資源簡介

物質的聚集狀態與晶體的常識
第一課時
教學目標
1. 能說出包含“固、液、氣”在內的更多物質聚集狀態。
2. 能說出晶體和非晶體的區別，了解獲得晶體的一般途徑。
教學重難點
晶體與非晶體的差異，晶體的自范性、各向異性，結晶方法。
教學過程
一、新課導入
1. 物質有幾種聚集狀態，他們轉化過程中能量變化如何？轉過過程對應的微觀過程又是怎樣的？
物質常見的聚集狀態有三種：固體、液體、氣體。他們彼此轉化過程中的能量效應如圖所示。
對于固態物質來說，不管是晶體還是非晶體，物質中原子或分子的間距都很近，它們只能在一定的位置上做不同程度的振動。液態物質的分子間距離比固態中的大，分子間作用力相對較小，分子運動的自由度有所增加，表現出明顯的流動性。至于氣態物質，分子間距離明顯變大，分子運動速度明顯加快，體系處于高度無序狀態。
2. 在冷卻硝酸鉀熱飽和溶液過程中，得到的硝酸鉀固體具有怎樣的外觀？
你注意觀察過雪花么，它的外觀又有怎樣的特點？
硝酸鉀是規則的針狀固體；雪花呈現出六邊形或與六邊形具有相同的對稱性。
二、講授新課
一、物質的聚集狀態
1. 晶體組成微粒
20世紀前，人們以為分子是所有化學物質能夠保持其性質的最小粒子，物質三態的相互轉化只是分子間距離發生了變化，分子在固態只能振動，在氣態能自由移動，在液態則介乎二者之間。
20世紀初，通過X射線衍射等實驗手段，發現許多常見的晶體中并無分子。例如，氯化鈉、石墨、二氧化硅、金剛石以及各種金屬等。
他們的晶體是由離子或原子組成的。
2. 等離子體
氣態和液體物質也同樣不一定由分子構成。例如，等離子體是由電子、陽離子和電中性粒子組成的整體上呈電中性的氣態物質。
等離子體是一種特殊的氣體，存在于我們周圍。例如，在日光燈和霓虹燈的燈管里，在蠟燭的火焰里，在極光和雷電里，都能找到等離子體。
等離子體中含有帶電粒子且能自由運動，使等離子體具有良好的導電性和流動性，因此等離子體用途十分廣泛。
例如，運用等離子體顯示技術可以制造等離子體顯示器；利用等離子體可以進行化學合成；核聚變也是在等離子態下發生的。
3. 液晶
液晶是介于液態和晶態之間的物質狀態，既具有液體的流動性、黏度、形變性等，又具有晶體的某些物理性質，如導熱性、光學性質等，表現出類似晶體的各向異性。
液晶的宏觀性質像晶體一樣表現出各向異性，據此可以猜想到在微觀結構層面，液晶分子的空間排列會表現出一定的規律性。研究發現，液晶內部分子的排列沿分子長軸方向呈現出有序的排列，由此在分子長軸的平行方向和垂直方向表現出不同的性質。
由于施加電場可使液晶的長軸取向發生不同程度的改變，從而顯示數字、文字或圖像。
液晶最重要的用途是制造液晶顯示器，這種顯示器在電子手表、計算器、數字儀表、計算機顯示器、電視顯示屏等器材中得到廣泛應用。
二、晶體與非晶體
1. 晶體與非晶體的本質差異
走進化學實驗室，你能見到許多固體，如紫黑色的碘，黃色的硫磺，藍色的硫酸銅，無色的二氧化硅等。
放眼世界，自然界中絕大多數礦物也都是固體。
你一定還能說出生活中常見的更多的固體，如金屬、玻璃、陶瓷、磚瓦、水泥、塑料、橡膠、木材……
你是否知道固體有晶體和非晶體之分？絕大多數常見的固體是晶體，只有如玻璃、炭黑之類的物質屬于非晶體。
晶體與非晶體的本質差異
固體 自范性 微觀結構
晶體 （有）能自發呈現多面體外形 原子在三維空間里呈周期性有序排列
非晶體 （沒有）不能自發呈現多面體外形 原子排列相對無序
晶體的自范性是指晶體能夠自發地呈現多面體外形的性質。
2. 晶體的自范性
同一種物質的晶體在形成過程中可以得到若干種規則外形的多面體，如圖所示。
所謂自發過程，即自動發生的過程。不過自發過程的實現，仍需要一定的條件。對于晶體的形成過程而言，晶體適當的生長速率就是必要條件之一。
熔融態物質冷卻凝固，有時得到晶體，但凝固速率過快，常常只得到肉眼看不到多面體外形的粉末或沒有規則外形的塊狀物，甚至只是非晶態。
例如，天然的水晶球是巖漿里熔融態的SiO2侵入地殼內的空洞冷卻形成的。剖開水晶球，它的外層是看不到晶體外形的瑪瑙，內層才是呈現晶體外形的水晶。
上圖是天然水晶球的剖面圖，可以看到，外層為瑪瑙，內層為水晶。
熔融態的SiO2侵入空洞后，靠外的部分熱交換更快，結果是快速冷卻；
外層冷卻后，使內層與外界隔絕，內部的SiO2經緩慢冷卻形成SiO2晶體。
本質上，晶體的自范性是晶體中粒子在微觀空間里呈現周期的有序排列的宏觀現象。相反，非晶體中粒子的排列則相對無序，因而無自范性。
3. 晶體的制備
得到晶體一般有三條途徑：
（1）熔融態物質凝固
實驗：用研缽把硫磺粉末研細，放入蒸發皿中，放在三腳架的鐵圈上，用酒精燈加熱至熔融態，自然冷卻結晶后，觀察實驗現象。
（2）氣態物質冷卻不經液態直接凝固，即凝華
實驗：在一個小燒杯里加入少量碘，用一個表面皿蓋在小燒杯上，并在表面皿上加少量冷水。把小燒杯放在石棉網上小火加熱，觀察實驗現象。
（3）溶質從溶液中析出
實驗：在甲苯中加入過量硫磺粉，加熱至硫磺全部溶解，自然冷卻結晶后，觀察實驗現象。
許多固體粉末用肉眼看不到晶體外形，但在光學顯微鏡或電子顯微鏡下可觀察到規則的晶體外形。這充分證明固體粉末仍是晶體，只是晶粒太小，肉眼看不到而已。
4. 晶體的各向異性
晶體的特點并不僅限于外形和內部質點排列的高度有序性，它們的許多物理性質，如強度、導熱性、導電性、光學性質等，常常會表現出各向異性。
各向異性的本質是沿晶胞的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不相同。
各向異性同樣反映了晶體內部質點排列的有序性，而且通過這些性質可以了解晶體的內部排列與結構的一些信息。
石墨導電性的各向異性：在平行于石墨層和垂直于石墨層的方向導電能力有明顯區別。
水晶導熱性的各向異性：在水晶的柱面上滴一滴熔化的石蠟，用一根紅熱的鐵針刺中凝固的石蠟，石蠟在不同的方向熔化快慢不同。
5. 晶體的判斷方法
考察固體的某些性質，如熔點，可以間接地確定某一固體是否是晶體，因為晶體的熔點較固定，而非晶體沒有固定的熔點，熔化過程溫度會發生變化。
【提問】（1）下圖是某同學找到的一張玻璃結構的示意圖，根據這張圖判斷玻璃是不是晶體，為什么？
【講解】晶體與非晶體的根本區別在于構成固體中的粒子在微觀空間里是否呈現周期性的有序排列。圖中構成玻璃的粒子無周期性，無序，所以玻璃是非晶體。
【提問】（2）根據晶體物理性質的各向異性的特點，能鑒別用玻璃仿造的假寶石。
請你列舉一些可能有效的方法鑒別假寶石。
【講解】
1. 觀察寶石的形狀，具有多面體的外形；測試它的硬度，可在玻璃上刻畫出痕跡，初步確定它是晶體；
2. 可利用寶石的折光率鑒別；
3. 可進行X射線衍射實驗鑒別。
三、課堂小結
1. 除常見的固體、氣體、液體外，還存在多種其他聚集狀態，如液晶態，等離子體等。同樣狀態的物質，微觀組成粒子可以不同，如分子、原子、離子等。
2. 晶體與非晶體的本質差異在于構成固體中的粒子在微觀空間里是否呈現周期性的有序排列。
3. 晶體微觀結構的周期性和有序性在宏觀性質上體現為晶體的自范性和各向異性。另一方面，利用這些性質也可以判斷固體是晶體還是非晶體。
4. 制備晶體常用的三種方法：（1）熔融態物質凝固（2）凝華（3）溶質從溶液中析出。
四、課堂練習
1. 有關晶體和非晶體的說法中正確的是（ ）
A. 具有規則幾何外形的固體均為晶體
B. 晶體具有自范性，有固定的熔點，能夠使X光發生有規律的衍射
C. 晶體研碎后即變為非晶體
D. 將玻璃加工成規則的固體即變為晶體
答案　B
解析 A項，晶體規則的幾何外形是在合適條件下自發形成的，它是晶體的必要條件而非充分條件。B項是晶體微觀結構周期性所體現的宏觀性質。C項，晶體研碎的過程只改變了宏觀顆粒的大小，并未改變微觀結構的周期性，研碎后變為小晶體。D項宏觀加工不改變玻璃微觀的無序性，故始終是非晶體。
2. 關于晶體的自范性，下列敘述正確的是（ ）
A. 破損的晶體能夠在固態時自動變成規則的多面體
B. 缺角的硫酸銅晶體在飽和的硫酸銅溶液中慢慢變為完美的晶體
C. 圓形容器中結出的冰是圓形的，體現了晶體的自范性
D. 由玻璃制成的圓形的玻璃球是利用了晶體的自范性
答案　B
解析 A項，固態時，微粒只能在一定的位置上做不同程度的振動，不能自由移動，因此形狀不會變化。B項是晶體自范性的體現。C項，晶體的自范性是由微觀結構的周期性決定的，與宏觀的容器形狀無關。D項，玻璃在微觀是無序的，無論加工成什么形狀都是非晶體，它與自范性無關。
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