高中科學物質的結構與性質教學建議華東師范大學出版社

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1、2.物質的結構與性質 ? 教材結構 ? 編寫意圖 ? 教學目標 ? 課時分配建議 ? 教材分析和教學要求（核心內容、教學建議、教學參考） ? 教學評價 Ⅰ.教材結構 Ⅱ.編寫意圖 一、物質的重要性： 1.人類生存——吃、穿、住、用、行，那一樣都離不開物質。 2.社會發(fā)展——農業(yè)、工業(yè)、國防、醫(yī)藥，無不以物質為基礎。 3.科技進步——現(xiàn)代科技的三大支柱：材料、信息與能源均以物質為支撐。 物質科學的內容非常豐富，為什么選“物質的結構與性質”這一內容？人們認識物質，始于對物質性質的了解與物質用途的發(fā)現(xiàn)，隨著人們對于物質性質的深入了解，必然思考為什么不同的物質具有不同

2、的性質？這不僅為了滿足人們的好奇心，也是為了更好地利用物質。因此，隨著物質科學的深入研究，必然會探究物質的組成與結構以及結構決定性質的規(guī)律?？梢?，研究物質的性質、結構以及結構決定性質的規(guī)律是物質科學中最基本、最重要的內容之一。也是物質科學中研究的永恒課題。 隨著科學技術與人類社會的不斷進步，人們對于物質的需求，無論是質還是量，將會越來越高。這種社會需求不僅有力地推動了物質科學的研究，而且也會對一個普通公民對于相關知識的了解與把握提出越來越高的要求。因此，我們不僅需要學習具體物質的結構與性質，而且需要在此基礎上進一步提升觀念，以形成相應的科學意識。 物質、能量與信息是科學的三個最基本的統(tǒng)一概

3、念。本專題在分科學習物質知識的基礎上，希望從以下四個方面，進一步認識物質的性質、結構以及彼此之間的關系。 1.萬千世界，不同的物質具有各不相同的物理性質和化學性質。物理性質是大量原子或分子聚集成某個狀態(tài)時才表現(xiàn)的宏觀性質。不僅與化學鍵有關，還與分子間作用力有關。而化學性質主要與化學鍵有關。 2.物質的結構千差萬異。首先表現(xiàn)為結構層次的差異。其次，每一個層次的結構也是豐富多樣的。層次之間彼此關聯(lián)。 3.結構決定性質，性質體現(xiàn)結構，這是自然科學的基本規(guī)律之一。本專題通過幾個典型實例（氫原子、水、蛋白質分子、細胞與器官）的結構與性質的分析，進一步認識物質結構與性質的辯證統(tǒng)一關系。在解釋物質性質

4、時，常常涉及到多個結構層次。對于生物體來說，生命活動中需要某些功能，會對生物體的結構提出要求?？梢娊Y構與功能之間的辯證關系。 4.研究和了解物質結構與性質的關系，就能根據性質和功能的需求，人工合成或設計制造自然界中不易獲得的物質（包括生物大分子）和器件。 本專題首先討論物質的性質（物理性質和化學性質）和物質的結構（原子結構、分子結構與晶體結構），然后以氫原子、水、蛋白質分子、細胞與器官的結構與性質為實例，重點闡述結構決定性質的規(guī)律。最后討論結構決定性質規(guī)律的應用。 Ⅲ.教學目標： 一、知識、技能： 1.物質的性質 ⑴知道物理性質是宏觀性質。能舉實例說明物質的物理性質差異很大。知

5、道影響物理性質的結構因素，既與原子或分子的結構（化學鍵）有關，又與分子間作用力有關（不要求解釋）。 ⑵知道化學性質是在化學反應中物質表現(xiàn)的各種反應活性。能舉實例說明不同的物質具有不同的化學性質，進行不同的化學反應。同一種物質在不同的條件下表現(xiàn)不同的化學性質，進行不同的化學反應（不要求解釋）。知道化學性質與原子或分子的結構有關（不要求解釋）。知道探究化學反應的規(guī)律是化學研究的核心任務之一。 ⑶知道任何物質對于人類來說都有兩面性。人們在利用物質時，應趨利避害、合理利用。 2.物質的結構 ⑴了解物質結構是有層次的，層次之間相互關聯(lián)。 ⑵知道不同元素的原子由于核電荷數不同，核外電子的運動規(guī)律

6、不同，因而具有不同的性質。 ⑶知道物質的分子結構是指其獨特的電子結構和幾何結構。 ⑷知道晶體在生長過程中自然形成規(guī)則的多面體外形。知道晶體的基本單位是晶胞，晶胞是彼此并置的平行六面體。知道實際晶體中原子或離子難免占錯位置或被雜質取代。缺陷相對于規(guī)則而言，因而也是物質三態(tài)中晶態(tài)所特有的現(xiàn)象。 ⑸了解物質結構的測定經歷了從用純化學方法推測結構，到用物理方法直接測定結構的過程。 3.通過實例理解結構決定性質的規(guī)律 ⑴根據周期表中氫元素的位置理解氫的多種存在形式。 ⑵根據單個水分子的結構與大量水分子之間的相互作用——氫鍵，解釋水的反常性質。 ⑶了解組成蛋白質的氨基酸或肽鏈結構發(fā)生變化，蛋

7、白質的性質就會改變。 ⑷了解水稻和玉米莖的結構差異導致它們對于生長環(huán)境（水）的適應性不同。了解生物體的結構是在長期進化過程中與其功能相適應而形成的。 4.結構決定性質的應用 ⑴了解根據物質結構與性質的關系，可人工合成具有天然物質性能的物質，也可對天然物質的分子進行修飾和改造，甚至合成自然界中本不存在的物質。 ⑵了解根據性質和功能的需求，人工合成或設計制造自然界中不易獲得的器件，如人造臟器。 二、過程、方法 通過閱讀、思考、分析、討論，養(yǎng)成思考的習慣，提升觀念，發(fā)展思維能力，提高思維水平。例如，在分科學習中我們已經學習了三種典型的化學鍵（離子鍵、共價鍵和金屬鍵），著重分析它們的區(qū)別。

8、本專題著重分析它們之間的內在聯(lián)系。說明原子間的結合力僅少數純粹屬于這三種鍵型之一，多數偏離這三種極端的鍵型。 三、情感、態(tài)度與價值觀 1.從結構和性質內在聯(lián)系的角度進一步領悟并樹立正確的物質觀： ⑴物質的性質豐富多樣，千差萬別，人們研究物質是為了充分而合理地利用物質； ⑵物質的結構雖然十分復雜，但是可以準確測定； ⑶結構決定性質的規(guī)律是自然科學的基本規(guī)律之一，研究結構和性質內在聯(lián)系是為了合成自然界中已經有的甚至本不存在的新物質和器件（如人造臟器）。 2.基于物質結構決定物質性質的復雜性，很多現(xiàn)象還說不清楚，由此領悟任何理論或假設都有不確定性，有待于深入地探究。 3.學習全面地、辨

9、證地看待問題，例如少量的缺陷會影響晶體的強度以及光、電、磁、聲、熱等物理性質與反應性能。人為地制造各種缺陷，可使晶體具有某些優(yōu)異的性能。 Ⅳ.課時分配建議 建議一 內容 課時 2.1物質的性質 1 2.2物質的結構 1 2.3氫原子的結構與性質 1 2.4水的結構與水的反常性質 1 2.5蛋白質分子的結構與活性 2.6細胞、器官的結構與功能 1 2.7結構決定性質的應用 1 討論 1 總計 7 建議二 內容 課時 2.1物質的性質 1 2.2物質的結構 1 2.3氫原子的結構與性質 2.4水的結構與水的反常性質 2.5蛋

10、白質分子的結構與活性 2.6細胞、器官的結構與功能 （任選兩節(jié)內容） 3 2.7結構決定性質的應用 1 討論 1 總計 7 Ⅴ.教材分析和教學要求 2.1物質的性質 一、核心內容 中學生在初三第一堂化學課就學習什么是物理性質？什么是化學性質？知道性質與變化相關聯(lián)，物質不需要發(fā)生化學變化就表現(xiàn)出來的性質稱為物理性質，在化學變化中表現(xiàn)出來的性質稱為化學性質。以后在分科學習中又學習了很多具體物質的物理性質和化學性質。人們之所以重視物質性質的研究和學習，正是為了充分而合理地利用物質。本專題的第一個核心概念也是物質的性質，與分科相比，我們不再具體地學習一些物質的物理

11、性質和化學性質，而是提升對于物理性質和化學性質的認識。 1.關于物理性質，要使學生知道： ⑴單個原子或分子沒有密度、顏色、熔點、沸點、硬度、導電性、導熱性等性質。只有大量原子或分子聚集成某個狀態(tài)時，物質才表現(xiàn)宏觀的物理性質。 ⑵以兩個實例：鎢是熔點最高的金屬，而汞則是熔點最低的金屬，鎢和汞竟處于同一個周期；Au和Hg的原子序數僅差1，但單質金和汞的性質卻有顯著的差異。說明物質的物理性質差異很大。 ⑶物理性質不僅與化學鍵有關，還與分子間作用力有關。這個結論通過結構決定性質的幾個實例的學習，啟發(fā)學生歸納得到。同時告訴學生第六周期從Cs到Hg熔點的變化是有規(guī)律的，有志學習化學科學的，學習《結

12、構化學》后就會明白。 2.關于化學性質，要使學生知道： ⑴化學性質是在化學反應中物質表現(xiàn)的各種反應活性。 ⑵能舉實例說明不同的物質具有不同的化學性質，進行不同的化學反應。同一種物質在不同的條件下表現(xiàn)不同的化學性質，進行不同的化學反應（例如乙醇在不同的溫度下脫水得到不同的產物）。啟發(fā)學生歸納得到化學性質的多樣性以及化學反應對于反應條件非常敏感的結論（不要求解釋）。 ⑶從整體上認識化學反應的規(guī)律： ①知道研究一個化學反應需要回答：在給定條件下，反應能否發(fā)生?如能發(fā)生，將進行到什么程度？反應進行的速率和機理如何? ②知道自然界中有很多在沒有外力作用或人為干預的情況下便能自動進行的過程。這

13、種過程具有不可逆性，可用來做功，并且具有一定的限度。 ③知道反應自動進行的可能性大不等于反應速率大。 ④知道要使化學反應的進行成為現(xiàn)實，離不開催化劑的使用。催化劑具有選擇性。 ⑤理解化學反應是化學科學研究的中心問題之一。利用化學反應能夠認識物質、利用物質、分離物質和合成物質?？茖W家不但能夠利用化學反應大量制備各種自然界已有的物質，而且能夠根據人類的需要創(chuàng)造出自然界本不存在的物質。 ⑷通過2.2物質的結構以及2.3，2.4，2.5，2.6結構決定性質的幾個實例的學習，啟發(fā)學生歸納得到化學性質與原子或分子的結構有關的結論（不要求解釋）。 3.通過一氧化氮性質的閱讀，讓學生知道任何物質對于

14、人類來說都有二面性。人們在利用物質時，應趨利避害、合理利用。 二、教學建議 以學生熟悉的物質為例說明研究物質性質的重要性，引入新課。并組織學生討論： 1.舉例說明不同的物質具有各不相同的性質，思考為什么具有不同的性質？ 2.舉例說明人們是如何利用物質性質的？ 通過思考與討論，激發(fā)學生探究物質性質的興趣與愿望。 三、教學參考資料 1.重視物質性質的研究和學習是為了充分而合理地利用物質 一個實例：金剛石的性質和合理利用 金剛石是學生熟悉的一種物質。知道鉆石價值連城，金剛石可做各種刀具與鉆頭。其實這兩大用途只用了金剛石的兩種性質。①優(yōu)異的光學性能：金剛石對光的透明度好，高折射率（2

15、.40～2.48），使琢磨后的金剛石能多側面地反射光而顯得格外耀眼。高色散性（色散系數0.063）使鉆石有光彩，這是白光被鉆石色散成單色光所致。②特別硬、不易磨損的特性。金剛石是目前已知自然界中最硬的物質，其相對硬度（莫氏硬度）為10，絕對硬度是石英的1000倍，是剛玉的150倍。 實際上金剛石遠不止這兩種性質。例如，金剛石的電子從基態(tài)激發(fā)到能量最低的激發(fā)態(tài)，需要能量5.4eV，遠大于可見光的能量(1.7-3.1eV)。因此純凈的金剛石是無色的，且為絕緣體。如在金剛石中摻氮，能量從原來的5.4eV降到2.2eV左右，就呈現(xiàn)顏色了。如加百萬分子一的硼，則為藍色，藍色金剛石有導電性(空穴導電)。

16、金剛石不僅是優(yōu)良的半導體，而且?guī)缀跞魏螝怏w雜質都難于進入金剛石的結構中去，這使金剛石的性質特別穩(wěn)定。 金剛石在室溫下的導熱性比銅高五倍，用金剛石制成的大功率半導體元件，可加大其荷載的電流。而硅半導體由于導熱問題解決不了，不能加大其荷載的電流。 金剛石可透過從紅外到γ射線所有波長的輻射，因而可作為廣譜的光學透鏡與傳遞信息的光導材料。 值得注意的是所用這些應用最好都做成薄膜。金剛石薄膜曾被評為明星分子?？梢娚钊氲匮芯课镔|的性質，可充分而合理地利用物質。 2.物理性質是多樣的 所有的金屬都呈固態(tài)，唯獨汞卻呈液態(tài)。鎢是熔點最高的金屬，而汞則是熔點最低的金屬，鎢和汞竟處于同一個周期。常溫常壓下

17、水呈液態(tài)，而相對分子質量相近的甲烷卻呈氣態(tài)。當把一些單質或化合物按周期表中元素所在的位置列出它們的性質時，發(fā)現(xiàn)物質的性質有漸變或突變的現(xiàn)象（見下表）。 ⅣA族單質的性質 單質 C（金剛石） Si Ge Sn（灰） Pb 電導S.m-1 10-12 910-4 2.2 106 5106 禁帶寬度eV 5.48 1.17 0.74 0.08 0 稀有氣體的沸點 稀有氣體 He Ne Ar Kr Xe Rn 沸點℃ -269 -246 -186 -152 -107 -62 鹵素的熔點和沸點 鹵素 F2 Cl2 Br

18、2 I2 熔點℃ -223 -102.4 -7.3 113.6 沸點℃ -187.9 -34 58.0 184.5 ⅥA族氫化物的沸點 氫化物 H2O H2S H2Se H2Te 沸點℃ 100.0 -60.7 -41.5 -2.2 第三周期氟化物的熔點 氟化物 NaF MgF2 AlF3 SiF4 PF5 SF6 熔點℃ 993 1261 1291 -90 -87 -50.5 3.影響物理性質的結構因素：（僅以熔、沸點為例分析） ①稀有氣體的沸點 稀有氣體是單原子分子，是典型的非極性分子，主要靠瞬間的

19、靜電引力即色散力聚集在一起，色散力隨著原子半徑的增大而增大，因而沸點逐漸升高。同理可以解釋鹵素的熔、沸點的變化規(guī)律。 ②ⅥA族氫化物的沸點 H2O、H2S、H2Se、H2Te是四種同族的氫化物，假設分子間作用力相似，則其性質應呈漸變規(guī)律。按H2Te、H2Se、H2S的沸點外推，水的沸點應為-100℃，但是實際上為100℃（1989年國際度量衡委員會發(fā)出正式通知，從1990年1月1日起水的沸點在標準大氣壓下被修正為99.975℃），差值高達200℃。這是因為水中存在氫鍵，而另外三種氫化物分子間不存在氫鍵。 同理可以解釋常溫常壓下水呈液態(tài)，而相對分子質量相近的甲烷卻呈氣態(tài)。 ③第三周期氟化

20、物熔點的漸變和突變現(xiàn)象。 氟化物 NaF MgF2 AlF3 熔點℃ 993 1261 1291 電負性差?χ 3.32 2.90 2.58 鍵型 離子鍵 離子鍵 離子鍵 陽離子的價態(tài) +1 +2 +3 陽離子的半徑pm 102 72 53.5 氟化物 SiF4 PF5 SF6 熔點℃ -90 -87 -50.5 電負性差?χ 2.27 1.94 1.60 鍵型 共價鍵 共價鍵 共價鍵 NaF：?χ大，Na+與F-之間形成離子鍵。每個Na+周圍有6個F-，每個F-周圍有6個Na+，形成無限的晶體結構，陰陽離子

21、間相互作用力強，所以熔點較高。NaF、MgF2、AlF3三種離子化合物隨著陽離子的價態(tài)逐漸升高，半徑逐漸變小，陰陽離子之間的作用力逐漸增大，因而熔點逐漸升高。 SiF4：?χ小，Si與F間形成共價鍵。每個Si原子與4個F原子形成4個Si–F共價鍵，而每個F原子只與1個Si原子成鍵，形成SiF4分子。分子間為微弱的范德華力，所以熔點很低。SiF4、PF5、SF6三種共價化合物隨著相對分子質量逐漸增大，分子間作用力逐漸增強，因而熔點逐漸升高。 AlF3與SiF4的鍵型從離子鍵變成共價鍵，因此熔點發(fā)生突變。 ④第六周期從Cs到Hg熔點的變化 第六周期從Cs到Hg的電子組態(tài)是5d1-106s1

22、-2，由于相對論效應，6s軌道收縮，能級降低，與5d軌道一起組成6個價軌道。這6個價軌道與周圍配位的相同金屬原子的價軌道相互重疊成鍵。不論周圍金屬原子的配位形式如何，平均而言，每個原子形成3個成鍵軌道和3個反鍵軌道。電子按能量高低依次填在這些軌道上。如簡單地考慮每個原子的軌道填充情況，當價電子數少于6個時，電子逐個填入成鍵軌道，成鍵軌道上電子數越多，成鍵作用越強，熔點越高。W的電子組態(tài)是5d46s2，6個價電子全部填在成鍵軌道上，成鍵作用最強，熔點最高。價電子數多于6個時，電子開始填在反鍵軌道上，抵消了部分的成鍵作用。反鍵軌道上電子數越多，成鍵作用越弱，熔點越低，Hg的電子組態(tài)是5d106s2

23、，6個價電子填在成鍵軌道上，6個價電子填在反鍵軌道上，原子間沒有凈的成鍵效應，與稀有氣體相似，汞系單原子分子。又因汞的相對原子質量較大，色散力較大，因此汞在常溫下呈液態(tài)而不是氣態(tài)。 可見，影響物理性質的結構因素，既與分子的結構（化學鍵的性質）有關，又與分子間作用力、氫鍵有關?；瘜W鍵的性質又與原子結構有關。 4.化學性質 ⑴在化學反應中物質表現(xiàn)的各種反應活性，如可燃性、酸性、堿性、氧化性、還原性等。不同的物質具有不同的化學性質，進行不同的化學反應。稀有氣體很難與其他元素化合，而氟則幾乎和所有的元素化合。同一種物質在不同的條件下也會表現(xiàn)不同的化學性質，進行不同的化學反應。如學生熟悉的一個實例

24、是乙醇在不同溫度下脫水，產物不同。 ⑵化學性質是分子或原子（離子）所具有的性質。主要與分子內（或晶體內）原子間（或離子間）結合力相關?？捎没瘜W反應方程式準確地表示分子或原子（離子）在化學反應前后質的變化與量的守恒。 ⑶化學反應的類型繁多，對反應條件極為敏感。 ⑷認識化學反應規(guī)律是化學研究的核心任務之一。研究化學反應需要回答： ①在給定條件下，反應能否發(fā)生？ ②如能發(fā)生，將進行到什么程度？伴隨著怎樣的能量變化？ ③反應進行的速率和機理如何？反應所需要的時間——反應進行的速率？ ④反應怎樣發(fā)生——反應機理？ 前二個問題屬于化學熱力學的研究范疇，后兩個問題屬于化學動力學的研究范疇。

25、 自然界中有很多自發(fā)進行的變化。例如：山上的水會自動流向山下，但山下的水卻不能自動地往山上流；一杯煮沸的水能自動地將熱量傳遞給空氣，但是一杯冷水不能自動地從空氣中吸熱變成一杯開水；鋅塊投入硫酸銅溶液會自動生成銅和硫酸鋅，相反的化學變化卻不會自動發(fā)生。水位差、溫度差、電勢差是推動上述過程自發(fā)進行的動力。 自發(fā)過程的共同特點是： a.自發(fā)過程具有不可逆性。 b.自發(fā)過程可用來做功。 c.自發(fā)過程的進行具有一定的限度。 如何判斷過程能否自發(fā)進行呢？對于一個與外界環(huán)境沒有物質與能量交換的孤立體系來說，自發(fā)過程總是向著混亂度增大的方向進行，達到平衡狀態(tài)時，混亂度達到極大，自發(fā)過程便停止進行。相

26、反的過程即混亂度減小的過程是不可能自發(fā)進行的。就如一盒積木從高處落地時，原來整齊排列的有序狀態(tài)一定會變成凌亂的無序狀態(tài)；房間整理好不久又會變得凌亂；物質呈混合物是自發(fā)的，物質提純則是不自發(fā)的。體系的混亂度或無序性，可用熱力學函數熵S來表示。注意熵增大結論的適用范圍是孤立體系。對于包括人在內的生物體，太陽在內的天體，在其存在期內可長期維持有序結構，不但不趨于簡單與混亂，相反朝著愈來愈復雜和有序的方向演化與發(fā)展，這似乎與熵增大相悖，其實不然，因為這些系統(tǒng)是與外界有物質與能量交換的開放系統(tǒng)。 在處理實際問題時，近似作為孤立體系的情況并不多見?？紤]到化學反應常在等溫等壓只做體積功的條件下進行，可用描

27、寫熱力學系統(tǒng)的一個狀態(tài)參量吉布斯自由能的變化?Gθ小于零作為反應自發(fā)進行的判據。 反應自發(fā)進行的趨勢大不等于反應速率大?；瘜W熱力學能夠預言某一化學反應能否進行，進行到什么程度，但不能告訴我們反應速率的大小。 要使一個化學反應的進行成為現(xiàn)實，就不能不研究化學反應的速率。在化工生產、科學研究與日常生活中，經常遇到各種類型的化學反應，對有的反應如化工生產中我們希望反應快些，以提高產率；對有的反應如鐵的生銹、藥物的失效、橡膠或塑料的老化、染料的褪色、人的衰老等反應，則希望進行得慢些。以減少損失。 實現(xiàn)化學反應的關鍵是提高反應速率。改變化學反應速率的物質是催化劑。人類使用催化劑已有久遠的歷史。古代

28、人類的祖先就知道用粬釀酒制醋，粬 是一種酶催化劑。 20世紀初期，化學家用催化劑制造了使氫氣與空氣中穩(wěn)定的氮氣反應生成氨的奇跡。正是由于合成氨對農作物的增產作用，揭開了現(xiàn)代農業(yè)的序幕，使有限的土地得以養(yǎng)活不斷增長的人口。 今天，在我們的身邊，化學合成品比比皆是，穿的化學纖維，用的塑料制品，服用的藥物，各種各樣的材料都是由煤、石油、天然氣提供的化工原料經催化劑作用而制得的。 面對環(huán)境危機的挑戰(zhàn)，科學家們正在探索各種解決辦法，其中采用催化技術整治環(huán)境污染是一條有效的途徑。例如開發(fā)運用高效催化劑的脫硫脫氮技術，減少SO2和NOx的排放，以消除酸雨的發(fā)生。在汽車尾氣排氣口安裝催化處理器，將有毒的

29、NO與CO轉化成無毒的N2與CO2。 催化劑只能催化加速或抑制在給定條件下能自發(fā)進行的反應，不能催化加速或抑制在給定條件下不能自發(fā)進行的反應；工業(yè)上利用催化劑的選擇性來抑制副反應的進行，如教材中列舉的乙烯與氧的反應。 酶是一類能加速生化反應的催化劑。酶有水解酶、氧化還原酶、裂解酶、合成酶、異構化酶、轉移酶等六大類，每一類都可分成幾個亞類和亞亞類，它們都是由幾百個氨基酸相連而成的蛋白質類化合物。酶催化的特點是： ①高效性。普通的催化劑對化學反應加速一般是104～105倍，而酶催化劑對反應加速109～1010倍是常有的事情。加速1010倍意味著什么呢？如用5秒鐘能說完的一句話，沒有酶的作用，

30、則需1500年才能說完。正是酶的這種巨大的效應才能使生命過程得以實現(xiàn)。 ②專一性。普通催化劑往往對同一類型的反應都有催化作用，而酶只選擇某種反應物（常稱為底物），催化某個反應并獲得特定的產物。例如尿素酶在溶液中稀釋到一千萬分之一，仍能催化尿素水解，但不能催化尿素的取代物。胃蛋白酶能催化肽甘氨酰-L-谷氨酰-L-酪氨酸水解，但不能催化手性不同或結構稍有差別的肽的水解。這是因為酶催化第一步是底物與酶結合形成一種配合物，這就要求底物與酶的幾何結構有一定的對應關系。過去人們常用鎖和鑰匙的關系來描述兩者的構型匹配，現(xiàn)在看來這個比喻不太合適。酶尤如一個口袋，袋口張開，以便底物進去，底物進入口袋后，口袋會

31、圍繞著底物調正形狀，并且收口，使兩者的幾何構型完全合適，便于相互作用。待催化反應后，酶口袋打開，讓產物離去，并接受另一個底物進入。 ③反應條件溫和。酶催化反應不像一般催化劑需要高溫、高壓、強酸、強堿等苛刻條件，酶催化在常溫、常壓下就可進行。例如H2O2分解為H2O和O2所需活化能是75.3kJmol－1，用膠態(tài)鉑作催化劑，活化能降為49kJmol－1，當用過氧化氫酶催化時，活化能僅需8kJmol－1，分解效率可提高109倍！ ④多樣性。目前已發(fā)現(xiàn)酶有2500多種，且有2萬多種具有催化活性的微生物，幾乎可以催化所有的化學反應。 為什么有的反應進行得很快，有的反應進行得很慢？化學反應的實質是

32、原有化學鍵的破壞與新的化學鍵的形成，因此，反應速率首先取決于反應物與生成物的結構與性質，同時受到反應進行時所處條件的影響，其中主要是反應物濃度、反應溫度與有無催化劑等。 早在1918年路易斯（M.C.M.Lewis）就提出反應速率的碰撞理論，認為反應物活化分子間的有效碰撞是化學反應的先決條件。碰撞理論直觀明了，但對分子結構比較復雜的反應常常不如人意。 20世紀30年代艾林（H.Eyring）提出化學反應速度的過渡態(tài)理論。該理論認為兩個具有足夠能量的反應物分子相互接近時，能量重新分配，先形成活化絡合物的過渡態(tài)，然后轉變成產物分子。 化學反應是怎樣發(fā)生的？回答這個化學學科中最為基本的問題是很

33、困難的。因為化學反應是很復雜的，從初始的反應物到最終形成的產物歷經很多步驟，每個單獨的步驟稱為基元反應?；磻且徊酵瓿傻姆磻?。人們通常研究的體系是由大量分子組成的，所觀察到的化學現(xiàn)象是大量分子的統(tǒng)計行為。用于化學實驗的溶液，哪怕只有1～2滴，其中包含的分子數至少在億萬個以上。譬如1滴（0.05ml）濃度為310-3molL-1的酚酞指示劑含有310-30.0510-36.0231023≈1017個酚酞分子。有人預計2050年全球人口可能達到100億，這與1滴酚酞溶液中所含的分子數相比，則要少1千萬倍。分子之間的頻繁碰撞必然會改變分子的能量，因此，對于大量分子間的化學反應難以測量初始反應物與

34、初始產物的能量分布。為了搞清反應的細節(jié)，獲取有關分子始態(tài)——過渡態(tài)——終態(tài)的全部信息，尤其是關于化學鍵斷裂與重組的直接信息。需要從分子水平上研究反應動力學。需要觀察、追蹤單個分子間的反應。 1986年諾貝爾化學獎就是授予在分子反應動力學研究領域做出杰出貢獻的化學家：美國哈佛大學的赫希巴哈（R.Herschbach）、加利福尼亞大學的李遠哲和加拿大多倫多大學的波拉尼（J.C.Polanyi）。赫希巴哈被譽為用交叉分子束來研究分子反應動力學的先驅。李遠哲的貢獻是發(fā)展了赫希巴哈用交叉分子束來裝置研究分子動力學的思想，創(chuàng)造了新一代的最先進的交叉分子束裝置。運用交叉分子束技術能在單次碰撞條件下研究單個

35、分子間的化學反應，避免一般化學反應必然發(fā)生的產物分子與周圍分子由于碰撞而發(fā)生的能量傳遞，因而可以準確地檢測初生態(tài)產物的角度分布，由此可以知道分子的排列取向及中間體壽命等信息。 1999年諾貝爾化學獎授予具有埃及和美國雙重國籍的科學家艾哈邁德澤維爾(Ahmed H.Zewail)，表彰他對“飛秒化學”進行的15年的開創(chuàng)性工作?；瘜W反應的實質是原有化學鍵的打破與新化學鍵的形成?；瘜W反應中過渡態(tài)的壽命極短，一般約為10～100飛秒（fs），1fs=10－15s，如把1飛秒當作1秒，那末1秒就相當于三千二百萬年。要捕捉過渡態(tài)的形象，必須有飛秒分辨率的攝像機。澤維爾用飛秒激光脈沖研究化學反應的作用機制

36、。使活化、過渡態(tài)等詞匯得以呈現(xiàn)清晰的圖像。運用這種最快的“像機”，可以識別特定原子的實際運動，對化學反應的認識產生深刻的改變。 ⑸“化學反應”是化學研究的中心問題之一。通過化學反應能夠認識物質，分離物質，合成物質。合成化學是化學家利用化學反應改造世界、保護世界的有力手段?；瘜W家能在一個老的自然界旁創(chuàng)立一個新的自然界。一百年來單質和化合物數目的增長：2000年2650萬種是1900年55萬種的48倍。 3.物質性質的兩面性 王佛松院士等主編的《展望21世紀的化學》一書中提出了一個極為重要的觀點：任何物質和能量以至于生物，對于人類來說都有兩面性。這就是說任何物質都有對人類有益、有用的一面，又

37、有對人類有害或者有毒的一面。 ⑴物質性質的兩面性與物質存在的形式、所處的條件或場合、物質的量有關。 ⑵實例 ①一氧化氮的兩面性 在大氣環(huán)境中，一氧化氮對人體有害，進入人體刺激呼吸器官，侵入肺部，與細胞液中水分子結合成亞硝酸和硝酸后產生強烈的刺激與腐蝕作用，引起肺水腫。 在人體內，少量的一氧化氮具有重要的生理功能： ⅰ)NO由精氨酸產生，由血管內壁的細胞釋放出來，可促使附近的肌肉細胞放松，降低血壓。亞硝酸戊酯和硝化甘油釋放NO，放松收縮的血管，增加心臟的血液和氧供應，起到歇制心絞痛的發(fā)作。 ⅱ)保護人體，殺滅人體不需要的小噬細胞。 ⅲ)是重要的信使。 ②氧的兩面性 地球上除厭

38、氧生物外，所有的動植物和需氧生物都離不開氧氣。糧食、水與空氣，是人類賴以生存的三個基本要素。如果三者同時斷絕供應，那么引起死亡的原因首先是斷絕空氣?？茖W家做過統(tǒng)計，人不吃飯可以維持5個星期；不渴水可以維持5天；但是如果不呼吸只能維持5分鐘。在正常情況下，一個人每分鐘要吸入約500毫升空氣，一天1萬升。如果登山到了3000米以上的高度，當氧含量低于18%時，人就會頭痛，醫(yī)學上叫做缺氧。 氧氣對于人的生存如此重要，那么，能否說氧氣對于人類只有利而無一害呢？不是的！高濃度氧會對生物產生傷害，引起氧中毒，人如在一個大氣壓的純氧中6個小時，就會引起胸痛、咳嗽和喉痛，導致無法修復的肺泡損傷、水腫、肺內皮

39、細胞死亡等損傷。早產兒超長時間過度吸氧，將導致視網膜病變，進而雙目失明。 其實，即使在正常濃度，也有1%的氧分子通過接受未成對電子依次轉變成O2.-、HOOH與OH等活性氧。其中O2.-、OH為氧自由基。氧自由基可引起細胞損傷，細胞核中核酸鏈斷裂，會導致衰老和疾病發(fā)生，如白內障、腫瘤、心血管病、血液病、炎癥及各種退行性病變，嚴重時甚至危及生物的生命。氧自由基也不是一無是處，白血球殺滅病菌就是靠氧自由基。 氧化還原反應是最普遍的、最重要的一類化學反應。燃燒、冶金、電池充放電、電解、金屬防護以及生命體中的許多生命活動，都涉及氧化還原反應。然而氧化也會引起塑料、橡膠的老化、金屬的腐蝕、食品和糧食

40、的氧化變質、衰老和疾病發(fā)生等。 2.2物質的結構 一、核心內容 物質結構和生命起源、宇宙起源等一些有關自然界本原的問題，自有人類以來就不斷有哲人、學者在思考、追問。人們之所以重視物質結構的研究和學習，是為了從本質上認識物質，并能指導合成。在化學課中己經學習了原子結構、分子結構、晶體結構的基礎如識，學習了一些具體物質特別是有機物的結構，還初步學習用化學方法推測有機物的結構。在生命科學課中學習了細胞、器官的結構。本專題在此基礎上重在提升觀念。 1.知道物質結構是有層次的，層次之間是相關聯(lián)的。 2.在分科學習中學生己經學習了原子由原子核與核外電子組成，核外電子有一定的排布規(guī)律。本節(jié)要求

41、是：知道(而不是理解)“不同元素的原子由于核電荷數不同，核外電子的運動規(guī)律不同，因而具有不同性質”的規(guī)律。 3.物質的分子結構是指其獨特的電子結構和幾何結構。 ⑴明確什么是分子的電子結構？在分科學習中已經學習了三種典型的化學鍵（離子鍵、共價鍵和金屬鍵），著重分析它們的區(qū)別以及鍵型與性質的關系。本專題著重分析它們之間的內在聯(lián)系。說明原子間的結合力僅少數純粹屬于這三種鍵型之一，多數偏離這三種極端的鍵型。不同的分子由于具有不同的化學組成與不同的鍵合方式，因而具有不同的結構與各自的特性。 ⑵明確什么是分子的幾何結構？學生已經知道分子中原子有一定的排列順序，知道一些化合物的鍵長、鍵角。本專題進一步

42、明確分子中原子的排列順序、彼此之間的距離與方位用鍵長、鍵角、二面角等結構參數來表示，并以兩種乳酸分子對映異構體為例，說明分子的形狀與物質的性質密切相關。 4.在分科學習中已經學習了晶體具有整齊規(guī)則的幾何外形和固定的熔點。本專題進一步明確： ⑴晶體規(guī)則的多面體外形是在晶體生長過程中自然形成的，它與非晶體（如玻璃）加工成規(guī)則外形不同。 ⑵知道晶體的基本單位是晶胞，晶胞是彼此并置的平行六面體。 ⑶知道實際晶體中原子或離子難免占錯位置或被雜質取代。缺陷相對于規(guī)則而言，因而也是物質三態(tài)中晶態(tài)所特有的現(xiàn)象。人們重視和研究缺陷，不僅為了避免由于缺陷而導致晶體某些優(yōu)良性質的嚴重下降，更重要的是人為地制

43、造各種缺陷，可使晶體具有某些優(yōu)異的性能。 5.在分科學習中以乙醇為例學習如何用化學方法推測結構，并且做了不少有關的練習。本專題讓學生了解物質結構的測定經歷了從用純化學方法推測結構，到用物理方法直接測定結構的過程。并以質譜、核磁共振、X射線衍射等方法為例，說明用物理方法測定結構的特點。 二、教學建議 本專題可組織學生思考與討論：人們對于原子從一個抽象的模型到一個實實在在的客體的認識過程，從中得到哪些啟示。 三、教學參考資料 1.物質結構是個大概念： ⑴物質結構是分層次的 20世紀自然科學的飛速發(fā)展，使人們對于物質世界的認識推向極致。對微觀世界的認識，從原子、分子層次深入到夸克、輕子

44、等層次，即深入到10-19m的極小空間；對宏觀世界的認識，從長期以來一直局限于地球上的物體和太陽系，擴展到星系和宇宙，達到1026m（1010光年）以上的大尺度范圍。 ⑵靜態(tài)結構和動態(tài)結構 當物質處于穩(wěn)定狀態(tài)時，物質的分子結構不隨時間而變化，稱之為靜態(tài)結構。如果我們研究物質的化學反應機理，即分子如何從一種微觀狀態(tài)經過某個途徑變成另一種微觀狀態(tài)，則需研究反應物分子如何由于相互作用，使其從一種靜態(tài)結構變成另一種靜態(tài)結構。在其過程中產生的激發(fā)態(tài)、過渡態(tài)、中間產物的結構稱之為動態(tài)結構。顯然，研究動態(tài)結構是以靜態(tài)結構的研究成果為基礎的。 ⑶表面相結構和體相結構 以碳為載體的對苯二甲酸加氫精制催化

45、劑，化學分析Pd含量在0.05%左右，Na、Ca含量在0.2%左右，表面分析Pd峰很強，而Na、Ca卻檢測不到?？梢姡砻嫦嘟Y構和體相結構有著很大的差別。吸附、反應都在表面相進行，因此研究表面相結構非常重要。 2.原子結構 ⑴對原子的認識 原子是物質科學中最基本、最重要的概念之一。原子很小，正因為原子看不見、摸不著，因此，研究原子要比研究宏觀物體困難得多。從認為原子不可分，不同的原子僅是大小、形狀和位置移動等量的差別，到原子可分，原子由原子核與核外電子構成，原子的性質取決于原子核中的質子數與核外電子的運動狀況；從研究最簡單的氫原子，建立氫原子模型，到精確計算氫原子中的電子能級，并且推廣到

46、復雜的多電子原子，解釋和預測原子和分子的某些性質；從猜想中的原子到1982年發(fā)明掃描隧道顯微鏡（STM）真實地“看到”與搬動原子。原子不再僅僅是一個抽象的模型，而且還是一個實實在在的客體。 ⑵原子由原子核與核外電子組成，這早已成為常識。與宏觀粒子不同，電子等微觀粒子具有波動性。1926年奧地利的物理學家薛定諤（E.Schrodinger）等人建立了量子力學。求解氫原子的定態(tài)薛定諤方程自然引出三個量子數n,l,m,得出它們的取值范圍及其相互關系，并由三個量子數規(guī)定了一系列在三維空間的可能的運動狀態(tài)，即原子軌道。電子除了在核外空間運動外，本身還作自旋運動。 除氫原子核外僅一個電子，其余的原子都

47、是多電子原子。多電子原子中每個電子也是作兩種運動：空間運動（也稱軌道運動）與自旋運動，也是用四個量子級n、l、m、ms來描述。多電子原子中核外電子的排布遵循以下三個原理： ①保里原理：在每一個原子軌道中，只能容納兩個電子，并且自旋必須相反（即自旋反平行）。因此一個s軌道中最多容納2個電子，三個p軌道中最多容納6個電子。 ②能量最低原理。在不違背保里原理的前提下，電子優(yōu)先占據能量較低的原子軌道，使整個原子體系處于能量最低的狀態(tài)，這樣的狀態(tài)稱為原子的基態(tài)。 ③洪特規(guī)則：在角量子數l相同、磁量子數m不同的簡并軌道上，電子盡可能分占軌道并且自旋平行。 碳（C）原子核外有6個電子，電子排布為1s

48、22s22p2，這種用量子數n和l表示的電子排布方式稱為電子構型或電子組態(tài)。周期表中每一族的元素具有相似的價電子結構，因而具有相似的化學性質。族數可用國際純粹和應用化學聯(lián)合會IUPAC推薦的阿拉伯數字表示，也可用現(xiàn)在依然流行的羅馬數字表示。根據價電子排布的特征，18個族分成5個區(qū)。 元素的分區(qū) 元素的分區(qū) 分布范圍 價電子組態(tài) 說明 s 1～2族 (ⅠA～ⅡA) ns1→2 ns1 H與堿金屬 ns2 堿土金屬 族數等于價電子數 p 13～18族 （ⅢA～ⅧA＊） ns2np1→6 周期表中類型最為豐富的區(qū)域，有金屬元素，非金屬元素，稀有氣體元素，且在硼鋁、硅

49、鍺、砷銻、碲釙之間形成非金屬和金屬的分界線。在分界線附近有多種可以作為半導體材料的元素。 具有多價態(tài)性 族數等于價電子數加10 d 3～10族 （ⅢB～ⅧB＊＊） (n-1)d1→9ns1→2 過渡金屬元素 d軌道參與成鍵，具有價態(tài)的多樣性 族數等于價電子數 ds 11～12族 （ⅠB～ⅡB） （n-1）d10ns1→2 6個金屬元素，其中Hg是周期表中唯一以液態(tài)存在的金屬元素 有幾種價態(tài) 族數等于價電子數 f 鑭系和錒系 (n-2)f0→14 (n-1)d0→2ns2 鑭系元素表現(xiàn)高度的相似性，如都傾向形成＋3氧化態(tài) 錒系元素呈現(xiàn)更大程度上的不一致

50、性 ＊ⅧA即為現(xiàn)行中學化學教材中的0族 ＊＊ⅧB即為現(xiàn)行中學化學教材中的Ⅷ族 原子是化學變化中的最小微粒。不同元素的原子由于核電荷數不同，核外電子的運動規(guī)律不同，因而具有不同的性質。氫是宇宙中含量最多的元素，氫除能形成單質外，還以多種成鍵方式形成化合物。而原子序數僅差1的氦，性質異常穩(wěn)定，除以單原子分子存在外，至今尚未發(fā)現(xiàn)氦的化合物。 ⑶掃描隧道顯微鏡 動物園里為了防止老虎傷人，總是在虎穴的周圍筑起了高高的鐵絲網圍欄。只要鐵絲網足夠高，其勢壘高度V大于老虎的動能EK，老虎翻不過鐵絲網，游人也就安全無恙了。然而，微觀粒子即使EK>V，也不是百分之百都能翻越勢壘，而在EK

51、一定的幾率穿過勢壘逃逸出去，尤如不是翻過山頭，而是穿越一個隧道，這種效應稱為量子隧道效應。 1981年IBM公司蘇黎世實驗室的兩位科學家賓尼（G.Binnig）和羅雷爾（H.Rohere）根據量子隧道效應發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，縮寫STM）。 STM有一直徑約幾納米的很尖銳的導電探針，工作時在針尖與樣品之間加電壓。當針頭和樣品表面的距離為0.1nm時，樣品中電子由于隧道效應而穿越兩者之間的勢壘到達針尖（或反方向）產生隧道電流。隧道電流的大小與針尖至樣品表面的距離成指數關系。隧道電流強度的變化反映了樣品表面形貌的變化特征。STM的橫向

52、分辨率為0.1nm，縱向分辨率0.01nm，比一般電子顯微鏡的分辨率高兩個數量級。 利用STM可觀察到石墨的六元環(huán)結構、DNA的單鏈結構、DNA的雙螺旋結構。還能進行單原子操作，即在針尖和樣品表面加電壓約為幾伏、寬度約為幾十毫秒的電脈沖，由于兩者間距僅約1nm，因此產生強度高達1010V.m-1的電場。在強電場作用下樣品表面的原子有可能蒸發(fā)，使樣品表面留下空位，也能使吸附在針尖上的原子蒸發(fā)并沉積在樣品表面上，于是，便能實現(xiàn)單原子的移動。1989年物理學家愛格拉經過5年的努力，使用STM在超高真空和液氦溫度（4K）下成功地移動了吸附在鎳表面的氙原子，并把它們整齊地排列成IBM字樣，引起全世界的

53、轟動。中國科學家利用自制的STM在石墨表面刻蝕中國地圖。圖形線寬僅10nm，相當于頭發(fā)絲的1/6000，利用這樣細的線寬在大頭針的針尖上就能記下《紅樓夢》的全部內容?？傊?，人們不僅“目睹”了原子、分子，原子、分子不再只是抽象的模型，而且還是一個實實在在的客體，可以進行搬動。 3.分子結構 ⑴對分子的認識 分子的假說最早由意大利化學家阿伏加德羅（A.Avogadro 1760—1856）于1811年提出。之后，1814年、1821年發(fā)表第二篇、第三篇論文，大聲疾呼分子假說對于化學發(fā)展的重要意義。遺憾的是阿伏加德羅的這一見解得不到同時代的化學家的承認。一直到1860年在德國的卡爾斯魯厄首次召

54、開國際化學會議上，意大利化學家康尼采羅（S.Cannizzaro 1820—1910）幾次發(fā)言，對分子假說進行論證，但是參加會議的140多位化學家仍然未加理睬。在快散會時，康尼采羅急忙向大會代表散發(fā)自己幾年前寫的《化學哲學教程提要》的小冊子。不少與會化學家在回家途中或回家以后閱讀了這本小冊子。書中康尼采羅對分子假說的闡述條理清晰、方法嚴謹、論據充分，很多化學家感到耳目一新、豁然開朗。分子假說終于在半個世紀之后被各國化學家接受了。之后，人們對于分子的認識不斷深化。如果說19世紀對于化學家來說是原子的世紀，那么，20世紀化學家研究的重心移到分子，化學成為分子科學。 ⑵物質的分子結構是指其獨特的電

55、子結構和幾何結構。 ①分子的電子結構 主要指分子中核外電子的運動規(guī)律以及相鄰原子間的強烈相互作用—化學鍵。三種典型的化學鍵——金屬鍵、離子鍵和共價鍵均屬電磁相互作用。 金屬鍵、離子鍵和共價鍵的比較 性質 金屬鍵 離子鍵 共價鍵 A和B的電負性 A電正性、B電正性 A電正性、B電負性 A電負性、B電負性 結合力的性質 自由電子和金屬離子間吸引 A+B-間吸引 成鍵電子將A、B結合在一起 結合的幾何形式 金屬原子密堆積 B-作密堆積，A+填在陰離子的多面體空隙中。使A-B間最大程度地接近，A-A間、B-B間遠離 由價電子數控制 鍵強度性質 6個價電子時鍵強

56、度最高，大于6或小于6時都逐漸減小 由離子大小和電價決定 由凈成鍵電子數決定 電學性質 導體 固態(tài)絕緣體、熔融態(tài)導體 固態(tài)和熔融態(tài)均絕緣體或半導體 實例 Na NaF F2 ②三種化學鍵之間有著內在的聯(lián)系 共價鍵是原子間共享電子對，如果這對電子偏向某個原子，則為極性共價鍵；如果這對電子由一個原子提供，則為配位鍵；如果這對電子完全屬于某個原子，則為離子鍵。而金屬鍵既可看成很多金屬原子共享自由電子，又可看作金屬離子與自由電子之間的靜電作用。 ③鍵型變異現(xiàn)象 原子間的結合力僅少數純粹屬于這三種鍵型之一，多數偏離這三種極端的鍵型，且常以一種為主，并多少包含一些其它的鍵型。各

57、個原子之間只要滿足成鍵條件，就會以多種方式最大可能地形成多種形式的化學鍵。 ⑶分子的幾何結構 ①主要指分子中原子的排列順序、彼此之間的距離與方位。常用鍵長、鍵角、二面角等結構參數來表示。 ②分子的形狀或分子中某個特定部位的形狀，與物質的性質密切相關。 組成相同，原子間連接順序相同的分子，可以具有不同的空間排列。分子立體構型的差別可有很多類型，其中最有趣的是手性對稱性。 ③分子幾何結構的本質特征是對稱性。 3.晶體結構 ⑴晶體與晶態(tài) 人們日常接觸到的物質不是單個的原子或分子，而是大量原子或分子的聚集狀態(tài)。如果我們不考慮物質具體的宏觀性質，只考察物質的結構是否有序，那么氣態(tài)物質是典

58、型的無序結構；液態(tài)物質在某一小范圍內是有序的，但在大范圍內是無序的，即短程有序長程無序；固態(tài)有兩種情況：一種是晶態(tài)，其結構不僅短程有序而且長程有序；另一種是非晶態(tài)，其結構保留了液態(tài)結構短程有序、長程無序的特點。我們將通常溫度、壓力下處于晶態(tài)的物質稱為晶體，晶體具有規(guī)則美觀的多面體外形。處于非晶態(tài)的物質稱為非晶體。由于非晶態(tài)物質如玻璃、石蠟、瀝青、松香等不能自發(fā)地生長成規(guī)則的多面體外形，因此也稱為無定形體或玻璃體。同一物質可有不同的聚集狀態(tài)，晶態(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài)。絕大部分固體物質以晶態(tài)存在。通常情況下，所有的金屬，各種寶石和巖石，食用的鹽、糖、味精，手表中的石英晶體，各種半導體材料，電視屏幕上的熒

59、光粉……都是晶態(tài)物質。水泥制品（主要成份硅酸鹽）和土壤（高嶺土），食品中的淀粉、纖維素、維生素，甚至人和動物的毛發(fā)、骨髓以及構成生命的物質基礎—蛋白質和核酸都能以晶態(tài)存在?？梢哉f，我們生活在多姿多彩的晶體世界里。 ⑵晶體結構的周期性 晶體為什么具有規(guī)則的外形？它的內在結構特征是什么？1912年X射線衍射法問世，證實了晶體是由原子、離子或分子在空間按周期性規(guī)律重復排列而成的物質。按此定義，無論是天然的還是人工合成的絕大多數固體物質都是晶體。其中許多固體雖然不像金剛石、水晶等晶體具有規(guī)則的外形，但其內部的原子都是有規(guī)則排列的。 研究晶體結構的周期性規(guī)律可有兩種方式。一種是按實際重復周期將晶體

60、劃分成一個個完全相同且可并置的平行六面體—晶胞，然后研究晶胞的形狀、大小及其內容，從而了解整個晶體的結構；另一種是將周期性重復排布的內容抽象成幾何學上的點，然后考察這些點在空間的陣式——點陣。 ①晶胞 晶胞是晶體的基本單位，而不是最小單位。晶胞有兩大要素： ⅰ)晶胞的形狀和大小可用組成晶胞的三個基本向量a、b、c來表達。這三個向量的長度a、b、c以及彼此之間的夾角α、β、γ稱為晶胞參數。晶胞的型式分簡單的（P）和帶心的兩種，帶心的又分為面心（F）、底心（C）和體心（I）等。 ⅱ)晶胞的內容，包括晶胞中原子的種類、數目和晶胞中的相對位置（用分數坐標表示）。根據原子在晶胞中的位置可計算晶胞

61、中原子的個數。 對于理想晶體，只要搞清楚每個晶胞的大小、形狀、型式和晶胞中原子的種類、數目及分布，整個晶體的結構也就清楚了。 注意晶胞的形狀一定是平行六面體，而不能是六方柱體、八面體等其他形狀。它們在空間并置堆積，即每個頂點一定為八個晶胞共有。由此，我們聯(lián)想到漢字“晶”，它準確地表達了晶體由晶胞組成的意思，只是“晶”字并未由三個“日”字并置堆積而成。 ②點陣 點陣分直線點陣、平面點陣和空間點陣。直線點陣描述一維晶體（如石棉）和晶棱上原子的周期性排布；平面點陣描述二維晶體（如云母）和晶面上原子的周期性排布；空間點陣描述三維晶體的空間結構。將點陣點用直線相連便成了晶格。1885年布拉威(A

62、.Bravias)推得空間點陣一共有七種形狀十四種型式，其中七種晶格只含一個點陣點，稱為簡單格子，另外七種每個晶格中含兩個或兩個以上的點陣點，為復格子。“點陣”和“晶格”分別用幾何學上的點和線表示晶體結構的周期性結構規(guī)律。 如果一整塊的晶體基本上為一個空間點陣貫穿，則此晶體稱為單晶體，例如單晶硅、水晶、金剛石等。由許多單晶按不同取向聚集在一起則為多晶體，例如金屬材料、BaSO4沉淀等粉狀物質。如果重復周期很少，在晶棱方向上僅幾個到幾十個周期則為微晶，例如石墨微晶、炭黑、土壤中的高嶺土微晶。 ⑶晶體的特性 晶體空間結構的周期性，使晶體表現(xiàn)出區(qū)別于氣體、液體和非晶體的一些共同的特性。晶體除有

63、確定的熔點外，還有： ①晶體的均勻性和各向異性。晶體各部分的化學性質和物理性質(如密度)等均勻性來源于晶體各部分結構的周期性重復，與氣體、液體、非晶體的均勻性來源于原子無序分布的統(tǒng)計平均本質上是不同的。由于晶體結構中不同方向上原子的排列情況不同，因此與方向有關的物質性質，如電導率、熱膨脹系數、折光率、機械強度等表現(xiàn)為各向異性。如石墨晶體在水平方向的導電率約為垂直方向上導電率的一萬倍，這種各向異性的程度在晶體各部分又是相同的。氣體、液體、非晶體的物理性質均無各向異性。 ②能自發(fā)形成多面體外形。晶體在生長過程中自發(fā)形成晶面、晶面相交成晶棱、晶棱會聚形成頂點，從而形成凸多面體外形。凸多面體的晶面

64、數F、晶棱數E、頂點數V符合歐拉公式： F＋V＝E＋2 ③晶體在良好的生長條件下，其外形表現(xiàn)有一定的對稱性。如雪花六角形，有六重對稱性。晶體外形對稱性是晶體內部對稱性的外在表現(xiàn)。 ④晶體對X射線發(fā)生衍射。不僅無機分子而且有機分子甚至生物大分子的精確而全面的結構信息都來源于晶體對X射線的衍射。 ⑤實際晶體中原子或離子難免占錯位置或被雜質取代，因此無論是天然晶體還是人工晶體都會存在各種缺陷。缺陷相對于規(guī)則而言，因而也是物質三態(tài)中晶態(tài)所特有的現(xiàn)象。 ⑷晶體的缺陷 晶體的缺陷可有多種分類方式。按其產生的原因分成本征缺陷和雜質缺陷，前者由于晶體本身離子或原子排列不規(guī)則而造成，后者由于雜質原子

65、引起晶體的不均勻性。根據缺陷是否影響晶體的組成分成整比缺陷和非整比缺陷。按缺陷的幾何形式可分成點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。 少量的缺陷會影響晶體的強度以及光、電、磁、聲、熱等物理性質與反應性能。人為地制造各種缺陷，可使晶體具有某些優(yōu)異的性能。 B、C、N半徑小的原子作為雜質無規(guī)則地分布在金屬的八面體空隙中，與金屬形成部分共價鍵，因此金屬固溶體的熔點比純金屬高?？勺骰鸺牧?、高級磨料、切削工具。 某些金屬碳化物和相應金屬的熔點 金屬碳化物 熔點℃ 金屬 熔點℃ TiC 3140 Ti 1675 ZrC 3520 Zr 1852 HfC 3827 Hf 2

66、152 VC 2750 V 1890 NbC 3500 Nb 2463 TaC 4000 Ta 2996 寶石五光十色、艷麗奪目，與摻入雜質有關。例如祖母綠（綠色之王）和海藍寶石實際是綠柱石BeAl2Si6O18摻入Cr和Fe而成。立方氧化鋯硬度8，折射率（2.16）略低于鉆石（2.42），色散（0.055～0.060），大于鉆石（0.044～0.057），綜合效果與鉆石極難區(qū)別，可作為鉆石的替代品。立方氧化鋯中摻入不同雜質呈現(xiàn)不同的顏色。寶石不單可以制作人們喜愛的裝飾品，而且也是重要的功能材料。例如紅寶石為剛玉α-Al2O3中摻入Cr2O3，是最早的激光材料之一。 立方氧化鋯摻入雜質和顏色 所含雜質 顏色 所含雜質 顏色 Nd2O3 紫 Cr2O3 篁綠 Ho2O3 黃 CuO 藍綠 Er2O3 粉紅 Er2O3+Fe2O3+NiO 粉紅 CeO2 黃至橙紅 Cr2O3+Tm2O3+V2O3 橄欖綠 Co2O3 藍 V2O3 篁綠 ⑸金剛石結構 早在1879年就已發(fā)現(xiàn)金剛石燃