第三章第1节晶体和非晶体.docx
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第三章第1节晶体和非晶体
本章将以新材料对人类生活和社会发展的影响为线索，研究固体、液体、饱和汽的性质及它们的微观结构；探究液体的表面张力及其产生原因；研究液晶材料、半导体材料、纳米材料的一些特点及应用，展望材料科学技术的广阔发展前景。
通过本章的学习我们要了解固体的微观结构，会区别晶体和非晶体。
通过实验、观察液体的表面张力现象，理解表面张力产生的原因，能解释日常生活中表面张力现象，了解液晶的微观结构，知道液晶的主要性质及其在显示技术中的应用。
了解半导体材料、纳米材料的应用和新材料的发展。
了解饱和汽及空气的湿度。
本章内容概念多、现象多且抽象较难理解，随着课程改革的不断深入和新型材料的应用，在课改区的高考中将会出现对概念的辨析、现象的解释和新材料的应用等为热点的选择题或填空题，也可能与其他知识相结合进行综合考查。
第1节
晶体和非晶体
一、晶体和非晶体
1．固体可分为：
（1）晶体，如石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、蔗糖、味精等。
（2）非晶体，如玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等。
2．晶体与非晶体的区别
分类
宏观外形
物理性质
非晶体
没有规则的几何形状
①没有确定的熔点
②导电、导热、光学性质表现为各向同性
晶体
单晶体
有天然规则的几何外形
①有确定的熔点
②导热、导电、光学性质表现为各向异性
多晶体
没有规则的几何形状
①有确定的熔点
②导热、导电、光学性质表现为各向同性
二、微观结构与固体性质的解释
1．晶体的微观结构
晶体中的粒子是有规则、周期性地排列的；这种结构称为点阵结构，并影响晶体的许多特性。
2．固体性质的微观解释
（1）构成固体的微粒排列紧密，绝大多数粒子只能在各自平衡位置附近做小范围的无规则振动，所以固体有固定的形状和体积。
（2）同一种物质微粒，因为排列结构不同可以形成不同的晶体结构，从而表现出不同的物理性质。
[特别提醒]
晶体不一定所有的物理性质都具有各向异性，但只要有一项物理性质具有各向异性该物质一定是晶体。
1．判断：
（1）铁块没有确定的几何形状，是非晶体。
（ ）
（2）只有非晶体才显示各向同性。
（ ）
（3）晶体都具有确定的熔点。
（ ）
（4）只有多晶体不显示各向异性。
（ ）
答案：
（1）×
（2）× （3）√ （4）×
2．思考：
金刚石是自然界中硬度最大的物质，石墨却是松软的，它们都是由碳原子构成的，硬度为何差别如此大呢？
提示：
金刚石和石墨都是由碳元素构成的，但它们有不同的点阵结构，金刚石中碳原子间的作用力很强，而石墨是层状结构，层与层之间距离较大，原子间的作用力也比较弱。
晶体与非晶体的区别与联系
1.区别
（1）宏观外形上：
单晶体具有天然规则的几何外形，而非晶体和多晶体则没有。
（2）物理性质：
①单晶体一般在导电、导热、力学性质、光学性质等方面具有各向异性，而非晶体和多晶体则是各向同性。
②晶体具有固定熔点，非晶体没有固定熔点。
2．联系
在一定条件下，晶体可以变为非晶体，非晶体也可以变为晶体。
（1）多晶体虽无规则的几何形状，物理性质又各向同性，但有固定的熔点。
非晶体则没有固定的熔点。
（2）若经过人为加工，非晶体和多晶体也可以有规则的形状。
1．关于晶体和非晶体，下列说法中正确的是（ ）
A．具有各向同性的物体一定没有明显的熔点
B．晶体熔化时，温度不变，则内能也不变
C.通常的金属材料在各个方向上的物理性质都相同，所以这些金属都是非晶体
D．晶体和非晶体在适当条件下可相互转化
解析：
选D 多晶体显示各向同性，但具有确定的熔点，A错；晶体熔化时，其温度虽然不变，但其体积和内部结构可能发生变化，则内能就可能发生变化，故B错；金属材料虽然显示各向同性，并不意味着一定是非晶体，可能是多晶体，故C错；D对。
多晶体与非晶体的比较
1.多晶体虽无规则的几何形状，物理性质又各向同性，但是组成多晶体的晶粒却有规则的几何形状，这是多晶体与非晶体在内部结构上的区别。
多晶体与非晶体的区别还在于多晶体和单晶体一样具有固定的熔点，非晶体则没有。
2．单晶体具有各向异性，非晶体具有各向同性，而多晶体由于内部各个晶粒杂乱无章的排列，不具有各向异性。
因此不要以为具有各向同性的一定是非晶体。
（1）具有规则几何形状的物体不一定是晶体，具有不规则几何形状的物体不一定是非晶体。
（2）各向同性，则可能是非晶体，也可能是多晶体，单晶体的某些物理性质也可能与方向无关。
2．如图所示，甲、乙两种薄片的表面分别涂有薄薄的一层石蜡，然后用烧热的钢针的针尖分别接触这两种薄片，接触点周围熔化了的石蜡的形状分别如图所示。
对这两种薄片，下列说法正确的是（ ）
A．甲的熔点一定高于乙的熔点
B．甲薄片一定是晶体
C．乙薄片一定是非晶体
D．以上说法都错
解析：
选B 单凭此图判断不出熔点的高低，所以A错；因为甲表现为各向异性，所以甲是晶体，且为单晶体，所以B对；而乙表现为各向同性，所以无法判断乙是非晶体还是多晶体，所以C、D错。
晶体特性的微观解释
1.各向异性的微观理解
如图所示是一平面上晶体物质微粒的排列情况，从图中可以看出，在沿不同方向所画的等长线段AB、AC、AD上物质微粒的数目不同。
线段AB上物质微粒较多，线段AD上较少，线段AC上更少。
正因为在不同方向上物质微粒的排列情况不同，才引起晶体在不同方向上的物理性质不同。
2．对熔点的解释
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。
3．有的物质有几种晶体，这是由于它们的物质微粒能够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的不同；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。
多晶体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体（晶粒）组成，每个小晶粒都是一个小单晶体，具有各向异性的物理性质和规则的几何外形，由于晶粒在多晶体内杂乱无章地排列着，所以多晶体没有规则的几何形状，也不显示各向异性。
3．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。
晶体各向异性与各向同性的理解
[例1] 下列有关多晶体的说法中正确的是（ ）
A．多晶体是各向异性的
B．多晶体与非晶体属同一类固体
C．多晶体中的晶粒具有各向异性
D．多晶体中的晶粒具有各向同性
[思路点拨] 本题主要考查晶体的特性，因此解答该题应清楚晶体的特性。
[解析] 多晶体和非晶体在物理性质上均显示各向同性，但多晶体和非晶体在构造上又有所区别，非晶体内部物质微粒的排列是杂乱无章的，而多晶体是由许多小晶粒构成的，虽然这些小晶粒杂乱无章地排列，但每个小晶粒内部的物质微粒都按一定规则排列，故每一个小晶粒都是各向异性的。
故正确答案为C。
[答案] C
[借题发挥] 物理性质上各向异性，则一定是单晶体；各向同性，则可能是非晶体、多晶体，也可能是单晶体，因为单晶体的某些（个）物理性质具有各向异性，而另外某些物理性质却具有各向同性。
晶体微观结构分析
[例2] 如图所示，食盐（NaCl）的晶体是由钠离子和氯离子组成的。
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着。
已知食盐的摩尔质量为58.5g/mol，食盐的密度是2.2g/cm3。
阿伏伽德罗常量为6.0×1023mol－1。
在食盐晶体中两相距最近的钠离子的中心点距离的数值最接近于（ ）
A．3.0×10－8cm B．3.5×10－8cm
C．4.0×10－8cmD．5.0×10－8cm
[思路点拨] 通过食盐的空间点阵，建立微观粒子的空间模型，并通过阿伏伽德罗常量建立宏观与微观之间的关系。
[解析] 一个氯化钠分子体积为
V0＝＝＝＝＝
＝＝4.43×10－23（cm3）
从图中可看出，每个钠离子都由它相邻的8个小正立方体所共用，从图中可分析出每两个小正立方体只含有一个钠离子和一个氯离子，所以一个氯化钠分子的体积相当于图中两个正方体的体积，设每个小正立方体的边长为a，则有：
2a3＝V0。
设在食盐晶体中两个距离最近的钠离子中心点距离为d，则d＝a
所以d3＝2a3＝V0＝1.41×4.43×10－23cm3＝
6．25×10－23cm3
故d＝＝4.0×10－8（cm），即C正确。
[答案] C
[借题发挥]
（1）本题易出错的地方是弄不清1mol食盐中有1mol氯离子和1mol钠离子，离子总数为2NA。
（2）搞清晶体结构与微粒数目的关系，根据几何模型，通过阿伏伽德罗常量将微观量和宏观量联系起来。
固体
1．[多选]下列说法中，正确的是（ ）
A．只要是具有各向异性的物体就必定是晶体
B．只要是不显示各向异性的物体就必定是非晶体
C．只要是具有确定的熔点的物体就必定是晶体
D．只要是不具有确定的熔点的物体就必定是非晶体
解析：
选ACD 多晶体和非晶体都具有各向同性，只有单晶体是各向异性，故B错，A对；晶体一定有确定的熔点，而非晶体无确定的熔点，故C、D均正确。
2．[多选]晶体具有各向异性的特点是由于（ ）
A．晶体在不同方向上物质微粒的排列情况不同
B．晶体在不同方向上物质微粒的排列情况相同
C．晶体内部结构的无规则性
D．晶体内部结构的有规则性
解析：
选AD 晶体的各向异性是因为晶体内部结构的有规则性，使不同的方向上物质微粒的排列情况不同。
3．[多选]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．一块铁虽然是各向同性的，但它是晶体
解析：
选CD 化学成分相同的物质可以生成多种不同的晶体，如石墨和金刚石，故A错误；石英制成的玻璃是混合物不是晶体，故B错误，C正确；铁为多晶体，表现为各向同性，故D正确。
4．[多选]关于晶体和非晶体，下列说法正确的是（ ）
A．可以根据各向异性或各向同性来鉴别非晶体和晶体
B．铜块具有规则的外形，铜一定是单晶体
C．一个固体球如果沿其各条直径方向的导电性不同，则该球体一定是单晶体
D．铜块具有固定的熔点，铜一定是晶体
解析：
选CD 判断某种固体是否为晶体的依据是看它是否有一定的熔点。
只有单晶体在物理性质上表现为各向异性。
根据各向同性和各向异性只能确定是否为单晶体，无法用来鉴别晶体和非晶体，A错。
铜块具有的规则外形，是铸造过程中人为的原因，不是自然形成的，不能说明铜块是单晶体，B错。
固体球在导电性能上表现为各向异性，则一定是单晶体，C正确。
只有晶体才具有固定的熔点，因此具有固定熔点的铜是晶体，D正确。
5．收集雪花的各种图案，试探究它们的异同，并判断雪花是晶体还是非晶体。
解析：
用放大镜仔细观看几片雪花，你会发现，虽然没有两片雪花是完全相同的，但所有的雪花都呈现六角形的规则图案。
雪花是由微小的冰晶组成的晶体。
答案：
是晶体
1．下列现象能说明晶体与非晶体的最本质区别的是（ ）
A．食盐粒是立方体，蜂蜡无规则外形
B．云母各向异性，而玻璃各向同性
C．冰熔化时，温度保持不变，松香熔化时，温度不断升高
D．石墨可以导电，沥青不异电
解析：
选C 晶体与非晶体的最本质区别不是有无规则外形，也不是各向异性与各向同性，最本质区别是有无确定的熔点，A、B、D错，C对。
2．[多选]关于晶体和非晶体，下列几种说法中正确的是（ ）
A．不具有规则几何形状的物体一定不是晶体
B．晶体的物理性质与方向有关，这种特性叫做各向异性
C．若物体表现为各向同性，它就一定是非晶体
D．晶体有一定的熔化温度，非晶体没有一定的熔化温度
解析：
选BD 单晶体物理性质各向异性，多晶体物理性质各向同性，单晶体有天然规则外形，多晶体没有规则外形，晶体与非晶体的区别在于晶体有固定的熔点。
3．[多选]下列叙述中错误的是（ ）
A．晶体的各向异性是由于它的微粒按空间格点排列
B．单晶体具有规则的几何外形是由于它的微粒按一定规则排列
C．非晶体有规则的几何形状和确定的熔点
D．石墨的硬度比金刚石的差得多，是由于它的微粒没有按空间格点分布
解析：
选CD 晶体内部微粒排列的空间结构决定着晶体的物理性质不同；也正是由于它的微粒按一定规则排列，使单晶体具有规则的几何形状。
石墨与金刚石的硬度相差甚远是由于它们内部微粒的排列结构不同，石墨的层状结构决定了它的质地柔软，而金刚石的网状结构决定了其中碳原子间的作用力很强，所以金刚石有很大的硬度。
4．[多选]如图所示的是两种不同物质的熔化曲线，根据曲线，下列说法正确的是（ ）
A．a是晶体 B．b是晶体
C．a是非晶体D．b是非晶体
解析：
选AD 晶体在熔化过程中，不断吸热，但温度却保持不变（熔点对应的温度）；而非晶体没有确定的熔点，不断加热，非晶体先变软，然后熔化，温度不断上升。
因此，a对应的是晶体，b对应的是非晶体。
5．下列说法中正确的是（ ）
A．黄金可以切割加工成任意形状，所以是非晶体
B．同一种物质只能形成一种晶体
C．单晶体的所有物理性质都是各向异性的
D．玻璃没有确定的熔点，也没有规则的几何形状
解析：
选D 所有的金属都是晶体，因而黄金也是晶体，只是因为多晶体内部小晶粒的排列杂乱无章，才使黄金没有规则的几何形状，故A错。
同一种物质可以形成多种晶体，如碳可以形成金刚石和石墨两种晶体，故B错。
单晶体的物理性质各向异性是某些物理性质各向异性，有些物理性质各向同性，故C项错。
玻璃是非晶体，因而没有确定的熔点和规则的几何形状，D项对。
6．[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的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 晶体内部微粒排列的空间结构决定着晶体的物理性质。
同种元素原子也会有多种排列结构。
例如：
碳原子按层状结构排列形成石墨，按网状结构排列形成金刚石。
7．多晶体为什么没有规则的几何形状且物理性质显示各向同性？
多晶体为什么有确定的熔点？
解析：
（1）多晶体是由许多杂乱无章地排列着的单晶体颗粒（晶粒）组成的。
每个晶粒都是一个小单晶体，具有各向异性的物理性质和规则的几何形状。
因为晶粒在多晶体里杂乱无章地排列着，所以多晶体没有规则的几何形状，也不显示各向异性，它在不同方向的物理性质是相同的，即各向同性。
（2）多晶体由许多杂乱无章地排列着的小晶粒（单晶体）组成，熔化时与单晶体一样要吸收热量，全部用来破坏小晶粒中微观粒子有规则的排列，故熔化时温度不变，即有确定的熔点。
答案：
见解析
8．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，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的物质表面排列的共同特点是：
（1）_______________________________________________________________________；
（2）_______________________________________________________________________．
解析：
本题通过扫描隧道显微镜研究晶体材料的构成规律，尽管不同材料的原子在空间排列情况不同，但原子都是按照一定规律排列的，都具有一定的对称性。
答案：
（1）在确定方向上原子有规律地排列，在不同方向上原子的排列一般不同
（2）原子的排列具有一定的对称性
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