第1節固體 固體 液體和物態變化 雪花的基本形狀是六角形 但是大自然中卻幾乎找不出兩朵完全相同的雪花 就像地球上找不出兩個完全相同的人一樣 許多學者用顯微鏡觀測過成千上萬朵雪花 這些研究最后表明 形狀 大小完全一樣和各部分完全對稱的雪花 在自然界中是不存在的 在已經被人們觀測過的這些雪花中 再規則勻稱的雪花 也有畸形的地方 為什么雪花會有畸形呢 因為雪花周圍大氣里的水汽含量不可能左右上下四面八方都是一樣的 只要稍有差異 水汽含量多的一面總是要增長得快一些 世界上有不少雪花圖案搜集者 他們像集郵愛好者一樣收集了各種各樣的雪花照片 有個名叫賓特萊的美國人 花了畢生精力拍攝了近六千張照片 前蘇聯的攝影愛好者西格尚 也是一位雪花照片的攝影家 他的令人銷魂的作品經常被工藝美術師用來作為結構圖案的模型 日本人中谷宇吉郎和他的同事們 在日本北海道大學實驗室的冷房間里 在日 本北海道大學實驗室的冷房間里 在日本北方雪原上的帳篷里 辛苦二十年 拍攝和研究了成千上萬朵的雪花 但是 盡管雪花的形狀千姿百態 卻萬變不離其宗 所以科學家們才有可能把它們點評為七種形狀 在這七種形狀中 六角形雪片和六棱柱狀雪晶是雪花的最基本形態 其他五種不過是這兩種基本形態的發展或組合 為什么雪花的形狀各不相同 原來雪花的結構形狀取決于晶體迅速穿越高空大氣層時經歷的溫度 水汽及氣流的變化 雪晶總是對稱的 因為云層中的環境雖說在不斷變化 但這些變化卻始終是對稱地同時作用于晶體的六條邊 形成一顆雪晶需要大約15分鐘 產生雪晶的云層溫度必須在華氏4度到14度之間 云中必須充滿稠密的水蒸氣 因為大量水蒸氣的存在 為晶體提供了豐富的可加工的原料 同時也提供了構制各種復雜圖案的可能性 晶體長大到重量足以使它穿越云層下的氣流時就飄向地面 如果近地面的溫度高于華氏32度 雪晶化成雨水降落 如果溫度比華氏32度略低 晶體在飄落的途中就與另一些晶體結合在一塊形成雪花落下 當雪晶飄落時 如果云層下有上升的氣流盤旋 晶體就一會兒上升 一會兒下降 粘結成越來越大的冰塊 直至重量增大到足以克服上升的氣流時 就以冰雹的形式下落到地面 1 固體可以分為 和 兩類 2 單晶體都有 形狀 非晶體沒有 形狀 3 晶體可以分為 和 其中 沒有確定的幾何形狀 4 制作晶體管 集成電路只能用 答案 1 晶體非晶體2 確定的幾何確定的幾何3 單晶體多晶體多晶體4 單晶體 5 有確定熔點 沒有確定的熔點 6 有些晶體沿不同方向的導熱或導電性能不同 有些晶體沿不同方向的光學性質不同 這類現象稱為 非晶體沿各個方向的物理性質都是一樣的 這叫 多晶體是 的 7 在各種晶體中 原子 或分子 離子 都是按一定的規則排列的 具有空間上的 8 物質是晶體還是非晶體 并不是 的 答案 5 晶體非晶體6 各向異性各向同性各向同性7 周期性8 絕對 晶體和非晶體 1 晶體和非晶體固體可以分為晶體和非晶體 它們的主要區別有兩點 1 在外形上 單晶體具有規則的幾何形狀 而多晶體和非晶體則沒有 食鹽晶體 明礬晶體 石英晶體的形狀雖然各不相同 但都有規則的幾何形狀 所以食鹽 明礬 石英都是晶體 有些晶體可以具有多種不同的幾何形狀 例如雪花可以有多種不同的幾何形狀 非晶體則沒有規則的幾何形狀 2 在物理性質上 單晶體具有各向異性 而多晶體和非晶體則是各向同性的 物理性質包括彈性 硬度 導熱性能 導電性能 光的折射等 晶體的各向異性是指晶體在不同方向上物理性質不同 例如晶體在不同的方向上可以有不同的硬度 彈性 導熱性能 導電性能等 另外 晶體具有一定的熔點 而非晶體則沒有一定的熔點 2 單晶體和多晶體 1 單晶體和多晶體的區別單晶體是一個完整的晶體 而多晶體是由很多小晶體 稱為晶粒 雜亂無章地排列而組成的 單晶體在物理性質上表現為各向異性 而多晶體在物理性質上表現為各向同性 2 單晶體和多晶體的聯系多晶體和單晶體都有一定的熔點 3 多晶體與非晶體的區別多晶體與非晶體的相同點 都沒有規則的幾何形狀 在物理性質上都是各向同性的 多晶體與非晶體的區別 多晶體有一定的熔點 而非晶體則沒有一定的熔點 下列說法中錯誤的是 a 只要是具有各向異性的物體必定是晶體b 只要是不顯示各向異性的物體必定是非晶體c 只要是具有確定的熔點的物體必定是晶體d 只要是不具有確定的熔點的物體必定是非晶體解析 多晶體和非晶體都具有各向同性 只有單晶體才具有各向異性 故b錯 a對 晶體一定有確定的熔點 而非晶體無確定的熔點 故c d均正確 答案 b 變式遷移 1 判斷物質是晶體還是非晶體 比較可靠的方法是 a 從外形上判斷b 從導電性能上判斷c 從各向異性或各向同性上判斷d 從有無一定的熔點來判斷 解析 晶體和非晶體的區別是晶體有固定的熔點 而非晶體沒有 多晶體和非晶體都表現各向同性 所以不能以此來判斷 答案 d 晶體的微觀結構 1 晶體的微觀結構從17世紀開始 人們根據晶體外形的規則性和物理性質的各向異性提出了一些假說 認為晶體內部的微粒是有規則地排列著 到了19世紀中葉 晶體結構學說進一步發展 許多人認為晶體內部的微粒是有規則地排列著的 但是由于受當時的科學技術條件限制 這種想法仍是一種假說 直到1912年 人們應用x射線對晶體結構進行研究 才證實了這種假說的正確性 在20世紀70年代 人們又用電子顯微鏡觀察到了鈾 釷原子的圖像 到了1982年 掃描隧道顯微鏡的問世 使人們第一次觀察到原子在物質表面的排列狀況 2 晶體的微觀結構的特點 1 組成晶體的物質微粒 分子或原子 離子 依照一定的規律在空間中整齊地排列 2 晶體中物質微粒的相互作用很強 微粒的熱運動不足以克服它們的相互作用而遠離 3 微粒的熱運動表現為在一定的平衡位置附近不停地做微小的振動 3 為什么晶體表現為各向異性因為晶體在沿不同的方向上 物質微粒的數目不同 即在不同方向上物質微粒的排列情況不同 從而引起晶體的不同方向上物理性質的不同 注 有些物質在不同條件下生成不同的晶體 那是因為組成它們的微粒能夠按照不同的規律在空間分布 例如 金剛石和石墨都是由碳元素構成的 它們有不同的點陣結構 4 晶體微觀結構的空間點陣空間點陣 組成晶體的物質微粒依照一定的規律在空間排成整齊的行列 構成所謂的空間點陣 可用空間點陣來描述晶體的結構 并解釋為什么晶體具有規則的幾何形狀和各向異性的物理性質 你能根據食鹽的空間點陣解釋無論多小的食鹽顆粒都是正立方體形狀嗎 如圖所示是食鹽的晶體結構示意圖 食鹽的晶體是由鈉離子na 氯離子cl 組成的 它們等距離 交錯地排列在三組相互垂直的平行線上 因而食鹽具有正立方體的外形 下列說法正確的是 a 黃金可以切割加工成各種形狀 所以是非晶體b 同一種物質只能形成一種晶體c 單晶體的所有物理性質都是各向異性的d 玻璃沒有確定的熔點 也沒有規則的幾何形狀 解析 常見的金屬都是多晶體 因而黃金也是多晶體 只是因為多晶體內部小晶粒的排列雜亂無章 才使黃金沒有規則的幾何形狀 故a錯 同一種物質可以形成多種晶體 如碳可以形成金剛石和石墨兩種晶體 故b錯 單晶體只在某些物理性質上表現出各向異性 并不是所有物理性質都表現出各向異性 故c錯 玻璃是非晶體 因而沒有確定的熔點和規則的幾何形狀 d對 答案 d 變式遷移 2 如右圖所示為食鹽晶體結構示意圖 食鹽的晶體是由鈉離子 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 已知食鹽的摩爾質量是58 5g mol 食鹽的密度是2 2g cm3 阿伏加德羅常數為6 0 1023mol 1 試估算食鹽晶體中兩個最近的鈉離子中心間的距離 解析 1mol食鹽中有na個氯離子和na個鈉離子 離子總數為2na 因而摩爾體積v與摩爾質量m與物質密度 的關系為 v 所以一個離子所占的體積為 由圖可知v0就是圖中每四個離子所夾的正立方體的體積 此正方體的邊長 而最近的兩個鈉離子中心間的距離 答案 4 10 10m 基礎鞏固 1 下列各組物質中 全部是晶體的是 a 石英雪花瀝青b 食鹽橡膠瀝青c 雪花明礬蔗糖d 味精云母橡膠解析 瀝青 橡膠是