，这些都与分子间的氢键有关

C．石油裂解、煤的干馏、玉米制醇、蛋白质的变性和纳米银粒子的聚集都是化学变化

D．燃料的脱硫脱氮、SO2的回收利用和NOx的催化转化都是减少酸雨产生的措施

答案　C

解析　石油裂解、煤的干馏、玉米制醇、蛋白质的变性都是化学变化，纳米银粒子的聚集只是物质的聚集状态发生改变，属于物理变化，C项错误。

6．我国科学家成功合成了3nm长的管状定向碳纳米管，长度居世界之首。

这种碳纤维具有强度高、刚度（抵抗变形的能力）高、密度小（只有钢的

）、熔点高、化学性质稳定性好的特点，因而被称为“超级纤维”。

下列对碳纤维的说法不正确的是（　　）

A．它是制造飞机的理想材料

B．它的主要组成元素是碳

C．它的抗腐蚀能力强

D．碳纤维复合材料为高分子化合物

答案　D

解析　由于碳纤维的强度高、刚度高、密度小，它也可以是制造飞机的理想材料；碳纤维复合材料的主要组成元素是碳，性质稳定，抗腐蚀能力强。

7．（2020·济宁高二课时练习）纳米材料具有一些与传统材料不同的特征，下列关于纳米材料的叙述中，错误的是（　　）

A．三维空间尺寸必须都处于纳米尺度

B．具有既不同于微观粒子也不同于宏观物体的独特性质

C．是原子排列成的纳米数量级原子团

D．具有与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态

答案　A

解析　纳米颗粒的三维空间尺寸只要有一维处于纳米尺度即可，故A错误；由于纳米粒子存在巨大的比表面积，由纳米粒子构成的材料，往往产生既不同于微观原子、分子，也不同于宏观物质的超常规特性，故B正确；纳米材料是原子排列成的纳米数量级原子团，故C正确；纳米材料具有与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态，故D正确。

8．下列关于超分子说法正确的是（　　）

A．DNA形成螺旋结构是因为氢键的作用

B．超分子是高分子化合物

C．超分子是内部分子通过分子间作用力结合在一起形成的

D．超分子的性质不同于单个分子的性质，有自己的特性，属于分子晶体

答案　A

解析　超分子是两个或多个分子通过非共价键结合在一起的，不一定是高分子化合物，如冠醚与钾离子的聚集体；非共价键也不等同于分子间作用力，它包括氢键、静电作用、弱配位建等，所以也不属于分子晶体。

二、不定项选择题

9．下列关于纳米材料的叙述错误的是（　　）

A．将纳米材料均匀分散到液体分散剂中可制得溶液

B．用纳米级金属颗粒粉剂做催化剂可加快反应速率，提高反应物的平衡转化率

C．将纳米颗粒粉剂制成火箭的固体燃料将有更大的推动力

D．银器能抑菌、杀菌，将纳米银微粒植入内衣织物中，有奇异的抑菌、杀菌效果

答案　AB

解析　催化剂可加快化学反应的速率，但不能使化学平衡发生移动，B项错误。

10．下列说法不正确的是（　　）

A．储热材料是一类重要的能量存储物质，单位质量的储热材料在发生熔融或结晶时会吸收或释放较大的热量

B．Ge（32号元素）的单晶可以作为光电转换材料用于太阳能电池

C．Ba2＋浓度较高时危害健康，但BaSO4可服入体内，作为造影剂用于X射线，检查肠胃疾病

D．纳米铁粉可以高效地去除被污染水体中的Pb2＋、Cu2＋、Cd2＋、Hg2＋等重金属离子，其本质是纳米铁粉对重金属离子较强的物理吸附

答案　D

解析　A项，储热材料具有在熔融或结晶时会吸收或释放较大的热量特点，正确；B项，Ge是一种优质的光电转换材料，可用于太阳能电池，正确；C项，硫酸钡具有无毒、不溶于水、不能被X射线透过的性质，可用于造影，正确；D项，纳米铁粉属于单质，能把Cu2＋、Hg2＋等重金属离子置换出来，属于化学变化，错误。

11．美国科学家用有机分子和球形笼状分子C60，首次制成了“纳米车”（如图所示），每辆“纳米车”是用一个有机分子和四个球形笼状分子“组装”而成。

下列说法正确的是（　　）

A．我们可以直接用肉眼清晰地看到这种“纳米车”的运动

B．“纳米车”的诞生，说明人类操纵分子的技术进入一个新阶段

C．“纳米车”是一种分子晶体

D．C60熔点比金刚石熔点低

答案　BD

解析　“纳米车”是肉眼不能看见的，A项错误；“纳米车”只是几个分子的“组装”体，并非晶体，C项错误；C60属于分子晶体，熔点要比金刚石低得多，D项正确。

12．纳米材料的表面粒子数占总粒子数的比例极大，这是它具有许多特殊性质的原因。

假设某纳米颗粒的大小和形状恰好与某晶体晶胞的大小和形状（如图）相同，则这种纳米颗粒的表面粒子数占总粒子数的百分数为（　　）

A．87.5%B．88.9%C．96.3%D．100%

答案　B

三、非选择题

13．（2019·北京高二学业水平考试）阅读短文，回答问题。

化学是自然科学的重要组成部分，其特征是从微观层次认识物质，在不同层面创造物质。

化学的魅力是在自然界的基础上，创造一个全新的世界。

纵观化学发展史可知，青铜与铁是青铜时代和铁器时代人类创造的新材料，酿酒和发酵工艺是原始的食品化学工艺，药物的发现和提纯是早期药物化学。

近现代以来，合成化学在无机、有机、催化、高分子和超分子等领域得到了蓬勃发展，其产物广泛应用在纳米材料、医药、航空、航天及军事等领域。

化学是揭示元素到生命奥秘的核心力量，其核心技术就是通过对分子层面的操纵创造物质。

化学在促进人类文明可持续发展中发挥着日益重要的作用！

请依据以上短文，判断下列说法是否正确（填“对”或“错”）。

（1）从微观层次认识物质是化学的特征之一。

________

（2）铁的冶炼过程发生了化学变化。

________

（3）通过对分子层面的操纵可研发新药。

________

（4）化学合成的物质广泛应用在纳米材料、航空、航天等领域。

________

答案　

（1）对　

（2）对　（3）对　（4）对

14．纳米技术制成的金属燃料、非金属固体燃料、氢气等已应用到社会生活和高科技领域。

（1）A和B的单质单位质量的燃烧热大，可用作燃料。

已知A和B为短周期元素，其原子的第一至第四电离能如下表所示：

I1

I2

I3

I4

A

932

1821

15390

21771

B

738

1451

7733

10540

某同学根据上述信息，推断B的轨道表示式如下图所示：

①该同学所画的轨道表示式违背了________。

②根据价层电子对互斥理论，预测A和氯元素形成的简单分子空间结构为________。

（2）氢气作为一种清洁能源，必须解决它的储存问题，C60可用作储氢材料。

①已知金刚石中的C—C键的键长为154.45pm，C60中C—C键的键长为140～145pm，有同学据此认为C60的熔点高于金刚石，你认为是否正确并阐述理由：

________________________

_______________________________________________________________________________。

②科学家把C60和K掺杂在一起制造了一种富勒烯化合物，其晶胞如图所示，该物质在低温时是一种超导体。

该物质的K原子和C60分子的个数之比为________。

③继C60后，科学家又合成了Si60、N60，C、Si、N原子电负性由大到小的顺序是________。

Si60分子中每个硅原子只跟相邻的3个硅原子形成共价键，且每个硅原子最外层都满足8电子稳定结构，则Si60分子中π键的数目为________________。

答案　

（1）①能量最低原理　②直线形

（2）①不正确，C60的熔点应该低于金刚石。

因为C60属于分子晶体，而金刚石是共价晶体

②3∶1　③N>C>Si　30

解析　

（1）根据两原子的第一至第四电离能的变化可以判断出A为铍，B为镁，镁原子的核外电子排布式为1s22s22p63s2，可见题给轨道表示式的电子排布违反了能量最低原理；氯化铍分子中铍原子只形成2个共价