高中科學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)教學(xué)建議華東師范大學(xué)出版社

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1、2.物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) ? 教材結(jié)構(gòu) ? 編寫意圖 ? 教學(xué)目標(biāo) ? 課時(shí)分配建議 ? 教材分析和教學(xué)要求（核心內(nèi)容、教學(xué)建議、教學(xué)參考） ? 教學(xué)評(píng)價(jià) Ⅰ.教材結(jié)構(gòu) Ⅱ.編寫意圖 一、物質(zhì)的重要性： 1.人類生存——吃、穿、住、用、行，那一樣都離不開(kāi)物質(zhì)。 2.社會(huì)發(fā)展——農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)藥，無(wú)不以物質(zhì)為基礎(chǔ)。 3.科技進(jìn)步——現(xiàn)代科技的三大支柱：材料、信息與能源均以物質(zhì)為支撐。 物質(zhì)科學(xué)的內(nèi)容非常豐富，為什么選“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”這一內(nèi)容？人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)，始于對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的了解與物質(zhì)用途的發(fā)現(xiàn)，隨著人們對(duì)于物質(zhì)性質(zhì)的深入了解，必然思考為什么不同的物質(zhì)具有不同

2、的性質(zhì)？這不僅為了滿足人們的好奇心，也是為了更好地利用物質(zhì)。因此，隨著物質(zhì)科學(xué)的深入研究，必然會(huì)探究物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律?？梢?jiàn)，研究物質(zhì)的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律是物質(zhì)科學(xué)中最基本、最重要的內(nèi)容之一。也是物質(zhì)科學(xué)中研究的永恒課題。 隨著科學(xué)技術(shù)與人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于物質(zhì)的需求，無(wú)論是質(zhì)還是量，將會(huì)越來(lái)越高。這種社會(huì)需求不僅有力地推動(dòng)了物質(zhì)科學(xué)的研究，而且也會(huì)對(duì)一個(gè)普通公民對(duì)于相關(guān)知識(shí)的了解與把握提出越來(lái)越高的要求。因此，我們不僅需要學(xué)習(xí)具體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，而且需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升觀念，以形成相應(yīng)的科學(xué)意識(shí)。 物質(zhì)、能量與信息是科學(xué)的三個(gè)最基本的統(tǒng)一概

3、念。本專題在分科學(xué)習(xí)物質(zhì)知識(shí)的基礎(chǔ)上，希望從以下四個(gè)方面，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及彼此之間的關(guān)系。 1.萬(wàn)千世界，不同的物質(zhì)具有各不相同的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。物理性質(zhì)是大量原子或分子聚集成某個(gè)狀態(tài)時(shí)才表現(xiàn)的宏觀性質(zhì)。不僅與化學(xué)鍵有關(guān)，還與分子間作用力有關(guān)。而化學(xué)性質(zhì)主要與化學(xué)鍵有關(guān)。 2.物質(zhì)的結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)異。首先表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)層次的差異。其次，每一個(gè)層次的結(jié)構(gòu)也是豐富多樣的。層次之間彼此關(guān)聯(lián)。 3.結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)，這是自然科學(xué)的基本規(guī)律之一。本專題通過(guò)幾個(gè)典型實(shí)例（氫原子、水、蛋白質(zhì)分子、細(xì)胞與器官）的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的分析，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的辯證統(tǒng)一關(guān)系。在解釋物質(zhì)性質(zhì)

4、時(shí)，常常涉及到多個(gè)結(jié)構(gòu)層次。對(duì)于生物體來(lái)說(shuō)，生命活動(dòng)中需要某些功能，會(huì)對(duì)生物體的結(jié)構(gòu)提出要求?？梢?jiàn)結(jié)構(gòu)與功能之間的辯證關(guān)系。 4.研究和了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，就能根據(jù)性質(zhì)和功能的需求，人工合成或設(shè)計(jì)制造自然界中不易獲得的物質(zhì)（包括生物大分子）和器件。 本專題首先討論物質(zhì)的性質(zhì)（物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)）和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)（原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)），然后以氫原子、水、蛋白質(zhì)分子、細(xì)胞與器官的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)為實(shí)例，重點(diǎn)闡述結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律。最后討論結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)規(guī)律的應(yīng)用。 Ⅲ.教學(xué)目標(biāo)： 一、知識(shí)、技能： 1.物質(zhì)的性質(zhì) ⑴知道物理性質(zhì)是宏觀性質(zhì)。能舉實(shí)例說(shuō)明物質(zhì)的物理性質(zhì)差異很大。知

5、道影響物理性質(zhì)的結(jié)構(gòu)因素，既與原子或分子的結(jié)構(gòu)（化學(xué)鍵）有關(guān)，又與分子間作用力有關(guān)（不要求解釋）。 ⑵知道化學(xué)性質(zhì)是在化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)表現(xiàn)的各種反應(yīng)活性。能舉實(shí)例說(shuō)明不同的物質(zhì)具有不同的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)。同一種物質(zhì)在不同的條件下表現(xiàn)不同的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)（不要求解釋）。知道化學(xué)性質(zhì)與原子或分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)（不要求解釋）。知道探究化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律是化學(xué)研究的核心任務(wù)之一。 ⑶知道任何物質(zhì)對(duì)于人類來(lái)說(shuō)都有兩面性。人們?cè)诶梦镔|(zhì)時(shí)，應(yīng)趨利避害、合理利用。 2.物質(zhì)的結(jié)構(gòu) ⑴了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)是有層次的，層次之間相互關(guān)聯(lián)。 ⑵知道不同元素的原子由于核電荷數(shù)不同，核外電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

6、不同，因而具有不同的性質(zhì)。 ⑶知道物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)是指其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)。 ⑷知道晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中自然形成規(guī)則的多面體外形。知道晶體的基本單位是晶胞，晶胞是彼此并置的平行六面體。知道實(shí)際晶體中原子或離子難免占錯(cuò)位置或被雜質(zhì)取代。缺陷相對(duì)于規(guī)則而言，因而也是物質(zhì)三態(tài)中晶態(tài)所特有的現(xiàn)象。 ⑸了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)定經(jīng)歷了從用純化學(xué)方法推測(cè)結(jié)構(gòu)，到用物理方法直接測(cè)定結(jié)構(gòu)的過(guò)程。 3.通過(guò)實(shí)例理解結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律 ⑴根據(jù)周期表中氫元素的位置理解氫的多種存在形式。 ⑵根據(jù)單個(gè)水分子的結(jié)構(gòu)與大量水分子之間的相互作用——?dú)滏I，解釋水的反常性質(zhì)。 ⑶了解組成蛋白質(zhì)的氨基酸或肽鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，蛋

7、白質(zhì)的性質(zhì)就會(huì)改變。 ⑷了解水稻和玉米莖的結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致它們對(duì)于生長(zhǎng)環(huán)境（水）的適應(yīng)性不同。了解生物體的結(jié)構(gòu)是在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中與其功能相適應(yīng)而形成的。 4.結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的應(yīng)用 ⑴了解根據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，可人工合成具有天然物質(zhì)性能的物質(zhì)，也可對(duì)天然物質(zhì)的分子進(jìn)行修飾和改造，甚至合成自然界中本不存在的物質(zhì)。 ⑵了解根據(jù)性質(zhì)和功能的需求，人工合成或設(shè)計(jì)制造自然界中不易獲得的器件，如人造臟器。 二、過(guò)程、方法 通過(guò)閱讀、思考、分析、討論，養(yǎng)成思考的習(xí)慣，提升觀念，發(fā)展思維能力，提高思維水平。例如，在分科學(xué)習(xí)中我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了三種典型的化學(xué)鍵（離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵），著重分析它們的區(qū)別。

8、本專題著重分析它們之間的內(nèi)在聯(lián)系。說(shuō)明原子間的結(jié)合力僅少數(shù)純粹屬于這三種鍵型之一，多數(shù)偏離這三種極端的鍵型。 三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀 1.從結(jié)構(gòu)和性質(zhì)內(nèi)在聯(lián)系的角度進(jìn)一步領(lǐng)悟并樹立正確的物質(zhì)觀： ⑴物質(zhì)的性質(zhì)豐富多樣，千差萬(wàn)別，人們研究物質(zhì)是為了充分而合理地利用物質(zhì)； ⑵物質(zhì)的結(jié)構(gòu)雖然十分復(fù)雜，但是可以準(zhǔn)確測(cè)定； ⑶結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的規(guī)律是自然科學(xué)的基本規(guī)律之一，研究結(jié)構(gòu)和性質(zhì)內(nèi)在聯(lián)系是為了合成自然界中已經(jīng)有的甚至本不存在的新物質(zhì)和器件（如人造臟器）。 2.基于物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)的復(fù)雜性，很多現(xiàn)象還說(shuō)不清楚，由此領(lǐng)悟任何理論或假設(shè)都有不確定性，有待于深入地探究。 3.學(xué)習(xí)全面地、辨

9、證地看待問(wèn)題，例如少量的缺陷會(huì)影響晶體的強(qiáng)度以及光、電、磁、聲、熱等物理性質(zhì)與反應(yīng)性能。人為地制造各種缺陷，可使晶體具有某些優(yōu)異的性能。 Ⅳ.課時(shí)分配建議 建議一 內(nèi)容 課時(shí) 2.1物質(zhì)的性質(zhì) 1 2.2物質(zhì)的結(jié)構(gòu) 1 2.3氫原子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 1 2.4水的結(jié)構(gòu)與水的反常性質(zhì) 1 2.5蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與活性 2.6細(xì)胞、器官的結(jié)構(gòu)與功能 1 2.7結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的應(yīng)用 1 討論 1 總計(jì) 7 建議二 內(nèi)容 課時(shí) 2.1物質(zhì)的性質(zhì) 1 2.2物質(zhì)的結(jié)構(gòu) 1 2.3氫原子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 2.4水的結(jié)構(gòu)與水的反常性質(zhì) 2.5蛋

10、白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與活性 2.6細(xì)胞、器官的結(jié)構(gòu)與功能 （任選兩節(jié)內(nèi)容） 3 2.7結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的應(yīng)用 1 討論 1 總計(jì) 7 Ⅴ.教材分析和教學(xué)要求 2.1物質(zhì)的性質(zhì) 一、核心內(nèi)容 中學(xué)生在初三第一堂化學(xué)課就學(xué)習(xí)什么是物理性質(zhì)？什么是化學(xué)性質(zhì)？知道性質(zhì)與變化相關(guān)聯(lián)，物質(zhì)不需要發(fā)生化學(xué)變化就表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)稱為物理性質(zhì)，在化學(xué)變化中表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)稱為化學(xué)性質(zhì)。以后在分科學(xué)習(xí)中又學(xué)習(xí)了很多具體物質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。人們之所以重視物質(zhì)性質(zhì)的研究和學(xué)習(xí)，正是為了充分而合理地利用物質(zhì)。本專題的第一個(gè)核心概念也是物質(zhì)的性質(zhì)，與分科相比，我們不再具體地學(xué)習(xí)一些物質(zhì)的物理

11、性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，而是提升對(duì)于物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。 1.關(guān)于物理性質(zhì)，要使學(xué)生知道： ⑴單個(gè)原子或分子沒(méi)有密度、顏色、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、硬度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等性質(zhì)。只有大量原子或分子聚集成某個(gè)狀態(tài)時(shí)，物質(zhì)才表現(xiàn)宏觀的物理性質(zhì)。 ⑵以兩個(gè)實(shí)例：鎢是熔點(diǎn)最高的金屬，而汞則是熔點(diǎn)最低的金屬，鎢和汞竟處于同一個(gè)周期；Au和Hg的原子序數(shù)僅差1，但單質(zhì)金和汞的性質(zhì)卻有顯著的差異。說(shuō)明物質(zhì)的物理性質(zhì)差異很大。 ⑶物理性質(zhì)不僅與化學(xué)鍵有關(guān)，還與分子間作用力有關(guān)。這個(gè)結(jié)論通過(guò)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的幾個(gè)實(shí)例的學(xué)習(xí)，啟發(fā)學(xué)生歸納得到。同時(shí)告訴學(xué)生第六周期從Cs到Hg熔點(diǎn)的變化是有規(guī)律的，有志學(xué)習(xí)化學(xué)科學(xué)的，學(xué)習(xí)《結(jié)

12、構(gòu)化學(xué)》后就會(huì)明白。 2.關(guān)于化學(xué)性質(zhì)，要使學(xué)生知道： ⑴化學(xué)性質(zhì)是在化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)表現(xiàn)的各種反應(yīng)活性。 ⑵能舉實(shí)例說(shuō)明不同的物質(zhì)具有不同的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)。同一種物質(zhì)在不同的條件下表現(xiàn)不同的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)（例如乙醇在不同的溫度下脫水得到不同的產(chǎn)物）。啟發(fā)學(xué)生歸納得到化學(xué)性質(zhì)的多樣性以及化學(xué)反應(yīng)對(duì)于反應(yīng)條件非常敏感的結(jié)論（不要求解釋）。 ⑶從整體上認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律： ①知道研究一個(gè)化學(xué)反應(yīng)需要回答：在給定條件下，反應(yīng)能否發(fā)生?如能發(fā)生，將進(jìn)行到什么程度？反應(yīng)進(jìn)行的速率和機(jī)理如何? ②知道自然界中有很多在沒(méi)有外力作用或人為干預(yù)的情況下便能自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程。這

13、種過(guò)程具有不可逆性，可用來(lái)做功，并且具有一定的限度。 ③知道反應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行的可能性大不等于反應(yīng)速率大。 ④知道要使化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行成為現(xiàn)實(shí)，離不開(kāi)催化劑的使用。催化劑具有選擇性。 ⑤理解化學(xué)反應(yīng)是化學(xué)科學(xué)研究的中心問(wèn)題之一。利用化學(xué)反應(yīng)能夠認(rèn)識(shí)物質(zhì)、利用物質(zhì)、分離物質(zhì)和合成物質(zhì)?？茖W(xué)家不但能夠利用化學(xué)反應(yīng)大量制備各種自然界已有的物質(zhì)，而且能夠根據(jù)人類的需要?jiǎng)?chuàng)造出自然界本不存在的物質(zhì)。 ⑷通過(guò)2.2物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及2.3，2.4，2.5，2.6結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的幾個(gè)實(shí)例的學(xué)習(xí)，啟發(fā)學(xué)生歸納得到化學(xué)性質(zhì)與原子或分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)的結(jié)論（不要求解釋）。 3.通過(guò)一氧化氮性質(zhì)的閱讀，讓學(xué)生知道任何物質(zhì)對(duì)于

14、人類來(lái)說(shuō)都有二面性。人們?cè)诶梦镔|(zhì)時(shí)，應(yīng)趨利避害、合理利用。 二、教學(xué)建議 以學(xué)生熟悉的物質(zhì)為例說(shuō)明研究物質(zhì)性質(zhì)的重要性，引入新課。并組織學(xué)生討論： 1.舉例說(shuō)明不同的物質(zhì)具有各不相同的性質(zhì)，思考為什么具有不同的性質(zhì)？ 2.舉例說(shuō)明人們是如何利用物質(zhì)性質(zhì)的？ 通過(guò)思考與討論，激發(fā)學(xué)生探究物質(zhì)性質(zhì)的興趣與愿望。 三、教學(xué)參考資料 1.重視物質(zhì)性質(zhì)的研究和學(xué)習(xí)是為了充分而合理地利用物質(zhì) 一個(gè)實(shí)例：金剛石的性質(zhì)和合理利用 金剛石是學(xué)生熟悉的一種物質(zhì)。知道鉆石價(jià)值連城，金剛石可做各種刀具與鉆頭。其實(shí)這兩大用途只用了金剛石的兩種性質(zhì)。①優(yōu)異的光學(xué)性能：金剛石對(duì)光的透明度好，高折射率（2

15、.40～2.48），使琢磨后的金剛石能多側(cè)面地反射光而顯得格外耀眼。高色散性（色散系數(shù)0.063）使鉆石有光彩，這是白光被鉆石色散成單色光所致。②特別硬、不易磨損的特性。金剛石是目前已知自然界中最硬的物質(zhì)，其相對(duì)硬度（莫氏硬度）為10，絕對(duì)硬度是石英的1000倍，是剛玉的150倍。 實(shí)際上金剛石遠(yuǎn)不止這兩種性質(zhì)。例如，金剛石的電子從基態(tài)激發(fā)到能量最低的激發(fā)態(tài)，需要能量5.4eV，遠(yuǎn)大于可見(jiàn)光的能量(1.7-3.1eV)。因此純凈的金剛石是無(wú)色的，且為絕緣體。如在金剛石中摻氮，能量從原來(lái)的5.4eV降到2.2eV左右，就呈現(xiàn)顏色了。如加百萬(wàn)分子一的硼，則為藍(lán)色，藍(lán)色金剛石有導(dǎo)電性(空穴導(dǎo)電)。

16、金剛石不僅是優(yōu)良的半導(dǎo)體，而且?guī)缀跞魏螝怏w雜質(zhì)都難于進(jìn)入金剛石的結(jié)構(gòu)中去，這使金剛石的性質(zhì)特別穩(wěn)定。 金剛石在室溫下的導(dǎo)熱性比銅高五倍，用金剛石制成的大功率半導(dǎo)體元件，可加大其荷載的電流。而硅半導(dǎo)體由于導(dǎo)熱問(wèn)題解決不了，不能加大其荷載的電流。 金剛石可透過(guò)從紅外到γ射線所有波長(zhǎng)的輻射，因而可作為廣譜的光學(xué)透鏡與傳遞信息的光導(dǎo)材料。 值得注意的是所用這些應(yīng)用最好都做成薄膜。金剛石薄膜曾被評(píng)為明星分子?？梢?jiàn)深入地研究物質(zhì)的性質(zhì)，可充分而合理地利用物質(zhì)。 2.物理性質(zhì)是多樣的 所有的金屬都呈固態(tài)，唯獨(dú)汞卻呈液態(tài)。鎢是熔點(diǎn)最高的金屬，而汞則是熔點(diǎn)最低的金屬，鎢和汞竟處于同一個(gè)周期。常溫常壓下

17、水呈液態(tài)，而相對(duì)分子質(zhì)量相近的甲烷卻呈氣態(tài)。當(dāng)把一些單質(zhì)或化合物按周期表中元素所在的位置列出它們的性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的性質(zhì)有漸變或突變的現(xiàn)象（見(jiàn)下表）。 ⅣA族單質(zhì)的性質(zhì) 單質(zhì) C（金剛石） Si Ge Sn（灰） Pb 電導(dǎo)S.m-1 10-12 910-4 2.2 106 5106 禁帶寬度eV 5.48 1.17 0.74 0.08 0 稀有氣體的沸點(diǎn) 稀有氣體 He Ne Ar Kr Xe Rn 沸點(diǎn)℃ -269 -246 -186 -152 -107 -62 鹵素的熔點(diǎn)和沸點(diǎn) 鹵素 F2 Cl2 Br

18、2 I2 熔點(diǎn)℃ -223 -102.4 -7.3 113.6 沸點(diǎn)℃ -187.9 -34 58.0 184.5 ⅥA族氫化物的沸點(diǎn) 氫化物 H2O H2S H2Se H2Te 沸點(diǎn)℃ 100.0 -60.7 -41.5 -2.2 第三周期氟化物的熔點(diǎn) 氟化物 NaF MgF2 AlF3 SiF4 PF5 SF6 熔點(diǎn)℃ 993 1261 1291 -90 -87 -50.5 3.影響物理性質(zhì)的結(jié)構(gòu)因素：（僅以熔、沸點(diǎn)為例分析） ①稀有氣體的沸點(diǎn) 稀有氣體是單原子分子，是典型的非極性分子，主要靠瞬間的

19、靜電引力即色散力聚集在一起，色散力隨著原子半徑的增大而增大，因而沸點(diǎn)逐漸升高。同理可以解釋鹵素的熔、沸點(diǎn)的變化規(guī)律。 ②ⅥA族氫化物的沸點(diǎn) H2O、H2S、H2Se、H2Te是四種同族的氫化物，假設(shè)分子間作用力相似，則其性質(zhì)應(yīng)呈漸變規(guī)律。按H2Te、H2Se、H2S的沸點(diǎn)外推，水的沸點(diǎn)應(yīng)為-100℃，但是實(shí)際上為100℃（1989年國(guó)際度量衡委員會(huì)發(fā)出正式通知，從1990年1月1日起水的沸點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下被修正為99.975℃），差值高達(dá)200℃。這是因?yàn)樗写嬖跉滏I，而另外三種氫化物分子間不存在氫鍵。 同理可以解釋常溫常壓下水呈液態(tài)，而相對(duì)分子質(zhì)量相近的甲烷卻呈氣態(tài)。 ③第三周期氟化

20、物熔點(diǎn)的漸變和突變現(xiàn)象。 氟化物 NaF MgF2 AlF3 熔點(diǎn)℃ 993 1261 1291 電負(fù)性差?χ 3.32 2.90 2.58 鍵型 離子鍵 離子鍵 離子鍵 陽(yáng)離子的價(jià)態(tài) +1 +2 +3 陽(yáng)離子的半徑pm 102 72 53.5 氟化物 SiF4 PF5 SF6 熔點(diǎn)℃ -90 -87 -50.5 電負(fù)性差?χ 2.27 1.94 1.60 鍵型 共價(jià)鍵 共價(jià)鍵 共價(jià)鍵 NaF：?χ大，Na+與F-之間形成離子鍵。每個(gè)Na+周圍有6個(gè)F-，每個(gè)F-周圍有6個(gè)Na+，形成無(wú)限的晶體結(jié)構(gòu)，陰陽(yáng)離子

21、間相互作用力強(qiáng)，所以熔點(diǎn)較高。NaF、MgF2、AlF3三種離子化合物隨著陽(yáng)離子的價(jià)態(tài)逐漸升高，半徑逐漸變小，陰陽(yáng)離子之間的作用力逐漸增大，因而熔點(diǎn)逐漸升高。 SiF4：?χ小，Si與F間形成共價(jià)鍵。每個(gè)Si原子與4個(gè)F原子形成4個(gè)Si–F共價(jià)鍵，而每個(gè)F原子只與1個(gè)Si原子成鍵，形成SiF4分子。分子間為微弱的范德華力，所以熔點(diǎn)很低。SiF4、PF5、SF6三種共價(jià)化合物隨著相對(duì)分子質(zhì)量逐漸增大，分子間作用力逐漸增強(qiáng)，因而熔點(diǎn)逐漸升高。 AlF3與SiF4的鍵型從離子鍵變成共價(jià)鍵，因此熔點(diǎn)發(fā)生突變。 ④第六周期從Cs到Hg熔點(diǎn)的變化 第六周期從Cs到Hg的電子組態(tài)是5d1-106s1

22、-2，由于相對(duì)論效應(yīng)，6s軌道收縮，能級(jí)降低，與5d軌道一起組成6個(gè)價(jià)軌道。這6個(gè)價(jià)軌道與周圍配位的相同金屬原子的價(jià)軌道相互重疊成鍵。不論周圍金屬原子的配位形式如何，平均而言，每個(gè)原子形成3個(gè)成鍵軌道和3個(gè)反鍵軌道。電子按能量高低依次填在這些軌道上。如簡(jiǎn)單地考慮每個(gè)原子的軌道填充情況，當(dāng)價(jià)電子數(shù)少于6個(gè)時(shí)，電子逐個(gè)填入成鍵軌道，成鍵軌道上電子數(shù)越多，成鍵作用越強(qiáng)，熔點(diǎn)越高。W的電子組態(tài)是5d46s2，6個(gè)價(jià)電子全部填在成鍵軌道上，成鍵作用最強(qiáng)，熔點(diǎn)最高。價(jià)電子數(shù)多于6個(gè)時(shí)，電子開(kāi)始填在反鍵軌道上，抵消了部分的成鍵作用。反鍵軌道上電子數(shù)越多，成鍵作用越弱，熔點(diǎn)越低，Hg的電子組態(tài)是5d106s2

23、，6個(gè)價(jià)電子填在成鍵軌道上，6個(gè)價(jià)電子填在反鍵軌道上，原子間沒(méi)有凈的成鍵效應(yīng)，與稀有氣體相似，汞系單原子分子。又因汞的相對(duì)原子質(zhì)量較大，色散力較大，因此汞在常溫下呈液態(tài)而不是氣態(tài)。 可見(jiàn)，影響物理性質(zhì)的結(jié)構(gòu)因素，既與分子的結(jié)構(gòu)（化學(xué)鍵的性質(zhì)）有關(guān)，又與分子間作用力、氫鍵有關(guān)?；瘜W(xué)鍵的性質(zhì)又與原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。 4.化學(xué)性質(zhì) ⑴在化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)表現(xiàn)的各種反應(yīng)活性，如可燃性、酸性、堿性、氧化性、還原性等。不同的物質(zhì)具有不同的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)。稀有氣體很難與其他元素化合，而氟則幾乎和所有的元素化合。同一種物質(zhì)在不同的條件下也會(huì)表現(xiàn)不同的化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)行不同的化學(xué)反應(yīng)。如學(xué)生熟悉的一個(gè)實(shí)例

24、是乙醇在不同溫度下脫水，產(chǎn)物不同。 ⑵化學(xué)性質(zhì)是分子或原子（離子）所具有的性質(zhì)。主要與分子內(nèi)（或晶體內(nèi)）原子間（或離子間）結(jié)合力相關(guān)?？捎没瘜W(xué)反應(yīng)方程式準(zhǔn)確地表示分子或原子（離子）在化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)的變化與量的守恒。 ⑶化學(xué)反應(yīng)的類型繁多，對(duì)反應(yīng)條件極為敏感。 ⑷認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)規(guī)律是化學(xué)研究的核心任務(wù)之一。研究化學(xué)反應(yīng)需要回答： ①在給定條件下，反應(yīng)能否發(fā)生？ ②如能發(fā)生，將進(jìn)行到什么程度？伴隨著怎樣的能量變化？ ③反應(yīng)進(jìn)行的速率和機(jī)理如何？反應(yīng)所需要的時(shí)間——反應(yīng)進(jìn)行的速率？ ④反應(yīng)怎樣發(fā)生——反應(yīng)機(jī)理？ 前二個(gè)問(wèn)題屬于化學(xué)熱力學(xué)的研究范疇，后兩個(gè)問(wèn)題屬于化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究范疇。

25、 自然界中有很多自發(fā)進(jìn)行的變化。例如：山上的水會(huì)自動(dòng)流向山下，但山下的水卻不能自動(dòng)地往山上流；一杯煮沸的水能自動(dòng)地將熱量傳遞給空氣，但是一杯冷水不能自動(dòng)地從空氣中吸熱變成一杯開(kāi)水；鋅塊投入硫酸銅溶液會(huì)自動(dòng)生成銅和硫酸鋅，相反的化學(xué)變化卻不會(huì)自動(dòng)發(fā)生。水位差、溫度差、電勢(shì)差是推動(dòng)上述過(guò)程自發(fā)進(jìn)行的動(dòng)力。 自發(fā)過(guò)程的共同特點(diǎn)是： a.自發(fā)過(guò)程具有不可逆性。 b.自發(fā)過(guò)程可用來(lái)做功。 c.自發(fā)過(guò)程的進(jìn)行具有一定的限度。 如何判斷過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行呢？對(duì)于一個(gè)與外界環(huán)境沒(méi)有物質(zhì)與能量交換的孤立體系來(lái)說(shuō)，自發(fā)過(guò)程總是向著混亂度增大的方向進(jìn)行，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，混亂度達(dá)到極大，自發(fā)過(guò)程便停止進(jìn)行。相

26、反的過(guò)程即混亂度減小的過(guò)程是不可能自發(fā)進(jìn)行的。就如一盒積木從高處落地時(shí)，原來(lái)整齊排列的有序狀態(tài)一定會(huì)變成凌亂的無(wú)序狀態(tài)；房間整理好不久又會(huì)變得凌亂；物質(zhì)呈混合物是自發(fā)的，物質(zhì)提純則是不自發(fā)的。體系的混亂度或無(wú)序性，可用熱力學(xué)函數(shù)熵S來(lái)表示。注意熵增大結(jié)論的適用范圍是孤立體系。對(duì)于包括人在內(nèi)的生物體，太陽(yáng)在內(nèi)的天體，在其存在期內(nèi)可長(zhǎng)期維持有序結(jié)構(gòu)，不但不趨于簡(jiǎn)單與混亂，相反朝著愈來(lái)愈復(fù)雜和有序的方向演化與發(fā)展，這似乎與熵增大相悖，其實(shí)不然，因?yàn)檫@些系統(tǒng)是與外界有物質(zhì)與能量交換的開(kāi)放系統(tǒng)。 在處理實(shí)際問(wèn)題時(shí)，近似作為孤立體系的情況并不多見(jiàn)。考慮到化學(xué)反應(yīng)常在等溫等壓只做體積功的條件下進(jìn)行，可用描

27、寫熱力學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)參量吉布斯自由能的變化?Gθ小于零作為反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)。 反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的趨勢(shì)大不等于反應(yīng)速率大?；瘜W(xué)熱力學(xué)能夠預(yù)言某一化學(xué)反應(yīng)能否進(jìn)行，進(jìn)行到什么程度，但不能告訴我們反應(yīng)速率的大小。 要使一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行成為現(xiàn)實(shí)，就不能不研究化學(xué)反應(yīng)的速率。在化工生產(chǎn)、科學(xué)研究與日常生活中，經(jīng)常遇到各種類型的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)有的反應(yīng)如化工生產(chǎn)中我們希望反應(yīng)快些，以提高產(chǎn)率；對(duì)有的反應(yīng)如鐵的生銹、藥物的失效、橡膠或塑料的老化、染料的褪色、人的衰老等反應(yīng)，則希望進(jìn)行得慢些。以減少損失。 實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵是提高反應(yīng)速率。改變化學(xué)反應(yīng)速率的物質(zhì)是催化劑。人類使用催化劑已有久遠(yuǎn)的歷史。古代

28、人類的祖先就知道用粬釀酒制醋，粬 是一種酶催化劑。 20世紀(jì)初期，化學(xué)家用催化劑制造了使氫氣與空氣中穩(wěn)定的氮?dú)夥磻?yīng)生成氨的奇跡。正是由于合成氨對(duì)農(nóng)作物的增產(chǎn)作用，揭開(kāi)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的序幕，使有限的土地得以養(yǎng)活不斷增長(zhǎng)的人口。 今天，在我們的身邊，化學(xué)合成品比比皆是，穿的化學(xué)纖維，用的塑料制品，服用的藥物，各種各樣的材料都是由煤、石油、天然氣提供的化工原料經(jīng)催化劑作用而制得的。 面對(duì)環(huán)境危機(jī)的挑戰(zhàn)，科學(xué)家們正在探索各種解決辦法，其中采用催化技術(shù)整治環(huán)境污染是一條有效的途徑。例如開(kāi)發(fā)運(yùn)用高效催化劑的脫硫脫氮技術(shù)，減少SO2和NOx的排放，以消除酸雨的發(fā)生。在汽車尾氣排氣口安裝催化處理器，將有毒的

29、NO與CO轉(zhuǎn)化成無(wú)毒的N2與CO2。 催化劑只能催化加速或抑制在給定條件下能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，不能催化加速或抑制在給定條件下不能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)；工業(yè)上利用催化劑的選擇性來(lái)抑制副反應(yīng)的進(jìn)行，如教材中列舉的乙烯與氧的反應(yīng)。 酶是一類能加速生化反應(yīng)的催化劑。酶有水解酶、氧化還原酶、裂解酶、合成酶、異構(gòu)化酶、轉(zhuǎn)移酶等六大類，每一類都可分成幾個(gè)亞類和亞亞類，它們都是由幾百個(gè)氨基酸相連而成的蛋白質(zhì)類化合物。酶催化的特點(diǎn)是： ①高效性。普通的催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)加速一般是104～105倍，而酶催化劑對(duì)反應(yīng)加速109～1010倍是常有的事情。加速1010倍意味著什么呢？如用5秒鐘能說(shuō)完的一句話，沒(méi)有酶的作用，

30、則需1500年才能說(shuō)完。正是酶的這種巨大的效應(yīng)才能使生命過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。 ②專一性。普通催化劑往往對(duì)同一類型的反應(yīng)都有催化作用，而酶只選擇某種反應(yīng)物（常稱為底物），催化某個(gè)反應(yīng)并獲得特定的產(chǎn)物。例如尿素酶在溶液中稀釋到一千萬(wàn)分之一，仍能催化尿素水解，但不能催化尿素的取代物。胃蛋白酶能催化肽甘氨酰-L-谷氨酰-L-酪氨酸水解，但不能催化手性不同或結(jié)構(gòu)稍有差別的肽的水解。這是因?yàn)槊复呋谝徊绞堑孜锱c酶結(jié)合形成一種配合物，這就要求底物與酶的幾何結(jié)構(gòu)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。過(guò)去人們常用鎖和鑰匙的關(guān)系來(lái)描述兩者的構(gòu)型匹配，現(xiàn)在看來(lái)這個(gè)比喻不太合適。酶尤如一個(gè)口袋，袋口張開(kāi)，以便底物進(jìn)去，底物進(jìn)入口袋后，口袋會(huì)

31、圍繞著底物調(diào)正形狀，并且收口，使兩者的幾何構(gòu)型完全合適，便于相互作用。待催化反應(yīng)后，酶口袋打開(kāi)，讓產(chǎn)物離去，并接受另一個(gè)底物進(jìn)入。 ③反應(yīng)條件溫和。酶催化反應(yīng)不像一般催化劑需要高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等苛刻條件，酶催化在常溫、常壓下就可進(jìn)行。例如H2O2分解為H2O和O2所需活化能是75.3kJmol－1，用膠態(tài)鉑作催化劑，活化能降為49kJmol－1，當(dāng)用過(guò)氧化氫酶催化時(shí)，活化能僅需8kJmol－1，分解效率可提高109倍！ ④多樣性。目前已發(fā)現(xiàn)酶有2500多種，且有2萬(wàn)多種具有催化活性的微生物，幾乎可以催化所有的化學(xué)反應(yīng)。 為什么有的反應(yīng)進(jìn)行得很快，有的反應(yīng)進(jìn)行得很慢？化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是

32、原有化學(xué)鍵的破壞與新的化學(xué)鍵的形成，因此，反應(yīng)速率首先取決于反應(yīng)物與生成物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，同時(shí)受到反應(yīng)進(jìn)行時(shí)所處條件的影響，其中主要是反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度與有無(wú)催化劑等。 早在1918年路易斯（M.C.M.Lewis）就提出反應(yīng)速率的碰撞理論，認(rèn)為反應(yīng)物活化分子間的有效碰撞是化學(xué)反應(yīng)的先決條件。碰撞理論直觀明了，但對(duì)分子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的反應(yīng)常常不如人意。 20世紀(jì)30年代艾林（H.Eyring）提出化學(xué)反應(yīng)速度的過(guò)渡態(tài)理論。該理論認(rèn)為兩個(gè)具有足夠能量的反應(yīng)物分子相互接近時(shí)，能量重新分配，先形成活化絡(luò)合物的過(guò)渡態(tài)，然后轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物分子。 化學(xué)反應(yīng)是怎樣發(fā)生的？回答這個(gè)化學(xué)學(xué)科中最為基本的問(wèn)題是很

33、困難的。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)是很復(fù)雜的，從初始的反應(yīng)物到最終形成的產(chǎn)物歷經(jīng)很多步驟，每個(gè)單獨(dú)的步驟稱為基元反應(yīng)?；磻?yīng)是一步完成的反應(yīng)。人們通常研究的體系是由大量分子組成的，所觀察到的化學(xué)現(xiàn)象是大量分子的統(tǒng)計(jì)行為。用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的溶液，哪怕只有1～2滴，其中包含的分子數(shù)至少在億萬(wàn)個(gè)以上。譬如1滴（0.05ml）濃度為310-3molL-1的酚酞指示劑含有310-30.0510-36.0231023≈1017個(gè)酚酞分子。有人預(yù)計(jì)2050年全球人口可能達(dá)到100億，這與1滴酚酞溶液中所含的分子數(shù)相比，則要少1千萬(wàn)倍。分子之間的頻繁碰撞必然會(huì)改變分子的能量，因此，對(duì)于大量分子間的化學(xué)反應(yīng)難以測(cè)量初始反應(yīng)物與

34、初始產(chǎn)物的能量分布。為了搞清反應(yīng)的細(xì)節(jié)，獲取有關(guān)分子始態(tài)——過(guò)渡態(tài)——終態(tài)的全部信息，尤其是關(guān)于化學(xué)鍵斷裂與重組的直接信息。需要從分子水平上研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。需要觀察、追蹤單個(gè)分子間的反應(yīng)。 1986年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就是授予在分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)的化學(xué)家：美國(guó)哈佛大學(xué)的赫希巴哈（R.Herschbach）、加利福尼亞大學(xué)的李遠(yuǎn)哲和加拿大多倫多大學(xué)的波拉尼（J.C.Polanyi）。赫希巴哈被譽(yù)為用交叉分子束來(lái)研究分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的先驅(qū)。李遠(yuǎn)哲的貢獻(xiàn)是發(fā)展了赫希巴哈用交叉分子束來(lái)裝置研究分子動(dòng)力學(xué)的思想，創(chuàng)造了新一代的最先進(jìn)的交叉分子束裝置。運(yùn)用交叉分子束技術(shù)能在單次碰撞條件下研究單個(gè)

35、分子間的化學(xué)反應(yīng)，避免一般化學(xué)反應(yīng)必然發(fā)生的產(chǎn)物分子與周圍分子由于碰撞而發(fā)生的能量傳遞，因而可以準(zhǔn)確地檢測(cè)初生態(tài)產(chǎn)物的角度分布，由此可以知道分子的排列取向及中間體壽命等信息。 1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予具有埃及和美國(guó)雙重國(guó)籍的科學(xué)家艾哈邁德澤維爾(Ahmed H.Zewail)，表彰他對(duì)“飛秒化學(xué)”進(jìn)行的15年的開(kāi)創(chuàng)性工作。化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是原有化學(xué)鍵的打破與新化學(xué)鍵的形成?；瘜W(xué)反應(yīng)中過(guò)渡態(tài)的壽命極短，一般約為10～100飛秒（fs），1fs=10－15s，如把1飛秒當(dāng)作1秒，那末1秒就相當(dāng)于三千二百萬(wàn)年。要捕捉過(guò)渡態(tài)的形象，必須有飛秒分辨率的攝像機(jī)。澤維爾用飛秒激光脈沖研究化學(xué)反應(yīng)的作用機(jī)制

36、。使活化、過(guò)渡態(tài)等詞匯得以呈現(xiàn)清晰的圖像。運(yùn)用這種最快的“像機(jī)”，可以識(shí)別特定原子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生深刻的改變。 ⑸“化學(xué)反應(yīng)”是化學(xué)研究的中心問(wèn)題之一。通過(guò)化學(xué)反應(yīng)能夠認(rèn)識(shí)物質(zhì)，分離物質(zhì)，合成物質(zhì)。合成化學(xué)是化學(xué)家利用化學(xué)反應(yīng)改造世界、保護(hù)世界的有力手段。化學(xué)家能在一個(gè)老的自然界旁創(chuàng)立一個(gè)新的自然界。一百年來(lái)單質(zhì)和化合物數(shù)目的增長(zhǎng)：2000年2650萬(wàn)種是1900年55萬(wàn)種的48倍。 3.物質(zhì)性質(zhì)的兩面性 王佛松院士等主編的《展望21世紀(jì)的化學(xué)》一書中提出了一個(gè)極為重要的觀點(diǎn)：任何物質(zhì)和能量以至于生物，對(duì)于人類來(lái)說(shuō)都有兩面性。這就是說(shuō)任何物質(zhì)都有對(duì)人類有益、有用的一面，又

37、有對(duì)人類有害或者有毒的一面。 ⑴物質(zhì)性質(zhì)的兩面性與物質(zhì)存在的形式、所處的條件或場(chǎng)合、物質(zhì)的量有關(guān)。 ⑵實(shí)例 ①一氧化氮的兩面性 在大氣環(huán)境中，一氧化氮對(duì)人體有害，進(jìn)入人體刺激呼吸器官，侵入肺部，與細(xì)胞液中水分子結(jié)合成亞硝酸和硝酸后產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激與腐蝕作用，引起肺水腫。 在人體內(nèi)，少量的一氧化氮具有重要的生理功能： ⅰ)NO由精氨酸產(chǎn)生，由血管內(nèi)壁的細(xì)胞釋放出來(lái)，可促使附近的肌肉細(xì)胞放松，降低血壓。亞硝酸戊酯和硝化甘油釋放NO，放松收縮的血管，增加心臟的血液和氧供應(yīng)，起到歇制心絞痛的發(fā)作。 ⅱ)保護(hù)人體，殺滅人體不需要的小噬細(xì)胞。 ⅲ)是重要的信使。 ②氧的兩面性 地球上除厭

38、氧生物外，所有的動(dòng)植物和需氧生物都離不開(kāi)氧氣。糧食、水與空氣，是人類賴以生存的三個(gè)基本要素。如果三者同時(shí)斷絕供應(yīng)，那么引起死亡的原因首先是斷絕空氣?？茖W(xué)家做過(guò)統(tǒng)計(jì)，人不吃飯可以維持5個(gè)星期；不渴水可以維持5天；但是如果不呼吸只能維持5分鐘。在正常情況下，一個(gè)人每分鐘要吸入約500毫升空氣，一天1萬(wàn)升。如果登山到了3000米以上的高度，當(dāng)氧含量低于18%時(shí)，人就會(huì)頭痛，醫(yī)學(xué)上叫做缺氧。 氧氣對(duì)于人的生存如此重要，那么，能否說(shuō)氧氣對(duì)于人類只有利而無(wú)一害呢？不是的！高濃度氧會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生傷害，引起氧中毒，人如在一個(gè)大氣壓的純氧中6個(gè)小時(shí)，就會(huì)引起胸痛、咳嗽和喉痛，導(dǎo)致無(wú)法修復(fù)的肺泡損傷、水腫、肺內(nèi)皮

39、細(xì)胞死亡等損傷。早產(chǎn)兒超長(zhǎng)時(shí)間過(guò)度吸氧，將導(dǎo)致視網(wǎng)膜病變，進(jìn)而雙目失明。 其實(shí)，即使在正常濃度，也有1%的氧分子通過(guò)接受未成對(duì)電子依次轉(zhuǎn)變成O2.-、HOOH與OH等活性氧。其中O2.-、OH為氧自由基。氧自由基可引起細(xì)胞損傷，細(xì)胞核中核酸鏈斷裂，會(huì)導(dǎo)致衰老和疾病發(fā)生，如白內(nèi)障、腫瘤、心血管病、血液病、炎癥及各種退行性病變，嚴(yán)重時(shí)甚至危及生物的生命。氧自由基也不是一無(wú)是處，白血球殺滅病菌就是靠氧自由基。 氧化還原反應(yīng)是最普遍的、最重要的一類化學(xué)反應(yīng)。燃燒、冶金、電池充放電、電解、金屬防護(hù)以及生命體中的許多生命活動(dòng)，都涉及氧化還原反應(yīng)。然而氧化也會(huì)引起塑料、橡膠的老化、金屬的腐蝕、食品和糧食

40、的氧化變質(zhì)、衰老和疾病發(fā)生等。 2.2物質(zhì)的結(jié)構(gòu) 一、核心內(nèi)容 物質(zhì)結(jié)構(gòu)和生命起源、宇宙起源等一些有關(guān)自然界本原的問(wèn)題，自有人類以來(lái)就不斷有哲人、學(xué)者在思考、追問(wèn)。人們之所以重視物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究和學(xué)習(xí)，是為了從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)物質(zhì)，并能指導(dǎo)合成。在化學(xué)課中己經(jīng)學(xué)習(xí)了原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)如識(shí)，學(xué)習(xí)了一些具體物質(zhì)特別是有機(jī)物的結(jié)構(gòu)，還初步學(xué)習(xí)用化學(xué)方法推測(cè)有機(jī)物的結(jié)構(gòu)。在生命科學(xué)課中學(xué)習(xí)了細(xì)胞、器官的結(jié)構(gòu)。本專題在此基礎(chǔ)上重在提升觀念。 1.知道物質(zhì)結(jié)構(gòu)是有層次的，層次之間是相關(guān)聯(lián)的。 2.在分科學(xué)習(xí)中學(xué)生己經(jīng)學(xué)習(xí)了原子由原子核與核外電子組成，核外電子有一定的排布規(guī)律。本節(jié)要求

41、是：知道(而不是理解)“不同元素的原子由于核電荷數(shù)不同，核外電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同，因而具有不同性質(zhì)”的規(guī)律。 3.物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)是指其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)。 ⑴明確什么是分子的電子結(jié)構(gòu)？在分科學(xué)習(xí)中已經(jīng)學(xué)習(xí)了三種典型的化學(xué)鍵（離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵），著重分析它們的區(qū)別以及鍵型與性質(zhì)的關(guān)系。本專題著重分析它們之間的內(nèi)在聯(lián)系。說(shuō)明原子間的結(jié)合力僅少數(shù)純粹屬于這三種鍵型之一，多數(shù)偏離這三種極端的鍵型。不同的分子由于具有不同的化學(xué)組成與不同的鍵合方式，因而具有不同的結(jié)構(gòu)與各自的特性。 ⑵明確什么是分子的幾何結(jié)構(gòu)？學(xué)生已經(jīng)知道分子中原子有一定的排列順序，知道一些化合物的鍵長(zhǎng)、鍵角。本專題進(jìn)一步

42、明確分子中原子的排列順序、彼此之間的距離與方位用鍵長(zhǎng)、鍵角、二面角等結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)表示，并以兩種乳酸分子對(duì)映異構(gòu)體為例，說(shuō)明分子的形狀與物質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)。 4.在分科學(xué)習(xí)中已經(jīng)學(xué)習(xí)了晶體具有整齊規(guī)則的幾何外形和固定的熔點(diǎn)。本專題進(jìn)一步明確： ⑴晶體規(guī)則的多面體外形是在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中自然形成的，它與非晶體（如玻璃）加工成規(guī)則外形不同。 ⑵知道晶體的基本單位是晶胞，晶胞是彼此并置的平行六面體。 ⑶知道實(shí)際晶體中原子或離子難免占錯(cuò)位置或被雜質(zhì)取代。缺陷相對(duì)于規(guī)則而言，因而也是物質(zhì)三態(tài)中晶態(tài)所特有的現(xiàn)象。人們重視和研究缺陷，不僅為了避免由于缺陷而導(dǎo)致晶體某些優(yōu)良性質(zhì)的嚴(yán)重下降，更重要的是人為地制

43、造各種缺陷，可使晶體具有某些優(yōu)異的性能。 5.在分科學(xué)習(xí)中以乙醇為例學(xué)習(xí)如何用化學(xué)方法推測(cè)結(jié)構(gòu)，并且做了不少有關(guān)的練習(xí)。本專題讓學(xué)生了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)定經(jīng)歷了從用純化學(xué)方法推測(cè)結(jié)構(gòu)，到用物理方法直接測(cè)定結(jié)構(gòu)的過(guò)程。并以質(zhì)譜、核磁共振、X射線衍射等方法為例，說(shuō)明用物理方法測(cè)定結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。 二、教學(xué)建議 本專題可組織學(xué)生思考與討論：人們對(duì)于原子從一個(gè)抽象的模型到一個(gè)實(shí)實(shí)在在的客體的認(rèn)識(shí)過(guò)程，從中得到哪些啟示。 三、教學(xué)參考資料 1.物質(zhì)結(jié)構(gòu)是個(gè)大概念： ⑴物質(zhì)結(jié)構(gòu)是分層次的 20世紀(jì)自然科學(xué)的飛速發(fā)展，使人們對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)推向極致。對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)，從原子、分子層次深入到夸克、輕子

44、等層次，即深入到10-19m的極小空間；對(duì)宏觀世界的認(rèn)識(shí)，從長(zhǎng)期以來(lái)一直局限于地球上的物體和太陽(yáng)系，擴(kuò)展到星系和宇宙，達(dá)到1026m（1010光年）以上的大尺度范圍。 ⑵靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu) 當(dāng)物質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)不隨時(shí)間而變化，稱之為靜態(tài)結(jié)構(gòu)。如果我們研究物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，即分子如何從一種微觀狀態(tài)經(jīng)過(guò)某個(gè)途徑變成另一種微觀狀態(tài)，則需研究反應(yīng)物分子如何由于相互作用，使其從一種靜態(tài)結(jié)構(gòu)變成另一種靜態(tài)結(jié)構(gòu)。在其過(guò)程中產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)、過(guò)渡態(tài)、中間產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)稱之為動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。顯然，研究動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)是以靜態(tài)結(jié)構(gòu)的研究成果為基礎(chǔ)的。 ⑶表面相結(jié)構(gòu)和體相結(jié)構(gòu) 以碳為載體的對(duì)苯二甲酸加氫精制催化

45、劑，化學(xué)分析Pd含量在0.05%左右，Na、Ca含量在0.2%左右，表面分析Pd峰很強(qiáng)，而Na、Ca卻檢測(cè)不到。可見(jiàn)，表面相結(jié)構(gòu)和體相結(jié)構(gòu)有著很大的差別。吸附、反應(yīng)都在表面相進(jìn)行，因此研究表面相結(jié)構(gòu)非常重要。 2.原子結(jié)構(gòu) ⑴對(duì)原子的認(rèn)識(shí) 原子是物質(zhì)科學(xué)中最基本、最重要的概念之一。原子很小，正因?yàn)樵涌床灰?jiàn)、摸不著，因此，研究原子要比研究宏觀物體困難得多。從認(rèn)為原子不可分，不同的原子僅是大小、形狀和位置移動(dòng)等量的差別，到原子可分，原子由原子核與核外電子構(gòu)成，原子的性質(zhì)取決于原子核中的質(zhì)子數(shù)與核外電子的運(yùn)動(dòng)狀況；從研究最簡(jiǎn)單的氫原子，建立氫原子模型，到精確計(jì)算氫原子中的電子能級(jí)，并且推廣到

46、復(fù)雜的多電子原子，解釋和預(yù)測(cè)原子和分子的某些性質(zhì)；從猜想中的原子到1982年發(fā)明掃描隧道顯微鏡（STM）真實(shí)地“看到”與搬動(dòng)原子。原子不再僅僅是一個(gè)抽象的模型，而且還是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的客體。 ⑵原子由原子核與核外電子組成，這早已成為常識(shí)。與宏觀粒子不同，電子等微觀粒子具有波動(dòng)性。1926年奧地利的物理學(xué)家薛定諤（E.Schrodinger）等人建立了量子力學(xué)。求解氫原子的定態(tài)薛定諤方程自然引出三個(gè)量子數(shù)n,l,m,得出它們的取值范圍及其相互關(guān)系，并由三個(gè)量子數(shù)規(guī)定了一系列在三維空間的可能的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即原子軌道。電子除了在核外空間運(yùn)動(dòng)外，本身還作自旋運(yùn)動(dòng)。 除氫原子核外僅一個(gè)電子，其余的原子都

47、是多電子原子。多電子原子中每個(gè)電子也是作兩種運(yùn)動(dòng)：空間運(yùn)動(dòng)（也稱軌道運(yùn)動(dòng)）與自旋運(yùn)動(dòng)，也是用四個(gè)量子級(jí)n、l、m、ms來(lái)描述。多電子原子中核外電子的排布遵循以下三個(gè)原理： ①保里原理：在每一個(gè)原子軌道中，只能容納兩個(gè)電子，并且自旋必須相反（即自旋反平行）。因此一個(gè)s軌道中最多容納2個(gè)電子，三個(gè)p軌道中最多容納6個(gè)電子。 ②能量最低原理。在不違背保里原理的前提下，電子優(yōu)先占據(jù)能量較低的原子軌道，使整個(gè)原子體系處于能量最低的狀態(tài)，這樣的狀態(tài)稱為原子的基態(tài)。 ③洪特規(guī)則：在角量子數(shù)l相同、磁量子數(shù)m不同的簡(jiǎn)并軌道上，電子盡可能分占軌道并且自旋平行。 碳（C）原子核外有6個(gè)電子，電子排布為1s

48、22s22p2，這種用量子數(shù)n和l表示的電子排布方式稱為電子構(gòu)型或電子組態(tài)。周期表中每一族的元素具有相似的價(jià)電子結(jié)構(gòu)，因而具有相似的化學(xué)性質(zhì)。族數(shù)可用國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)IUPAC推薦的阿拉伯?dāng)?shù)字表示，也可用現(xiàn)在依然流行的羅馬數(shù)字表示。根據(jù)價(jià)電子排布的特征，18個(gè)族分成5個(gè)區(qū)。 元素的分區(qū) 元素的分區(qū) 分布范圍 價(jià)電子組態(tài) 說(shuō)明 s 1～2族 (ⅠA～ⅡA) ns1→2 ns1 H與堿金屬 ns2 堿土金屬 族數(shù)等于價(jià)電子數(shù) p 13～18族 （ⅢA～ⅧA＊） ns2np1→6 周期表中類型最為豐富的區(qū)域，有金屬元素，非金屬元素，稀有氣體元素，且在硼鋁、硅

49、鍺、砷銻、碲釙之間形成非金屬和金屬的分界線。在分界線附近有多種可以作為半導(dǎo)體材料的元素。 具有多價(jià)態(tài)性 族數(shù)等于價(jià)電子數(shù)加10 d 3～10族 （ⅢB～ⅧB＊＊） (n-1)d1→9ns1→2 過(guò)渡金屬元素 d軌道參與成鍵，具有價(jià)態(tài)的多樣性 族數(shù)等于價(jià)電子數(shù) ds 11～12族 （ⅠB～ⅡB） （n-1）d10ns1→2 6個(gè)金屬元素，其中Hg是周期表中唯一以液態(tài)存在的金屬元素 有幾種價(jià)態(tài) 族數(shù)等于價(jià)電子數(shù) f 鑭系和錒系 (n-2)f0→14 (n-1)d0→2ns2 鑭系元素表現(xiàn)高度的相似性，如都傾向形成＋3氧化態(tài) 錒系元素呈現(xiàn)更大程度上的不一致

50、性 ＊ⅧA即為現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中的0族 ＊＊ⅧB即為現(xiàn)行中學(xué)化學(xué)教材中的Ⅷ族 原子是化學(xué)變化中的最小微粒。不同元素的原子由于核電荷數(shù)不同，核外電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同，因而具有不同的性質(zhì)。氫是宇宙中含量最多的元素，氫除能形成單質(zhì)外，還以多種成鍵方式形成化合物。而原子序數(shù)僅差1的氦，性質(zhì)異常穩(wěn)定，除以單原子分子存在外，至今尚未發(fā)現(xiàn)氦的化合物。 ⑶掃描隧道顯微鏡 動(dòng)物園里為了防止老虎傷人，總是在虎穴的周圍筑起了高高的鐵絲網(wǎng)圍欄。只要鐵絲網(wǎng)足夠高，其勢(shì)壘高度V大于老虎的動(dòng)能EK，老虎翻不過(guò)鐵絲網(wǎng)，游人也就安全無(wú)恙了。然而，微觀粒子即使EK>V，也不是百分之百都能翻越勢(shì)壘，而在EK

51、一定的幾率穿過(guò)勢(shì)壘逃逸出去，尤如不是翻過(guò)山頭，而是穿越一個(gè)隧道，這種效應(yīng)稱為量子隧道效應(yīng)。 1981年IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家賓尼（G.Binnig）和羅雷爾（H.Rohere）根據(jù)量子隧道效應(yīng)發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，縮寫STM）。 STM有一直徑約幾納米的很尖銳的導(dǎo)電探針，工作時(shí)在針尖與樣品之間加電壓。當(dāng)針頭和樣品表面的距離為0.1nm時(shí)，樣品中電子由于隧道效應(yīng)而穿越兩者之間的勢(shì)壘到達(dá)針尖（或反方向）產(chǎn)生隧道電流。隧道電流的大小與針尖至樣品表面的距離成指數(shù)關(guān)系。隧道電流強(qiáng)度的變化反映了樣品表面形貌的變化特征。STM的橫向

52、分辨率為0.1nm，縱向分辨率0.01nm，比一般電子顯微鏡的分辨率高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 利用STM可觀察到石墨的六元環(huán)結(jié)構(gòu)、DNA的單鏈結(jié)構(gòu)、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。還能進(jìn)行單原子操作，即在針尖和樣品表面加電壓約為幾伏、寬度約為幾十毫秒的電脈沖，由于兩者間距僅約1nm，因此產(chǎn)生強(qiáng)度高達(dá)1010V.m-1的電場(chǎng)。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下樣品表面的原子有可能蒸發(fā)，使樣品表面留下空位，也能使吸附在針尖上的原子蒸發(fā)并沉積在樣品表面上，于是，便能實(shí)現(xiàn)單原子的移動(dòng)。1989年物理學(xué)家愛(ài)格拉經(jīng)過(guò)5年的努力，使用STM在超高真空和液氦溫度（4K）下成功地移動(dòng)了吸附在鎳表面的氙原子，并把它們整齊地排列成IBM字樣，引起全世界的

53、轟動(dòng)。中國(guó)科學(xué)家利用自制的STM在石墨表面刻蝕中國(guó)地圖。圖形線寬僅10nm，相當(dāng)于頭發(fā)絲的1/6000，利用這樣細(xì)的線寬在大頭針的針尖上就能記下《紅樓夢(mèng)》的全部?jī)?nèi)容?？傊藗儾粌H“目睹”了原子、分子，原子、分子不再只是抽象的模型，而且還是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的客體，可以進(jìn)行搬動(dòng)。 3.分子結(jié)構(gòu) ⑴對(duì)分子的認(rèn)識(shí) 分子的假說(shuō)最早由意大利化學(xué)家阿伏加德羅（A.Avogadro 1760—1856）于1811年提出。之后，1814年、1821年發(fā)表第二篇、第三篇論文，大聲疾呼分子假說(shuō)對(duì)于化學(xué)發(fā)展的重要意義。遺憾的是阿伏加德羅的這一見(jiàn)解得不到同時(shí)代的化學(xué)家的承認(rèn)。一直到1860年在德國(guó)的卡爾斯魯厄首次召

54、開(kāi)國(guó)際化學(xué)會(huì)議上，意大利化學(xué)家康尼采羅（S.Cannizzaro 1820—1910）幾次發(fā)言，對(duì)分子假說(shuō)進(jìn)行論證，但是參加會(huì)議的140多位化學(xué)家仍然未加理睬。在快散會(huì)時(shí)，康尼采羅急忙向大會(huì)代表散發(fā)自己幾年前寫的《化學(xué)哲學(xué)教程提要》的小冊(cè)子。不少與會(huì)化學(xué)家在回家途中或回家以后閱讀了這本小冊(cè)子。書中康尼采羅對(duì)分子假說(shuō)的闡述條理清晰、方法嚴(yán)謹(jǐn)、論據(jù)充分，很多化學(xué)家感到耳目一新、豁然開(kāi)朗。分子假說(shuō)終于在半個(gè)世紀(jì)之后被各國(guó)化學(xué)家接受了。之后，人們對(duì)于分子的認(rèn)識(shí)不斷深化。如果說(shuō)19世紀(jì)對(duì)于化學(xué)家來(lái)說(shuō)是原子的世紀(jì)，那么，20世紀(jì)化學(xué)家研究的重心移到分子，化學(xué)成為分子科學(xué)。 ⑵物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)是指其獨(dú)特的電

55、子結(jié)構(gòu)和幾何結(jié)構(gòu)。 ①分子的電子結(jié)構(gòu) 主要指分子中核外電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及相鄰原子間的強(qiáng)烈相互作用—化學(xué)鍵。三種典型的化學(xué)鍵——金屬鍵、離子鍵和共價(jià)鍵均屬電磁相互作用。 金屬鍵、離子鍵和共價(jià)鍵的比較 性質(zhì) 金屬鍵 離子鍵 共價(jià)鍵 A和B的電負(fù)性 A電正性、B電正性 A電正性、B電負(fù)性 A電負(fù)性、B電負(fù)性 結(jié)合力的性質(zhì) 自由電子和金屬離子間吸引 A+B-間吸引 成鍵電子將A、B結(jié)合在一起 結(jié)合的幾何形式 金屬原子密堆積 B-作密堆積，A+填在陰離子的多面體空隙中。使A-B間最大程度地接近，A-A間、B-B間遠(yuǎn)離 由價(jià)電子數(shù)控制 鍵強(qiáng)度性質(zhì) 6個(gè)價(jià)電子時(shí)鍵強(qiáng)

56、度最高，大于6或小于6時(shí)都逐漸減小 由離子大小和電價(jià)決定 由凈成鍵電子數(shù)決定 電學(xué)性質(zhì) 導(dǎo)體 固態(tài)絕緣體、熔融態(tài)導(dǎo)體 固態(tài)和熔融態(tài)均絕緣體或半導(dǎo)體 實(shí)例 Na NaF F2 ②三種化學(xué)鍵之間有著內(nèi)在的聯(lián)系 共價(jià)鍵是原子間共享電子對(duì)，如果這對(duì)電子偏向某個(gè)原子，則為極性共價(jià)鍵；如果這對(duì)電子由一個(gè)原子提供，則為配位鍵；如果這對(duì)電子完全屬于某個(gè)原子，則為離子鍵。而金屬鍵既可看成很多金屬原子共享自由電子，又可看作金屬離子與自由電子之間的靜電作用。 ③鍵型變異現(xiàn)象 原子間的結(jié)合力僅少數(shù)純粹屬于這三種鍵型之一，多數(shù)偏離這三種極端的鍵型，且常以一種為主，并多少包含一些其它的鍵型。各

57、個(gè)原子之間只要滿足成鍵條件，就會(huì)以多種方式最大可能地形成多種形式的化學(xué)鍵。 ⑶分子的幾何結(jié)構(gòu) ①主要指分子中原子的排列順序、彼此之間的距離與方位。常用鍵長(zhǎng)、鍵角、二面角等結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)表示。 ②分子的形狀或分子中某個(gè)特定部位的形狀，與物質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)。 組成相同，原子間連接順序相同的分子，可以具有不同的空間排列。分子立體構(gòu)型的差別可有很多類型，其中最有趣的是手性對(duì)稱性。 ③分子幾何結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特征是對(duì)稱性。 3.晶體結(jié)構(gòu) ⑴晶體與晶態(tài) 人們?nèi)粘＝佑|到的物質(zhì)不是單個(gè)的原子或分子，而是大量原子或分子的聚集狀態(tài)。如果我們不考慮物質(zhì)具體的宏觀性質(zhì)，只考察物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是否有序，那么氣態(tài)物質(zhì)是典

58、型的無(wú)序結(jié)構(gòu)；液態(tài)物質(zhì)在某一小范圍內(nèi)是有序的，但在大范圍內(nèi)是無(wú)序的，即短程有序長(zhǎng)程無(wú)序；固態(tài)有兩種情況：一種是晶態(tài)，其結(jié)構(gòu)不僅短程有序而且長(zhǎng)程有序；另一種是非晶態(tài)，其結(jié)構(gòu)保留了液態(tài)結(jié)構(gòu)短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序的特點(diǎn)。我們將通常溫度、壓力下處于晶態(tài)的物質(zhì)稱為晶體，晶體具有規(guī)則美觀的多面體外形。處于非晶態(tài)的物質(zhì)稱為非晶體。由于非晶態(tài)物質(zhì)如玻璃、石蠟、瀝青、松香等不能自發(fā)地生長(zhǎng)成規(guī)則的多面體外形，因此也稱為無(wú)定形體或玻璃體。同一物質(zhì)可有不同的聚集狀態(tài)，晶態(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài)。絕大部分固體物質(zhì)以晶態(tài)存在。通常情況下，所有的金屬，各種寶石和巖石，食用的鹽、糖、味精，手表中的石英晶體，各種半導(dǎo)體材料，電視屏幕上的熒

59、光粉……都是晶態(tài)物質(zhì)。水泥制品（主要成份硅酸鹽）和土壤（高嶺土），食品中的淀粉、纖維素、維生素，甚至人和動(dòng)物的毛發(fā)、骨髓以及構(gòu)成生命的物質(zhì)基礎(chǔ)—蛋白質(zhì)和核酸都能以晶態(tài)存在?？梢哉f(shuō)，我們生活在多姿多彩的晶體世界里。 ⑵晶體結(jié)構(gòu)的周期性 晶體為什么具有規(guī)則的外形？它的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征是什么？1912年X射線衍射法問(wèn)世，證實(shí)了晶體是由原子、離子或分子在空間按周期性規(guī)律重復(fù)排列而成的物質(zhì)。按此定義，無(wú)論是天然的還是人工合成的絕大多數(shù)固體物質(zhì)都是晶體。其中許多固體雖然不像金剛石、水晶等晶體具有規(guī)則的外形，但其內(nèi)部的原子都是有規(guī)則排列的。 研究晶體結(jié)構(gòu)的周期性規(guī)律可有兩種方式。一種是按實(shí)際重復(fù)周期將晶體

60、劃分成一個(gè)個(gè)完全相同且可并置的平行六面體—晶胞，然后研究晶胞的形狀、大小及其內(nèi)容，從而了解整個(gè)晶體的結(jié)構(gòu)；另一種是將周期性重復(fù)排布的內(nèi)容抽象成幾何學(xué)上的點(diǎn)，然后考察這些點(diǎn)在空間的陣式——點(diǎn)陣。 ①晶胞 晶胞是晶體的基本單位，而不是最小單位。晶胞有兩大要素： ⅰ)晶胞的形狀和大小可用組成晶胞的三個(gè)基本向量a、b、c來(lái)表達(dá)。這三個(gè)向量的長(zhǎng)度a、b、c以及彼此之間的夾角α、β、γ稱為晶胞參數(shù)。晶胞的型式分簡(jiǎn)單的（P）和帶心的兩種，帶心的又分為面心（F）、底心（C）和體心（I）等。 ⅱ)晶胞的內(nèi)容，包括晶胞中原子的種類、數(shù)目和晶胞中的相對(duì)位置（用分?jǐn)?shù)坐標(biāo)表示）。根據(jù)原子在晶胞中的位置可計(jì)算晶胞

61、中原子的個(gè)數(shù)。 對(duì)于理想晶體，只要搞清楚每個(gè)晶胞的大小、形狀、型式和晶胞中原子的種類、數(shù)目及分布，整個(gè)晶體的結(jié)構(gòu)也就清楚了。 注意晶胞的形狀一定是平行六面體，而不能是六方柱體、八面體等其他形狀。它們?cè)诳臻g并置堆積，即每個(gè)頂點(diǎn)一定為八個(gè)晶胞共有。由此，我們聯(lián)想到漢字“晶”，它準(zhǔn)確地表達(dá)了晶體由晶胞組成的意思，只是“晶”字并未由三個(gè)“日”字并置堆積而成。 ②點(diǎn)陣 點(diǎn)陣分直線點(diǎn)陣、平面點(diǎn)陣和空間點(diǎn)陣。直線點(diǎn)陣描述一維晶體（如石棉）和晶棱上原子的周期性排布；平面點(diǎn)陣描述二維晶體（如云母）和晶面上原子的周期性排布；空間點(diǎn)陣描述三維晶體的空間結(jié)構(gòu)。將點(diǎn)陣點(diǎn)用直線相連便成了晶格。1885年布拉威(A

62、.Bravias)推得空間點(diǎn)陣一共有七種形狀十四種型式，其中七種晶格只含一個(gè)點(diǎn)陣點(diǎn)，稱為簡(jiǎn)單格子，另外七種每個(gè)晶格中含兩個(gè)或兩個(gè)以上的點(diǎn)陣點(diǎn)，為復(fù)格子?！包c(diǎn)陣”和“晶格”分別用幾何學(xué)上的點(diǎn)和線表示晶體結(jié)構(gòu)的周期性結(jié)構(gòu)規(guī)律。 如果一整塊的晶體基本上為一個(gè)空間點(diǎn)陣貫穿，則此晶體稱為單晶體，例如單晶硅、水晶、金剛石等。由許多單晶按不同取向聚集在一起則為多晶體，例如金屬材料、BaSO4沉淀等粉狀物質(zhì)。如果重復(fù)周期很少，在晶棱方向上僅幾個(gè)到幾十個(gè)周期則為微晶，例如石墨微晶、炭黑、土壤中的高嶺土微晶。 ⑶晶體的特性 晶體空間結(jié)構(gòu)的周期性，使晶體表現(xiàn)出區(qū)別于氣體、液體和非晶體的一些共同的特性。晶體除有

63、確定的熔點(diǎn)外，還有： ①晶體的均勻性和各向異性。晶體各部分的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)(如密度)等均勻性來(lái)源于晶體各部分結(jié)構(gòu)的周期性重復(fù)，與氣體、液體、非晶體的均勻性來(lái)源于原子無(wú)序分布的統(tǒng)計(jì)平均本質(zhì)上是不同的。由于晶體結(jié)構(gòu)中不同方向上原子的排列情況不同，因此與方向有關(guān)的物質(zhì)性質(zhì)，如電導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、折光率、機(jī)械強(qiáng)度等表現(xiàn)為各向異性。如石墨晶體在水平方向的導(dǎo)電率約為垂直方向上導(dǎo)電率的一萬(wàn)倍，這種各向異性的程度在晶體各部分又是相同的。氣體、液體、非晶體的物理性質(zhì)均無(wú)各向異性。 ②能自發(fā)形成多面體外形。晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中自發(fā)形成晶面、晶面相交成晶棱、晶棱會(huì)聚形成頂點(diǎn)，從而形成凸多面體外形。凸多面體的晶面

64、數(shù)F、晶棱數(shù)E、頂點(diǎn)數(shù)V符合歐拉公式： F＋V＝E＋2 ③晶體在良好的生長(zhǎng)條件下，其外形表現(xiàn)有一定的對(duì)稱性。如雪花六角形，有六重對(duì)稱性。晶體外形對(duì)稱性是晶體內(nèi)部對(duì)稱性的外在表現(xiàn)。 ④晶體對(duì)X射線發(fā)生衍射。不僅無(wú)機(jī)分子而且有機(jī)分子甚至生物大分子的精確而全面的結(jié)構(gòu)信息都來(lái)源于晶體對(duì)X射線的衍射。 ⑤實(shí)際晶體中原子或離子難免占錯(cuò)位置或被雜質(zhì)取代，因此無(wú)論是天然晶體還是人工晶體都會(huì)存在各種缺陷。缺陷相對(duì)于規(guī)則而言，因而也是物質(zhì)三態(tài)中晶態(tài)所特有的現(xiàn)象。 ⑷晶體的缺陷 晶體的缺陷可有多種分類方式。按其產(chǎn)生的原因分成本征缺陷和雜質(zhì)缺陷，前者由于晶體本身離子或原子排列不規(guī)則而造成，后者由于雜質(zhì)原子

65、引起晶體的不均勻性。根據(jù)缺陷是否影響晶體的組成分成整比缺陷和非整比缺陷。按缺陷的幾何形式可分成點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。 少量的缺陷會(huì)影響晶體的強(qiáng)度以及光、電、磁、聲、熱等物理性質(zhì)與反應(yīng)性能。人為地制造各種缺陷，可使晶體具有某些優(yōu)異的性能。 B、C、N半徑小的原子作為雜質(zhì)無(wú)規(guī)則地分布在金屬的八面體空隙中，與金屬形成部分共價(jià)鍵，因此金屬固溶體的熔點(diǎn)比純金屬高?？勺骰鸺牧?、高級(jí)磨料、切削工具。 某些金屬碳化物和相應(yīng)金屬的熔點(diǎn) 金屬碳化物 熔點(diǎn)℃ 金屬 熔點(diǎn)℃ TiC 3140 Ti 1675 ZrC 3520 Zr 1852 HfC 3827 Hf 2

66、152 VC 2750 V 1890 NbC 3500 Nb 2463 TaC 4000 Ta 2996 寶石五光十色、艷麗奪目，與摻入雜質(zhì)有關(guān)。例如祖母綠（綠色之王）和海藍(lán)寶石實(shí)際是綠柱石BeAl2Si6O18摻入Cr和Fe而成。立方氧化鋯硬度8，折射率（2.16）略低于鉆石（2.42），色散（0.055～0.060），大于鉆石（0.044～0.057），綜合效果與鉆石極難區(qū)別，可作為鉆石的替代品。立方氧化鋯中摻入不同雜質(zhì)呈現(xiàn)不同的顏色。寶石不單可以制作人們喜愛(ài)的裝飾品，而且也是重要的功能材料。例如紅寶石為剛玉α-Al2O3中摻入Cr2O3，是最早的激光材料之一。 立方氧化鋯摻入雜質(zhì)和顏色 所含雜質(zhì) 顏色 所含雜質(zhì) 顏色 Nd2O3 紫 Cr2O3 篁綠 Ho2O3 黃 CuO 藍(lán)綠 Er2O3 粉紅 Er2O3+Fe2O3+NiO 粉紅 CeO2 黃至橙紅 Cr2O3+Tm2O3+V2O3 橄欖綠 Co2O3 藍(lán) V2O3 篁綠 ⑸金剛石結(jié)構(gòu) 早在1879年就已發(fā)現(xiàn)金剛石燃