学年高中物理 第2章 固体 第23节 固体的微观结构 材料科技与人类文明教学案.docx

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学年高中物理第2章固体第23节固体的微观结构材料科技与人类文明教学案

第2、3节固体的微观结构__材料科技与人类文明

1.1912年德国物理学家劳厄证实，组成晶体的物质微粒有规则的在空间排成阵列，呈现周而复始的有序结构。

2．根据不同的晶体其内部物质微粒的结合方式不同，可分为离子晶体、原子晶体和金属晶体。

3．单晶体的内部，沿不同方向等长直线上，微粒个数通常不相等，物理性质呈现出各向异性，非晶体的内部，沿不同方向等长直线，微粒个数通常相等，物理性质呈现出各向同性。

4．纳米是长度的单位，1nm＝10－9m，当材料小到纳米尺度时，其力、热、声、光、磁等方面的性能会发生突变。

晶体的结构与结合类型

[自读教材·抓基础]

1．晶体的结构

（1）组成晶体的物质微粒有规则地在空间排成阵列，呈现周而复始的有序结构，说明晶体的微观结构具有周期性特点。

（2）晶体内部各微粒之间存在着很强的相互作用力，微粒被约束在一定的平衡位置上。

热运动时，这些微粒只能在各自的平衡位置附近做微小振动。

2．晶体的结合类型

构成微粒

结合键

举例

离子晶体

正、负离子

离子键

NaCl、AgBr

原子晶体

原子

共价键

SiO2、碳、锗

金属晶体

物质微粒

金属键

铜、银、铝

[跟随名师·解疑难]

三类晶体结构与性质的比较

离子晶体

原子晶体

金属晶体

构成微粒

正、负离子

原子

物质微粒

粒子间作用

离子键

共价键

金属键

熔、沸点

较高

很高

较高

硬度

较大

很大

较大

导电性

熔化或溶于水时导电

一般不导电

导电

溶解性

多数溶于极性溶剂

不溶

不溶

实例

多数盐、强碱、

多数金属氧化物

金刚石、二氧化硅、晶体硅、碳化硅

金属单质

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）

下列哪些不属于晶体的结合类型（　　）

A．金属晶体　　　　　B．离子晶体

C．多晶体D．原子晶体

解析：

选C　晶体的结合类型有：

离子晶体、原子晶体和金属晶体。

固体特征的微观解释

[自读教材·抓基础]

1．几何外形解释

（1）晶体内部物质微粒的排列有一定规律，在宏观上具有规则的几何外形。

（2）非晶体内部物质微粒的排列没有一定规律，在宏观上没有规则的几何外形。

2．物理性质解释

（1）在单晶体内部，沿不同方向的等长直线上，微粒个数通常是不相等的，这说明单晶体在不同方向上的微粒排列及物质结构情况是不一样的，故单晶体在物理性质上表现为各向异性。

（2）在非晶体内部，物质微粒的排列是杂乱无章的，从统计观点来看，沿不同方向的等长直线上，微粒个数大致相等，非晶体在不同方向上的微粒排列及物质结构情况基本相同，故非晶体在物理性质上表现为各向同性。

3．同一种物质微粒在不同的条件下有可能形成不同的晶体，虽然构成这些晶体的物质微粒都相同，但是由于它们的排列形式不同，物理性质也不同。

[跟随名师·解疑难]

1．对同素异形体的解释

有的物质有几种晶体，是因为它们的物质微粒能形成不同的晶体结构。

例如碳原子按不同的结构排列可形成石墨和金刚石，二者在物理性质上有很大差别。

白磷和红磷的化学成分相同，但白磷具有立方体结构，而红磷具有与石墨一样的层状结构，二者在物理性质上也有很大差别。

2．对晶体具有一定熔点的解释

给晶体加热到一定温度时，一部分微粒有足够的动能克服微粒间的作用力，离开平衡位置，使规则的排列被破坏。

晶体开始熔化，熔化时晶体吸收的热量全部用来破坏规则的排列，温度不发生变化。

[特别提醒]　非晶体内部的物质微粒和构成多晶体的大量小晶粒的排列都是杂乱无章的，没有一定的规律，在物理性质上都具有各向同性，都没有规则的几何外形。

但小晶粒内部的物质微粒排列是有序的，具有一定的规律，因此，多晶体具有固定的熔点和沸点。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）

单晶体具有各向异性的特征是由于（　　）

A．单晶体在不同方向上物质微粒的排列情况不同

B．单晶体在不同方向上物质微粒的排列情况相同

C．单晶体内部结构有规则性

D．单晶体内部结构无规则性

解析：

选AC　组成单晶体的物质微粒的有序排列使得不同方向上的物理性质不同，形成各向异性，由此可知A、C正确。

材料科技与人类文明

[自读教材·抓基础]

1．材料种类

（1）按照材料的特性，可以把材料分为结构材料和功能材料两类。

（2）按照材料的应用领域，可以把材料分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。

（3）按照习惯，把材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。

2．新材料及应用

材料科学是研究材料的制造、结构与性能三者之间相互关系的科学。

材料、信息、能源被当今国际社会公认为现代文明的三大支柱。

（1）发生形变后几乎能100%恢复原状的材料称为形状记忆合金。

主要应用于工程机械、航空航天、医疗卫生等。

（2）微电子材料：

半导体。

主要应用于通信卫星、电视卫星接收机、移动通信、高清晰度电视以及军用电子装备等。

（3）在力、热、声、光、磁等方面的某些性能会发生突变的是纳米材料。

主要应用于医药、电子、生物、航空等方面。

[跟随名师·解疑难]

1．新材料及其应用

新材料有优异的性能和广阔的应用前景，在航空航天、卫生医疗、微电子等领域都有广泛的应用。

（1）记忆合金：

含镍55%、含钛45%的“镍钛诺”合金丝加热并弯成各种复杂的形状，然后冷却并拉直，当再次加热时，拉直的合金丝又恢复原来的形状。

（2）半导体材料：

主要是硅和砷化镓，在电子工业和微电子技术中有广泛的应用。

（3）纳米材料：

粒度在1～100nm之间的材料称为纳米材料。

1nm＝10－9m。

纳米材料的发现和应用为新型材料的发明开辟了一个崭新的天地，显示了强大的生命力。

2．纳米材料的奇特效应

（1）量子尺寸效应：

如银的超细微粒在温度为1K时，会由导体变为绝缘体。

（2）小尺寸效应：

如当材料超细微粒的尺寸与光波波长相当或更小时，将由超导状态变为正常状态。

（3）表面和界面效应：

如纳米材料活性极高，极不稳定，很容易与其他原子结合。

（4）宏观量子隧道效应：

如低于某一临界温度时，其微观粒子的运动速度基本上与温度无关。

[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（小试身手）

下列认识不正确的是（　　）

A．纳米是一种尺寸很小的材料，是纳米材料的简称

B．纳米技术就是重新排列原子而制造具有新分子结构的技术

C．纳米是一个长度单位

D．纳米材料的奇特效应使纳米材料表现出不同于传统材料的良好性能

解析：

选A　纳米是一个长度单位，故A错，C对。

纳米技术是原子的重新排列，纳米材料的制造是在纳米技术的基础上，故B、D正确。

微观结构对固体特征的解释

[典题例析]

1．下列叙述中正确的是（　　）

A．单晶体的各向异性是由于它的内部微粒的排列是杂乱无章的

B．单晶体具有规则的几何外形是由于它的内部微粒按一定规律排列

C．非晶体有规则的几何形状和固定的熔点

D．石墨的硬度比金刚石差得多，是由于它的微粒没有按空间结构分布

[思路点拨]　

→

→

解析：

单晶体的各向异性是由于在不同方向上，单晶体内部物质微粒的排列情况不同导致的，非晶体内部物质微粒的排列没有一定规律，杂乱无章，故它没有规则的几何形状，也没有固定的熔点，金刚石与石墨物理性质差别很大，是由于内部微粒的排列组合结构不同造成的。

故A、C、D均不对，B选项正确。

答案：

B

[探规寻律]

根据固体的微观结构分析其特点

在理解晶体的宏观特性时，应从组成晶体的物质微粒，按照一定的规律排列，形成一定的空间点阵结构的理论去分析、研究晶体特性。

晶体的物质分子决定了物质的化学性质，晶体的微观结构决定了其物理性质。

非晶体不具有晶体的微观结构，也就有不同于晶体的物理性质。

[跟踪演练]

关于晶体和非晶体的内部结构，正确的说法是（　　）

A．它们内部的物质微粒都有规则的空间分布

B．单晶体内部的物质微粒是有规则排列的，而非晶体内部物质微粒排列是不规则的

C．晶体内部的微粒是静止的，而非晶体内部的物质微粒是不停地运动着的

D．在物质内部的各个平面上，微粒数相等的是晶体，数量不等的是非晶体

解析：

选B　单晶体内部微粒排列规则，而非晶体内部微粒排列不规则，晶体与非晶体内部的微粒都在不停地运动着。

无法依据物质内部的各个平面上微粒数是否相等来区分晶体与非晶体。

新材料的特性及其应用

[典题例析]

2．（多选）纳米材料的奇特效应使纳米材料表现出不同于传统材料的良好性能，以下关于纳米材料的性能的说法中，正确的是（　　）

A．在力学性能方面，纳米材料具有高强、高硬和良好的塑性

B．在热学性能方面，纳米超细微粒的熔点比常规粉体低得多

C．在电学性能方面，纳米金属在低温时会呈现超导电性

D．在化学性能方面，纳米材料化学活性低，因此化学稳定性强

[思路点拨]　解答本题时应注意纳米材料的良好性能主要表现在：

（1）力学性能：

高强、高硬和良好的塑性。

（2）热学性能：

熔点较低。

（3）电学性能：

低温时会呈现电绝缘性。

（4）化学性能：

具有相当高的化学活性。

解析：

纳米材料具有良好的性能，在力学性能方面，纳米材料具有高强、高硬和良好的塑性，A正确；在热学性能方面，纳米超细微粒的熔点比常规粉体低得多，B正确；在电学性能方面，纳米材料在低温时会呈现电绝缘性；而在化学性能方面，纳米材料具有相当高的化学活性，故选项C、D错误。

答案：

AB

[探规寻律]

纳米材料用途

依据不同材料各自性能的不同，在许多领域都有它们不同的应用。

例如：

不锈钢材料在制造餐具、手术器械、化工设备等方面得以广泛应用；氮化硅制成的高温陶瓷在现代工业和航空航天领域得到广泛应用；人工合成的有机玻璃可用于制造飞机的座舱盖及车的挡风玻璃，还可用于制造文具和工艺品等。

[跟踪演练]

下列说法中不正确的是（　　）

A．不锈钢具有很强的耐腐蚀性，广泛应用于制造餐具、外科手术器械及化工设备

B．有机高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素的有机化合物构成的材料

C．复合材料则是由几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料

D．玻璃钢不是复合材料

解析：

选D　玻璃钢、碳纤维和陶瓷复合材料等都是新型的复合材料，D错。

故选D。

[课堂双基落实]

1．下列说法错误的是（　　）

A．晶体具有天然规则的几何形状，是因为物质微粒是规则排列的

B．有的物质能够生成种类不同的几种晶体，因为它们的物质微粒能够形成不同的空间结构

C．凡各向同性的物质一定是非晶体

D．晶体的各向异性是由晶体内部结构决定的

解析：

选C　晶体的外形、物理性质都是由晶体的微观结构决定的，A、B、D正确，各向同性的物质不一定是非晶体，多晶体也具有这样的性质，C错误。

2．下列关于晶体的结合类型说法正确的是（　　）

A．不同晶体内部，物质微粒之间结合方式都相同

B．由正、负离子通过离子键结合而成的晶体叫做原子晶体

C．相邻原子之间通过共价键结合而成的晶体叫做离子晶体

D．物质微粒通过金属键结合而成的晶体叫做金属晶体

解析：

选D　不同晶体内部，物质微粒之间结合方式不相同，选项A错误；由正、负离子通过离子键结合而成的晶体叫做离子晶体，选项B错误；相邻原子之间通过共价键结合而成的晶体叫做原子晶体，选项C错误；物质微粒通过金属键结合而成的晶体叫做金属晶体，选项D正确。

3．晶体熔化过程中所吸收的热量，主要用于（　　）

A．破坏空间点阵结构，增加分子势能

B．破坏空间点阵结构，增加分子动能

C．破坏空间点阵结构，增加分子势能，同时增加分子动能

D．破坏空间点阵结构，增加分子势能，但不增加分子动能和内能

解析：

选A　晶体有固定的熔点，熔化过程吸收的热量用于破坏空间点阵结构，因温度不变，所以分子动能不变，吸收的热量用于增加分子势能，内能增加，所以A选项正确。

4．（多选）有关晶体的排列结构，下列说法正确的是（　　）

A．同种元素原子按不同结构排列有相同的物理性质

B．同种元素原子按不同结构排列有不同的物理性质

C．同种元素形成晶体只能有一种排列规律

D．同种元素形成晶体可能有不同的排列规律

解析：

选BD　同种元素的原子可按不同规则在空间分布（如金刚石和石墨）形成不同的晶体，由于它的微观结构不同，也就有不同的物理性质，故应选B、D。

[课下综合检测]

一、选择题

1.在晶体中，原子（或分子、离子）都是按照各自的规律排列的，具有空间上的周期性。

晶体的这种微观结构可用来解释（　　）

A．单晶体具有规则的几何形状，非晶体没有

B．许多晶体能溶于水，非晶体不能

C．晶体的导电性比非晶体强

D．晶体的机械强度不如非晶体

解析：

选A　单晶体内的原子按一定规律排列，因此具有规则的几何外形，在物理性质上有各向异性，A正确；这种微观结构不能解释晶体能溶于水，晶体的导电性、机械强度，B、C、D错误。

2．下列说法中正确的是（　　）

A．化学成分相同的物质只能生成同一种晶体

B．因为石英是晶体，所以由石英制成的玻璃也是晶体

C．普通玻璃是非晶体

D．一块铁具有各向同性，它是非晶体

解析：

选C　同一种物质，如果它们的内部微粒的排列不同，也能生成不同晶体，故A错误。

石英是晶体，但由石英制成的玻璃具有各向同性且没有一定的熔点，故玻璃是非晶体，B错误，C正确。

铁虽具有各向同性，但它是多晶体，故D错误。

3．日本一位材料研究所的科学家发明了一种“碳纳米管温度计”，这种温度计被认定是世界上最小的温度计。

研究人员在长约10－6m，直径为10－7m的碳纳米管中充入液态的金属镓。

当温度升高时，管中的镓就会膨胀，通过电子显微镜就能读取温度值。

这种温度计测量的范围可以从18℃到490℃，精确度较高，可用于检查电子线路是否异常、测定毛细血管的温度等许多方面，由以上信息判断下列推测中不正确的是（　　）

A．碳纳米管的体积在10℃至500℃之间随温度变化很小，可忽略不计

B．金属镓的体积在10℃至500℃之间随温度变化很小，可忽略不计

C．金属镓的体积在10℃至500℃之间随温度变化比较均匀

D．金属镓的熔点很低，沸点很高

解析：

选B　由题意知这种温度计测温范围为18～490℃，精确度高，可以推断，在测温范围内，碳纳米管体积变化很小，可忽略不计，而金属镓的体积随温度均匀变化（18～490℃），变化不可忽略，故选项B错误，A、C、D正确。

4．（多选）半导体就是导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，以下关于其导电性能的说法中正确的是（　　）

A．半导体导电性能介于导体和绝缘体之间，性能稳定

B．在极低的温度下，纯净的半导体像绝缘体一样不导电

C．在较高温度时，半导体的导电性能会大大增强，甚至接近金属的导电性能

D．半导体中掺入杂质后，其导电性能会减弱

解析：

选BC　半导体的导电性能受温度、光照及掺入杂质的影响，故A错误。

掺入杂质后半导体的导电性能会大大增强，故D错误。

5．（多选）关于石墨与金刚石的区别，下列说法正确的是（　　）

A．它们是由不同物质微粒组成的不同晶体

B．它们是由相同物质微粒组成的不同晶体

C．金刚石是晶体，石墨是非晶体

D．金刚石比石墨原子间作用力大，金刚石有很大的硬度

解析：

选BD　金刚石与石墨是同一种物质微粒（碳原子）在不同条件下生成的不同晶体，它们有着不同的微观结构，故表现在宏观上的物理性质不一样，但它们二者都属于晶体，因此B、D正确。

6．（多选）如图1所示是某种晶体加热熔化时，它的温度T随时间t的变化图线，由图可知（　　）

图1

A．该种晶体的熔点是60℃

B．图线中间平坦的一段，说明这段时间晶体不吸收热量

C．这种晶体熔化过程所用时间是6min

D．A、B点对应的物态分别是固态和液态

解析：

选AD　从该种晶体熔化时的变化曲线可知，该晶体从20℃开始加热，随着时间的增长而温度升高，经过2min后达到60℃，此时已经达到晶体熔点，晶体开始熔化，但物体还是处在固态。

A、B平坦的一段线段说明晶体吸收了热量，但温度并没有升高，这些热量全部用来破坏晶体的规则结构，增大分子间的势能，此段时间是固态和液态共存。

熔化过程共用了4min，图线的B点说明晶体全部熔化，变成液态。

所以A、D正确。

二、非选择题

7．利用扫描隧道显微镜（STM）可以得到物质表面原子排列的图像（如图2所示），从而可以研究物质的构成规律，下面的照片是一些晶体材料表面的STM图像，通过观察、比较，可以看到这些材料都是由原子在空间排列而构成

的，具有一定的结构特征，则构成这些材料的原子在物质表面排列的共同特点是：

图2

（1）________________________________________________________________________；

（2）________________________________________________________________________；

（3）________________________________________________________________________。

答案：

（1）在确定方向上原子有规律地排列

（2）在不同方向上原子的排列规律一般不同

（3）原子排列具有一定对称性

8．如图3所示为食盐晶体结构示意图，食盐的晶体是由钠离子（图中

）和氯离子（图中

）组成的，这两种离子在空间中三个互相垂直的方向上，都是等距离地交错排列的。

已知食盐的摩尔质量是58.5g/mol，食盐的密度是2.2g/cm3，阿伏伽德罗常数为6.0×1023mol－1，试估算食盐晶体中两个最近的钠离子中心间的距离。

图3

解析：

1mol食盐中有NA个氯离子和NA个钠离子，离子总数为2NA，因而摩尔体积V与摩尔质量M和物质密度ρ的关系为V＝

，

所以一个离子所占的体积为

V0＝

＝

由题图可知V0就是图中每四个离子所夹的正方体的体积，此正方体的边长

d＝

＝

而最近的两个钠离子中心间的距离

r＝

d＝

＝1.41×

m

≈4×10－10m。

答案：

4×10－10m