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1、 备课资料 一、晶体的基本性质 晶体的基本性质是由晶体的周期性结构决定的。1.自范性：指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。2.均一性：指晶体的化学组成、密度等性质在晶体中各部分都是相同的。3.各向异性：同一格子构造中，在不同方向上质点排列一般是不一样的，因此，晶体的性质也随方向的不同而有所差异。4.对称性：晶体的外形和内部结构都具有特有的对称性。在外形上，常有相等的晶面、晶棱和角顶重复出现。这种相同的性质在不同的方向或位置上作有规律地重复，就是对称性。晶体的格子构造本身就是质点重复规律的体现。5.最小内能：在相同的热力学条件下晶体与同种物质的非晶质体、液体、气体相比较，其内能最小
2、。6.稳定性：晶体由于有最小内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状态。7.有确定的熔点：给晶体加热，当温度升高到某一温度便立即熔化。8.能使 X 射线产生衍射：当入射光的波长与光栅隙缝大小相当时，能产生光的衍射现象。X 射线的波长与晶体结构的周期大小相近，所以晶体是个理想的光栅，它能使 X 射线产生衍射。利用这种性质人们建立了测定晶体结构的重要实验方法。非晶态物质没有周期性结构，不能使 X 射线产生衍射，只有散射效应。二、梦幻般的晶体世界 1.什么是晶体 什么是晶体？晶体就是晶莹闪亮的物体吗？如果说下列物质中，只有一种是晶体，那么在“玻璃、珍珠和冰雪”中，你选择哪一个？如果答案是“冰雪”，你会奇
3、怪吗？说到晶体，还得从结晶谈起。大家知道，所有物质都是由原子或分子构成的。众所周知，物质有三种聚集状态：气体、液体和固体。但是，你知道根据其内部结构特点，固体又可分为几类吗？研究表明，固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。晶体通常呈现规则的几何形状，就像有人特意加工出来一样。其内部原子的排列十分规整严格，比士兵的方阵还要整齐得多。如果把晶体中任意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到一个同样的原子。而玻璃、珍珠、沥青、塑料等非晶体，内部原子的排列是杂乱无章的。准晶体是最近发现的一类新物质，其内部排列既不同于晶体，也不同于非晶体。究竟什么样的物质才能算作晶体呢？首先，除液晶外，晶体一般是固体形
4、态。其次，组成物质的原子、分子或离子具有规律、周期性的排列，这样的物质就是晶体。但仅从外观上，用肉眼很难区分晶体、非晶体与准晶体。那么，如何才能快速鉴定出它们呢？一种最常用的技术是 X 光技术。用 X 光对固体进行结构分析，你很快就会发现，晶体和非晶体、准晶体是截然不同的三类固体。为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的粒子当成一个点，再用假想的线段将这些代表粒子的各点连接起来，就绘成了像图中所示的格架式空间结构：图 17 这种用来描述粒子在晶体中排列的几何空间格架，称为晶格。由于晶体中粒子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单元称作晶胞。许多取向相同的晶
5、胞组成晶粒，由取向不同的晶粒组成的物体，叫做多晶体，而单晶体内所有的晶胞取向完全一致，常见的单晶如单晶硅、单晶石英。大家最常见的一般是多晶体。由于物质内部粒子排列的明显差异，导致了晶体与非晶体物理化学性质的巨大差异。例如，晶体有固定的熔点，当温度高到某一温度便立即熔化，而玻璃及其他非晶体则无固定的熔点，从软化到熔化是一个较大的温度范围。我们吃的盐是氯化钠的结晶，味精是谷氨酸钠的结晶，冬天窗户玻璃上的冰花和天上飘下的雪花，是水的结晶。我们可以这样说：“熠熠闪光的不一定是晶体，朴实无华、不能闪光的未必就不是晶体”。不是吗？每家厨房中常见的砂糖、碱是晶体，每个人身上的牙齿、骨骼是晶体，工业中的矿物岩
6、石是晶体，日常见到的各种金属及合金制品也属晶体，就连地上的泥土砂石都是晶体。我们身边的固体物质中，除了常被我们误以为是晶体的玻璃、松香、琥珀、珍珠等之外，几乎都是晶体。晶体离我们并不遥远，它就在我们的日常生活中。2.晶体的诞生 站在光彩夺目、色彩艳丽的宝石晶体面前很少有人能够漠视这种纯洁、自然和美的魅力，人们常常禁不住俯下身来，从内心中发出惊叹：“世上居然有这么神奇的东西，它怎么长出来的呢？”这个问题现在的人们已经能够精确地作出回答。有时，自然界中晶体的形成就同盐的结晶过程一样，从溶液中诞生。如，岩石的裂缝处充满了溶解的液态物质，结晶体逐渐沉积在岩石表面。当岩石表面饱和的溶液蒸发之后，晶体也就
7、随之形成了。有时，许多晶体是在令人难以置信的压力和温度下形成的。如，在岩浆中熔化、流动，尔后随火山喷发的矿石冷却后，晶体就诞生了。大自然用地球内部的超高温火炉来冶炼晶体，这不由得让人想起神话中孙悟空在太上老君丹炉的三味真火中炼成火眼金睛。但是，自然界蕴藏的晶体不论在质量、数量和品种方面都满足不了人们的需要，因此，科学家就师法自然，模拟自然界的成矿条件来培育晶体，这就是人工晶体。你知道最开始研制人工晶体是在什么时候吗？杨德忠院士告诉我们说：“这个早啦。比如说在中国古代，就有炼丹的这些术士，他们实际上就是在弄人工晶体。还有最简单的，从海水里提炼食盐，把海水拿到池子里去，让它晒干，它里面就可以形成很
8、小的氯化钠晶体，那就是人工晶体。”炼丹术士为寻找长生不老之药，把一些化学物质配方后，拿到高温火炉中去烧，没想到它的丹丸虽无回天之力，却开创了化学科学的源头。同时，创造出了原始的人工晶体。炼丹术士炼出的这些晶体大多是硫化物，因为硫化物在高温下很容易结晶。人造红宝石可以说是人工晶体大家族中的开山鼻祖。它最早是由法国科学家维尔纳叶于 1890 年采用焰熔法制成的。人工晶体距今已有一百多年的历史，这期间人们发明和设计出了包括提拉法、下降法、水溶液法以及冷坩埚法在内的四十多种生长方法。晶体的生成有的可以在几天内完成，比如盘子中盐水的结晶，而有的晶体需要几百万年的时间才能生成，比如在岩浆内形成的矿物晶体。
9、有时同样的元素可形成多种晶体，比如最软的石墨和最硬的钻石就具有相同的化学成分纯碳。寻找十全十美的晶体一直是科学家难以实现的理想。因为无论是在大自然中诞生还是在实验室里合成，晶体都会由于不可逃脱的地球引力难以完美成形。于是科学家们希望换一种环境去生长晶体，建立永久空间站实现了这一切。在高空微重力环境中，即使比重不同的物质也可以均匀混合、和平共处，因此长出的晶体晶格缺陷少，组分均匀，结构完整，性能优良。目前，各国科学家的造物本领已巧夺天工，不仅能用人工方法合成出自然界已有的晶体，如水晶、金刚石、人工合成胰岛素等，也能用人工方法合成出自然界没有的晶体，无机晶体如最常见的半导体单晶硅，有机晶体如青霉素
10、等。五光十色、丰富多彩的人工晶体已悄悄地进入了我们的生活，并在各个高新技术领域大显神通。3.神奇的人工晶体 当我们使用电脑上网时，当我们烹饪美味佳肴时，当我们用手机通话时，当新郎给新娘戴上钻戒时，你可曾想到，发生在身边的这些大事小事都与人工晶体有关。它们已成为当代日常生活和高科技领域不可缺少的材料。比如，纯净的人工石英晶体即人工水晶，就具有优良的压电性能，它既能把机械能转变成电能；也能把电能转化成机械能，甚至发出唱歌似的声音。遥控器、电子表、手机、声纳等都是利用压电晶体或其他压电材料来实现能量转换的。压电晶体主要用来制作滤波器、谐振器、光偏转器等，被广泛应用在钟表及无线电工业上。我们知道，X
11、光的穿透本领很强，无论人体组织还是几厘米厚的钢板，它都能畅通无阻，因此可用来进行医疗诊断、工业探伤和物质分析。但 X 光人眼是看不见的，而通过一种晶体就能看得见。在 X 光或其他高能射线的照射下，这种晶体能够激发出荧光，射线越强，荧光越强。这种晶体就是闪烁晶体。光电探测器记录下这些光子数，就可以计算出入射粒子的能量，科学家利用这一原理进行高能物理实验和宇宙射线的探测。人们用闪烁晶体做成的探测器或荧光屏比喻为看得见 X 光和高能射线的眼睛。我们对激光并不陌生，利用激光晶体设计的激光器，激励后能够产生各种激光，如果再加上变频晶体，就能使激光的频率增加一倍或数倍，甚至可以把不可见的红外激光变为可见光
12、，把绿色激光化为蓝色光。现在，常用作激光工作物质的晶体有红宝石晶体、石榴石晶体、掺钛蓝宝石晶体等。激光具有极强的方向性和单色性，能量高度集中，并能产生极高的亮度和极远的射程。红宝石激光器发出的激光，亮度比太阳光要高出几亿倍，照到月亮上也仅是一个变化不大，清晰可辨的明亮光斑。工业生产用激光可以在坚硬的宝石上打出头发针尖粗细的小孔；激光还可用于通信，几根细如发丝的光纤代替了笨重昂贵的电缆，但却可以传递更多的信息。如果给各种信息技术材料记功授奖，首功当属半导体晶体。自动化技术的日新月异，电子计算机的更新换代，广播电视的普及与提高，通信事业的迅猛发展等都离不开半导体晶体。最常见的半导体晶体是硅和锗，其
13、电阻率介于金属和绝缘体之间。自从 1958 年第一块集成电路诞生以来，集成电路技术迅猛发展，现在科学家已经能够在米粒大小的硅片上集成数十万乃至数百万个晶体管等电子元件，这就是我们的计算机从“386”迅速发展更新到“奔”的原因。追溯人类最近百年的历史，我们会发现，人工晶体为现代科技的发展立下了赫赫战功。在两次世界大战的时候，石英晶体作为无线电通讯中的一个关键元件，开创了无线电通信时代。在上世纪五十年代，发现了硅单晶，直接导致了电视、手表、计算机、电话、无线电通讯的诞生，硅单晶的发现，表明了电子时代的来临。上世纪六十年代，红宝石晶体问世，产生了人工激光，为人类迎来了光电子时代。从某种意义上说，人工
14、晶体不仅是划分时代的标志，它还是人类进步与繁荣的阶梯，随着更为神奇的晶体的诞生，人类文明必将走向一个更加美好的高科技时代。三、晶体缺陷 所谓理想晶体是指晶体中的原子、分子或离子等完全按照严格的周期性重复排列得到的晶体，晶体中所有的晶胞是等同的。而在实际晶体中或多或少总会存在空位、错位、杂质粒子等缺陷，这些因素促使实际晶体偏离理想的周期性重复排列，人们称之为晶体缺陷。即使少量缺陷对晶体的性质却有很大的影响。如半导体材料单晶硅和单晶锗，杂质含量要求小于109。因此人们千方百计设法克服晶体缺陷来满足要求。这样看来，晶体缺陷是件坏事，是需要克服消除的。其实不然，有的晶体材料需要克服晶体缺陷，更多的晶体
15、材料需要人们有计划、有目的地制造晶体缺陷。因为晶体缺陷能影响晶体的性质，在晶体中有计划地制造种种缺陷，就可使晶体的性质产生各种各样的变化，以此造就各种性能的晶体材料来满足五彩 缤纷的物质世界的需要。比如，ZnS 晶体的晶体缺陷可以作为蓝色荧光粉。蓝色荧光粉的主要原料是硫化锌（ZnS）晶体，它是白色的。如果往 ZnS 晶体中掺入大约 0.0001%的氯化银（AgCl）时，Ag和 Cl分别占据 ZnS 晶体中对应 Zn2和 S2的位置，造成晶体缺陷，破坏了 ZnS 晶体周期性结构，使得杂质原子周围的电子能级与 Zn2和 S2周围的不同。这种掺杂的 ZnS 晶体，在阴极射线激发下，放出波长为 450
16、 nm 的荧光，可做彩色电视荧光屏中的蓝色荧光粉。四、球烯碳家族的新成员 提到晶态的碳单质，人们自然会想到光泽夺目、坚硬无比的金刚石和深灰色、质软滑腻的石墨，因人类对它们的认识和应用已源远流长。但在 1985 年，科学家们用激光照射石墨时，通过质谱法首次检测出 C60、C70等纯碳分子，此后，又用它法制出了它们的晶体。除此，还发现了一些结构与 C60类似的分子，如 C28、C32、C50、C70、C84、C90、C94、C240、C540等，它们组成了一个尚不完整的系列（如下图）。至此，在金刚石和石墨之后，人们发现了碳的第三类晶态同素异形体球烯。其中比较重要的是 C60，经研究发现 C60分子
17、具有封闭球形笼式结构，即 C60是由 12 个五边形和 20 个六边形所围成的球形凸多面体，具有高度美学对称性的足球状分子，人们称之为“碳足球”。如此结构中共有 60 个顶点和 90 条棱边，它们分别代表 60 个碳原子的位置和 90 条碳碳键，结构中每个 C 原子与相邻的 3 个 C 原子成键，因每个 C 原子共可形成 4条键，故其中两条为单键，一条为双键、整个分子共 60 条 CC 和 30 条 C=C。C60的球形结构使其内部形成了一个球形空腔。结构决定性质，C60和 C70分子都是非极性分子，通过分子间作用力形成分子晶体。因此，熔、沸点较低、密度较小，易溶于苯、甲苯等有机溶剂。由于球烯
18、类分子中存在着交替的单双键，因而表现出很强的芳香性和热稳定性，如可与 F2、H2等非金属发生分步加成反应，生成 C60F6、C60F36、C60H36、C60H60等多种加成产物。化学家们尝试往 C60的空心球中加入各式各样的金属原子，已成功地研制出了金属掺杂 C60的超导体（如 K3C60、Rb3C60）。还进一步试验，向球心里放入多种离子，使它们成为一个个带电的球体；化学家还试图通过各式各样的方法为球面上的碳原子“接种”上各种取代基使之成为球烯的各种衍生物。可以说，球烯的发现，对于碳化学甚至整个化学领域、新型无机非金属材料的研究都具有非常重要的意义。更因为球烯同时具有“内藏”和“外接”的两
19、种可能性，因此今后的化学研究必定会更加丰富多彩。“Cn”的结构：1.Cn中有五边形和六边形，每个五边形占有的碳原子数应为 5/3 个（531），而每个六边形占有的碳原子数为 2 个（631）。2.关于棱数，由于每个孤立的碳原子周围有三个键（一个双键，两个单键），而每个键 却又是两个碳原子所共有，因此棱数为 n321。3.单、双键数的求法：单键数+双键数=总棱边数 单键数=2双键数 4.五边形及六边形数目的求法：设五边形为 a 个，六边形为 b 个，则有：2:223)()(235棱边数面数顶点数欧拉定理顶点数nbannba a、b 由两式联立方程组求解可得。五、可燃“冰”未来高效新能源 可燃“冰
20、”是一种沉于海底的独特新能源。是天然气（甲烷类）被包进水分子中，在海底低温与高压下形成的透明晶体。由于海水水温低，压力大，海洋生物和微生物死亡，尸体沉入海底，在无氧环境下，经过厌氧菌分解，生成甲烷等可燃性气体，然后钻入海底疏松的沉积岩，与水结合成可燃冰。年复一年，在海底就形成了绵延数万里的可燃“冰”的矿藏。可燃“冰”的储量大，含能量高，科学家断言，天然气水合物作为未来的一种潜在能源将独具魅力，伴随于我们的生活。天然气类水合物是一种晶体，晶体中平均每 46 个水分子构建成 8 个笼，每个笼可容纳1 个客体分子（如 CH4），因此可燃“冰”的极限化学式是 8X46H2O，式中 X 为客体分子，可以
21、是 CH4、C2H6等等（如 8CH446H2O）。X 与 H2O 之间并非化学键而是被宿主以分子间作用力包藏在笼中，因而把它们叫做包合物（或曰笼形化合物）。现已探明，我国南海海底有巨大的可燃“冰”带。其总量已超过已知蕴藏在我国内陆地下天然气总量的一半，是外观像冰的甲烷水合物。想一想：若把它从海底取出，拿到地面上，它将有什么变化？为什么？它属何类晶体？你做出判断的根据是什么？从海底取出的甲烷混合物将熔化并放出甲烷气体。因为该晶体属分子晶体，甲烷分子与水分子都是由有限数目的原子通过共价键结合成的小分子。而分子之间是较弱的分子间作用力。所以可燃冰的熔、沸点较低。易发生熔化，汽化现象。已知 1 m3
22、可燃冰释放出 164 m3的甲烷气，试估算晶体中水与甲烷的分子数之比：假设甲烷气体体积已折算成标准状况下的数据，则 n（CH4）=164 m322.4 m3/kmol=7.32 kmol。设甲烷水合物的密度与冰的密度相同，即 1 g/cm3，则 n（H2O）n（CH4）=181632.7100017.32=6.71，由于可燃冰沉入海底，密度会大增，另外甲烷的密度肯定比水小，合理答案应是 n（H2O）n（CH4）6.71（理论组成为 8CH446H2O）。所以参考答案为 n（H2O）n（CH4）=791。甲烷类水合物的可燃冰，其储量之大，含能之高，必将决定其成为未来人类的高效新能源。六、第三周期元素氯化物及氧化物键型与晶型变化情况 *PCl5固态为离子晶体：PCl4PCl6 七、课题研究 C60的制作 制作要求：给你一张白纸，请把 C60的图形折叠出来。参考答案：（1）剪下巴基球模型的附图（见下图）。（2）沿着黑线的边缘剪成三条长形的连续六角形长条（注意：虚线的地方不可剪断）。（3）将三个长条的所有虚线部分都折一下。（4）将两个标记“AA”的边线并齐后，用胶带粘住。（5）将两个标记“BB”的边线并齐后，用胶带粘住。此时三个长条变成一个扭曲的 Y字。（6）将两个标记数字“1”的边线并齐后，用胶带粘住，然后依序将 2、3至 11，依上述步骤一一完成。（完成的模型如右图）