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第二章固体、液体和气体第二节晶体的微观结构第三节固体新材料学习目标重点难点1.知道晶体的微观结构，了解固体新材料的特征及应用.2.理解晶体的微观结构与其物理性质的关系.3.用晶体的微观结构解释晶体的特性.重点1.知道晶体的微观结构.2.理解晶体的微观结构与其物理性质的关系．难点1.理解晶体的微观结构与其物理性质的关系.2.用晶体的微观结构解释晶体的特性.知识点一晶体的微观结构提炼知识1．猜想．在19世纪，有人提出一种假说：晶体内部的微粒应该是有规则地排列着的．2．实验证实．1912年，物理学家劳埃用X射线对晶体结构进行研究，证实了晶体内部粒子有规则排列的假设是正确的．3．结构特点．(1)组成晶体的微观粒子按一定的规律在空间整齐地排列．(2)晶体中物质微粒的相互作用很强．(3)微粒只在一定的平衡位置附近不停地做微小振动．4．固体特征的微观解释．(1)几何外形解释：单晶体内部物质微粒的排列是规则的，所以单晶体在宏观上具有规则的几何外形；而非晶体内部物质微粒的排列是不规则的，所以非晶体在宏观上没有规则的几何外形．(2)物理性质解释．①晶体的各向异性与非晶体的各向同性的解释．a．在单晶体内部，沿不同方向的等长直线上，物质微粒的数目通常是不相等的，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；b．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，微粒个数大致相同，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．②对晶体有一定的熔点，非晶体没有确定的熔点的解释．a．晶体物质粒子是规则排列的，要破坏晶体中规则的微观结构所需的能量是相同的，故晶体有一定的熔点．b．非晶体物质粒子是不规则排列的，要破坏不规则的微观结构所需的能量并不相同，故非晶体没有确定的熔点．5．同一种物质微粒能生成种类不同的几种晶体的解释．同一种物质微粒可能形成不同的晶体结构，从而生成种类不同的几种晶体．例如，碳元素可以生成石墨晶体和金刚石晶体，磷元素可生成白磷和红磷两种晶体．判断正误(1)晶体的各向异性是由于它的微粒按空间点阵排列．(√)(2)单晶体具有规则的几何外形是由于它的微粒按一定规律排列．(√)(3)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点阵排列．(×)小试身手1．关于晶体和非晶体，下列说法正确的是()A．它们由不同的空间点阵构成B．晶体内部的物质微粒是有规则地排列的，非晶体内部的物质微粒在不停地运动着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，微粒数不等的是非晶体解析：空间点阵是晶体的一个特殊结构，是晶体的一个特性，所以A是错误的；不管是晶体还是非晶体，组成物质的微粒永远在做热运动，所以C是错误的；非晶体也提不到什么层面的问题，即使是晶体，各个层面的微粒数也不见得相等，所以D也是错误的．答案：B知识点二固体新材料提炼知识1．根据材料划分时代的顺序．石器时代、陶瓷时代、青铜器时代、铁器时代、钢铁时代、人工合成材料和复合材料的新时代．2．新材料的特点．(1)新材料有优异的性能和广阔的应用前景．(2)新材料的发展与新工艺、新技术密切相关．(3)新材料具有特殊性能，如超高强度、超高硬度、磁性、超导性．3．新材料的未来：新材料科学正向着研究各种复合材料、纳米材料、敏感材料、生物医学材料的方向发展．判断正误(1)在力学性能方面，纳米材料具有高强、高硬和良好的塑性．(√)(2)在极低的温度下，纯净的半导体像绝缘体一样不导电．(√)(3)在化学性能方面，纳米材料化学活性低，因此化学稳定性强．(×)小试身手2．关于新材料的开发与应用和技术产品与产业进步的关系不正确的是()A．半导体材料工业化生产，促进了当前计算机技术的迅猛发展B．高强度的结构材料，为宇航工业奠定了基础C．低消耗的光导纤维是现代光纤通信的重要材料D．在远古时代，人们就已经开始利用半导体制造电器了答案：D拓展一晶体的微观结构1．家庭、学校或机关的门锁常用“碰锁”，然而，这种锁使用一段时间后，锁舌就会变涩而不易被碰入，造成关门困难．这时，你可以用铅笔在锁舌上摩擦几下，碰锁便开关自如如初，并且可以持续几个月之久．请你动手试一试，并回答其中的道理．提示：石墨具有层状结构，层与层之间结合不很紧密，故层与层之间易脱落，故能起到润滑作用．用铅笔在纸上写字也是根据这个道理．2．我们知道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，硬度为何差别如此之大呢？提示：这是由于它们的微观结构不同，金刚石是网状结构，原子间的作用力强，而石墨是层状结构，原子间的作用力弱．1．微观结构理论的内容．(1)组成晶体的微粒(分子、原子或离子)是依照一定的规律在空间中整齐地排列的．实验证实：人们用X射线和电子显微镜对晶体的内部结构进行研究后，证实了这种假说是正确的．(2)微粒的热运动特点表现为在一定的平衡位置附近不停地做微小的振动．2．晶体的微观结构的特点．(1)组成晶体的微粒(分子、原子或离子)，依照一定的规律在空间中整齐地排列的．(2)晶体中微粒的相互作用很强，微粒的热运动不足以克服它们的相互作用而远离．(3)微粒的热运动表现为在一定的平衡位置附近不停地做微小的振动．晶体的微观结构决定其宏观物理性质，改变物质的微观结构从而改变物质的属性，如碳原子可以组成性质差别很大的石墨和金刚石，有些晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化．3．用微观结构理论解释晶体的特性．(1)对单晶体各向异性的解释．如图所示，这是在一个平面上单晶体物质微粒的排列情况．从图上可以看出，在沿不同方向所画的等长直线AB、AC、AD上物质微粒的数目不同．直线AB上物质微粒较多，直线AD上较少，直线AC上更少．正因为在不同方向上物质微粒的排列情况不同，才引起单晶体在不同方向上物理性质的不同．(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，晶体开始熔解，熔解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)对多晶体特征的微观解释．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．多晶体和非晶体的主要区别是多晶体有确定的熔点，而非晶体没有．(4)对非晶体特征的微观解释．在非晶体内部，物质微粒的排列是杂乱无章的，从统计的观点来看，在微粒非常多的情况下，沿不同方向的等长直线上，微粒的个数大致相等，也就是说，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，所以非晶体在物理性质上表现为各向同性．(5)同种物质也可能以晶体和非晶体两种不同形态出现，晶体和非晶体可在一定条件下相互转化．【典例1】(多选)有关晶体的微观结构，下列说法中正确的有()A．同种元素的原子按不同结构排列有相同的物理性质B．同种元素的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：同种元素的原子可以按不同结构排列，形成不同的物质，不同物质的物理性质不同，如同是由碳元素组成的石墨和金刚石的物质密度、机械强度、导热性、导电性和光学性质等都有很大差别，所以B、D正确，A、C错误．答案：BD题后反思1．各种晶体都是按照一定的规则排列的具有空间上的周期性．2．物体的宏观性是由微粒结构决定的，单晶体与非晶体的物理性质不同，是因为微观结构不同，单晶体各向异性也是由粒子排列的特点决定的．1．(多选)2010年诺贝尔物理学奖授予安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究．他们通过透明胶带对石墨进行反复的粘贴与撕开，使得石墨片的厚度逐渐减小，最终寻找到了厚度只有0.34nm的石墨烯，是碳的二维结构．如图所示为石墨、石墨烯的微观结构，根据以上信息和已学知识判断，下列说法中正确的是()A．石墨是晶体，石墨烯是非晶体B．石墨是单质，石墨烯是化合物C．石墨、石墨烯与金刚石都是晶体D．他们是通过物理变化的方法获得石墨烯的解析：石墨、石墨烯、金刚石都为晶体且都为单质，A、B错误，C正确；两位科学家是通过物理变化的方法获得石墨烯的，D正确．故正确答案为C、D.答案：CD2．石墨和金刚石性质有很大差异，是由于()A．石墨是各向异性的，而金刚石是各向同性的B．它们的化学成分不同C．它们都是各向同性的D．它们的物质微粒按不同的规则排列解析：石墨具有层状结构，每层中碳原子呈六边形结构；金刚石中碳原子呈正四面体结构，不同的结构决定了它们的性质不同．答案：D拓展二固体新材料1．新材料的研发与应用对人类社会的影响是什么？提示：新材料的研发及其应用，推动了人类社会进步．2．试举例说明半导体材料的应用．提示：半导体在晶体管、集成电路、红外发光管、太阳能电池、微波集成电路、激光器件等信息处理与通信领域都得到了广泛应用．1．研究材料的意义：材料是人类生存和发展的物质基础，是人类社会现代文明的重要支柱，材料的变化直接影响着社会的变化，材料是技术进步的关键要素之一．能源、信息和材料被称为现代文明的三大支柱．2．新材料：新材料主要包括新型金属材料、高分子合成材料、新型无机非金属材料、复合材料、光电子材料等．(1)新型金属材料：有铝合金、镁合金、钛合金以及稀有金属．它们在导电、航空航天、原子能方面有广泛用途．(2)高分子合成材料：有合成橡胶、塑料和化学纤维等；它们在火箭、建筑、医疗、交通、服装、农业、国防上有广泛用途．(3)新型无机非金属材料：有工业陶瓷、光导纤维、半导体材料．它们在燃气机制造、磁流体发电机、通信、工业、科学研究等方面有广泛用途．(4)复合材料：可分为结构复合材料和功能复合材料．它们在航空航天、电子工业、生活用品、新能源技术、信息技术、海洋工程等方面有广泛用途．(5)光电子材料：有光电子半导体材料、光纤、薄膜材料、液晶显示材料．它们在光电子器件、光通信、光计算、激光技术等方面有广泛用途．3．纳米材料．(1)纳米是长度单位，1nm＝10－9m.(2)纳米技术：在纳米尺度(0.1～100nm)上制造材料和器件的技术，即重新排列原子而制造具有新分子结构的技术．(3)纳米材料有纳米金属材料、纳米磁场材料、纳米陶瓷材料、有机—无机纳米复合物、纳米传感材料、纳米医用材料等．(4)纳米材料应用领域：能源、环保、通信、航空航天、医疗、日常生活等．特别说明材料科学技术的基础是研究材料的微观结构，因为固体材料内部物质微粒的排列影响材料的物理性能．Vr【典例2】纳米晶体材料在现代科技和国防中具有重要的应用．下列关于晶体的说法正确的是()A．晶体内的微观粒子在永不停息地做无规则热运动B．晶体内的微观粒子间的相互作用很强，使各粒子紧紧地靠在一起C．晶体的微观粒子在不同方向上排列情况不同D．晶体的微观粒子在空间排列上没有顺序，无法预测解析：答案：C题后反思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、高硬和良好塑性．(2)热学性能：熔点较低．(3)电学性能：低温时会呈现出电绝缘性．(4)化学性能：具有相当高的化学活性．1．下列说法正确的是()A．新材料特殊的性能不仅包括特殊的物理性能，也包括一些特殊的化学性能B．制作集成电路时，尽管对硅单晶片的完整性有很高的要求，但是可以允许单晶片内原子的规则排列出现微小的缺陷C．纳米是长度单位，1nm＝10－10mD．金属薄膜可以配合读写磁头设计的改进，增大磁记录的密度解析：新材料的特殊性能是指物理性能，A错；制作集成电路的硅单晶片是不允许硅单晶片内原子的规则排列出现微小的缺陷的，B错；1nm＝10－9m，C错；由于金属薄膜的晶粒尺寸小、晶粒各向异性大，晶粒间的相互交换作用弱，是可以配合读写磁头的改进增大磁记录的密度的，D正确．答案：D2．(多选)新型金属材料有铝合金、镁合金、钛合金以及稀有金属，以下关于它们的说法正确的是()A．铝合金密度小