資源簡介

(共32張PPT)
同素異形現象
同分異構現象
晶體與非晶體
專題5 微觀結構與物質的多樣性
第三單元從微觀結構看物質的多樣性
課前導入
當我們面對豐富多彩的物質世界時，不知你是否想過：至今人類發現的元素僅百余種，為什么卻能形成數千萬種不同的物質？科學家的探索告訴我們，只有深入研究物質的微觀結構，才能更好地認識物質的多樣性，并利用已有的物質創造出更多性能優異的新物質，以滿足現代文明的各種需要，不斷提高人類的生活質量。
同素異形現象
物質的結構決定了物質的存在形態和性質。即便是由同種元素組成的單質，若構成單質的原子之間的連接方式不同，就會形成存在形態和性質不同的物質。研究發現，在一定條件下，金剛石、石墨在純氧中完全燃燒均只生成二氧化碳氣體，它們在一定條件下能相互轉化，說明它們都是碳元素的單質。金剛石晶體無色透明，有光澤，十分堅硬，可做裝飾品，可用于切割玻璃、花崗巖，可做地質和
石油勘探的鉆頭等。石墨呈灰黑色，質地較軟，能導電，可做
潤滑劑和電極等。為什么它們的性質有如此大的差異呢？
碳元素形成的單質不僅有金剛石、石墨，還有富勒烯（fullerene，包括C60、C70和單層或多層的納米碳管）等。同一種元素能夠形成幾種不同的單質，這種現象稱為同素異形現象（allotropism）。這些單質之間互稱為該元素的同素異形體（allotrope）。
同素異形現象
金剛石
金剛石的結構模型
納米碳管的結構模型
石墨的結構模型
碳納米管
石墨
同素異形現象
金剛石和石墨晶體中碳原子的成鍵方式和排列方式均不同。金剛石晶體中每個碳原子與相鄰的4個碳原子以共價鍵結合，形成空間網狀結構。而石墨晶體為層狀結構，層內碳原子間以共價鍵結合，每一層內碳原子排列成平面六邊形，一個個六邊形排列成平面網狀結構，層間存在分子間作用力。C60是由60個碳原子形成的封閉籠狀分子，形似足球，人們又稱它為“足球烯”
同素異形現象
碳的另一種同素異形體—石墨烯（graphene），是一種由碳原子構成的二維層狀的碳材料，是目前最理想的納米材料之一，是構成其他石墨材料的基本單元。
它具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有廣泛的應用前景。
臭氧和臭氧層
除碳元素外，氧、硫、磷等元素也存在著同素異形現象。氧氣在放電或紫外線照射下能轉化為臭氧（O3）。例如，打雷閃電時，有少量臭氧生成。
臭氧在通常狀況下是淡藍色氣體，有魚腥味，氧化性極強。自然界90%的臭氧集中在離地面15~50 km的大氣平流層中，它是由氧氣吸收太陽紫外線輻射而生成的。臭氧層能使地球上的生物免受太陽光中紫外線的傷害。20世紀80年代的測量結果表明，臭氧層開始變薄，甚至出現空洞。關于臭氧層被破壞的原因有多種解釋，一般認為氟氯烴（氟利昂，廣泛用于制冷劑和發泡劑等）的大量使用和噴氣式飛機、火箭、導彈將大量廢氣排放到高空，加速了臭氧分解。保護高空臭氧層是科學研究的重要課題。通過世界各國長期以來的努力，目前臭氧層正在逐漸恢復。
同分異構現象
同種元素可以形成不同的單質。分子式相同的物質，是否也會表現出結構和性質上的差異呢？
用不同顏色的小球代表碳、氫原子，用塑料棒代表原子間形成的共價鍵，依據碳、氫原子形成共價鍵的特征，制作分子式為C4H10的有機化合物的分子結構模型。你可以制作出幾種不同的分子結構模型？
名稱 正丁烷 異丁烷
分子式 C4H10 C4H10
沸點 -0.5 ℃ -11.7 ℃
結構式
球棍模型
同分異構現象
同分異構現象
研究發現，某些化合物分子式相同，但性質卻有差異，分子結構也不同。化合物具有相同的分子式，但具有不同結構的現象，稱為同分異構現象（isomerism）。分子式相同而結構不同
的化合物互稱為同分異構體（isomer）。有機化合物中同分異構現象的普遍存在，是有機化合物種類繁多的原因之一。
同分異構現象
乙醇（沸點為78 ℃）和二甲醚（沸點為-23 ℃）互為同分異構體，它們的分子式都是C2H6O。觀察它們的分子結構模型，分析兩者間有什么差異。
同分異構現象
一、分子結構
乙醇的分子結構為CH3CH2OH，含有一個羥基（-OH）。可以看作是乙基（-CH2CH3）和羥基相連。
由于羥基的存在，乙醇分子間能形成氫鍵。氫鍵的作用使得乙醇分子間的作用力增強，從而導致其沸點相對較高。
二甲醚的分子結構為，是一個氧原子連接兩個甲基（-CH3）
同分異構現象
二、性質差異的原因
物理性質：
沸點差異：正如前面提到的，乙醇因為分子間氫鍵作用沸點為 78℃，而二甲醚分子間不能形成氫鍵，分子間作用力相對較弱，沸點僅為 -23℃。
化學性質：
反應活性：由于乙醇含有羥基，具有一定的酸性，可以與活潑金屬如鈉反應生成氫氣和乙醇鈉。二甲醚則不具有這種性質。
氧化反應：乙醇可以在一定條件下被氧化為乙醛、乙酸等，二甲醚相對較為穩定，不容易被氧化。
綜上所述，乙醇和二甲醚雖然分子式相同，但由于分子結構的差異，導致它們在物理性質和化學性質上有很大的不同。
晶體與非晶體
常見的固態物質一般可分為晶體和非晶體。
氯化鈉、金剛石、干冰等物質屬于晶體，具有規則的幾何外形和固定的熔點。
石蠟、玻璃、橡膠等物質屬于非晶體，它們沒有固定的熔點，一般也不具備規則的幾何外形。
晶體與非晶體
在日常生活中我們會遇到許多晶體，如金剛石、雪花、水晶等。這些晶體在外觀上有什么特點？它們的物理性質（如硬度、熔點、沸點、導電性等）有什么特點？
金剛石
水晶
氯化鈉
雪花
晶體與非晶體
金剛石
外觀特點：顏色上，有各種顏色，從無色到黑色都有，以無色的為最佳，多數金剛石大多帶些黃色。
形態上，純凈的金剛石是一種無色透明的正八面體形狀的固體，也會有其他不規則形狀如巴拉斯球狀金剛石，其外形似球、滴狀或梨形，表面可能具有特殊花紋。
光澤方面，具有很強的光澤度，經過打磨后光彩奪目。
物理性質特點：
硬度：是天然存在的最硬的物質，莫氏硬度為 10，這使得它可以用于工業中的切割工具等。
熔點：非常高，在 3550℃-4000℃之間。
沸點：極高，但具體數值一般不常提及。
導電性：幾乎不導電，屬于絕緣體，但唯 Ⅱb 型金剛石具良好的半導體性能。
折射率和色散性能：折射率非常高，色散性能也很強，所以會反射出五彩繽紛的閃光
晶體與非晶體
雪花：
外觀特點：
基本形狀是六角形，這是因為雪花屬于六方晶系。其形狀多種多樣，有柱狀、片狀、枝狀、星狀等，單個雪花的大小通常在 0.05 - 4.6 毫米之間。由于冰晶面會對光進行漫反射，所以雪的顏色看起來是白色的，但冰晶實際是無色透明的。
物理性質特點：
硬度：非常小，質地柔軟，容易被擠壓變形。
熔點：熔點較低，在標準大氣壓下，雪的熔點為 0℃，當溫度高于 0℃時，雪花會逐漸融化成水。
沸點：水在標準大氣壓下的沸點是 100℃，雪花融化成水后，水的沸點依然是 100℃。
導電性：本身不導電，但融化后的雪水因為含有雜質等可能會有一定的導電性，但導電性很弱
晶體與非晶體
水晶：
外觀特點：
顏色豐富，有無色、乳白色、煙色、茶色、黑色等非彩色水晶，也有紫色、黃色、紫黃色、紅色、粉紅色、綠色、藍色等彩色水晶。
晶體通常呈六面體或八面體形狀，幾何棱角分明，具有玻璃光澤，透明度較高的水晶看起來晶瑩剔透。
物理性質特點：
硬度：硬度較高，一般在 7 左右，比玻璃硬，所以可以用來劃玻璃。
熔點：熔點較高，具體數值因水晶的種類和成分會有所不同，但一般在 1700℃以上。
沸點：沸點也較高，但同樣具體數值不常被提及。
導電性：天然水晶具有壓電性，在機械振動表現于電器上時，有高 Q 值、低動率、高敏銳性、高穩定性等優良頻率特性。
晶體與非晶體
用X射線進行晶體的衍射實驗時發現，在晶體內部，構成晶體的微粒在空間呈有規則的重復排列。
晶體規則的幾何外形是其內部構成微粒有規則排列的結果。
常見的幾類晶體
在食鹽晶體中，帶正電的鈉離子與帶負電的氯離子相互作用，形成了如圖所示的立方體結構。像這樣由陰、陽離子按一定方式有規則地排列形成的晶體叫作離子晶體
常見的幾類晶體
干冰等由分子構成的物質所形成的晶體屬于分子晶體
（molecular crystal）。分子晶體是分子之間依靠分子間作用力
按一定規則排列形成的。
常見的幾類晶體
在石英晶體中，硅原子和相鄰的氧原子以共價鍵結合。每個硅原子和相鄰的四個氧原子結合，每個氧原子和相鄰的兩個硅原子結合，向空間伸展，形成彼此連接的空間網狀結構，因此石英晶體中不存在單個分子。金剛石晶體中每個碳原子與相鄰的四個碳原子也以共價鍵結合，形成空間網狀結構。像石英、金剛石這樣的晶體稱為共價晶體（covalent crystal）。
常見的幾類晶體
此外，還有一類晶體稱為金屬晶體（metallic crystal）。金
屬晶體有共同的物理特性，如有金屬光澤，能導電和傳熱，有
延展性等。
常見的幾類晶體
混合型晶體（又稱過渡型晶體）是指晶體內部同時存在著若干種不同的作用力，具有若干種晶體的結構和性質。以下是關于混合型晶體的一些介紹：
典型代表 —— 石墨：
結構特點：在石墨晶體中，每個碳原子通過sp2雜化與其他碳原子形成平面大分子（大共軛分子），由多層這樣的平面大分子排列構成石墨。平面層內，每個碳原子采用sp2雜化軌道與相鄰的三個碳原子以 σ 鍵相連結，形成正六角形聯接的平面網狀結構層。每個碳原子還剩下一個p電子，其軌道與雜化軌道平面垂直，參與形成同層碳原子之間的 π 鍵，即大 π 鍵。
作用力類型：層內碳原子之間距離為142pm，以共價鍵結合；相鄰兩層間的距離為335pm，層與層之間的引力較弱，類似于分子間力。大 π 鍵中的電子沿層面方向的活動能力很強，類似于金屬中的自由電子。
晶體類型的判斷方法
(1)根據構成晶體的微粒和微粒間的作用力判斷。
(2)根據各類晶體的特征性質判斷,一般來說:
①熔、沸點低的化合物屬于分子晶體。
②熔、沸點較高,且在水溶液中或熔融狀態下能導電的化合物為離子晶體。
③熔、沸點很高,不溶于一般溶劑的物質為共價晶體。
④能導電、傳熱、有延展性的為金屬晶體。
晶體類型的判斷方法
(3)根據物質的類別判斷:
①活潑金屬氧化物、強堿和絕大多數的鹽是離子晶體。
②大多數非金屬單質(金剛石、石墨、晶體硅、晶體硼等除外),非金屬氫化物、非金屬氧化物(SiO2等除外),幾乎所有的酸、絕大多數有機物是分子晶體。
③固態的金屬和合金是金屬晶體。
④常見的共價晶體:單質有金剛石、晶體硅、晶體硼等;化合物有二氧化硅、碳化硅等。
液晶
液晶（liquid crystal）是一種介于晶體和液體之間的中間態物質。液晶兼有液體和晶體的部分性質，如液體的易流動性、晶態物質分子的有序排列等，因而表現出一些獨特的性質。通常，只有那些分子較大、分子形狀呈長形或碟形的有機化合物，才易形成液晶態。液晶廣泛應用于數碼顯示、電光學快門、圖像顯示等方面，在信息技術領域中占有重要的地位。
1、下列各項描述的結論正確的是（ ）
選項 描述 結論
A 由同種元素組成的物質一定是純凈物 正確
B 科學家合成了一種新型的化合物N4 正確
C 紅磷轉化為白磷是物理變化 錯誤
D 納米泡沫碳和金剛石是同素異形體 錯誤
C
課堂練習
課堂練習
2.有M、N、Q三種晶體,分別由C、H、Na、Cl四種元素中的一種或幾種形成,對這3種晶體進行實驗,結果如下表所示。
晶體 熔點/℃ 硬度 水溶性 導電性 水溶液與Ag+反應
M 811 較大 易溶 水溶液(或熔融 狀態)導電 白色沉淀
N 3 500 很大 不溶 不導電 不反應
Q -114.2 很小 極易溶 液態 不導電 白色沉淀
(1)三種晶體的化學式分別為M:　　,N:　　　,Q:　　　。
(2)晶體的類型分別為M:　　　　　,N:　　　　,Q:　　　。
(3)晶體中粒子間的作用分別為M:　　　,N:　　,Q:　　　。
課堂練習
答案:(1)NaCl　C　HCl
(2)離子晶體　共價晶體　分子晶體
(3)離子鍵　共價鍵　分子間作用力
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