晶體結(jié)構(gòu)與缺陷

前言

第1章　晶體的內(nèi)部構(gòu)造

1.1　晶體和非晶體

1.2　晶體的格子構(gòu)造

第2章　晶體的對(duì)稱性及晶體的分類

2.1　晶體的對(duì)稱性

2.2　對(duì)稱型、晶類與晶系

2.3　晶胞的選取與14種空間格子

第3章　幾種典型的晶體結(jié)構(gòu)

3.1　單質(zhì)(元素)的典型結(jié)構(gòu)

3.2　化合物的典型結(jié)構(gòu)

3.3　晶體的鍵合

第4章　晶向、晶面及一些有關(guān)問(wèn)題

4.1　晶向指數(shù)與晶面指數(shù)

4.2　密排面與密排方向2100433B

本書(shū)主要根據(jù)作者多年使用的教材改編而成。共分12章，其中主要講述了晶體的空間格子構(gòu)造、對(duì)稱特性及晶類、晶系的劃分方法、晶體的一些典型結(jié)構(gòu)、與晶向晶面相關(guān)的知識(shí)、晶體的投影方法、標(biāo)準(zhǔn)投影、倒點(diǎn)陣的定義及應(yīng)用；介紹了單質(zhì)元素和離子晶體的一些典型結(jié)構(gòu)和規(guī)律性因素、晶體缺陷以及它們的形成原因和觀測(cè)方法、晶體取向測(cè)定的方法及應(yīng)用、人工晶體的一些生長(zhǎng)方法等；本書(shū)可以作為材料科學(xué)與工程、物理學(xué)、化學(xué)等教育部一級(jí)學(xué)科的相關(guān)專業(yè)的教材，也可供從事半導(dǎo)體、金屬、陶瓷、晶體材料與器件等方面工作的科技工作者參考。

探究法、講授法

第一課時(shí)

[新課引入]：前面我們討論過(guò)原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)，對(duì)于化學(xué)鍵的形成也有了初步的了解，同時(shí)也知道組成千萬(wàn)種物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)可以是離子、原子或分子。又根據(jù)物質(zhì)在不同溫度和壓強(qiáng)下，物質(zhì)主要分為三態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，下面我們觀察一些固態(tài)物質(zhì)的圖片。

[投影]：1、蠟狀白磷； 2、黃色的硫磺； 3、紫黑色的碘； 4、高錳酸鉀

[講述]：像上面這一類固體，有著自己有序的排列，我們把它們稱為晶體；而像玻璃這一類固體，本身原子排列雜亂無(wú)章，稱它為非晶體，今天我們的課題就是一起來(lái)探究晶體與非晶體的有關(guān)知識(shí)。

[板書(shū)]：一、晶體與非晶體

[板書(shū)]：1、晶體與非晶體的本質(zhì)差異

[提問(wèn)]：在初中化學(xué)中，大家已學(xué)過(guò)晶體與非晶體，你知道它們之間有沒(méi)有差異？

[回答]：學(xué)生：晶體有固定熔點(diǎn)，而非晶體無(wú)固定熔點(diǎn)。

[講解]：晶體有固定熔點(diǎn)，而非晶體無(wú)固定熔點(diǎn)，這只是晶體與非晶體的表觀現(xiàn)象，那么他們?cè)诒举|(zhì)上有哪些差異呢？

[投影] 晶體與非晶體的本質(zhì)差異

自范性 微觀結(jié)構(gòu) 晶體 有 原子在三維空間里呈周期性有序排列 非晶體 沒(méi)有 原子排列相對(duì)無(wú)序 [板書(shū)]：自范性：晶體能自發(fā)性地呈現(xiàn)多面體外形的性質(zhì)。

自范性 微觀結(jié)構(gòu)

晶體 有 原子在三維空間里呈周期性有序排列

非晶體 沒(méi)有 原子排列相對(duì)無(wú)序

[解釋]：所謂自范性即“自發(fā)”進(jìn)行，但這里得注意，“自發(fā)”過(guò)程的實(shí)現(xiàn)仍需一定的條件。

例如：水能自發(fā)地從高處流向低處，但不打開(kāi)攔截水流的閘門(mén)，水庫(kù)里的水不能下瀉。

[板書(shū)]：注意：自范性需要一定的條件，其中最重要的條件是晶體的生長(zhǎng)速率適當(dāng)。

[投影]：通過(guò)影片播放出，同樣是熔融態(tài)的二氧化硅，快速的冷卻得到瑪瑙，而緩慢冷卻得到水晶過(guò)程。

[設(shè)問(wèn)]：那么得到晶體的途徑，除了用上述的冷卻的方法，還有沒(méi)有其它途徑呢？你能列舉哪些？

[板書(shū)]：2、晶體形成的一段途徑：

（1）熔融態(tài)物質(zhì)凝固；

（2）氣態(tài)物質(zhì)冷卻不經(jīng)液態(tài)直接凝固（凝華）；

（3）溶質(zhì)從溶液中析出。

[投影圖片]：

1、從熔融態(tài)結(jié)晶出來(lái)的硫晶體；

2、凝華得到的碘晶體；

3、從硫酸銅飽和溶液中析出的硫酸銅晶體。

[探究實(shí)驗(yàn)]：完成教材實(shí)驗(yàn)3-1，請(qǐng)同學(xué)們認(rèn)真觀察，并提問(wèn)同學(xué)觀察到什么現(xiàn)象。

[回答]：首先碘升華，然后在表面皿下面出現(xiàn)碘的固體。

[講解]：事實(shí)上，這里提到的固體就是凝華得到的碘晶體。

[過(guò)渡]：許多固體的粉末用肉眼是看不見(jiàn)晶體的，但我們可以借助于顯微鏡觀察，這也證

明固體粉末仍是晶體，只不過(guò)晶粒太小了！

[投影]：晶體二氧化硅和非晶體二氧化硅的示意圖

[提問(wèn)]：小組討論，通過(guò)比較，可以得出什么樣結(jié)論。

[回答]：晶體的原子排列有序，而非晶體則不是。

[講述]：從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，晶體的自范性是晶體中粒子在微觀空間里所呈的現(xiàn)周期性。

[講述]：通過(guò)前面對(duì)晶體與非晶體的討論，現(xiàn)在我們來(lái)總結(jié)一下，晶體有哪些特點(diǎn)：

[板書(shū)]：3、晶體的特點(diǎn)：

（1）有固定的幾何外形；

（2）有固定的熔點(diǎn)；

（3）有各向異性。

[解析]：對(duì)于同一幅圖案來(lái)說(shuō),從不同的方向?qū)徱?也會(huì)產(chǎn)生不同的感受,那么對(duì)于晶體來(lái)說(shuō),許多物理性質(zhì)：如硬度、導(dǎo)熱性、光學(xué)性質(zhì)等，因研究角度不同而產(chǎn)生差異，即為各向異性。

例如：藍(lán)晶石（Al2O3·SiO2）在不同方向上的硬度不同；石墨在與層垂直的方向上的導(dǎo)電率與層平行的方向上的導(dǎo)電率1∕10。

[小結(jié)]：可以根據(jù)晶體特點(diǎn)區(qū)別某一固體屬于晶體還是非晶體。然而，得出區(qū)別晶體與非晶體最可靠的方法是利用x-射線衍射實(shí)驗(yàn)。

[提問(wèn)]：通過(guò)這節(jié)課的學(xué)習(xí)，現(xiàn)在請(qǐng)你用一句話來(lái)定義晶體，應(yīng)該怎么說(shuō)？

[回答]：學(xué)生1、內(nèi)部原子有規(guī)律的排列的物質(zhì)；

學(xué)生2、內(nèi)部原子有規(guī)律的排列，且外觀為多面體的固體物質(zhì)。

[板書(shū)]：4、晶體的定義：

質(zhì)點(diǎn)（分子、離子、原子）在空間有規(guī)則地排列成的，具有整齊外型，以多面體出

現(xiàn)的固體物質(zhì)。

練習(xí)：

1、下列關(guān)于晶體與非晶體的說(shuō)法正確的是：

A、 晶體一定比非晶體的熔點(diǎn)高

B、 晶體有自范性但排列無(wú)序

C、 非晶體無(wú)自范性而且排列無(wú)序

D、 固體SiO2一定是晶體

2、區(qū)別晶體與非晶體最可靠的科學(xué)方法是：

A、 熔沸點(diǎn)

B、 硬度

C、 顏色

D、 x-射線衍射實(shí)驗(yàn)

第二課時(shí)：晶胞、原子在晶胞中的位置及其對(duì)晶胞的貢獻(xiàn)

[過(guò)渡]通過(guò)上面的學(xué)習(xí)，我們了解了晶體與非晶體的本質(zhì)區(qū)別，那我們?nèi)绾蝸?lái)描述晶體在微觀空間里原子的排列呢？有必要畫(huà)出千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)原子嗎？當(dāng)然不必，也是不可能的。

[講述]我們只需在晶體微觀空間里取出一個(gè)基本單元即可。

[實(shí)物展示]蜂巢

[講述]這就好比我們要研究蜂巢，因?yàn)榉涑彩怯蔁o(wú)數(shù)多個(gè)蜂室構(gòu)成的，所以我們只需研究一個(gè)個(gè)基本單元——蜂室就可以了。晶體和其基本單元的關(guān)系就和蜂巢與蜂室的關(guān)系一樣。晶體也是由無(wú)數(shù)多個(gè)重復(fù)的基本單元“無(wú)隙并置”而成。這些基本單元我們稱之為晶胞。

[板書(shū)]二、晶胞

[教師講述]“無(wú)隙”即無(wú)間隙，“并置”指晶胞都是平行排列，取向相同。

設(shè)計(jì)意圖：“晶胞”、“無(wú)隙并置”又是比較抽象、難以理解的概念，通過(guò)蜂巢實(shí)物展示，運(yùn)用比喻的方式介紹“晶體和晶胞”的關(guān)系，化抽象為形象，讓學(xué)生輕松掌握“晶胞”、“無(wú)隙并置”，并很好地理解晶胞和晶體的關(guān)系。

[幻燈投影]晶胞（一般都為平行六面體）

[師生活動(dòng)]首先由老師展示晶胞實(shí)物模型——一個(gè)平行六面體和一只乒乓球。乒乓球好比是晶體中的某個(gè)原子，請(qǐng)同學(xué)分組討論，這個(gè)原子在六面體上可以有幾個(gè)不同的位置出現(xiàn)？（學(xué)生分組討論，教師巡視指導(dǎo)）

[學(xué)生匯報(bào)]請(qǐng)一組同學(xué)代表匯報(bào)討論結(jié)果（結(jié)合實(shí)物，效果很好）

[動(dòng)畫(huà)投影]晶胞中原子可能在晶胞出現(xiàn)的不同位置包括：晶胞的頂點(diǎn)、棱上、面上、體內(nèi)

[師生活動(dòng)]這四個(gè)不同位置的原子對(duì)晶體的貢獻(xiàn)也不盡相同。分四組同學(xué)分別討論后告訴大家。（教師巡視，學(xué)生交流）

[學(xué)生匯報(bào)]學(xué)生分別匯報(bào)討論結(jié)果。（在投影上同步展示討論結(jié)論）

[幻燈投影]原子在晶胞的頂角、棱、面上及晶胞內(nèi)時(shí)，一個(gè)晶胞平均擁有的原子情況。并對(duì)學(xué)生的討論結(jié)果一一驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)意圖：有關(guān)晶胞中原子的位置及其對(duì)晶胞的貢獻(xiàn)是一個(gè)抽象，難以理解的問(wèn)題；用平行六面體和乒乓球作為實(shí)物模型，學(xué)生能很好地借助模型發(fā)揮空間想象；在學(xué)生討論、分析、匯報(bào)以后，再結(jié)合動(dòng)畫(huà)加以驗(yàn)證，將抽象的事物具體化，使學(xué)生學(xué)得輕松而又能很好地掌握相關(guān)知識(shí)；整個(gè)過(guò)程均由學(xué)生完成，學(xué)生真正地“動(dòng)”起來(lái)，課堂真正地“活”起來(lái)，真正培養(yǎng)了學(xué)生的空間想象能力，分析處理問(wèn)題的能力。

晶體結(jié)構(gòu)學(xué)(crystallology)又稱結(jié)構(gòu)晶體學(xué)。結(jié)晶學(xué)的一個(gè)分支。研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點(diǎn)排布的各種規(guī)律和晶體結(jié)構(gòu)的具體測(cè)定,以及實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)的不完善性。它對(duì)從根本上闡明晶體的一系列現(xiàn)象和性質(zhì)起著重要的作用 2100433B