2.2 固体的微观结构 教案 (2)

固体的微观结构
材料科技与人类文明
●课标要求
知识与技能
1.知道晶体内部的物质微粒是按照一定的结构周期性的排列而成的．2.知道晶体的结合类型，并通过物理模型加深对其结合类型的理解．3.知道晶体外形的规则和物理性质的各向异性可以通过其微观结构进行解释．4.了解材料科学技术的有关知识及应用．
过程与方法
1.通过对资料的查阅，了解晶体结构发现的曲折．2.了解材料科技的相关领域及其发展．
情感、态度与价值观
通过材料科技的认识，体会它们的发展对人类生活和社会发展的影响.
●课标解读
1．了解晶体的物质微粒结构决定了晶体的特征．
2．知道物质微粒结合的方式不同可形成不同类型的晶体．
3．了解晶体内部物质微粒排列的规律性．
4．了解材料的分类和用途．
5．了解新型材料的发现和应用，知道它在生活、生产中的应用前景．
●教学地位
本节内容从微观角度解释固体物理性质的原因．是上节内容的延续，同时为下节内容做好了铺垫，是本章的重要知识.
(教师用书独具)
●新课导入建议
建议从晶体微观结构发现的历程开始，可以用丰富的图片、视频、微观结模型，以此激发学生的兴趣．
●教学流程设计
步骤1：导入新课，本节教学地位分析 步骤3：师生互动完成“探究1”互动方式 除例1外可再变换命题角度，补充一个例题以拓展学生思路



课　标　解　读
重　点　难　点
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．3.会用固体的微观结构解释其宏观性质．4.了解材料科学技术的有关知识及应用.
1.知道晶体的结合类型及特点．(重点)
2.理解晶体与非晶体存在差异的原因．(重点)3.应用固体的微观结构解释固体特征．(难点)
晶体的结构及结合类型
1.基本知识
(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
　比较项目类型　　　
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.思考判断
(1)NaCl是金属晶体．(×)
(2)Cu是离子晶体．(×)
(3)晶体的分子(原子、离子)排列是有规则的．(√)
3．探究交流
晶体为什么有规则的几何外形？
【提示】　由于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.
固体特征的微观解释
1.基本知识
(1)方法：在固体界面沿不同方向画出等长直线．
(2)微观解释
①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．
②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．
2．思考判断
(1)单晶体在不同方向上的微粒排列及物质结构情况不同．(√)
(2)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．(√)
(3)同一种物质只能生成一种晶体．(×)
3．探究交流
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.
材料种类和新材料及其应用
1.基本知识
(1)材料及分类
①分类
a．按材料特性分为：结构材料和功能材料．
b．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．
c．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
nm＝10－9
m，颗粒在1～100
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．
2．思考判断
(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．(×)
3．探究交流
纳米涂料
图2－2－1
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？
【提示】　纳米是长度单位：1
μm＝10－9
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.
微观结构理论对固体特征的解释
【问题导思】　
1．各向异性、各向同性的微观解释是什么？
2．同一种物质为何可以有不同的物理性质？
3．晶体熔化时为何有确定的熔点？
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.对同素异构体的解释
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．晶体开始熔解，熔解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．
　
多晶体和非晶体内部物质微粒的排列都是杂乱无章的，没有一定的规律，在物理性质上都具有各向同性，都有无规则的几何外形．
　下列叙述中错误的是(　　)
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
【审题指导】　根据晶体、非晶体的微观结构分析，不同的点阵结构决定不同的物理性质．
【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．
【答案】　CD
1．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．
1．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
【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．组成物体的微粒永远在做热运动，不管是晶体还是非晶体，所以C是错的．非晶体没有层面，也就提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．
【答案】　AB
新材料及其应用
【问题导思】　
1．新材料包括哪些？研究的意义是什么？
2．什么是纳米材料？
1．研究材料的意义
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．
2．新材料
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．
3．纳米材料
(1)纳米是长度单位：1
nm＝10－9
m.
(2)纳米技术：在纳米尺度(1～100
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．
　(2013·龙岩检测)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(　　)
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
【审题指导】　结构决定性质，人们发现当材料的尺寸小到纳米尺度时，其力、热、声、光、磁等方面的某些性质会突变，这也是纳米材料的“神奇”之处．
【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】　AB
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．
2．关于纳米材料的说法正确的是(　　)
A．碳纳米管是由碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几米到几十米
B．当材料小到纳米尺度时，其力、热、声、光、磁等方面的某些性能会发生突变
C．碳纳米管的成分和石墨一样，但韧性很高，导电性极强
D．碳纳米管的强度是钢的，密度只有钢的
【解析】　颗粒在1
nm～100
nm之间的材料称为纳米材料，当材料小到纳米尺度时，其力、热、声、光、磁等方面的某些性能会突变．碳纳米管是由碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几纳米到几十纳米，管壁厚度仅为几纳米．它的成分和石墨一样，但韧性很高，导电性极强，兼具金属和半导体的特性，强度比钢高100倍，密度只有钢的，故B、C正确．
【答案】　BC
三类晶体结构与性质比较
【问题导思】　
1．晶体可分为哪几种类型？
2．不同的晶体在其性质上有什么特点？
晶体类型
离子晶体
金属晶体
原子晶体
构成粒子
正、负离子
物质微粒
原子
粒子间作用
离子键
金属键
共价键
熔、沸点
较高
较高
很高
硬度
较大
较大
很大
导电性
熔化或溶于水时导电
导电
一般不导电
溶解性
多数溶于极性溶剂
不溶
不溶
实例
多数盐、强碱、多数金属氧化物
金属单质
金刚石、二氧化硅、晶体硅、碳化硅
　下列说法正确的是(　　)
A．离子晶体在任何情况下都导电
B．金刚石硬度大，石墨较软
C．金刚石和石墨都不导电
D．所有的金属晶体都导电
【审题指导】　了解晶体的类型及物理性质．
【解析】　离子晶体只有在熔化或溶于水后才能导电，故A错误．由于金刚石晶体中碳原子间有很强的相互作用力，故金刚石硬度大，石墨晶体中碳原子间的作用力较弱，故石墨较软，B正确．石墨内有自由电荷，可以导电，故C错误．所有的金属晶体内都有自由电荷，即都导电，故D正确．
【答案】　BD
3．下列关于晶体空间点阵的说法，正确的是(　　)
A．构成晶体空间点阵的物质微粒，可以是分子，也可以是原子或离子
B．晶体的物质微粒之所以能构成空间点阵，是由于晶体中物质微粒之间相互作用很强，所有物质微粒都被牢牢地束缚在空间点阵的结点上不动
C．所谓空间点阵与空间点阵的结点，都是抽象的概念；结点是指组成晶体的物质微粒做永不停息地微小振动的平衡位置；物质微粒在结点附近的微小振动，就是热运动
D．相同的物质微粒，可以构成不同的空间点阵；也就是同一种物质能够生成不同的晶体，从而能够具有不同的物理性质
【解析】　组成晶体的物质微粒可以是分子、原子或离子，这些物质微粒也就是分子动理论所说的分子．显然，组成晶体的物质微粒处在永不停息的无规则的热运动之中，物质微粒之间还存在相互作用，晶体的物质微粒之所以能构成空间点阵，是由于晶体中物质微粒之间的相互作用很强，物质微粒的热运动不足以克服这种相互作用而彼此远离，所以选项B的说法错误．A、C、D正确．
【答案】　ACD
【备课资源】(教师用书独具)
1．关于晶体本质的研究
对于晶体本质的研究很早就开始了．在1611年，开普勒等科学家就开始思考雪花为什么呈现六角形．后来，在题为《六角形的雪》的小册子中，开普勒提出了雪是由许多球体紧密堆积而成的．而对晶体的本质最出名的直觉推论却是贾斯特·奥伊作出的.1781年，他在观察一位朋友所收藏的方解石晶体时，不小心把其中较大的一块掉到了地上．这块晶体沿着很鲜明的一条直线破裂成了碎片，裂面都是平面．他从这次偶然的事件中推断：晶体是由某种构成微粒排列的平行层面堆砌而成的．到了19世纪，结晶学家逐渐重视研究裂面和使用显微镜，他们提出了晶体微观结构的模型：组成晶体的物质微粒，依照一定的规律在空间中排列成整齐的行列．
2．石墨与金刚石结构
金刚石(diamond)形成于地球深处．在极高的温度和压力下，许多碳原子结合形成了金刚石晶体，其熔点超过3
500
℃，这个温度相当于某些恒星表面的温度．
在金刚石结构中，1个碳原子周围有4个碳原子，彼此之间的距离是相等的，原子之间组成一个强有力的整体，于是金刚石晶体在任何一面都有相同的硬度．
由于金刚石具有很大的硬度，可以用来切割玻璃，把它装在钻探机的钻头上，能够钻透坚硬的岩层．钻石是经过打磨的金刚石，它是由碳原子在大范围内按一定的规则排列而成的晶体，人们常常在它的外表面加工出许多小面，使它变成多面体．钻石具有很高的折射率，又是透明的，所以，在阳光照射下，它对光线产生强烈的反射和折射，发出闪烁的光辉．
石墨(graphite)是松软的、不透明的灰黑色细鳞片状的晶体．同金刚石相反，石墨是最软的矿物之一．
晶体石墨内部的1个碳原子同相邻的4个碳原子的距离是不相等的．离得比较远的两个原子之间“拉力”较弱，容易断裂，因此导致石墨呈现“层与层之间容易相互滑动，作用力比较弱”的特点．在每个薄层中，原子形成六边形．
石墨非常光滑，故常用来制造供机械使用的优质润滑剂，以减小机械接触部件之间的摩擦阻力．把石墨和黏土混合，就可以用来做铅笔芯，掺的黏土越多，铅笔芯越硬．干电池中的炭精棒也是它的一种“化身”．
3．超导材料
1911年，荷兰科学家H·卡麦林·昂内斯(H.KamerLingh
Onnes,1853—1926)用液氦冷却水银时发现：当温度下降到－269
℃左右时，水银的电阻完全消失．这种现象被称为超导电性．在“高温”超导材料发现以前，所研究的超导材料都是“低温”超导材料，主要是多种金属合金，如铌锆合金、铌钛合金、铌锡合金、钒镓合金、铌锗合金等．“低温”超导材料主要应用于强磁体，如核磁共振、磁悬浮火车和加速器等．
1986年4月，IBM设在瑞士苏黎世的研究实验室的科学家用钡镧铜系氧化物获得了－238
℃的超导转变温度，从而揭开了世界性的高温超导研究热潮.1987年2月，中国科学院首次在世界上公布了钡钇铜氧体系．可以说，从一开始，中国高温超导材料的研究就位居世界前列.20世纪80年代末期以来，中国在高温超导的研究和应用方面一直处在世界先进水平，如在提高材料的载流能力和制备高质量的超导薄膜方面，在量子干涉器件的制作以及将这种器件应用到地磁测量方面，在高温超导体材料的制备以及金属有机化学气相沉积制膜技术方面，在确定高温超导材料的晶体结构以及铋系、铊系材料的系统研究等方面都做出了许多高水平的工作.
目前高温超导材料的应用正朝着大电流应用(强电应用)、电子学应用(弱电应用)和抗磁性应用等3个主要方向发展，在世界各国的共同努力下，超导材料造福人类的时代一定会到来.