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高中化学
第七章 原子、分子与晶体
金属晶体、晶胞、合金、金属键、硬度
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更新:
2025-10-29 08:50
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金属晶体、晶胞、合金、金属键、硬度
早在史前时期,美丽晶莹的晶体就引起了人们的注意。它们表面光洁而又棱角分明,千姿百态而又对称有致,充分展示了大自然的鬼斧神工。随着现代科学技术的发展,有特殊物理性质的人工合成晶体广泛应用于能源、环境、材料、生命科学等领域。为什么同样是由碳原子构成的晶体,钻石和石墨的硬度却相差很大?为什么化学式相似的干冰 $\left(\mathrm{CO}_2\right)$ 和水晶 $\left(\mathrm{SiO}_2\right)$ 的熔点截然不同?晶体物质的性质,与晶体中分子、离子、原子等微粒的空间排列和相互作用又有什么关系? 通过对晶体物质的深入了解和学习,我们将进一步掌握晶体物质中微粒有序排列的一般规律,了解晶体物质中微粒间相互作用的特征和实质,理解晶体的结构与晶体特殊物理性质之间的关系,认识晶体结构测定是确定分子空间结构的重要方法和途径之一。 构成物质的分子、原子和离子等微粒可以通过各种相互作用凝聚成固体,地球上就有许多物质是固体。固体种类繁多,性质也千变万化,有些固体在电学、磁学或光学等某一方面具有特殊的性质。固体通常有晶体和非晶体之分。自然界常见的固体物质中,如食盐、冰、水晶、金属和许多矿石等,都是晶体,而玻璃、玛瑙、橡胶之类的物质则属于非晶体。那么,晶体有哪些明显不同于非晶体的特性呢? ## 晶体的特性 许多天然矿石,如绿柱石、重晶石、水晶等,不仅有绚丽的色彩,还有光滑平整的表面和规则的几何外形。人类很早就开始利用晶体,并关注到晶体的几何外形特征。在我国周口店的中国猿人遗址中就有用水晶等晶体制造而成的工具;在西汉时期,《韩诗外传》中有对雪花六角形的描述"凡草木花多五出,雪花独六出"的记载。  晶体的最基本特性是它们内部结构的有序性以及外形的对称性。在适宜的条件下,晶体能够自发地呈现封闭的、规则的几何多面体外形,这称为晶体的自范性。本质上,晶体的自范性是晶体中原子、分子和离子等微粒在三维空间里呈现周期性有序排列的宏观表现。相反,非晶体中微粒的排列则相对无序,因而无自范性。例如,自然界中存在的各种石英晶体(晶体SiO2),它们几乎都具有对称的六角形棱柱状的外形,而玻璃、玛瑙(非晶体SiO2)等就没有天然的、有规则的外形,如图3.2所示。根据晶体内部微粒的种类(原子、离子或分子)和微粒间的相互作用不同,可以将晶体分为金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体等。  晶体内部微粒的排列呈现周期性,而不同方向上的微粒排列情况是不同的。因此,在晶体中,不同的方向上具有不同的物理性质,如导电性、导热性、硬度、解理性等,这称为晶体的各向异性。例如,石墨晶体的导电性表现出各向异性,在与层平行的方向上的电导率数值约为与在层垂直的方向上的电导率数值的1万倍。又如,云母晶体各个方向解理性不同,若沿两层平面的平行方向施加外力就容易剥离,若沿着垂直于平面的方向剥离就困难得多。非晶体在各个方向上的物理性质都一致,显各向同性。例如,玻璃的折光率、热膨胀系数等,一般不随测定的方向而改变。 **实验 晶体的各向异性** 取一张云母薄片,用酒精棉擦拭后晾干,在其表面均匀地涂上一薄层石蜡,然后放置在铁圈上。将一锥尖固定在电烙铁的发热头上,电烙铁用铁夹固定,调节高度,使锥尖刚好与云母薄片接触,如图3.3所示。接通电源,观察云母薄片上石蜡熔化后扩张的形状。再取一玻璃薄片进行相同的实验,观察玻璃薄片上石蜡熔化后扩张的形状。  #
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