高中物理 第2章 固体 第2节 固体的微观结构 第3节 材料科技与人类文明教师用书 鲁科版选修3-3

第2节固体的微观结构第3节材料科技与人类文明学 习 目 标知 识 脉 络1.了解对晶体结构的认识过程，知道晶体微观结构的特点.2.知道晶体的结合类型和特点(重点)3.会用固体的微观结构解释其宏观性质(重点、难点)4.了解材料科学技术的有关知识及应用.固 体 的 微 观 结 构1晶体的结构及结合类型(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(2)晶体内部各微粒之间存在着很强的相互作用力，微粒被约束在一定的平衡位置上(3)热运动时，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(4)晶体的结合类型比较类型构成微粒结合键举例离子晶体正、负离子离子键NaCl、AgBr原子晶体原子共价键SiO2、金刚石金属晶体物质微粒金属键铜、银、铝2.固体特征的微观解释(1)方法：在固体界面沿不同方向画出等长直线(2)微观解释单晶体在不同直线上微粒的个数不相等，说明沿不同方向微粒的排列及物质结构情况不同，在物理性质上表现为各向异性非晶体在不同直线上微粒的个数大致相等，说明沿不同方向微粒排列及物质结构情况基本相同，在物理性质上表现为各向同性(3)同一种物质在不同条件下形成不同的晶体，由于微观结构不同，物理性质有很大差异1Cu是离子晶体()2晶体的分子(原子、离子)排列是有规则的()3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()4同一种物质只能生成一种晶体()为什么多晶体表现为各向同性？【提示】多晶体是由许多杂乱无章地排列着的小晶体(晶粒)组成的每个晶粒都是一个小单晶体，具有各向异性但由于晶粒在多晶体里杂乱无章地排列着，所以它在不同方向的物理性质是相同的，即各向同性探讨1：单晶体为什么有规则的几何外形？【提示】由于单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，所以晶体有规则的几何外形探讨2：多晶体为什么没有规则的几何外形？【提示】由于多晶体内部的物质微粒排列没有一定的规律，是杂乱无章的1对外形及物理性质表现各向异性还是各向同性的解释单晶体多晶体非晶体外形规则不规则不规则物理性质各向异性各向同性各向同性微观解释单晶体内部物质微粒的排列有一定规律，因此宏观上有规则的几何外形在不同方向上的微粒排列及物质结构情况不一样，在物理性质上表现为各向异性.多晶体内部物质微粒的排列没有一定规律因此宏观上没有规则的几何外形在多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，因此在物理性质上表现为各向同性.非晶体内部微粒的排列没有一定规律，在宏观上没有规则的几何外形在非晶体内部，物质微粒的排列是杂乱无章的，从统计观点来看，在不同方向上的微粒排列及物质结构基本相同，所以在物理性质上表现为各向同性.2.对同素异形体的解释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差别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，二者在物理性质上也有很大差别3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1下列哪些属于晶体的结合类型()A金属晶体B离子晶体C多晶体 D原子晶体E单晶体【解析】晶体的结合类型有：离子晶体、原子晶体和金属晶体，故选A、B、D.【答案】ABD2下列叙述中正确的是() 【导学号：30110022】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E非晶体没有规则几何形状，也没有确定的熔点【解析】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、E正确【答案】ABE3关于晶体和非晶体，以下说法中正确的是()A同种物质在不同的条件下可表现为晶体或非晶体B晶体内部物质微粒排列是有规则的，而非晶体内部物质微粒排列是不规则的C晶体内部的微粒是静止的，而非晶体内部的物质微粒在不停地运动着D在物质内部的各个层面上，微粒数相等的是晶体，微粒数不等的是非晶体E非晶体在不同直线上微粒的个数大致相等，所以在物理性质上表现为各向同性【解析】同种物质也可能以晶体或非晶体两种不同形式出现，所以A正确；晶体和非晶体在微观结构上的区别决定了它们在宏观性质上的不同，所以B正确；不管是晶体还是非晶体，组成物体的微粒永远在做热运动，所以C是错的；非晶体没有层面，也就谈不到什么层面的问题，即使是晶体各个层面的微粒数也不一定相等，所以D也是错的，E正确【答案】ABE1单晶体具有各向异性是因为沿不同方向微粒的排列及物质结构情况不同2晶体具有确定的熔点是因为晶体具有规则的排列结构3同一物质有几种不同的晶体是因为物质微粒排列的空间结构不同材 料 种 类 和 新 材 料 及 其 应 用1材料的分类(1)按材料特性分为：结构材料和功能材料(2)按应用领域分为：信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等(3)按习惯分为：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料2新材料(1)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(2)纳米是长度单位，1 nm109 m，颗粒在1100 nm的材料称为纳米材料(3)发生形变后几乎能100%恢复原状的材料称为形状记忆合金(4)微电子材料：半导体(5)力、热、声、光、磁等方面的某些性能会发生突变的纳米材料(6)材料、能源、信息被当今国际社会公认为现代文明的三大支柱1在极低的温度下，纯净的半导体仍能很好地导电()2在有光照射时，有的半导体可以导电()3掺入一定杂质后，半导体的导电性能一定会变差()随着纳米科技的发展，纳米商品开始进入市场，有的商家为了促销商品，打着纳米材料的幌子到处招摇撞骗，如在社会上出现了纳米“冰箱”、纳米“洗衣机”，甚至出现了纳米“电影”的笑话你了解什么是“纳米”吗？你知道纳米材料有哪些良好的性能吗？纳米涂料图221【提示】纳米是长度单位：1 nm109 m以碳纳米管为例，纳米材料有韧性高、导电性极强，并兼具金属和半导体的特性探讨：研究纳米材料等新材料有什么意义？【提示】材料是人类生存和发展的物质基础，是人类社会现代文明的重要支柱，材料的变化直接影响着社会的变化，材料是技术进步的关键要素之一能源、信息和材料被称为现代文明的三大支柱1新材料及其应用新材料主要包括新型金属材料、高分子合成材料、新型无机非金属材料、复合材料、光电子材料等(1)新型金属材料：有铝合金、镁合金、钛合金以及稀有金属，它们在导电、航空航天、原子能方面有广泛用途(2)高分子合成材料：有合成橡胶、塑料和化学纤维等它们在火箭、建筑、医疗、交通、服装、农业、国防上有广泛用途(3)新型无机非金属材料：有工业陶瓷、光导纤维、半导体材料它们在燃气机制造、磁流体发电机、通信、工业、科学研究等方面有广泛用途(4)复合材料：可分为结构复合材料和功能复合材料它们在航空航天、电子工业、生活用品、新能源技术、信息技术、海洋工程等方面有广泛用途(5)光电子材料：有光电子半导体材料、光纤、薄膜材料、液晶显示材料它们在光电子器件、光通信、光计算、激光技术等方面有广泛用途2纳米材料及其应用(1)纳米是长度单位：1 nm109 m.(2)纳米技术：在纳米尺度(1100 nm)上制造材料和器件的技术即重新排列原子而制造具有新分子结构的技术(3)纳米材料有纳米金属、纳米磁场材料、纳米陶瓷材料、有机无机纳米复合物、纳米传感材料、纳米医用材料等(4)纳米材料应用领域：能源、环保、通信、航空航天、医疗、日常生活等4下列认识正确的是 ()A纳米是一种尺寸很小的材料，是纳米材料的简称B纳米技术就是重新排列原子而制造具有新分子结构的技术C纳米是一个长度单位D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E纳米材料就是颗粒大小为1 nm的材料【解析】纳米是一个长度单位，故A错，C对；纳米技术是原子的重新排列，纳米材料的制造是在纳米技术的基础上，故B、D对；粒度在1100 nm间的材料均是纳米材料，E错【答案】BCD5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() 【导学号：30110023】A在力学性能方面，纳米材料具有高强、高硬和良好的可塑性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E纳米材料的活性极高，极不稳定，很容易与其他原子结合【解析】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【答案】ABE纳米材料特性1纳米尺度和原子直径的数量级很接近，因此纳米技术实际上就是重新排列原子而制造出具有新分子结构的技术2当材料小到纳米尺度时，其性能会发生突变，体现在以下几方面：(1)力学性能：高强、高硬和良好塑性(2)热学性能：熔点较低(3)电学性能：低温时会呈现电绝缘性(4)化学性能：具有相当高的化学活性学业分层测评(五)(建议用时：45分钟)学业达标1习惯上，人们把材料分为()A金属材料B无机非金属材料C生物材料 D有机高分子材料E纳米材料【解析】习惯上人们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，故A、B、D正确【答案】ABD2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组成晶体的微粒只能做微小的振动E晶体内部微粒间存在着很强的作用力【解析】在晶体的内部，组成晶体的物质微粒是有规则排列的，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、E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，而不能自由运动，C错误，D正确【答案】BDE3有关晶体的排列结构，下列说法正确的有()A同种元素原子按不同结构排列有相同的物理性质B同种元素原子按不同结构排列有不同的物理性质C同种元素形成晶体只能有一种排列规律D同种元素形成晶体可能有不同的排列规律E同种元素可能形成不同的晶体【解析】同种元素原子在不同情况下可能按不同的方式排列，并导致物理性质有明显的差异，故A、C错误，B、D、E正确【答案】BDE4关于纳米的认识，下列说法正确的是()A纳米是一种高科技材料，尺寸很小B1 nm109 mC纳米材料是对分子、原子重新进行排列而成的，具有很多特性D纳米材料活性很高E纳米材料的微观粒子，其运动速度与温度有关【解析】纳米是一个长度单位，1 nm109 m，俗语说：“纳米不是米，蓝牙不是牙”，它比一般的分子，原子要大，纳米材料是对分子、原子重新进行排列而得到的材料，具有很多特性纳米材料活性很高，对纳米材料，当温度低于临界值时，其微观粒子的运动速度与温度无关，E错综上所述，B、C、D正确【答案】BCD5下列说法中正确的是() 【导学号：30110024】A不锈钢具有很强的耐腐蚀性，广泛应用于制造餐具、外科手术器械及化工设备B有机高分子材料是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素的有机化合物构成的材料C复合材料则是由几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料 D玻璃钢不是复合材料E制造变速自行车用的碳纤维不是复合材料【解析】玻璃钢、碳纤维和陶瓷复合材料等都是新型的复合材料，D、E错，故选A、B、C.【答案】ABC6按照材料的应用领域，可把材料分为()A信息材料B金属材料C建筑材料 D航空航天材料E功能材料【解析】按照材料的应用领域，可以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，故选A、C、D.【答案】ACD7下列高分子材料中，属于天然高分子材料的是()A木材 B塑料C玻璃钢 D棉花E羊毛【解析】木材、棉花和羊毛属于天然高分子材料，而B、C不是，故选A、D、E.【答案】ADE8下列新型材料中，不能用作半导体材料的有()A高分子合成材料 B新型无机非金属材料C复合材料 D光电子材料E金属材料【解析】高分子合成材料有合成橡胶、塑料和化学纤维等；新型无机非金属材料有工业陶瓷、光导纤维、半导体材料；复合材料分为结构复合材料和功能复合材料；光电子材料有光电子半导体材料、光纤和薄膜材料、液晶显示材料等【答案】ACE能力提升9下列说法不正确的是()A石墨的硬度比金刚石差很多，是由于它的微粒没有按空间点阵分布B晶体的各向异性是由于它的微粒按空间点阵排列C晶体在熔化的过程中吸收热量，分子的平均动能一定是增大的D晶体内部各微粒之间存在着很弱的相互作用力，微粒可以自由移动E组成金刚石和石墨的物质微粒是相同的【解析】尽管石墨和金刚石的硬度差别很大，但都是晶体是由相同的物质微粒构成的，它们的微粒是按不同空间点阵分布的，故A错，E对；尽管晶体在熔化的过程中吸收了热量，但它的温度是不变的，因此分子的平均动能不变，故C错；晶体内部各微粒之间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做热振动，因此微粒是不能自由移动的，故D错，B对【答案】ACD10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组成晶体的物质微粒，在空间按一定的规律排成整齐的行列，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E单晶体的物质微粒排列没有规律性，故表现为各向异性【解析】晶体微粒构成的空间点阵是晶体有规则几何外形的原因，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晶体熔点的存在是由于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【答案】ABD11关于石墨和金刚石的区别，下面说法正确的是()A石墨和金刚石都是由同种物质微粒组成但空间结构不同的晶体B金刚石晶体结构紧密，所以质地坚硬，石墨晶体是层状结构，所以质地松软C石墨和金刚石是不同物质的微粒组成的不同的晶体D石墨导电，金刚石不导电是由于组成它们的化学元素不同E金刚石和石墨具有相同的化学性质【解析】石墨和金刚石都是由碳原子按照不同的排列规律构成的不同晶体，A对、C错；金刚石中的碳原子距离相等，有很强的相互作用，因此它结构紧密、质地坚硬，而石墨中的碳原子间距离不相等，形成层状结构，其原子间距离很大，作用力较弱，因此质地松软B对；石墨和金刚石都是由碳原子组成的，故它们的化学性质相同，D错、E对【答案】ABE12利用扫描隧道显微镜(STM)可以得到物质表面原子排列的图象(如图222所示)，从而可以研究物质的构成规律，下面的照片是一些晶体材料表面的STM图象，通过观察、比较，可以看到这些材料都是由原子在空间排列而构成的，具有一定的结构特征，则构成这些材料的原子在物质表面排列的共同特点是：图222(1)_；(2)_；(3)_【答案】(1)在确定方向上原子有规律地排列(2)在不同方向上原子的排列规律一般不同(3)原子排列具有一定对称性13如图223所示为食盐晶体结构示意图，食盐晶体是由钠离子(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58.5 g/mol，食盐的密度是2.2 g/cm3，阿伏伽德罗常数为6.01023 mol1，试估算食盐晶体中两个最近的钠离子中心间的距离. 【导学号：30110025】图223【解析】1 mol食盐中有NA个氯离子和NA个钠离子，离子总数为2NA，因为摩尔体积V与摩尔质量M和物质密度的关系为V，所以一个离子所占的体积为V0由题图可知V0就是图中每四个离子所夹的正方体的体积，此正方体的边长d而最近的两个钠离子中心间的距离rd1.41 m41010 m.【答案】41010 m