2.2、3 晶体的微观结构 新固体材料

一 微观结构理论对固体特征的解释 1 对单晶体各向异性的解释如图所示 这是在一个平面上单晶体物质微粒的排列情况 从图上可以看出 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 才引起单晶体在不同方向上物理性质的不同 2 对晶体具有一定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的作用力 离开平衡位置 使规则的排列被破坏 晶体开始熔解 熔解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 3 对同素异构体的解释这是由于它们的物质微粒能够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 4 对多晶体宏观特征的解释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 5cm 最大的也不超过10 3cm 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 多晶体和非晶体的主要区别是多晶体有确定的熔点 而非晶体没有 5 对非晶体特征的微观解释在非晶体内部 物质微粒的排列是杂乱无章的 从统计的观点来看 在微粒非常多的情况下 沿不同方向的等长直线上 微粒的个数大致相等 也就是说 非晶体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 多晶体和非晶体内部物质微粒的排列都是杂乱无章的 没有一定的规律 在物理性质上都具有各向同性 都有无规则的几何外形 典例1 双选 下列叙述中错误的是 A 晶体的各向异性是由于它的微粒按空间点阵排列B 单晶体具有规则的几何外形是由于它的微粒按一定规律排列C 非晶体有规则的几何形状和确定的熔点D 石墨的硬度比金刚石的差很多 是由于它的微粒没有按空间点阵分布 解题指导 解答本题时应把握以下三点 标准解答 选C D 晶体内部微粒排列的空间结构决定着晶体的物理性质是否相同 也正是由于它的微粒按一定规律排列 使单晶体具有规则的几何形状 石墨与金刚石的硬度相差甚远是由于它们内部微粒的排列结构不同 石墨的层状结构决定了它的质地柔软 而金刚石的网状结构决定了其中碳原子间的作用力很强 所以金刚石有很大的硬度 故A B正确 C D错误 变式训练 双选 下列有关晶体的结构叙述正确的是 A 在晶体内部 组成晶体的物质微粒是无规则排列的B 晶体的微观结构具有周期性C 在晶体内部 组成晶体的物质微粒可以自由运动D 晶体内部微粒间存在着很强的作用力 解析 选B D 在晶体的内部 组成晶体的物质微粒是规则排列的 A错误 晶体的微观结构具有周期性 且微粒间存在着很强的作用力 B D正确 在晶体内部 组成晶体的物质微粒只能在各自的平衡位置附近做微小振动 而不能随意自由移动 C错误 变式备选 双选 2011 石家庄高二检测 单晶体不同于非晶体 它具有规则的几何外形 在不同方向上物理性质不同 而且具有一定的熔点 下列哪些说法可以用来解释晶体的上述特性 A 组成非晶体的物质微粒 在空间按一定的规律排列成整齐的行列 构成特定的空间点阵B 晶体在不同方向上物理性质不同 是由于不同方向上微粒数目不同 微粒间距离也不相同 C 晶体在不同方向上物理性质不同 是由于不同方向上的物质微粒的性质不同D 晶体在熔化时吸收热量 全部用来瓦解晶体的空间点阵 转化为分子势能 因此 晶体在熔化过程中保持一定的温度不变 只有空间点阵完全被瓦解 晶体完全变为液体后 继续加热 温度才会升高 解析 选B D 晶体微粒构成的空间点阵是晶体有规则几何外形的原因 A错 晶体在物理性质上的各向异性是由于空间点阵中不同方向的微粒数目不同 微粒间距离也不相同 B对 C错 晶体熔点的存在是由于晶体在熔化时要吸收热量用来瓦解空间点阵 增加分子势能 熔化过程中分子的热运动的平均动能不变 即温度不变 只有当晶体全部转变为液体后温度才会继续升高 分子热运动的平均动能才会增加 D对 二 新材料及其应用 1 分类 1 按材料特性划分 可把材料分为结构材料和功能材料两类 2 按材料的应用领域划分 可把材料分为信息材料 能源材料 建筑材料 生物材料 航空航天材料等 3 习惯上 把材料分为金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料和复合材料 2 用途依据不同材料各自性能的不同 在许多领域都有它们不同的应用 例如 不锈钢材料在制造餐具 手术器械 化工设备等方面得以广泛应用 氮化硅制成的高温陶瓷在现代工业和航空航天领域得到广泛应用 人工合成的有机玻璃可用于制造飞机的座舱盖及车的挡风玻璃 还可用于制造文具和工艺品等 3 形状记忆合金 1 定义 将一种含镍55 含钛45 的 镍钛诺 合金丝加热并弯成各种复杂的形状 然后冷却并拉直 当再次加热时 拉直的合金丝又恢复到原来的形状 因此这种合金被称为形状记忆合金 2 应用 工程机械 航空航天 医疗卫生等领域 4 半导体 1 定义 导电性能介于金属导体和绝缘体之间 具有优异特性的微电子材料 2 应用 通信卫星 电视卫星接收机 移动通信 高清晰度电视以及军用电子装备等领域 5 纳米材料 1 定义 把颗粒在1 100nm之间的材料称为纳米材料 2 应用 医药 电子 生物 航空等方面都有广阔的应用空间 3 纳米材料的良好性能主要表现在 力学 热学 电学 磁学 光学 化学等方面 在力学性能方面 纳米材料具有高强 高硬和良好的塑性 在热学性能方面 纳米超细微粒的熔点比常规粉体低得多 在电学性能方面 纳米金属在低温时会呈现电绝缘性 在磁学性能方面 当超细微粒的尺寸小到临界尺寸时 常规的铁磁性材料会转变为处于顺磁性甚至超顺磁状态的纳米材料 在光学性能方面 纳米半导体材料在室温下具有光致发光特性 光电转换特性 介电特性和压电特性 在化学性能方面 纳米材料具有相当高的化学活性 新材料往往具有特殊性能 超高强度 超高硬度 超塑性 各种特殊的物理性质 如 磁性 超导性等 典例2 双选 纳米材料的奇特效应使纳米材料表现出不同于传统材料的良好性能 以下关于纳米材料的性能的说法中 正确的是 A 在力学性能方面 纳米材料具有高强 高硬和良好的塑性B 在热学性能方面 纳米超细微粒的熔点比常规粉体低得多C 在电学性能方面 纳米金属在低温时会呈现超导电性D 在化学性能方面 纳米材料化学活性低 因此化学稳定性强 解题指导 解答本题时应注意纳米材料的良好性能主要表现在 标准解答 选A B 纳米材料具有良好的性能 在力学性能方面 纳米材料具有高强 高硬和良好的塑性 A正确 在热学性能方面 纳米超细微粒的熔点比常规粉体低得多 B正确 在电学性能方面 纳米材料在低温时会呈现电绝缘性 而在化学性能方面 纳米材料具有相当高的化学活性 故选项C D错误 变式训练 下列说法中错误的是 A 材料科学是研究材料的制造 结构与性能三者之间相互关系的科学B 材料对人类文明进程有着重要的影响C 纳米是长度单位 1nm 10 10mD 半导体是具有优异特性的微电子材料 解析 选C 1nm 10 9m C选项错误 由材料的有关知识 可知A B D均正确 典例 双选 下列关于探索晶体结构的几个结论正确的是 A 1912年 德国物理学家劳厄用X射线来探测固体内部的原子排列 才证实了晶体内部的物质微粒的确是按一定的规律整齐的排列起来的B 组成晶体的物质微粒在空间杂乱无章地排列着 并且晶体的微观结构没有周期性特点 C 晶体内部各微粒之间还存在着很强的相互作用力 这些作用力就像可以伸缩的弹簧一样 将微粒约束在一定的平衡位置上D 热运动时 晶体内部的微粒可以像气体分子那样在任意空间