名师一号高中物理 223第二章固体第二三节固体的微观结构材料科技与人类文明优秀课件 鲁科版选修

第二三节 固体的微观结构 材料科技与人类文明 课课 标标 解 读读(学生用书书P22) 1.了解晶体的微观结观结 构,了解组组成晶体的物质质微粒空间间有序 结结构的特点. 2.了解晶体的结结合类类型. 3.了解晶体宏观观特征的微观观解释释. 4.了解材料的种类类应应用及材料科学的重要性. 阅读阅读 教材自主梳理 (学生用书书P22) 1.晶体的结结构 (1)晶体的微观结观结 构猜想与劳劳厄晶体X射线线衍射实验实验 晶体的规则规则 的外形使人们产们产 生这样这样 的猜想:组组成晶体的物质质 微粒也应应是_排列的.1912年,劳劳厄用_探 测测固体内部原子的排列,证实证实 晶体内部的物质质微粒是按 _整齐齐排列起来的.现现在用 _直接对对晶体的结结构进进行观观察. 规则X射线 一定规律扫描隧道显微镜 (2)晶体的微观结观结 构 a.组组成晶体的物质质微粒(原子分子或离子)有_在空 间间排列成阵阵列,形成周而复始的有序结结构,说说明晶体的微观结观结 构具有_特点. b.晶体内部各微粒之间间存在着很强的_,微粒只能在 _附近做微小振动动. 规则的 周期性 相互作用力 平衡位置 2.晶体的结结合类类型 (1)离子晶体:由_离子通过过离子键结键结 合而成的 晶体,如NaCl晶体,由钠钠离子和氯氯离子结结合成的离子晶体,氯氯离 子和钠钠离子在空间间等距离交错错排列,每一个钠钠离子(或氯氯离子 )周围围分别别有6个氯氯离子(钠钠离子)包围围,常见见的离子晶体还还有 AgBrMgOPbS等. (2)原子晶体:相邻邻原子之间间通过过_结结合而成的晶体, 如SiO2,金刚刚石锗锗锡锡等.SiO2晶体结结构中每一个硅原子被相 邻邻4个氧原子包围围,处处于四个氧原子的中心,与四个氧原子构成 正四面体结结构. 正负 共价键 (3)金属晶体:_通过过金属键结键结 合而成的晶体,如铜铜 银银铝铝镍镍和金等,例如,铜铜晶体中,铜铜原子除了占据立方体的每 一个角外,还还占据立方体每个面的中心,任意一个铜铜原子都与 其它12个铜铜原子相结结合. 物质微粒 3.固体特征的微观观解释释 晶体和非晶体的宏观观特征与它们们微观结观结 构有关,可以用微观观 结结构理论论解释释. (1)固体的外形 _内部物质质微粒排列有一定的规规律,所以单单晶体具 有规则规则 的几何外形;非晶体内部物质质微粒排列 _一定的规规律,在宏观观上没有规则规则 的几何形状. 晶体 没有 (2)单单晶体的各向异性和非晶体的各向同性 由于单单晶体内的物质质微粒按一定规规律排列成有序阵阵列,所以 在晶体内沿不同方向画出的等长长直线线上,微粒的 _通常是不相等的,这说这说 明沿不同方向上的微 粒的_和物质质_情况不同,在物理 性质质上表现为现为 各向异性.而非晶体的微粒排列杂杂乱无章,从统统 计观计观 点看,非晶体在不同方向上的微粒排列和物质结质结 构情况 基本相同,所以在物理性质质上表现为现为 各同性. 个数 排列结构 (3)同物质质的不同晶体 同一物质质在_条件下形成不同的晶体,由微观结观结 构 不同,所以有不同的物理性质质. 不同 4.材料的种类类及用途 (1)按材料的特性可以把材料分为为_和_两 类类.结结构材料主要是利用材料的_特性,_主要 是利用材料的声光热热电电磁等特性. (2)按照材料的应应用领领域,又可把材料分为为信息材料 _建筑材料生物材料航空航天材料等. 结构材料 功能材料力学 功能材料 能源材料 (3)按习惯习惯 分为为:_材料,无机非金属材料有机高分 子材料和复合材料. a.金属材料 常见见的金属有铁铁铜铜铝铝锡锡镍镍金银银铅铅等,通常使用的材 料大多是合金,合金是两种或两种以上的_或金属与 非金属结结合而成,具有金属特性,例如钢钢是_和 _的合金,再加少量铬铬就成了不锈钢锈钢 ,具有广泛用途. 金属 金属 铁 碳 b.无机非金属材料 无机非金属材料主要是玻璃和陶瓷.陶瓷是黏土经经高温烧烧制 而成,陶瓷新材料在尖端技术术方面也发挥发挥 很大作用.例如 _制成的高温陶瓷具有耐高温(1 200 高温仍保持 强度不变变)耐腐蚀蚀(耐受强碱强酸腐蚀蚀)高绝缘绝缘 性能,广泛用 于现现代工业业和航空航天领领域,航天飞飞机表面就安装了氮化硅 防热热瓦. 氮化硅 c.有机高分子材料 有机高分子材料是由_ _等元素的有机化合物构 成的材料,相对对分子质质量较较大,天然高分子材料有_ _羊毛甲壳等.人工高分子材料中有塑料合成纤纤 维维合成橡胶胶黏合剂剂和涂料等. d.复合材料 复合材料是由几种不同材料通过过_工艺组艺组 合成的新 型材料,通常具有优优越的性能. 碳 氢氧 硅硫氮 木材 棉花 复合 (4)新材料 a.形状记忆记忆 合金 一种含镍镍55%,含钛钛45%的“镍钛诺镍钛诺 ”合金丝丝加热热弯成各种复 杂杂形状,然后冷却并拉直,当再次加热时热时 金属丝丝又恢复原来形 状,这这种合金被称为为_,有广泛用途. 形状记忆合金 b.半导导体 半导导体是具有优优异特性的微电电子材料,半导导体的电电阻率介于 _和_之间间,微电电子工业业使用的是 _和砷化镓镓.微电电子工业业中,集成块块是利用集成工艺艺 将_和它们们的连线连线 集成在 一个半导导体芯片上,随着集成度的提高,_显显示出更 大的优势优势 ,可以大大提高运算速度,砷化镓镓集成电电路主要用于 通信卫卫星电视卫电视卫 星接收机移动动通信以及军军用电电子装备备等. 导体绝缘体 硅 晶体管电阻 电容 砷化镓 c.纳纳米材料 纳纳米是_单单位,1 nm=10-9 m,粒度在1100 nm的材料 称为纳为纳 米材料.当材料小到纳纳米尺度时时,其力热热声光磁等 方面的某些性能会突变变.如纳纳米管是纳纳米材料领领域中研究的 热热点之一,纳纳米管强度比钢钢高100倍,密度只有钢钢的1/6,导电导电 性 极强,兼具金属和半导导体的特性,用于一些特殊的领领域. 长度 重 点 阐阐 释释 (学生用书书P23) 1.用晶体的微观结观结 构理论论解释释晶体的宏观观特性 (1)单单晶体有规则规则 的几何形状 组组成晶体的微粒有规规律的排成阵阵列,形成周期性的有序空间间 点阵结阵结 构,因此单单晶体有规则规则 的几何形状.如食盐盐晶体是由钠钠 离子(Na+)和氯氯离子(Cl-)组组成的,它们们等距离交错错的排列在相 互垂直的直线线上,每一个钠钠离子(Na+)(或氯氯离子)周围围分别别有6 个氯氯离子(Cl-)(或钠钠离子)包围围,因而大小不同的食盐颗盐颗 粒都是 立方体的外形. (2)单单晶体物理性质质上的各向异性 单单晶体在物理性质质(如导热导热 性导电导电 性折光性等)上沿各个方 向会出现现不同,例如在一薄云母片上涂一层层石蜡,用烧热烧热 的针针 接触石蜡层层,发现发现 熔化的石蜡层层呈椭圆椭圆 形,说说明沿不同方向, 云母的导热导热 性能不同.如何用晶体的微观结观结 构理论论解释释呢?由 于组组成晶体的微粒按一定规规律排成有序阵阵列,所以在各方向 上微粒的排列情况不同. 如下图图所示是在一个平面上晶体物质质微粒的排列情况,在沿 不同方向所画的等长线长线 段ABACAD上,物质质微粒的数目不 同,在线线段AB上的物质质微粒较较多,线线段AD上的较较少,线线段AC 上更少,正因为为在不同方向上物质质微粒的排列情况不同,才引 起晶体在不同方向上物理性质质的不同. (3)晶体有固定的熔点 给给晶体加热热到一定温度时时,使得有一部分微粒有足够够的动动能, 克服微粒间间的作用力,离开平衡位置,使微粒间规则间规则 的排列被 破坏,晶体开始熔化,熔化时时,晶体吸收的热热量全部用来破坏微 粒的阵阵列结结构,也就是全部用来增加分子势势能,分子的平均动动 能没有改变变,温度没有变变化,直到全部熔化,这这个温度就是晶体 的熔点. 2.多晶体的微观结观结 构特点 (1)多晶体是由许许多小的单单晶体(晶粒)杂杂乱无章的组组合在一起 的,平时见时见 到的各种金属材料都是多晶体,一些金属和岩石的 小晶粒,几何线线度一般为为10-410-3 cm,最大可以达到10-2 cm,1 cm3的这这些物体中至少有上百万个小晶粒. (2)每个小晶粒是一个小的单单晶体,物体性质质上表现为现为 各向异 性,并有规则规则 的几何形状.但大量的小晶粒杂杂乱无章的排列着, 所以这这些多晶体就不再具有规则规则 的几何形状,也不再显显示各 向异性,而表现为现为 各向同性.但熔化时时,吸收的热热量仍是需要克 服微粒间间相互作用力,而破坏晶体微粒阵阵列结结构的,所以多晶 体仍有一定的熔点. 3.用微观结观结 构理论论和能量的观观点解释释晶体与非晶体的熔化 过过程 晶体具有确定熔点和熔化热热,而非晶体却没有确定熔点和熔化 热热.晶体的熔化是粒子由规则规则 排列转转向不规则规则 排列的过过程.这这 些热热量就将用来反抗分子引力做功,增加分子的势势能,也就是 说说,这时这时 物质质所吸收的热热量是破坏点阵结阵结 构所需的能量,使分 子的运动动状态态起质质的变变化从固态态的分子热热运动转变动转变 成 液态态的分子热热运动动,同时时改变变了物质质的状态态.所以晶体不仅仅有 固定的熔点,而且还还需要吸收一定数量的热热量来实现实现 它的熔 化.即晶体也具有确定的熔化热热. 非晶体在熔化过过程中,随温度的升高而逐渐软渐软 化,最后全部变变 为为液体,所以熔化过过程不是与某一确定温度相对应对应 ,而是与某 个温度范围围相对应对应 .因为非晶体物质的分子结构跟液体相似, 它的分子排列是混乱而没有规则的,即使由于它的黏性很大, 能够保持一定的形状,但是实际上它并不具有空间点阵的结构 .热源传递给它的能量,主要是转变为分子的动能.所以在任何 情况下,只要有能量输入,它的温度就会升高.因此它没有一定 的熔化温度,并且在熔化过程中,温度是不断上升的.而不同温 度下物质由固态变为液态时吸收的热量是不同的,所以非晶体 没有确定的熔化热. 4.同种物质质可以构成不同的晶体 同一种物质质在不同条件下可能生成不同的晶体,这这是由于尽管物 质质微粒相同,但它们们的排列方式不同,因而具有的物理性质质不同, 构成不同晶体.例如金刚刚石和石墨,就是碳原子在不同条件下形 成的不同晶体,在地球深处处,在极高的温度和压压力下,碳原子结结合 成金刚刚石晶体,金刚刚石晶体中每一个碳原子周围围都有四个碳原 子,它们们彼此之间间的距离相等,具有很强的相互作用力.金刚刚石硬 度最大,折光性最大,具有广泛的用途.石墨晶体中的每一个碳原 子同相邻邻的四个碳原子之间间的距离不相等,排列成明显显的层层状 结结构,每层层中的碳原子都排成六边边形,层层与层层之间间距离较较大,碳原 子间间相互作用力较较弱,沿着这这个方向很容易把石墨一层层层层 剥离. 典 例 剖 析 (学生用书书P24) 题题型一 晶体的微观结观结 构与特性 例1:晶体具有各向异性的特点是由于( ) A.晶体在不同方向上的物质质微粒的排列情况不同 B.晶体在不同方向上的物质质微粒的排列情况相同 C.晶体内部结结构的无规则规则 性 D.晶体内部结结构的有规则规则 性 解析:组组成晶体的物质质微粒的有序排列,使晶体在不同方向上 的微粒的排列情况不同,表现为现为 晶体的各向异性.选项选项 AD正 确. 答案:AD 规规律技巧:在理解晶体的宏观观特性时时,应应从组组成晶体的物质质微 粒,按照一定的规规律排列,形成一定的空间间点阵结阵结 构的理论论去 分析研究晶体特性.晶体的物质质分子决定了物质质的化学性质质, 晶体的微观结观结 构决定了其物理性质质.非晶体不具有晶体的微 观结观结 构,也就有不同于晶体的物理性质质. 变变式训练训练 1:下列关于晶体空间间点阵阵的说说法,正确的是( ) A.构成晶体空间间点阵阵的物质质微粒,可以是分子,也可以是原子 或离子 B.晶体的物质质微粒之所以能构成空间间点阵阵,是由于晶体中物 质质微粒之间间相互作用力很强,所以物质质微粒都被牢牢地束缚缚 在空间间点阵阵的结结点上不能动动 C.所谓谓空间间点阵阵与空间间点阵阵的结结点,都是抽象的概念;结结点是 指组组成晶体的物质质微粒做永不停息的微小振动动的平衡位置; 物质质微粒在结结点附近的微小振动动,就是热热运动动 D.相同的物质质微粒,可以构成不同的空间间点阵阵;也就是同一种 物质质能够够生成不同的晶体,从而能够够具有不同的物理性质质 解析:组组成晶体的物质质微粒可以是分子原子或离子,这这些物 质质微粒也就是分子动动理论论所说说的分子.显显然,组组成晶体的物质质 微粒处处在永不停息的无规则规则 的热热运动动之中,物质质微粒之间还间还 存在相互作用.晶体的物质质微粒之所以能构成空间间点阵阵,是由 于晶体中物质质微粒之间间的相互作用很强,物质质微粒的热热运动动 不足以克服这这种相互作用而彼此远远离,所以选项选项 B的说说法错错 误误.故答案为为ACD. 答案:ACD 题题型二 晶体的熔点和熔化过过程中的能量变变化 例2:晶体在熔化过过程中吸收的热热量主要用于( ) A.破坏晶体结结构,增加分子动动能 B.破坏晶体结结构,增加分子势势能 C.破坏晶体结结构,同时时增加分子势势能和分子动动能 D.破坏晶体结结构,既不增加分子动动能,也不增加分子势势能 解析:晶体吸收热热量温度升高,到达熔点后开始熔化,整个熔化 过过程(固液共存)中温度不变变,分子的平均动动能不变变,分子的总总 动动能不变变,吸收的热热量用来增加分子的势势能,破坏晶体结结构,选选 项项B正确. 答案:B 规规律技巧:组组成晶体的微粒按照一定规规律排列成空间间点阵结阵结 构,微粒间间相互作用力很强,通常只能在平衡位置做微小振动动, 只有在吸收热热量,动动能达到足够够大时时,微粒才能脱离晶格的束 缚缚而自由移动动,这这就是熔化的过过程,在这这个过过程中温度不变变, 分子动动能不变变,吸收的热热量用来增大分子势势能. 变变式训练训练 2:下列说说法正确的是( ) A.只有金属有一定的熔点 B.只有晶体有一定的熔点 C.晶体在熔化时时,温度不变变,内能不变变 D.液体结结晶的过过程中要放出热热量 答案:BD 题题型三 材料科技 例3:以下说说法正确的是( ) A.材料科学是研究材料的制造结结构与性能三者之间间相互关 系的科学 B.材料科学对对人类类文明进进程有着重要的影响 C.纳纳米是长长度单单位,1 nm=10-10 m D.半导导体是具有优优异特性的微电电子材料 解析:材料科学是研究材料的制造结结构与性能的科学,各种不 同材料在人们们生产产生活中有广泛应应用,新材料的出现现能推动动 科学的进进步.例如半导导体的出现现推动动了微电电子技术术的发发展.选选 项项ABD正确.纳纳米是长长度单单位,1 nm=10-9m,选项选项 C错误错误 . 答案:ABD 规规律技巧:了解材料科学对对推动动人类类文明进进程的巨大作用,了 解各种新材料. 变变式训练训练 3:材料如果按特性分类类,可分为为( ) A.结结构材料 B.信息材料 C.复合材料 D.功能材料 解析:按照材料的特性,可以把材料分为结为结 构性材料和功能性 材料两类类.结结构性材料主要利用材料的力学特性,功能性材料 主要利用材料的声光热热电电磁等特性.故答案选选AD. 答案:AD 课课内针对针对 性训练训练 (学生用书书P25) 1.下列认识认识 正确的是( ) A.纳纳米是一种尺寸很小的材料,是纳纳米材料的简简称 B.纳纳米技术术就是重新排列原子而制造具有新分子结结构的技术术 C.纳纳米是一个长长度单单位 D.纳纳米材料的奇特效应应使纳纳米材料表现现出不同于传统传统 材料 的良好性能 答案:BCD 2.如图图所示,试说试说 明晶体从开始加热热到全部熔化为为液体的过过 程中能的转转化情况(分熔化前熔化时时熔化后三个阶阶段说说明). 解析:(1)熔化前,晶体从外界吸收能量,主要用来增加组组成点阵阵 结结构的微粒的平均动动能,使物体的温度升高,其体积积一般也有 所增大,也有小部分能量用来增加微粒的势势能. (2)熔化时时,当温度升高到熔点时时,点阵结阵结 构中的一部分微粒已 有足够够的功能,能够够克服其他微粒的束缚缚离开平衡位置,破坏 点阵结阵结 构,开始熔化.继续继续 加热热,微粒所吸收的热热量不再用来增 加分子平均动动能,而完全消耗在破坏点阵结阵结 构所需的能量上, 即用来增加分子势势能. (3)熔化后,液体吸收的能量主要转变为转变为 分子动动能,只要继续继续 加热热,温度就会继续继续 升高. 答案:见见解析 3.发现发现 晶体内部的物质质微粒是按一定的规规律整齐齐排列的科学 家是( ) A.劳劳厄 B.伦伦琴 C.玻尔 D.富勒 答案:A 课课外梯度练习练习 (学生用书书P25) A组组 基础础知识识 强化训练训练 1.晶体的结结合类类型有( ) A.离子晶体 B.原子晶体 C.金属晶体 D.分子晶体 答案:ABC 2.下列说说法中正确的是( ) A.晶体具有天然规则规则 的几何形状,是因为为物质质微粒有规则规则 排 列的阵阵列结结构 B.有的物质质能够够生成种类类不同的几种晶体,是因为为它们们的物 质质微粒能够够形成不同的空间结间结 构 C.凡各向同性的物体一定是非晶体 D.晶体的各向异性是由晶体内部结结构决定的 解析:晶体的外形物理性质质都是由晶体的微观结观结 构决定的, 选项选项 ABD正确.各向同性的物体不一定是晶体,多晶体也具 有这样这样 的性质质,选项选项 C错误错误 . 答案:ABD 3.简简述非晶体熔化过过程中的能量变变化. 答案:非晶体固体内的物质质微粒,并没按一定的规规律排列,形成 空间阵间阵 列结结构,而是分子之间紧间紧 密排列,分子在平衡位置做热热 振动动,固体吸热热后,分子热热振动动加剧剧,同时时分子之间间的距离变变 大,固体由硬变软变软 .分子的动动能和分子势势能同时时增加;固体继继 续续加热热,分子间间距离和分子动动能继续继续 增大,这时这时 固体变为变为 粘 稠液体,继继而变为变为 稀薄液体,所以整个熔化过过程中,分子动动能一 直增大,温度一直升高,没有固定的熔点. 4.纳纳米材料的奇特效应应使纳纳米材料表现现出不同于传统传统 材料的 良好性能,以下关于纳纳米材料的性能的说说法中,正确的是( ) A.在力学性能方面,纳纳米材料具有高强高硬和良好的塑性 B.在热热学性能方面,纳纳米超细细微粒的熔点比常规规粉体低的多 C.在电电学性能方面,纳纳米金属在低温时时会呈现现超导电导电 性 D