第四节物质的其他聚集状态

1、第四节 物质的其他聚集状态精彩图文导入 利用纳米技术，将普通的物质材料重新构筑成纳米级的材料后，它的物理，化学性能便会发生极大的改变。如金属铜，具有一定的可塑性和硬度，但如果将其制成纳米级的材料后，铜就会发生超塑性变形（如上图）金属铜加工成纳米材料为什么会具有了超塑性？纳米材料和我们前面学习晶体有和不同？带着问题我们来学习物质的其他聚集状态。高手支招之一：细品教材从内部结构来看,物质的状态可分为固态、液态、气态三种聚集态。对于固态物质，原子或分子相距相近，分子难以平动和转动，但能够在一定的位置上做程度不同的振动；对液态物质而言，分子相距比较近，分子间作用力也较强，分子的转动明显活跃，平动也有所

2、增加，使之表现出明显的流动性；至于气态物质，分子间距离大，分子运动速度快，体系处于高度无序状态。研究表明，物质除了有固、液、气三种基本聚集状态外，还存在着其他聚集状态。一、非晶体1.晶体与非晶体的本质区别：在固体时又分为晶体和非晶体，它们的最大区别在于物质内部的微粒能否有序地规则排列。晶体之所以有规则的几何外形，因为其内部的微粒在空间按一定的规律周期性重复排列而表现出长程有序，就是说如果把晶体中任意一个微粒沿某个方向平移一定距离，必能找到一个同样的微粒。而玻璃、石蜡、沥青等非晶体物质内部微粒的排列则是长程无序和短程有序，所以它们没有晶体结构所具有的对称性、各项异性和自范性。非晶体材料常常表现出

3、一些优异的性能。高手笔记：非晶体与晶体的本质区别在于内部微粒在空间是否按一定规律做周期性重复排列，但是要了解固体除了晶体和非晶体之外还存在准晶体。 例1.关于非晶体的叙述中，错误的是（ ）A、是物质的一种聚集状态B、内部微粒的排列是长程无序和短程有序的C、非晶体材料的所有性能都优于晶体材料D、金属形成的合金也有非晶体解析：非晶体材料常常表现出一些优异性能，但并不能说所有性能都优于晶体。答案：C二、液晶1.液晶定义：在一定温度范围内存在的液体即具有液体的可流动性，又具有像晶体那样的各项异性，这种液体为液态晶体，简称为液晶。2.液晶的性质：液晶在折射率、磁化率、电导率等宏观性质方面之所以表现出类似

4、晶体的各向异性，是因为内部分子的排列沿分子长轴方向呈现出有序的排列。液晶的显示功能与液晶材料内部分子的排列密切相关。在施加电压时，液晶分子能够沿电场方向排列，而在移去电场之后，液晶分子又恢复到原来的状态。这就是电子手表和笔记本电脑数字或图像得以显示的原因。高手笔记：液晶可分为近晶型液晶、向列型液晶、胆甾型液晶。近晶型液晶的分子排列比较整齐，近似于晶体，这种液晶黏度较大，流动性较差。向列型液晶的分子作交错平行排列，这种液晶黏度较低，流动性较好。胆甾型液晶分子也作层状，但是与前两者有所不同。例2.关于液晶的叙述中，错误的是（ ）A、液晶是物质的一种聚集状态B、液晶具有流动性C、液晶和液态是物质的同

5、一种聚集状态D、液晶具有各向异性解析：液晶既具有流动性，也具有类似于晶体的各向异性，是介于液体和晶体之间的一种特殊的聚集状态。答案：C三、纳米材料1.定义：纳米材料实际上是指三维空间尺寸至少有一维处于纳米尺度的、具有特定功能的材料。高手笔记：注意：纳米是一种长度单位，1nm109m2.结构：纳米材料由直径为几个或几十个纳米的颗粒和颗粒间的界面两部分组成。纳米颗粒是长程有序的晶体结构，界面则是既不长程有序也不短程有序的无序结构，因此纳米材料宏观物体的独特性质。与普通的金属、陶瓷和其他固体材料一样，纳米材料也是由原子组成，只不过这些原子排列成了纳米量级的原子团，成为组成纳米材料的结构粒子。通常组成

6、纳米材料的晶状颗粒内部的有序原子与晶类界面的无序原子各约占原子总数的50%，从而形成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。 3.性质：由于纳米材料的粒子细化和界面原子比例较高，使得纳米材料在光、声、电、磁、热、力、化学反应等方面完全不同于由微米级或毫米级的结构颗粒构成的材料.例如，纳米陶瓷有极高的硬度，并在低温下显示出良好的延展性；纳米金属则成为绝缘体，且各种纳米金属颗粒几乎都是黑色，据此纳米金属材料可制作隐形飞机上的雷达吸收材料。高手笔记：从纳米材料的结构特征来看，纳米固体具有与晶态、非晶态和原子簇等不同的物理化学特性。这些特性来源于两个方面即表面效应与体积效应。纳米材料既具不同于原来组成

7、的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。例3.纳米材料具有一些与传统材料不同的特征，具有广阔的应用前景。下列关于纳米材料基本构成微粒的叙述中，错误的是（ ）。A、三维空间尺寸必须都处于纳米尺寸B、既不是微观粒子也不是宏观微粒C、是原子排列成的纳米数量级原子团D、是长程有序的晶状结构解析：纳米颗粒的三维空间尺寸只要有一维处于纳米尺度即可。答案：A四、等离子体1.定义：等离子体是指由大量带电微粒（离子、电子）和中性微粒（原子或分子）组成的物质聚集体称为物质的等离子体。因为等离子体中正、负电荷大致相等，总体来看等离子体呈准

8、电中性。等离子体是继固体、液体、气体之后物质的第四种聚集状态。2.产生途径：可通过高温、紫外线、X射线和射线等手段使气体转化为等离子体。高手笔记：在化学领域常用的产生等离子体的方法主要有以下几种：（1）气体放电法（2）光电离法和激光辐射电离（3）射线辐照法（4）燃烧法（5）冲击波法。3.特性：等离子体中的微粒带有电荷且能自由运动，使等离子体有很好的导电性，加之有很高的温度和流动性，所以等离子体用途十分广泛。产生等离子体的方法和途径多种多样，涉及许多微观过程、物理效应和实验方法。其中，宇宙天体及地球上层大气的电离层属于自然界产生的等离子体。高手笔记： 气体放电是产生等离子体的一种常见形式，气体放

9、电实现的方式可以千差万别，但产生放电的基本过程是利用外（电）场加速电子使之碰撞中性原子（分子）来电离气体。例4.下列关于等离子体的叙述中，错误的是（ ）A、是物质的一种聚集状态 B、是一种混合物存在状态C、具有导电性 D、基本构成微粒只有阴、阳离子解析：等离子体的基本构成微粒既有带电的阴、阳离子，也有中性的分子或原子，是个复杂的混合体系，D选项错误。答案：D高手支招之二：基础整理本节深入浅出的介绍了不同聚集类型及不同聚集程度的聚集体的结构和性质特点，进一步掌握物质的聚集状态由构成物质的微粒种类、微粒间相互作用、微粒的聚集程度决定。高手支招之三：综合探究1.金的常规熔点为1064，但2nm尺寸金

10、的熔点仅为327左右；优良的金属导体在尺寸减少到几纳米时就成了绝缘体且各种金属纳米颗粒几乎都是黑色。这是为什么？组成纳米材料的晶状颗粒内部的有序原子与晶粒界面的无序原子各约占原子总数的50%，从而形成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。在纳米晶粒中表面活性原子占总原子数的比例非常大，使其表面能大大增加，熔化时所需能量减少，熔点降低，因此纳米金的熔点远低于金的常规熔点。在金属纳米粒子中电子的数量是有限的，因而能带是不连续的，造成了光吸收等异常物性，因此各种金属纳米颗粒几乎都是黑色，随着粒子的微细化，金属超导临界温度TC逐渐提高，这样优良的金属导体在尺寸减少到几纳米时就成了绝缘体。高手笔记：

11、与普通的金属、陶瓷和其他固体材料一样，纳米材料也是由原子构成的，这些原子是否排列成了纳米量级的原子团，由分析纳米材料的粒子细化和界面原子比例的高低，从而可说明纳米材料具有既不同于微观粒子又不同于宏观物体的独特的性质。2.下图是“晶体和非晶体导热性能实验仪”（是放置云母片或玻璃片的嵌缝，为去掉尖头的15W平直电烙铁，为实验仪的底座，为烙铁固定架）。在云母片插入处嵌缝中，蜡层朝上，蜡层的反面紧贴烙铁直头，将烙铁接通电源30s后断电，云母片蜡层上形成透明椭圆蜡斑；接着取下云母片，换上玻璃片，经过同样的操作程序，玻璃片上蜡层形成透明圆形蜡斑。 请你对上述实验现象做出合理的解释。 由实验探究物质性质的差

12、异应遵循以下思路： 分析实验现象得出物质性质的差别。由云母片实验时形成椭圆蜡斑，玻璃片形成圆形蜡斑可以推断云母片在不同的方向上导热性能不同，从而说明是否表现出各向异性；由玻璃片在各个方向上导热性能相同，从而说明是否表现出各向同性。 从结构上分析物质性质存在差异的原因。云母片和玻璃片性质上存在差异的根本原因可从内部原子的排列推断：要清楚前者内部原子的排列是否规整严格，后者内部原子的排列是否杂乱无章。推广到结构相似的物质。云母是否属于晶体而玻璃是否属于非晶体，由此可说明晶体具有各向异性而非晶体具有各向同性。云母晶体内部原子的排列十分规整严格，在空间按一定规律周期性重复排列而表现出长程有序，因此在进

13、行导热性实验时在不同的方向上导热性能不同，表现出各向异性。玻璃属于非晶体其内部原子的排列则是杂乱无章，长程无序，短程有序，因此在各个方向上的导热性能相同，表现出各向同性。高手支招之四：典题例析例1.纳米材料是21世纪最有前途的新型材料之一，世界各国对这一新材料给予了极大的关注。纳米粒子是指直径为1-100nm的超细粒子（1nm=10-9m）。由于表面效应和体积效应，其常有奇特的光、电、磁、热等性质，可开发为新型功能材料，有关纳米粒子的叙述不正确的是（ ） A、因纳米粒子半径太小，故不能将其制成胶体 B、一定条件下纳米粒子可催化水的分解 C、一定条件下，纳米TiO2陶瓷可发生任意弯曲，可塑性好

14、D、纳米粒子半径小，表面活性高解析：题中涉及纳米材料这一新型材料，根据纳米粒子微粒大小，判断出其分散质粒子大小刚好处在胶体分散质大小的范围内，因此我们要结合胶体知识，并紧密联系题干中的有关知识、分析讨论。答案：A例2、前不久我国科学家成功合成了3nm长的管状纳米管，长度居世界之首。这种碳纤维具有强度高、刚度（抵抗变形的能力）高、密度小（只有钢的1/4），熔点高、化学性质稳定性好的特点，因而被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法不正确的是（ ）A、它是制造飞机的理想材料B、它的主要组成元素是碳C、它的抗腐蚀能力强D、碳纤维复合材料不易导电解析：纳米材料有其独特的功能，我们都知道：一般飞机是用钢铁

15、制造的，由于碳纤维的“强度高、刚度高、密度小”，它也可以作为制造飞机的理想材料；碳纤维复合材料其主要元素是碳，但由于合成的是纳米级材料，碳原子最外层有4个电子，也可以类似于石墨结构，存在着自由电子。答案：D例3.以下说法正确的是（ ）A.纳米材料是指一种称为“纳米”的新物质制成的材料B.绿色食品是指不含有任何化学物质的食品C.生物固氮是指植物通过叶面直接吸收空气中的氮气D.光导纤维是以二氧化硅为主要原料制成的答案：D思路分析：纳米（nanometer,nm）是长度计量单位，1nm=10-9m， 约等于四五个原子排列起来的长度。广义的纳米材料是指三维尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。纳米材料的

16、许多性质既不同于原子、分子，也不同于宏观的物 体，它拥有优异的特性。例如金属铜或铝作成纳米颗粒遇到空气就会激烈燃烧、发生爆炸，可作为火箭的燃料、催化剂；纳米陶瓷有显著的可塑性、高强度、耐高 温，克服了一般陶瓷材料的脆性弱点，用纳米陶瓷制成的发动机，能耐高温、不需要冷却，耐磨损、寿命长。半导体纳米材料，可以发出各种颜色的光，可以做成超 小型的激光光源。新型的纳米材料碳纳米管，密度是钢的1/6、强度是钢的100倍等等。纳米是指材料粒子的尺寸，不是物质的名称，选项A是错误的。任何物质（不包括“场”，如电场、磁场等等）都是由原子、分子、离子等等组成，从组成和结构来看，它们都是“化学物资”。不管什么食物

17、，都是物质，因此也都是“化学物质”，本选项的说法也是错误的。B项之所以错误，是由于市场上有人误将Chemicals译作“化学物质”而导入各种商品广告词中。Chemicals是“化学制品”或译作“化学药 品”，包括防腐剂、着色剂、调味剂等等各种添加剂，它们不是纯天然产物。现代人类食品推崇纯天然，而且希望制造食物的动植物原料在培养过程中也没有用过有 残留的农药杀虫剂或生长激素等等化学制品，这样的食物可以称为绿色食品。简言之，不含“化学制品”不等于说不含“化学物质”，所以本选项也是错项。植物只能吸收并利用氨和硝酸盐，不能直接利用游离的分子氮。但是许多微生物都能将空气中的氮气还原成氨，这叫做生物固氮。

18、生物固氮对维持自然界中的氮 循环和供应植物生长所需要的氮素来源，都起着重要的作用。能固氮的生物体大体上可以分为自生固氮生物和共生固氮生物两大类。共生固氮生物的特点是它们独立 生活时，没有固氮作用，当它们侵入宿主植物后形成根瘤，从宿主植物吸收碳源和能源并进行固氮作用，供给宿主以氮源。豆科植物往往是合适的宿主。但是固氮仅 在根部，并不在叶面。在叶面上可以进行光合作用，而不是固氮作用，本项是错项。光纤通信是利用光导纤维传输信息的通信方式，它于20世纪70年代前后开始发展，80年代进入实际应用阶段，现已得到广泛应用。光纤的原料是二氧化 硅，用量很少。一根光纤可通几十万路电话或几十路电视，用光纤代替电线

19、可以节省大量金属。本选项正确。答案：D高手支招之五：思考发现1.晶体与非晶体的本质差异。自范性微观结构晶体有（能自发呈现多面体外形）原子在三维空间里呈周期性有序排列非晶体没有（不能自发呈现多面体外形）原子排列相对无序高手支招之六：体验成功基础强化：1.(2004长沙)水的状态除了气、液和固态外，还有玻璃态。它是由液态水急速冷却到165 K时形成的。玻璃态的水无固定形状，不存在晶体结构，且密度与普通液态水的密度相同，有关玻璃态水的叙述中正确的是( )A.水由液态变为玻璃态，体积缩小B.水由液态变为玻璃态，体积膨胀C.玻璃态是水的一种特殊状态D.玻璃态水是分子晶体解析：由题给条件知：玻璃态的水无固

20、定形状，不存在晶体结构，故D错误。而水由液态变为玻璃态时密度不变，说明在此变化中体积不发生变化。故选C。答案：C2.下列关于聚集状态的叙述中，错误的是（ ）A、物质只有气、液、固三种聚集状态B、气态是高度无序的体系存在状态C、固态中的原子或者分子结合的较紧凑，相对运动较弱D、液态物质的微粒间距离和作用力的强弱介于固、气两态之间，表现出明显的流动性解析：物质的聚集状态，除了气、液、固三态外，还有非晶体、液晶、纳米材料和等离子等聚集状态，所以A错；物质处于气态时，分子间距离大，分子运动速度快，体系处于高度无序状态，B正确；对于固态物质，原子或分子相距很近，分子难以平动和转动，但能够在一定位置上做程

21、度不同的振动，C正确；对液态物质而言，分子相距比较近，分子间作用力也较强，分子的转动明显活跃，平动也有所增加，使之表现出明显的流动性，D正确。答案：A3.下列特殊聚集状态中，不具有导电功能的是（ ） A等离子体 B非晶体 C液晶 D金属纳米颗粒解析：AC中都有能导电的物质，而B非晶体D纳米颗粒不具有导电性。答案：BD4.下列关于物质特殊聚集状态结构的叙述中，错误的是（ ）A.等离子体的基本构成微粒的排列是带电的离子和电子及不带电的分子或原子B.非晶体基本构成微粒的排列是长程无序和短程有序的C.液晶内部分子沿分子长轴方向有序排列，使液晶具有各向异性D.纳米材料包括纳米颗粒与颗粒间的界面两部分，两

22、部分都是长程有序的解析：纳米材料由直径为几个或几十个纳米的颗粒和颗粒间的界面两部分组成。纳米颗粒是长程有序的晶体结构，界面则是既不长程有序也不短程有序的无序结构，因此纳米材料宏观物体的独特性质。答案：D5.下列物质中，不属于非晶体的是（ ）A、玻璃 B、石蜡和沥青 C、塑料 D、干冰解析：玻璃、石蜡、沥青、塑料是常见的非晶体，干冰为分子晶体。答案：D6.等离子体的用途十分广泛，运用等离子体束切割金属或者进行外科手术，利用了等离子体的特点是（ ）A、微粒带有电荷 B、高能量 C、基本构成微粒多样化 D、准电中性解析：切割金属或者进行外科手术，利用了等离子体高能量的特点。答案：B7.电子表、电子计

23、算器、电脑显示器都运用了液晶材料显示图像和文字。有关其显示原理的叙述中，正确的是（ ）A、施加电场时，液晶分子垂直于电场方向排列B、移去电场后，液晶分子恢复到原来状态C、施加电场时，液晶分子恢复到原来状态D、移去电场后，液晶分子沿电场方向排列解析：液晶的显示原理为施加电场时，液晶分子沿电场方向排列；移去电场后，液晶分子恢复到原来状态。答案：B8.下列关于纳米材料的叙述中，错误的是（ ）。A、包括纳米颗粒和颗粒间界面两部分B、纳米材料属于晶体C、纳米材料属于非晶体D、同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体具有完全等同的性质解析：同一种金属元素构成的纳米材料与宏观金属晶体具有差别很大的性质，如

24、金的常规熔点为1064，但2nm尺寸的金的熔点仅为327左右。答案：D综合应用：9.纳米材料的表面粒子数占总粒子数的比例极大，这是它具有许多特殊性质的原因。假设某纳米颗粒的大小和形状恰好与某晶体晶胞的大小和形状（如图）相同，则这种纳米颗粒的表面粒子数占总粒子数的百分数为（ ）A、87.5% B、88.9% C、96.3% D、100%解析：这种纳米颗粒的表面粒子数占总粒子数的百分数为100%=88.9%答案：B10.高温、紫外线、X射线、射线等都可以使气体转化为等离子体。下列叙述中不涉及等离子体的是（ ） A日光灯和霓虹灯的灯管中 B蜡烛的火焰中 C流星的尾部 D南极的冰川中解析：可通过高温、

25、紫外线、X射线和射线等手段使气体转化为等离子体答案：D11.电子数相等的微粒叫等电子体，下列微粒组是等电子体的是（ ）A、N2O4和NO2 B、Na+和NH C、CH4和HF D、NO和O2解析：N2O4的电子数是NO2的2倍；NO的电子数是15，O2的电子数是16。答案：BC12.已知BN是一种新型的无机材料，由于 与 属于等电子物质（等电子体是原子个数相等，电子数也相等的物质），其结构和性质有很大的相似性。BN有两种晶体，根据以上信息，对BN两种晶体的描述中不正确的是（ ）A、其中一种晶体可用作耐磨材料 B、其中一种晶体可用作润滑材料C、其中一种晶体键角为90 D、其中一种晶体中存在六元环

26、解析： 与 是等电子体，结构与性质相似，因此BN有两种晶体，一种是类似于石墨的层状结构，一种是类似于金刚石的空间网状结构，类似于石墨的晶体可作耐磨材料、润滑材料，两种晶体中的键角一个是120，一个是10928，不是90，类似石墨的晶体中存在平面六元环，类似金刚石的晶体中存在立体六元环结构，因此不正确的是C。答案：C创新拓展：13.21世纪的新领域纳米技术正日益受到各国科学家的关注，2000年美国总统克林顿宣布了国家纳米倡议，并于2001年财政年度增加科技支出的26亿美元中，其中5亿给纳米技术。请根据右图回答下列问题：（1）纳米是 单位，1纳米等于 米。纳米科学与技术是研究结构尺寸在1至100纳

27、米范围内材料的性质与应用。它与 分散系的粒子大小一样。（2）世界上最小的马达，只有千万分之一个蚊子那么大，如图，这种分子马达将来可用于消除体内垃圾。该图是马达分子的 （填“比例模型”或“球棍模型”）。该分子中含有的组成环的原子是 元素的原子，分子中共有 个该原子。解析：本题看似较陌生，其实主要考查对纳米的理解及晶体结构的理解。答案：（1）长度 10-9（或十亿分之一米） 胶体 （2）球棍模型 碳 30教材习题解析与答案1.略2.液晶既具有液体的可流动性，又具有象晶体那样的各项异性。液晶产品有电子表、液晶显示屏等。3. 等离子体中的微粒带有电荷且能自由运动，使等离子体有很好的导电性，加之有很高的

28、温度和流动性，所以等离子体用途十分广泛。4.略点击STS等离子体化学及其应用物质的第四态等离子态早在19 世纪初，物理学家便提出：是否存在着与已知的物质“三态”有本质区别的第四态？随之进行了许多探索和研究。1835年，法拉第用低压放电管观察到气体的辉 光放电现象。1879年，英国物理学家克鲁克斯在研究了放电管中“电离气体”的性质之后，第一个指出物质还存在一种第四态。1927年朗格谬在研究水银蒸 气的电离状态时最先引入plasma（等离子体）这一术语。1929年汤克斯和朗格谬给等离子体赋予“电离气体”的涵义。由此可见，发现物质第四态已经有 100多年了。物质的这一新的存在形式是经气体电离产生的由

29、大量带电粒子（离子、电子）和中性粒子（原子、分子）所组成的体系，因其总的正、负电荷数相等，故称为等离子体。继固、液、气三态之后列为物质的第四态等离子态。之所以 把等离子体视为物质的又一种基本存在形态，是因为它与固、液、气三态相比无论在组成上还是在性质上均有本质区别。即使与气体之间也有着明显的差异。首先， 气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体而又在整体上保持电中性。其二，组成粒子间的作用力不同，气体分子间不存在净电磁力，而等离子体中的带电粒 子间存在库仑力，并由此导致带电粒子群的种种特有的集体运动。第三，作为一个带电粒子系，等离子体的运动行为明显地会受到电磁场的影响和约束。需说明的 是，

30、并非任何电离气体都是等离子体。只有当电离度大到一定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足以限制其自身运动时，体系的性质才会从量变到质变， 这样的“电离气体”才算转变成等离子体。否则，体系中虽有少数粒子电离，仍不过是互不相关的各部分的简单加合，而不具备作为物质第四态的典型性质和特征， 仍属于气态。 产生等离子体的常用方法和原理产生等离子体的方法和途径多种多样，涉及许多微观过程、物理效应和实验方法。其中，宇宙天体及地球上层大气的电离层属于自然界产生的等离子体。在等离子体化学领域中常用的产生等离子体的方法主要有以下几种：1.气体放电法 在电场作用下获得加速动能的带电粒子特别是电子与气体分子碰撞使