第三单元 从微观结构看物质的多样性多媒体教案及点评

从微粒结构看物质的多样性

1.碳的同素异形体

（1）碳的同素异形体有金刚石、石墨和碳60等富勒烯，它们的不同性质是由微观结构的不同所决定的。

金刚石

石墨

外观

无色

透明

灰黑色不透明

密度熔点（g/cm3）

（K）

3．51 2．25 >3823 3925 沸点（K）

5100 5100 莫氏硬度

10 1 导电、导热性

不导电

导电、导热性好

燃烧热化学活（kJ/mol）

泼性

395．40 393．50 不活泼

比金刚石稍活泼

金刚石呈正四面体空间网状立体结构，碳原子之间形成共价键。当切割或熔化时，需要克服碳原子之间的共价键，金刚石是自然界已经知道的物质中硬度最大的材料，它的熔点高。上等无暇的金刚石晶莹剔透，折光性好，光彩夺目，是人们喜爱的饰品，也是尖端科技不可缺少的重要材料。颗粒较小、质量略为低劣的金刚石常用在普通工业方面，如用于制作仪器仪表轴承等精密元件、机械加工、地质钻探等。钻石在磨、锯、钻、抛光等加工工艺中，是切割石料、金属、陶瓷、玻璃等所不可缺少的；用金刚石钻头代替普通硬质合金钻头，可大大提高钻进速度，降低成本；镶嵌钻石的牙钻是牙科医生得心应手的工具；镶嵌钻石的眼科手术刀的刀口锋利光滑，即使用1000被的显微镜也看不到一点缺陷，是摘除眼睛内白内障普遍使用的利器。金刚石在机械、电子、光学、传热、军事、航天航空、医学和化学领域有着广泛的应用前景。石墨是片层状结构，层内碳原子排列成平面六边形，每个碳原子以三个共价键与其它碳原子结合，同层中的离域电子可以在整层活动，层间碳原子以分子间作用力（范德华力）相结合。石墨是一种灰黑色、不透明、有金属光泽的晶体。天然石墨耐高温，热膨胀系数小，导热、导电性好，摩擦系数小。石墨被大量用来做电极、坩埚、电刷、润滑剂、铅笔等。具有层状结构的石墨在适当条件下使某些原子或基团插入层内与C原子结合成石墨层间化合物。这些插入化合物的性质基本上不改变石墨原有的层状结构，但片层间的距离增加，称为膨胀石墨，它具有天然石墨不具有的可绕性，回弹性等，可作为一种新型的工程材料，在石油化工、化肥、原子能、电子等领域广泛应用。

（2）碳60 1985年，美国德克萨斯洲罗斯大学的科学家们制造出了第三种形式的单质碳C60，

C60是由60个碳原子形成的封闭笼状分子，形似足球，C60为黑色粉末，易溶于二硫化碳、苯等溶剂中。人们以建筑大师B.富勒的名字命名了这种形式的单质碳，称为富勒烯（fullarene）。这是因为富勒设计了称为球状穹顶的建筑物，而某些富勒烯的结构正好与其十分相似。C60曾又被称足球烯、巴基球等，它属于球碳族，这一类物质的分子式可以表示为Cn，n为28到540之间的整数值，有C50、C70、C84、C240等，在这些分子中，碳原子与另外三个碳原子形成两个单键和一个双键，它们实际上是球形共扼烯。 富勒烯分子由于其独特的结构和性质，受到了广泛的重视。人们发现富勒烯分子笼状结构具有向外开放的面，而内部却是空的，这就有可能将其他物质引入到该球体内部，这样可以显著地改变富勒烯分子的物理和化学性质。例如化学家已经尝试着往这些中空的

物质中加进各种各样的金属，使之具有超导性，已发现C60和某些碱金属化合得到的超导体其临界温度高于近年研究过的各种超导体，科学家预言C540有可能实现室温超导；也有设想将某些药物置入C60球体空腔内，成为缓释型的药物，进入人体的各个部位。在单分子纳米电子器件等方面有着广泛的应用前景，富勒烯已经广泛地影响到物理、化学、材料科学、生命及医药科学各领域。

（3）碳纳米管

碳纳米管可分单层及多层的碳纳米管，它是由单层或多层同心轴石墨层卷曲而成的中空碳管，管直径一般为几个纳米到几十个纳米，多层碳纳米管是管壁的石墨层间距为0.34纳米，与平面石墨层的间距一样，不论是单层还是多层碳纳米管，前后末端类似半圆形，结构基本上与碳六十相似，使整个碳管成为一个封闭结构，故纳米碳管也是碳簇的成员之一。碳纳米管非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发丝宽，是长度和直径之比很高的纤维。

碳纳米管强度高具有韧性、重量轻、比表面积大，性能稳定，随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性，场发射性能优良。自1991年单层碳纳米管的发现和宏观量的合成成功以来，由于具有独特的电子结构和物理化学性质，碳纳米管在各个领域中的应用已引起了各国科学家的普遍关注，已成为富勒烯和纳米科技领域的研究热点。

利用碳纳米管可以制成高强度碳纤维材料和复合材料，如其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6，被科学家称为未来的“超级纤维”；在航天事业中，利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅可以为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不会烧毁；用金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀掉，还可以得到导电性能非常好的纳米尺度的导线；利用碳纳米管做为锂离子电池的正极和负极材料可以延长电池寿命，改善电池的充放电性能；利用碳纳米管制成极好的发光、发热、发射电子的准点光源，制成平面显示器等，使壁挂电视成为可能；在电子工业上、用碳纳米管生产的晶体管，体积只有半导体的1/10，用碳基分子电子装置取代电脑芯片，将引发计算机的新的革命；碳纳米管可以在较低的气压下存储大量的氢元素，利用这种方法制成的燃料不但安全性能高，而且是一种清洁能源，在汽车工业将会有广阔的发展前景；碳纳米管还可作为催化剂载体和膜材料。 2.磷的同素异形体

磷有多种的同素异形体，其中主要有白磷、红磷、黑磷等。

固体白磷（P4）是白色的，遇光逐渐变成黄色，它难溶于水，易溶于二硫化碳。白磷有毒，误食0.1g就能致死。白磷呈正四面体结构。白磷性质较活泼。它和空气或潮气接触时发生缓慢氧化反应，部分能量以光的形式放出，这便是白磷在暗处发光的原因，叫做磷光现象。白磷的着火点为313K，在空气中容易自燃。白磷要保存在水中。利用白磷的易燃性和生成物五氧化二磷能形成烟雾的特性，可制燃烧弹和烟雾弹。在工业上，

白磷主要用在制造高纯度的磷酸、磷酸盐、农药、信号弹等的制造。

红磷是一种暗红色粉末，它难溶于水和二硫化碳，没有毒性。红磷的结构可能为P4正四面体的一个P—P键断裂后形成的长链状。红磷的化学性质比白磷稳定得多。红磷要加热到513K才燃烧，生成物也是五氧化二磷。红磷用于火柴生产，火柴盒侧面所涂的物质就是红磷与三硫化二锑等的化合物。

黑磷具有石墨状片层结构，有导电性，有“金属磷”之称。黑磷化学性质最稳定。

将白磷隔绝空气加热到在533K，就会转化为红磷，红磷加热到689K时升华，它的蒸气冷却后凝华为白磷。

白磷和红磷的相互转化实验：取一支长约30厘米、直径约1厘米的玻璃管，一端用橡皮塞塞紧。在玻璃管里放入两粒黄豆大小的干燥红磷，用细玻璃棒把它推到玻璃管的中部。把玻璃管平夹在铁架台上，在盛红磷的部分微微加热。开始时红磷会着火燃烧，有白烟产生。但因玻璃管的一端已被塞住，空气不能流通，火焰就熄灭了。不久在红磷两旁玻璃管的内壁上各有一薄层白磷出现。

把这支玻璃管取下，放在开有一个小孔的纸盒里。在暗处通过小孔观察，可以看到白磷在发光，不久即熄灭。拔掉一端的塞子，轻轻摇动玻璃管使空气流通，白磷又重行发光。 3.硫的同素异形体

硫有几种同素异形体，最常见的是晶状的斜方硫和单斜硫。斜方硫在369K以下稳定，单斜硫在369K以上稳定。将单质硫加热到369K，斜方硫不经熔化直接变成单斜硫。当它冷却时，发生相反的变化。若把加热到503K的熔融态的硫急速倾入冷水中，纠缠在一起的长链被固定下来，它就会快速冷却形成一种软橡胶状、可以拉伸的弹性硫，经放置后弹性硫会逐渐转变为晶状硫。 4.臭氧

(1)臭氧的化学性质

臭氧是氧的同素异性体，为无色气体，有特殊臭味。臭氧在常温下分解缓慢，在高温下分解迅速，形成氧气。Ag、Hg等在空气或氧气中不易被氧化的金属，可以与臭氧反应。臭氧在大气污染中有着重要的意义，在紫外线的作用下，臭氧与烃类和氮氧化物的光化学反应，形成具有强烈刺激作用的有机化合物称为光化学烟雾。臭氧在水中的溶解度比较高，是一种广普高效消毒剂。

(2)臭氧对人体的危害

臭氧具有强烈的刺激性，对人体有一定的危害。它主要是刺激和损害深部呼吸道，并可损害中枢神经系统，对眼睛有轻度的刺激作用。当大气中臭氧浓度为0.1mg/m3时，可引起鼻和喉头粘膜的刺激；浓度在0.1-0.2mg/m3时，引起哮喘发作，导致上呼吸道疾病恶化，同时刺激眼睛，使视觉敏感度和视力降低。臭氧浓度在2mg/m3以上可引起头痛、胸痛、思维能力下降，严惩时可导致肺气肿和肺水肿。此外，臭氧还能阻碍血液输氧功能，造成组织缺氧；使甲状腺功能受损、骨骼钙化，还可引起潜在性的全身影响，如诱发淋巴细胞染色体畸变，损害某些酶的活性和产生溶血反应。

(3)室内空气中臭氧的来源

臭氧主要来自室外的光化学烟雾。此外，室内的电视机、复印机、激光印刷机、负离子发生器、紫外灯、电子消毒柜等在使用过程中也都能产生臭氧。室内的臭氧可以氧化空气中的其他化合物而自身还原成氧气；还可被室内多种物体所吸附而衰减，如橡胶制品、纺织品、塑料制品等。臭氧是室内空气中最常见的一种氧化型污染物。

三．

室内空气中臭氧浓度的限值

我国公共场所卫生标准规定臭氧浓度不得大于0.1mg/m3。我国室内空气中臭氧卫生标准规定，1H平均最高容许浓度为0.1mg/m3。（GB/T18202-2000）

5.固体的晶态和非晶态

晶态的固体称为晶体，非晶态的固体称为非晶体。

晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体。晶体中的内部构成微粒都在空间呈有规则的三维重复排列而组成一定型式的晶格。这种排列称为晶体结构。晶体点阵是晶体粒子所在位置的点在空间的排列，相应地在外形上表现为一定形状的几何多面体，晶体具有固定的熔点，不同的晶体有不同的熔点，且在熔化过程中温度保持不变。晶体还具有各向异性，即在各个不同的方向上具有不同的物理性质，如力学性质（硬度、弹性模量等等）、热学性质（热膨胀系数、导热系数等等）、电学性质（介电常数、电阻率等等）光学性质（吸收系数、折射率等等）。例如，外力作用在石墨上，垂直与石墨片层的方向很容易裂开，但在片层上裂开则非易事。在云母片上涂层薄石蜡，用烧热的钢针触云母片，便会以接触点为中心，逐渐化成椭圆形，说明云母在不同方向上导热系数不同。

晶体共同的性质

各向异性：

固定熔点：

规则外形：

对

称

性：

晶体种不同的方向上具有不同的物理性质。

晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度。

理想环境中生长的晶体应为凸多边形。

晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。

单晶体简称“单晶”。单个晶体构成的物体。在单晶体中所有晶胞均呈相同的位向。单晶体具有各向异性。自然界存在的单晶，如金刚石的晶体等。亦可由人工将多晶体拉制成单晶体，如电子器件中所用的锗及硅的单晶体。掺有特定微量杂质的单晶硅，可制成大功率晶体管、整流器及太阳能电池等。

多晶体由许多晶体（称为晶料）构成的物体，称多晶体。一块晶体是由许多小的晶粒聚合起来组成的。每一晶粒又由许多原子构成。原子在每一晶粒中作有规则的整齐排列，各个晶粒中原子的排列方式都是相同的。但是在一块晶体中，各个晶粒的取向彼此不同，晶粒与晶粒之间并没有按照一定的规则排列。尽管每个晶粒内部原子排列很整齐，但由于一块晶体内部各个晶粒的排列不规则，总的来看是杂乱无章的，这样的多晶体不能用来制造晶体管。

非晶体是指组成它的原子或离子不是作有规律排列的固态物质。由于内部构成微粒的不规则排列，非晶体的外观不具有规则外形。如玻璃、松脂、沥青、橡胶、塑料、人造丝等都是非晶体。非晶体没有固定的熔点，随着温度升高，物质首先变软，然后由稠逐渐变稀，成为流体。具有一定的熔点是一切晶体的宏观特性，也是晶体和非晶体的主要区别。非晶体具有各向同性。例如，若在玻璃上涂一薄层石蜡，用烧热的钢针触及背面，则以触点为中心，将见到熔化的石蜡成圆形。这说明导热系数相同。

6.晶体类型和物质的物理性质

常见的晶体可分离子晶体、分子晶体、原子晶体和金属晶体等四类。四类晶体的内部结构及性质特征归纳如下表。

晶体类型

实 例

内部构成微粒

微粒间作用力

离子晶体

原子晶体

分子晶体

冰、干冰、甲烷

分子

分子间作用力

金属晶体

钠、钨、铜、汞

原子、阳离子、自由电子

金属键

氯化钠、硫酸金刚石、二氧铜、氢氧化钠

化硅

阴、阳离子

离子键

原子

共价键

某些物理性质熔、沸点

硬度

导电、导热性

溶解性

高

硬

熔融态及其水溶液导电

易溶于水

很高

很硬

非导体

不溶于水

低

软

不导电

能溶

差别很大

是电和热的良导体

不溶于水

7.同质多晶现象和类质同晶现象

同质多晶现象

组成相同的物质,可以有不同是晶型，称为同质多晶现象。如氯化铯(CsCl)晶体,常温下结构类似于钨晶体型,但在高温下,却可以转变成类似于氯化钠型。将硫加热熔化，从室温到95.50C时,硫（S8）从正交硫结构转变为单斜硫结构。 类质同晶现象

有一些组成不同,但化学性质类似的物质能够生成外形完全相同的晶体,称为类质同晶现象,例如,明矾

[KAl(SO4)2·12H2O]和铬矾[KCr(SO4)2·12H2O]都形成八面体结晶，存在于同一溶液中的这类物质能同结晶出来，生成完整均匀的混晶。这种现象能够解释元素在地壳中一定范围内的伴生现象。对矿物的开采具有指导价值。