高中物理 第2章 固體 第2節(jié) 固體的微觀結(jié)構(gòu) 第3節(jié) 材料科技與人類文明教師用書 魯科版選修3-3

第2節(jié)固體的微觀結(jié)構(gòu)第3節(jié)材料科技與人類文明學(xué) 習(xí) 目 標(biāo)知 識 脈 絡(luò)1.了解對晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識過程，知道晶體微觀結(jié)構(gòu)的特點.2.知道晶體的結(jié)合類型和特點(重點)3.會用固體的微觀結(jié)構(gòu)解釋其宏觀性質(zhì)(重點、難點)4.了解材料科學(xué)技術(shù)的有關(guān)知識及應(yīng)用.固 體 的 微 觀 結(jié) 構(gòu)1晶體的結(jié)構(gòu)及結(jié)合類型(1)組成晶體的物質(zhì)微粒有規(guī)則地在空間排成陣列，呈現(xiàn)周而復(fù)始的有序結(jié)構(gòu)，說明晶體的微觀結(jié)構(gòu)具有周期性(2)晶體內(nèi)部各微粒之間存在著很強(qiáng)的相互作用力，微粒被約束在一定的平衡位置上(3)熱運(yùn)動時，組成晶體的物質(zhì)微粒只能在各自的平衡位置附近做微小振動(4)晶體的結(jié)合類型比較類型構(gòu)成微粒結(jié)合鍵舉例離子晶體正、負(fù)離子離子鍵NaCl、AgBr原子晶體原子共價鍵SiO2、金剛石金屬晶體物質(zhì)微粒金屬鍵銅、銀、鋁2.固體特征的微觀解釋(1)方法：在固體界面沿不同方向畫出等長直線(2)微觀解釋單晶體在不同直線上微粒的個數(shù)不相等，說明沿不同方向微粒的排列及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況不同，在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向異性非晶體在不同直線上微粒的個數(shù)大致相等，說明沿不同方向微粒排列及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況基本相同，在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性(3)同一種物質(zhì)在不同條件下形成不同的晶體，由于微觀結(jié)構(gòu)不同，物理性質(zhì)有很大差異1Cu是離子晶體()2晶體的分子(原子、離子)排列是有規(guī)則的()3非晶體在不同方向上的微粒排列及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況基本相同()4同一種物質(zhì)只能生成一種晶體()為什么多晶體表現(xiàn)為各向同性？【提示】多晶體是由許多雜亂無章地排列著的小晶體(晶粒)組成的每個晶粒都是一個小單晶體，具有各向異性但由于晶粒在多晶體里雜亂無章地排列著，所以它在不同方向的物理性質(zhì)是相同的，即各向同性探討1：單晶體為什么有規(guī)則的幾何外形？【提示】由于單晶體中的物質(zhì)微粒在空間是按一定規(guī)律排列的，微粒只在一定平衡位置做微小振動，所以晶體有規(guī)則的幾何外形探討2：多晶體為什么沒有規(guī)則的幾何外形？【提示】由于多晶體內(nèi)部的物質(zhì)微粒排列沒有一定的規(guī)律，是雜亂無章的1對外形及物理性質(zhì)表現(xiàn)各向異性還是各向同性的解釋單晶體多晶體非晶體外形規(guī)則不規(guī)則不規(guī)則物理性質(zhì)各向異性各向同性各向同性微觀解釋單晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒的排列有一定規(guī)律，因此宏觀上有規(guī)則的幾何外形在不同方向上的微粒排列及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況不一樣，在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向異性.多晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒的排列沒有一定規(guī)律因此宏觀上沒有規(guī)則的幾何外形在多晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒的排列是雜亂無章的，從統(tǒng)計的觀點來看，在不同方向上的微粒排列及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況基本相同，因此在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性.非晶體內(nèi)部微粒的排列沒有一定規(guī)律，在宏觀上沒有規(guī)則的幾何外形在非晶體內(nèi)部，物質(zhì)微粒的排列是雜亂無章的，從統(tǒng)計觀點來看，在不同方向上的微粒排列及物質(zhì)結(jié)構(gòu)基本相同，所以在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性.2.對同素異形體的解釋有的物質(zhì)有幾種晶體，是因為它們的物質(zhì)微粒能形成不同的晶體結(jié)構(gòu)例如碳原子按不同的結(jié)構(gòu)排列可形成石墨和金剛石，二者在物理性質(zhì)上有很大差別白磷和紅磷的化學(xué)成分相同，但白磷具有立方體結(jié)構(gòu)，而紅磷具有與石墨一樣的層狀結(jié)構(gòu)，二者在物理性質(zhì)上也有很大差別3對晶體具有一定熔點的解釋給晶體加熱到一定溫度時，一部分微粒有足夠的動能克服微粒間的作用力，離開平衡位置，使規(guī)則的排列被破壞晶體開始熔化，熔化時晶體吸收的熱量全部用來破壞規(guī)則的排列，溫度不發(fā)生變化1下列哪些屬于晶體的結(jié)合類型()A金屬晶體B離子晶體C多晶體 D原子晶體E單晶體【解析】晶體的結(jié)合類型有：離子晶體、原子晶體和金屬晶體，故選A、B、D.【答案】ABD2下列敘述中正確的是() 【導(dǎo)學(xué)號：30110022】A晶體的各向異性是由于它的微粒按空間點陣排列B單晶體具有規(guī)則的幾何外形是由于它的微粒按一定規(guī)律排列C非晶體有規(guī)則的幾何形狀和確定的熔點D石墨的硬度比金剛石的差很多，是由于它的微粒沒有按空間點陣分布E非晶體沒有規(guī)則幾何形狀，也沒有確定的熔點【解析】晶體內(nèi)部微粒排列的空間結(jié)構(gòu)決定著晶體的物理性質(zhì)是否相同；也正是由于它的微粒按一定規(guī)律排列，使單晶體具有規(guī)則的幾何形狀石墨與金剛石的硬度相差甚遠(yuǎn)是由于它們內(nèi)部微粒的排列結(jié)構(gòu)不同，石墨的層狀結(jié)構(gòu)決定了它的質(zhì)地柔軟，而金剛石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)決定了其中碳原子間的作用力很強(qiáng)，所以金剛石有很大的硬度，故A、B、E正確【答案】ABE3關(guān)于晶體和非晶體，以下說法中正確的是()A同種物質(zhì)在不同的條件下可表現(xiàn)為晶體或非晶體B晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒排列是有規(guī)則的，而非晶體內(nèi)部物質(zhì)微粒排列是不規(guī)則的C晶體內(nèi)部的微粒是靜止的，而非晶體內(nèi)部的物質(zhì)微粒在不停地運(yùn)動著D在物質(zhì)內(nèi)部的各個層面上，微粒數(shù)相等的是晶體，微粒數(shù)不等的是非晶體E非晶體在不同直線上微粒的個數(shù)大致相等，所以在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為各向同性【解析】同種物質(zhì)也可能以晶體或非晶體兩種不同形式出現(xiàn)，所以A正確；晶體和非晶體在微觀結(jié)構(gòu)上的區(qū)別決定了它們在宏觀性質(zhì)上的不同，所以B正確；不管是晶體還是非晶體，組成物體的微粒永遠(yuǎn)在做熱運(yùn)動，所以C是錯的；非晶體沒有層面，也就談不到什么層面的問題，即使是晶體各個層面的微粒數(shù)也不一定相等，所以D也是錯的，E正確【答案】ABE1單晶體具有各向異性是因為沿不同方向微粒的排列及物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況不同2晶體具有確定的熔點是因為晶體具有規(guī)則的排列結(jié)構(gòu)3同一物質(zhì)有幾種不同的晶體是因為物質(zhì)微粒排列的空間結(jié)構(gòu)不同材 料 種 類 和 新 材 料 及 其 應(yīng) 用1材料的分類(1)按材料特性分為：結(jié)構(gòu)材料和功能材料(2)按應(yīng)用領(lǐng)域分為：信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等(3)按習(xí)慣分為：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料2新材料(1)材料科學(xué)是研究材料的制造、結(jié)構(gòu)與性能三者之間相互關(guān)系的科學(xué)(2)納米是長度單位，1 nm109 m，顆粒在1100 nm的材料稱為納米材料(3)發(fā)生形變后幾乎能100%恢復(fù)原狀的材料稱為形狀記憶合金(4)微電子材料：半導(dǎo)體(5)力、熱、聲、光、磁等方面的某些性能會發(fā)生突變的納米材料(6)材料、能源、信息被當(dāng)今國際社會公認(rèn)為現(xiàn)代文明的三大支柱1在極低的溫度下，純凈的半導(dǎo)體仍能很好地導(dǎo)電()2在有光照射時，有的半導(dǎo)體可以導(dǎo)電()3摻入一定雜質(zhì)后，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能一定會變差()隨著納米科技的發(fā)展，納米商品開始進(jìn)入市場，有的商家為了促銷商品，打著納米材料的幌子到處招搖撞騙，如在社會上出現(xiàn)了納米“冰箱”、納米“洗衣機(jī)”，甚至出現(xiàn)了納米“電影”的笑話你了解什么是“納米”嗎？你知道納米材料有哪些良好的性能嗎？納米涂料圖221【提示】納米是長度單位：1 nm109 m以碳納米管為例，納米材料有韌性高、導(dǎo)電性極強(qiáng)，并兼具金屬和半導(dǎo)體的特性探討：研究納米材料等新材料有什么意義？【提示】材料是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類社會現(xiàn)代文明的重要支柱，材料的變化直接影響著社會的變化，材料是技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵要素之一能源、信息和材料被稱為現(xiàn)代文明的三大支柱1新材料及其應(yīng)用新材料主要包括新型金屬材料、高分子合成材料、新型無機(jī)非金屬材料、復(fù)合材料、光電子材料等(1)新型金屬材料：有鋁合金、鎂合金、鈦合金以及稀有金屬，它們在導(dǎo)電、航空航天、原子能方面有廣泛用途(2)高分子合成材料：有合成橡膠、塑料和化學(xué)纖維等它們在火箭、建筑、醫(yī)療、交通、服裝、農(nóng)業(yè)、國防上有廣泛用途(3)新型無機(jī)非金屬材料：有工業(yè)陶瓷、光導(dǎo)纖維、半導(dǎo)體材料它們在燃?xì)鈾C(jī)制造、磁流體發(fā)電機(jī)、通信、工業(yè)、科學(xué)研究等方面有廣泛用途(4)復(fù)合材料：可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料它們在航空航天、電子工業(yè)、生活用品、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、海洋工程等方面有廣泛用途(5)光電子材料：有光電子半導(dǎo)體材料、光纖、薄膜材料、液晶顯示材料它們在光電子器件、光通信、光計算、激光技術(shù)等方面有廣泛用途2納米材料及其應(yīng)用(1)納米是長度單位：1 nm109 m.(2)納米技術(shù)：在納米尺度(1100 nm)上制造材料和器件的技術(shù)即重新排列原子而制造具有新分子結(jié)構(gòu)的技術(shù)(3)納米材料有納米金屬、納米磁場材料、納米陶瓷材料、有機(jī)無機(jī)納米復(fù)合物、納米傳感材料、納米醫(yī)用材料等(4)納米材料應(yīng)用領(lǐng)域：能源、環(huán)保、通信、航空航天、醫(yī)療、日常生活等4下列認(rèn)識正確的是 ()A納米是一種尺寸很小的材料，是納米材料的簡稱B納米技術(shù)就是重新排列原子而制造具有新分子結(jié)構(gòu)的技術(shù)C納米是一個長度單位D納米材料的奇特效應(yīng)使納米材料表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)材料的良好性能E納米材料就是顆粒大小為1 nm的材料【解析】納米是一個長度單位，故A錯，C對；納米技術(shù)是原子的重新排列，納米材料的制造是在納米技術(shù)的基礎(chǔ)上，故B、D對；粒度在1100 nm間的材料均是納米材料，E錯【答案】BCD5納米材料的奇特效應(yīng)使納米材料表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)材料的良好性能，以下關(guān)于納米材料的性能的說法中，正確的是() 【導(dǎo)學(xué)號：30110023】A在力學(xué)性能方面，納米材料具有高強(qiáng)、高硬和良好的可塑性B在熱學(xué)性能方面，納米超細(xì)微粒的熔點比常規(guī)粉體低得多C在電學(xué)性能方面，納米金屬在低溫時會呈現(xiàn)超導(dǎo)電性D在化學(xué)性能方面，納米材料化學(xué)活性低，因此化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)E納米材料的活性極高，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合【解析】在電學(xué)性能方面，納米材料在低溫時會呈現(xiàn)電絕緣性；而在化學(xué)性能方面，納米材料具有相當(dāng)高的化學(xué)活性，故選項C、D錯誤【答案】ABE納米材料特性1納米尺度和原子直徑的數(shù)量級很接近，因此納米技術(shù)實際上就是重新排列原子而制造出具有新分子結(jié)構(gòu)的技術(shù)2當(dāng)材料小到納米尺度時，其性能會發(fā)生突變，體現(xiàn)在以下幾方面：(1)力學(xué)性能：高強(qiáng)、高硬和良好塑性(2)熱學(xué)性能：熔點較低(3)電學(xué)性能：低溫時會呈現(xiàn)電絕緣性(4)化學(xué)性能：具有相當(dāng)高的化學(xué)活性學(xué)業(yè)分層測評(五)(建議用時：45分鐘)學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)1習(xí)慣上，人們把材料分為()A金屬材料B無機(jī)非金屬材料C生物材料 D有機(jī)高分子材料E納米材料【解析】習(xí)慣上人們把材料分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料，故A、B、D正確【答案】ABD2下列有關(guān)晶體的結(jié)構(gòu)敘述正確的是()A在晶體內(nèi)部，組成晶體的物質(zhì)微粒是無規(guī)則排列的B晶體的微觀結(jié)構(gòu)具有周期性C在晶體內(nèi)部，組成晶體的物質(zhì)微?？梢宰杂蛇\(yùn)動D組成晶體的微粒只能做微小的振動E晶體內(nèi)部微粒間存在著很強(qiáng)的作用力【解析】在晶體的內(nèi)部，組成晶體的物質(zhì)微粒是有規(guī)則排列的，A錯誤；晶體的微觀結(jié)構(gòu)具有周期性，且微粒間存在著很強(qiáng)的作用力，B、E正確；在晶體內(nèi)部，組成晶體的物質(zhì)微粒只能在各自的平衡位置附近做微小振動，而不能自由運(yùn)動，C錯誤，D正確【答案】BDE3有關(guān)晶體的排列結(jié)構(gòu)，下列說法正確的有()A同種元素原子按不同結(jié)構(gòu)排列有相同的物理性質(zhì)B同種元素原子按不同結(jié)構(gòu)排列有不同的物理性質(zhì)C同種元素形成晶體只能有一種排列規(guī)律D同種元素形成晶體可能有不同的排列規(guī)律E同種元素可能形成不同的晶體【解析】同種元素原子在不同情況下可能按不同的方式排列，并導(dǎo)致物理性質(zhì)有明顯的差異，故A、C錯誤，B、D、E正確【答案】BDE4關(guān)于納米的認(rèn)識，下列說法正確的是()A納米是一種高科技材料，尺寸很小B1 nm109 mC納米材料是對分子、原子重新進(jìn)行排列而成的，具有很多特性D納米材料活性很高E納米材料的微觀粒子，其運(yùn)動速度與溫度有關(guān)【解析】納米是一個長度單位，1 nm109 m，俗語說：“納米不是米，藍(lán)牙不是牙”，它比一般的分子，原子要大，納米材料是對分子、原子重新進(jìn)行排列而得到的材料，具有很多特性納米材料活性很高，對納米材料，當(dāng)溫度低于臨界值時，其微觀粒子的運(yùn)動速度與溫度無關(guān)，E錯綜上所述，B、C、D正確【答案】BCD5下列說法中正確的是() 【導(dǎo)學(xué)號：30110024】A不銹鋼具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于制造餐具、外科手術(shù)器械及化工設(shè)備B有機(jī)高分子材料是由碳、氫、氧、氮、硅、硫等元素的有機(jī)化合物構(gòu)成的材料C復(fù)合材料則是由幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料 D玻璃鋼不是復(fù)合材料E制造變速自行車用的碳纖維不是復(fù)合材料【解析】玻璃鋼、碳纖維和陶瓷復(fù)合材料等都是新型的復(fù)合材料，D、E錯，故選A、B、C.【答案】ABC6按照材料的應(yīng)用領(lǐng)域，可把材料分為()A信息材料B金屬材料C建筑材料 D航空航天材料E功能材料【解析】按照材料的應(yīng)用領(lǐng)域，可以把材料分為信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等，故選A、C、D.【答案】ACD7下列高分子材料中，屬于天然高分子材料的是()A木材 B塑料C玻璃鋼 D棉花E羊毛【解析】木材、棉花和羊毛屬于天然高分子材料，而B、C不是，故選A、D、E.【答案】ADE8下列新型材料中，不能用作半導(dǎo)體材料的有()A高分子合成材料 B新型無機(jī)非金屬材料C復(fù)合材料 D光電子材料E金屬材料【解析】高分子合成材料有合成橡膠、塑料和化學(xué)纖維等；新型無機(jī)非金屬材料有工業(yè)陶瓷、光導(dǎo)纖維、半導(dǎo)體材料；復(fù)合材料分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料；光電子材料有光電子半導(dǎo)體材料、光纖和薄膜材料、液晶顯示材料等【答案】ACE能力提升9下列說法不正確的是()A石墨的硬度比金剛石差很多，是由于它的微粒沒有按空間點陣分布B晶體的各向異性是由于它的微粒按空間點陣排列C晶體在熔化的過程中吸收熱量，分子的平均動能一定是增大的D晶體內(nèi)部各微粒之間存在著很弱的相互作用力，微?？梢宰杂梢苿覧組成金剛石和石墨的物質(zhì)微粒是相同的【解析】盡管石墨和金剛石的硬度差別很大，但都是晶體是由相同的物質(zhì)微粒構(gòu)成的，它們的微粒是按不同空間點陣分布的，故A錯，E對；盡管晶體在熔化的過程中吸收了熱量，但它的溫度是不變的，因此分子的平均動能不變，故C錯；晶體內(nèi)部各微粒之間存在著很強(qiáng)的相互作用力，將微粒約束在一定的平衡位置上做熱振動，因此微粒是不能自由移動的，故D錯，B對【答案】ACD10單晶體不同于非晶體，它具有規(guī)則的幾何外形，在不同方向上物理性質(zhì)不同，而且具有一定的熔點，下列哪些說法可以用來解釋晶體的上述特性()A組成晶體的物質(zhì)微粒，在空間按一定的規(guī)律排成整齊的行列，構(gòu)成特定的空間點陣B晶體在不同方向上物理性質(zhì)不同，是由于不同方向上微粒數(shù)目不同，微粒間距離也不相同C晶體在不同方向上物理性質(zhì)不同，是由于不同方向上的物質(zhì)微粒的性質(zhì)不同D晶體在熔化時吸收熱量，全部用來瓦解晶體的空間點陣，轉(zhuǎn)化為分子勢能，因此，晶體在熔化過程中保持一定的溫度不變只有空間點陣完全被瓦解，晶體完全變?yōu)橐后w后，繼續(xù)加熱，溫度才會升高E單晶體的物質(zhì)微粒排列沒有規(guī)律性，故表現(xiàn)為各向異性【解析】晶體微粒構(gòu)成的空間點陣是晶體有規(guī)則幾何外形的原因，晶體在物理性質(zhì)上的各向異性是由于空間點陣中不同方向的微粒數(shù)目不同，微粒間距離也不相同晶體熔點的存在是由于在熔化時要吸收熱量用來瓦解空間點陣，增加分子勢能熔化過程中分子的熱運(yùn)動的平均動能不變，即溫度不變，只有當(dāng)晶體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w后溫度才會繼續(xù)升高，分子熱運(yùn)動的平均動能才會增加【答案】ABD11關(guān)于石墨和金剛石的區(qū)別，下面說法正確的是()A石墨和金剛石都是由同種物質(zhì)微粒組成但空間結(jié)構(gòu)不同的晶體B金剛石晶體結(jié)構(gòu)緊密，所以質(zhì)地堅硬，石墨晶體是層狀結(jié)構(gòu)，所以質(zhì)地松軟C石墨和金剛石是不同物質(zhì)的微粒組成的不同的晶體D石墨導(dǎo)電，金剛石不導(dǎo)電是由于組成它們的化學(xué)元素不同E金剛石和石墨具有相同的化學(xué)性質(zhì)【解析】石墨和金剛石都是由碳原子按照不同的排列規(guī)律構(gòu)成的不同晶體，A對、C錯；金剛石中的碳原子距離相等，有很強(qiáng)的相互作用，因此它結(jié)構(gòu)緊密、質(zhì)地堅硬，而石墨中的碳原子間距離不相等，形成層狀結(jié)構(gòu)，其原子間距離很大，作用力較弱，因此質(zhì)地松軟B對；石墨和金剛石都是由碳原子組成的，故它們的化學(xué)性質(zhì)相同，D錯、E對【答案】ABE12利用掃描隧道顯微鏡(STM)可以得到物質(zhì)表面原子排列的圖象(如圖222所示)，從而可以研究物質(zhì)的構(gòu)成規(guī)律，下面的照片是一些晶體材料表面的STM圖象，通過觀察、比較，可以看到這些材料都是由原子在空間排列而構(gòu)成的，具有一定的結(jié)構(gòu)特征，則構(gòu)成這些材料的原子在物質(zhì)表面排列的共同特點是：圖222(1)_；(2)_；(3)_【答案】(1)在確定方向上原子有規(guī)律地排列(2)在不同方向上原子的排列規(guī)律一般不同(3)原子排列具有一定對稱性13如圖223所示為食鹽晶體結(jié)構(gòu)示意圖，食鹽晶體是由鈉離子(圖中)和氯離子(圖中)組成的，這兩種離子在空間中三個互相垂直的方向上，都是等距離地交錯排列的已知食鹽的摩爾質(zhì)量是58.5 g/mol，食鹽的密度是2.2 g/cm3，阿伏伽德羅常數(shù)為6.01023 mol1，試估算食鹽晶體中兩個最近的鈉離子中心間的距離. 【導(dǎo)學(xué)號：30110025】圖223【解析】1 mol食鹽中有NA個氯離子和NA個鈉離子，離子總數(shù)為2NA，因為摩爾體積V與摩爾質(zhì)量M和物質(zhì)密度的關(guān)系為V，所以一個離子所占的體積為V0由題圖可知V0就是圖中每四個離子所夾的正方體的體積，此正方體的邊長d而最近的兩個鈉離子中心間的距離rd1.41 m41010 m.【答案】41010 m