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第3章 不同聚集狀態(tài)的物質(zhì)與性質(zhì)
第1節(jié) 認(rèn)識晶體
思考：
1.食鹽、水晶等物質(zhì)普遍存在于我們的日常生活和自然界中，它們當(dāng)中有的具有規(guī)則的多面體外形，有的具有艷麗的色澤，那么我們應(yīng)該怎樣從微觀結(jié)構(gòu)來認(rèn)識它們呢？
1.能說出晶體與非晶體的區(qū)別。
2.能說出晶體與晶胞的概念,并了解晶體的特征。
3.會用“切割法”確定晶胞中的微粒數(shù)目和晶體的化學(xué)式。
1.了解晶體的重要特征,簡單了解晶體的分類。(宏觀辨識與微觀探析)
2.了解晶胞的概念,以及晶胞與晶體的關(guān)系,會用“切割法”確定晶胞中的粒子數(shù)目(或粒子數(shù)目比)和晶體的化學(xué)式。(證據(jù)推理與模型認(rèn)知)
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聯(lián)想 質(zhì)疑
對于晶體，你一點也不陌生，食鹽、冰、金屬、寶石、水晶、大部分礦石等都是晶體。那么，究竟什么樣的物質(zhì)才能稱為晶體 晶體與玻璃、橡膠等非晶體有什么不同 晶體為什么具有明顯不同于非晶體的特性
一、晶體的特性
⑴自范性：在適宜條件下，晶體能夠自發(fā)地呈現(xiàn)封閉的、規(guī)則的多面體外形。
晶體的自范性是晶體粒子在微觀空間呈現(xiàn)周期性的有序排列的宏觀表象。
(2)對稱性：晶體的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都具有特有的對稱性。
(3)各向異性：晶體在不同方向上表現(xiàn)出不同的物理性質(zhì)。
例如，石墨在與層平行的方向上的電導(dǎo)率數(shù)值約為在與層垂直的方向上的電導(dǎo)率數(shù)值的1萬倍。
(4)固定的熔點：晶體有固定的熔點而非晶體沒有。
1.晶體的特征
2.晶體與非晶體
X射線衍射實驗證明了上述推測。人們把內(nèi)部微粒(原子、離子或分子)在空間按一定規(guī)律做周期性重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)稱為晶體(crystal)。與此相對，把內(nèi)部微粒無周期性重復(fù)排列的固體物質(zhì)稱為非晶體(non-crystal)。晶體作為物質(zhì)的一種非常奇妙的、排列有序的聚集狀態(tài)，表現(xiàn)出與非晶體不同的性質(zhì)。也正是由于這種重復(fù)性和有序性，使得人們只要認(rèn)識了晶體中一個重復(fù)單元的空間結(jié)構(gòu)，便可以推知整個晶體的結(jié)構(gòu)特點，從而打開了人們認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的大門。
化學(xué)與技術(shù)
X射線衍射與晶體結(jié)構(gòu)
1895年，德國物理學(xué)家倫琴（W.K.Rontgen）在研究氣體放電時發(fā)現(xiàn)了一種新的射線，由于對其本質(zhì)不明確而稱其為X射線。1912年，德國科學(xué)家勞厄根據(jù)光線通過直徑與波長相當(dāng)?shù)目障稌l(fā)生衍射現(xiàn)象這一實驗事實，聯(lián)想到如果X射線的波長相當(dāng)于晶體中原子之間的距離，那么它通過晶體時也應(yīng)該發(fā)生衍射現(xiàn)象。為了檢驗自己的想法，他和助手弗里德里希（W.Friedrich）、克尼平（P.Knipping）用X射線照射硫酸銅晶體（CuSO4·5H2O）。結(jié)果正如勞厄所料，X射線透過晶體時發(fā)生了衍射現(xiàn)象。這—發(fā)現(xiàn)不僅說明了X射線是—種波長僅為可見光波長1/1000的電磁波，使人們對X射線的認(rèn)識邁出了關(guān)鍵的一步，而且還第一次對晶體的空間結(jié)構(gòu)猜想做出了實驗驗證，使晶體物理學(xué)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。
化學(xué)與技術(shù)
英國曼徹斯特維克托利亞大學(xué)的勞倫斯·布拉格(W.LBragg)于1913年首次用X射線衍射法測定了氯化鈉的晶體結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了利用X射線衍射測定晶體結(jié)構(gòu)的先河。1914年，英國倫敦大學(xué)的亨利·布拉格(W.H.Bragg)提出了衍射強度的定義和測量方法，使得人們能夠測定晶體中原子的坐標(biāo)。
利用X射線進行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析是測定物質(zhì)中原子空間排布的重要途徑，而越來越多的物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的測定也促進了化學(xué)鍵理論的發(fā)展。
3.晶體的分類
為了認(rèn)識復(fù)雜的晶體世界，人們常常從結(jié)構(gòu)簡單的晶體入手。如圖3-1-5所示，氯化鈉、銅、金剛石、冰中存在離子、原子或分子等微粒的周期性重復(fù)排列，根據(jù)這些晶體內(nèi)部微粒的種類和微粒間相互作用的不同，將它們分為離子晶體（如氯化鈉）、金屬晶體（如銅）、共價晶體（如金剛石）和分子晶體（如冰）。
交流 研討
請結(jié)合圖3-1-5說明氯化鈉、銅、金剛石、冰各由什么微粒構(gòu)成以及微粒間的相互作用各屬于什么類型，并體會構(gòu)成微粒空間排列的特點。
分類依據(jù) 晶體內(nèi)部微粒的種類和微粒間的相互作用
晶體類型 離子晶體 金屬晶體 共價晶體 分子晶體
構(gòu)成微粒
微粒間作用力
舉例
陰、陽離子
離子鍵
NaCl、BaSO4
等離子化合物
金屬陽離子、自由電子
金屬鍵
Al、Fe、Cu等
原子
共價鍵
SiO2、金剛石、晶體硅等
分子
分子間作用力
（可能存在氫鍵）
冰、干冰、I2、萘等
4.晶體和非晶體的應(yīng)用
（1）晶體的特性及應(yīng)用
①某些晶體可以把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?br/>②某些晶體熱敏性
③半導(dǎo)體晶體
（2）非晶體的特性及應(yīng)用
①無序性
②無規(guī)則外形
③無對稱性和各向異性
非晶體材料也常常表現(xiàn)出一些優(yōu)異的性能。例如，某些非晶態(tài)合金的強度和硬度比相應(yīng)晶態(tài)合金的強度和硬度高5~10倍；某些非晶態(tài)合金在中性鹽溶液或酸性溶液中的耐腐蝕性比不銹鋼好得多；非晶態(tài)硅對陽光的吸收系數(shù)要比單晶硅大得多，單晶硅要0.2 mm厚才能有效地吸收陽光，而非晶態(tài)硅只需要0.001mm就足夠了。
拓展視野
準(zhǔn)晶體
1982 年，以色列科學(xué)家謝赫特曼（D.Shechtman）用電子顯微鏡測定了他自己合成的一塊鋁錳合金，基于所得到的電子衍射圖像推測這種合金中具有正十邊形的對稱結(jié)構(gòu)——對尋常晶體來說這是一個不可能的對稱性，因為事實上不可能用正十邊形（或者簡化到正五邊形）去周期性地完全鋪滿整個平面。所以他認(rèn)為這是一種介于晶體和非晶體之間的固體，它具有與晶體相似的原子排列的有序性，但是不具備晶體中原子的周期性重復(fù)，因而稱為“準(zhǔn)晶體”。
拓展視野
準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)顛覆了人們對晶體的已有認(rèn)識，謝赫特曼也因此獲得2011年諾貝爾化學(xué)獎。
自準(zhǔn)晶體被發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造了各個類型的數(shù)百種準(zhǔn)晶體，并于2009年首次發(fā)現(xiàn)了純天然準(zhǔn)晶體。準(zhǔn)晶體正在被開發(fā)為有用的材料。例如，組成為鋁-銅-鐵-鉻的準(zhǔn)晶體，具有低摩擦系數(shù)、高硬度、低傳熱性等優(yōu)點，常被用作某些器件的鍍層。我國的準(zhǔn)晶體研究居于世界前列。
二、晶體結(jié)構(gòu)的基本重復(fù)單元——晶胞
聯(lián)想 質(zhì)疑
晶體可以看成是微粒按照一定規(guī)律無限堆積而得到的，整個晶體里排列著無數(shù)個微粒。那么，如何研究晶體內(nèi)部微粒的排列規(guī)律呢
晶體中的微粒呈現(xiàn)可重復(fù)的周期性排列，因此，研究晶體結(jié)構(gòu)時只需要找出其中基本的重復(fù)單元對其加以分析就能知道整個晶體的結(jié)構(gòu)了。這個晶體結(jié)構(gòu)中基本的重復(fù)單元稱為晶胞(unit cell)，品胞的形狀為平行六面體。例如，圖3-1-9(a)和(b)分別示意了金屬銅和金屬鎂晶體及其中截取出的晶胞。
8個頂點各有1個粒子，6個面的面心均有1個粒子
8個頂點各有1個粒子，內(nèi)部有1個粒子
溫馨提示
1.晶胞形狀：平行六面體。
2.晶胞特點：一種晶體所有晶胞的形狀以及內(nèi)部原子種類、個數(shù)以及幾何排列是完全形同的。
3.晶胞的排列方式：無隙并置。
在由分子構(gòu)成的晶體中，盡管共構(gòu)成微粒(分子)通常比金屬(原子)要復(fù)雜，但同樣可看作共構(gòu)成微粒(分子)在空間的周期性重復(fù)排列。例如，圖3-1-10呈現(xiàn)了苯晶體的一種晶體結(jié)構(gòu)。在這種苯晶體的晶胞中，有兩種位置的苯分子(分別標(biāo)記為B1和B2)，它們在三維空間周期性重復(fù)排列，形成整個晶體。
從晶體中選取晶胞的方式有很多種，科學(xué)家通常會在保證對稱性的前提下，依據(jù)晶胞盡量簡潔(如所含的原子盡量少、優(yōu)選棱的夾角為直角)的原則，在晶體中選取晶胞。將一個個晶胞及其中包含的微粒上、下、前、后、左、右并置，就構(gòu)成了整個晶體結(jié)構(gòu)。因此，知道了晶胞的大小和形狀以及晶胞中包含的微粒的種類、數(shù)目和空間位置，就可以了解整個晶體的結(jié)構(gòu)。
交流 研討
既然了解晶胞內(nèi)微粒的組成，也就能知道整個晶體的組成，那么，應(yīng)該如何分析一個晶胞中包含的微粒數(shù)呢 請討論銅晶胞中包含的微粒數(shù)。




拓展視野
晶體缺陷及其應(yīng)用
在實際晶體中，或多或少總會存在空位、錯位、含雜質(zhì)原子等缺陷，這些因素促使實際晶體偏離理想的周期性重復(fù)排列，人們將其稱為晶體缺陷。例如，半導(dǎo)體材料單晶硅和單晶鍺中就存在晶體缺陷。
晶體缺陷會影響晶體的性質(zhì)。有的晶體材料需要人們克服晶體缺陷，更多的晶體材料則需要人們有計劃、有目的地利用或制造晶體缺陷，從而得到性能優(yōu)異的晶體材料來滿足人類的需要。例如，如果向白色硫化鋅晶體中摻入大約0.0001%的氯化銀（AgCl），Ag+和CI-將分別占據(jù)硫化鋅晶體中部分Zn2+和S2-的位置，造成晶體缺陷。由于缺陷周圍的電子能級與正常位置原子周圍的電子能級不同，這種晶體在陰極射線激發(fā)下會放出波長為450nm的藍(lán)色熒光，是一種藍(lán)色熒光粉。
晶體
概念：
內(nèi)部微粒在空間按一定規(guī)律做周期性重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)。
特征：
對稱性、自范性、各向異性。
分類
離子晶體
金屬晶體
分子晶體
共價晶體
晶胞
概念：
晶體結(jié)構(gòu)中基本的重復(fù)單元
形狀：
平行六面體
所含微粒的計算：
切割法
1．(雙選)關(guān)于晶體的性質(zhì)敘述中，正確的是(　　)
A．石蠟和玻璃都是非晶體，但它們都有固定的熔點
B．晶體的各向異性和對稱性是矛盾的
C．晶體的對稱性是微觀粒子按一定規(guī)律做周期性重復(fù)排列的必然結(jié)果
D．晶體的各向異性直接取決于微觀粒子的排列具有特定的方向性
CD
2.(雙選)下列關(guān)于晶體與非晶體的說法正確的是(　　)
A．晶體一定比非晶體的熔點高
B．氦是由原子直接構(gòu)成的分子晶體
C．非晶體無自范性而且排列無序
D．固體SiO2一定是晶體
BC
3.下列敘述中正確的是(　　)
A.具有規(guī)則幾何外形的固體一定是晶體
B.具有特定對稱性的固體一定是晶體
C.具有各向異性的固體一定是晶體
D.依據(jù)構(gòu)成粒子的堆積方式可將晶體分為金屬晶體、離子晶體、分子晶體、共價晶體
C
4.下列關(guān)于晶體性質(zhì)的敘述中,不正確的是(　　)
A.在適宜條件下,晶體能夠自發(fā)地呈現(xiàn)封閉、規(guī)則的多面體幾何外形
B.晶體的各向異性和對稱性是矛盾的
C.晶體的對稱性是微觀粒子按一定規(guī)律做周期性重復(fù)排列的必然結(jié)果
D.晶體的各向異性直接取決于微觀粒子的排列具有特定的方向性
B
5.最近發(fā)現(xiàn),只含鎂、鎳和碳三種元素的晶體竟然也具有超導(dǎo)性。該新型
超導(dǎo)晶體的一個晶胞如圖所示,則該晶體的化學(xué)式為(　　)
A.Mg2CNi3 B.MgC2Ni
C.MgCNi2 D.MgCNi3
D
6.硼和鎂可形成超導(dǎo)化合物。如圖是該化合物的晶體結(jié)構(gòu)單元：鎂原子間形成正六棱柱，且棱柱的上、下面還各有一個鎂原子；6個硼原子位于棱柱的側(cè)棱上，則該化合物的化學(xué)式可表示為(　　)
A．MgB　　　　 B．Mg3B2
C．MgB2 D．Mg2B3
B

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