高中物理 第2章 固体 第2节 固体的微观结构知识导航素材 鲁科版选修3-3（通用）

高中物理 第2章 固体 第2节 固体的微观结构知识导航素材 鲁科版选修3-3（通用）

第2节 固体的微观结构 ‎ 思维激活 家庭、学校或机关的门常用“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,你可用铅笔芯在锁舌上摩擦几下,碰锁便开关自如,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：石墨是金刚石的同素异形体,两者的不同结构,造成了物理性质上的很大差异.金刚石质地坚硬,而石墨由于具有层结构,层与层之间结合不紧密,故层与层之间易脱落,能起到润滑作用.‎ 自主整理 ‎1.晶体的结构 组成晶体的物质微粒(原子、分子或离子)有规则地在空间排成阵列,呈现周而复始的____________,说明晶体的微观结构具有____________特点.另外,晶体内为各微粒之间存在的很强的____________将微粒约束在一定的平衡位置上.‎ ‎2.晶体的结合类型 按晶体微粒之间结合方式不同,可以将晶体分为: ____________、____________和____________.原子晶体是由正、负离子通过____________结合而成的晶体;原子晶体是由相邻原子间通过____________结合而成的晶体;金属晶体是微粒通过____________结合而成的晶体.‎ ‎3.固体特征的微观解释 晶体内部物质微粒的排列有一定规律,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没有一定规律,在宏观上没有规则的几何图形.‎ 同一种物质微粒在不同的条件下有可能生成____________的晶体.例如金刚石、石墨和碳粉都是由____________构成的晶体,但是它们的物理性质有很大差异.‎ 高手笔记 ‎1．晶体的结构 德国物理学家劳厄用X射线证实了晶体内部的物质微粒是按一定的规律整齐地排列起来的.‎ 特点有三：‎ ‎(1)组成晶体的物质微粒有规则地在空间排成阵列,呈现周而复始的有序结构,说明晶体的微观结构具有周期性特点;‎ ‎(2)晶体内部各微粒之间还存在着很强的相互作用力,将微粒约束在一定的平衡位置上;‎ ‎(3)热运动时,这些微粒只能在各自的平衡位置附近做微小振动.‎ ‎2．晶体的结合类型 常见的晶体结合类型有离子晶体、原子晶体和金属晶体.‎ 离子晶体:由正、负离子通过离子键结合而成的晶体.常见的有NaCl、AgBr、PbS、MgO等.‎ 原子晶体:相邻原子间通过共价键结合而成的晶体.常见的有SiO2、金刚石、锗、锡等.‎ 金属晶体:物质微粒通过金属键结合而成的晶体.常见的有铜、银、铝、镍、金等.‎ ‎3．固体特征的微观解释 晶体内部物质微粒的排列有一定规律,因此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没有一定规律,因此非晶体在宏观上没有规则的几何外形.‎ 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,所以单晶体在物理性质上表现为各向异性;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.‎ 同一种物质微粒在不同的条件下有可能生成不同的晶体.虽然构成这些晶体的物质微粒相同,但是由于它们的排列形式不同,因而具有的物理性质不同.例如:金刚石、石墨实际上都是由碳原子构成的晶体,但是它们的物理性质有很大差异.‎ 名师解惑 ‎1．晶体的各向异性是由晶体内部的结构所决定 剖析：(1)晶体各向异性的微观解释 图‎2-2-1‎表示在一个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, 才引起晶体的不同方向上物理性质的不同.‎ 图‎2-2-1‎ ‎(2)有的物质有几种晶体,是因为它们的物质微粒能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.‎ ‎(3)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.‎ ‎2．多晶体的微观结构及性质 剖析：(1)多晶体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体(晶粒)组成的.平常见到的各种金属材料都是多晶体.把纯铁做成的样品放在显微镜下观察,可以看到它是由许许多多晶粒组成的.晶粒有大有小,最小的只有10‎-5 cm.‎ ‎(2)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.但还有确定的熔点.‎ 讲练互动 ‎【例1】 同一种化学成分的物质,为什么有时会表现出不同的物理性质?‎ 解答：同一种物质中的微粒按不同的方式排列时,就会生成不同的晶体,而表现出不同的物理性质.如碳,按一种方式排列可以生成金刚石,而按另一种方式排列时会生成石墨,金刚石与石墨的物理性质有很大的不同.‎ 绿色通道在学习时要注意不同学科间的联系,本题就是关于同种化学成分的物质表现不同的物理性质.‎ 变式训练 ‎1．晶体为什么有规则的外形?‎ 解答：由于晶体中的物质微粒在空间是按一定规律排列的,微粒只在一定平衡位置做微小振动,所以晶体有规则的外形.‎ ‎【例2】 如图‎2-2-2‎所示为食盐晶体结构示意图,食盐的晶体是由钠离子(图中○)和氯离子(图中●)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的.已知食盐的摩尔质量是‎58.5g/mol,食盐的密度是‎2.2 g/cm2,阿伏加德罗常数为6.0×1023 mol-1,试估算食盐晶体中两个最近的钠离子中心间的距离.‎ 图‎2-2-2‎ 解析：由图可知V0就是图中每四个离子所夹的正立方体的体积,此正方体的边长d=‎ 而最近的两个钠离子中心间的距离r=‎ ‎=1.41×m ‎=4×10‎-10 m.‎ 答案：4×10‎‎-10 m 绿色通道 食盐晶体是由氯离子与钠离子构成的,每一个离子都占据一个立方体空间,该立方体的边长就是两个最近的钠离子(也是氯离子)中心间的距离.‎ 变式训练 ‎2．石墨和金刚石都是由碳原子构成的晶体,它们的空间点阵不同,已知碳的摩尔质量M=‎12.0 g/mol,石墨的密度为ρ=‎2.25 g/cm3,金刚石的密度ρ2=‎3.52 g/cm3.试求石墨和金刚石中相邻原子间的平均距离各多大.‎ 答案：D1=2.57×10‎-10 m D2=2.21×10‎‎-10 m 体验探究 ‎【问题】 关于晶体和非晶体导热特性的实验说明:剥取一薄层云母片,用清洁的布将云母片擦拭干净,在它的一面涂一层薄而均匀的石蜡,拿一个直径1—‎2 cm的金属球(可取用固体膨胀演示器上的铜球),放在酒精灯上加热1—2 min,然后将云母片没有涂蜡的那一面放在已加热的小球上,即可观察石蜡熔化情况.为了使实验现象显著,应怎样改进?‎ 导思：为了使实验现象显著可以从以下几个方面考虑:石蜡涂层是否均匀、钢针或金属球具有的内能较多,产生的熔蜡面积较大,便于观察,钢球接触云母片的哪一面.‎ 探究:1.石蜡涂层必须薄而均匀.‎ ‎2.实验时,加热的物体也可以用钢针,但用金属球产生的熔蜡面较大.‎ ‎3.实验时把烧热的金属球放在没有涂蜡的一面,效果会更好,因为此时石蜡的熔化显然是云母片导热的结果,如果实验时把金属球放在涂蜡的一面,因石蜡本身也会导热,就会影响实验的效果.‎ 探究结论:涂层薄,用金属球代替钢针;金属球放在没有涂蜡的一面.‎