8. 第七章 固体的结构与性质

无机化学学习指导第一章化学反应中的质量关系和能量关系[学习指导]1．“物质的量”（n）用于计量指定的微观基本单元或其特定组合的物理量，其单位名称为摩[尔]，单位符号为mol。

2.摩尔质量（M) M = m/n3.摩尔体积（V m）V m = V/n4.物质的量浓度（c B）c B = n B/V5.理想气体状态方程pV = nRT6.理想气体分压定律p= Σp B ；p B = (n B/n)p7.化学计量式和化学计量数O = ΣνB B ；νB B8.反应进度（ξ）表示化学反应进行程度的物理量，符号为ξ，单位为mol。

随着反应的进行，任一化学反应各反应物及产物的改变量：Δn B = νBξ9.状态函数状态函数的改变量只与体系的始、终态有关，而与状态变化的途径无关。

10.热和功体系和环境之间因温差而传递的热量称为热。

除热以外，其它各种形式被传递的能量称为功。

11.热力学能（U）体系部所含的总能量。

12.能量守恒定律孤立体系中能量是不会自生自灭的，它可以变换形式，但总值不变。

13.热力学第一定律封闭体系热力学能的变化：ΔU = Q + WQ > 0, W > 0, ΔU > 0；Q < 0, W < 0, ΔU < 0。

14.恒压反应热（Q p）和反应焓变（Δr H m）H(焓) ≡U + pV, Q p = Δr H m15.赫斯定律Q p = ∑Q B , Δr H m = ∑Δr H m(B)B B16.标准状况：p = 101.325kPa, T = 273.15 K标准(状)态：pθ= 100kPa下气体：纯气体物质液体、固体：最稳定的纯液体、纯固体物质。

溶液中的溶质：摩尔浓度为1mol·L-117.标准摩尔生成焓（）标准态下最稳定的单质─────—→单位物质的量的某物质=18.标准摩尔反应焓变（）一般反应cC + dD = yY + zZ=[y(Y) + z(Z)] - [c(C)+ d(D)]=Σνi(生成物) + Σνi(反应物)第二章化学反应的方向、速率和限度[学习指导]1.反应速率：单位体积反应进行程度随时间的变化率，即：2.活化分子：具有等于或超过E c能量（分子发生有效碰撞所必须具备的最低能量）的分子。

第七章固体的结构与性质思考题1.常用的硫粉是硫的微晶，熔点为112.8℃，溶于CS2，CCl4等溶剂中，试判断它属于哪一类晶体?分子晶体2.已知下列两类晶体的熔点：(1) 物质NaF NaCl NaBr NaI熔点/℃993 801 747 661(2) 物质SiF4SiCl4 SiBr4 SiI4熔点/℃ -90.2 -70 5.4 120.5为什么钠的卤化物的熔点比相应硅的卤化物的熔点高? 而且熔点递变趋势相反? 因为钠的卤化物为离子晶体，硅的卤化物为分子晶体，所以钠的卤化物的熔点比相应硅的卤化物的熔点高，离子晶体的熔点主要取决于晶格能，NaF、NaCl、NaBr、NaI随着阴离子半径的逐渐增大，晶格能减小，所以熔点降低。

分子晶体的熔点主要取决于分子间力，随着SiF4、SiCl4、SiBr4、SiI4相对分子质量的增大，分子间力逐渐增大，所以熔点逐渐升高。

3.当气态离子Ca2+，Sr2+，F-分别形成CaF2，SrF2晶体时，何者放出的能量多?为什么?形成CaF2晶体时放出的能量多。

因为离子半径r(Ca2+)<r(Sr2+),形成的晶体CaF2的核间距离较小，相对较稳定的缘故。

4. 解释下列问题：(1)NaF的熔点高于NaCl；因为r(F-)<r(Cl-),而电荷数相同，因此，晶格能：NaF>NaCl。

所以NaF的熔点高于NaCl。

(2)BeO的熔点高于LiF；由于BeO中离子的电荷数是LiF 中离子电荷数的2倍。

晶格能：BeO>LiF。

所以BeO的熔点高于LiF。

(3)SiO2的熔点高于CO2；SiO2为原子晶体，而CO2为分子晶体。

所以SiO2的熔点高于CO2。

(4)冰的熔点高于干冰(固态CO2)；它们都属于分子晶体，但是冰分子中具有氢键。

所以冰的熔点高于干冰。

(5)石墨软而导电，而金刚石坚硬且不导电。

石墨具有层状结构，每个碳原子采用SP2杂化，层与层之间作用力较弱，同层碳原子之间存在大π键，大π键中的电子可以沿着层面运动。

物质的结构与性质引言：在我们的日常生活中，我们不断接触和使用各种各样的物质，如水、空气、金属、塑料等。

这些物质在我们的生活中扮演着重要的角色，而它们的性质决定了它们在不同的条件下的行为和用途。

本节课将探讨物质的结构与性质之间的关系，以帮助学生更好地理解和应用这些物质。

一、物质的组成与结构物质是由微观粒子构成的，不同的物质由不同种类的微观粒子组成。

例如，金属由金属元素中的金属离子和自由电子组成，而水则由水分子（H2O）组成。

学生可以通过实验和观察，了解不同物质的组成和结构，并探讨它们对物质性质的影响。

二、固体、液体和气体的结构与性质不同的物质在不同状态下具有不同的结构和性质。

固体具有紧密有序的排列和定形的结构，因此具有固定的形状和体积。

液体的微观粒子排列比较紧密，但没有固定的形状，可以自由流动。

气体的微观粒子排列比较松散，具有较高的运动能力，能够填满整个容器。

通过实验观察，学生可以深入理解不同状态下物质的结构和性质，并将其应用于实际问题。

三、溶解与溶液的性质溶解是指固体、液体或气体在液体中完全混合形成溶液。

不同物质在溶液中的行为与性质各不相同。

有些物质溶解后形成导电溶液，如盐溶液和酸性溶液；而有些物质溶解后形成非导电溶液，如糖溶液和酒精溶液。

通过进行实验和分析，学生可以研究溶解和溶液的性质，并了解溶质和溶剂的概念。

四、化学反应与物质性质的变化化学反应是指物质之间发生的化学变化。

在化学反应中，原有物质的组成和结构发生了改变，导致了物质性质的变化。

例如，铁与氧气发生化学反应生成铁的氧化物，其物理和化学性质与铁和氧气有所不同。

通过实验观察和研究，学生可以了解化学反应对物质性质的影响，并应用于实际生活中的问题解决。

五、应用案例在本节课的最后，我们将通过一些实际案例来展示物质的结构与性质之间的关系。

例如，我们可以通过探索不同材料的导热性和导电性，设计更高效的散热器和电路。

我们还可以研究酸和碱的性质，了解它们在生活中的应用，如清洗剂和药品的制备等。

固体的结构与性质固体是物质的一种基本状态，其结构和性质对于我们理解和应用物质至关重要。

本文将从固体的结构与性质两个方面进行探讨，帮助读者深入了解固体的特点和相关知识。

一、固体的结构固体是由原子、离子或分子组成的，其内部结构紧密有序。

常见的固体结构有晶体和非晶体两类。

1. 晶体结构晶体是由规则重复排列的三维晶体格点构成的。

按照晶格的形状分类，晶体又可分为立方晶系、四方晶系、六方晶系、正交晶系、单斜晶系和三斜晶系六类。

晶体结构的特点包括：（1）周期性：晶体结构呈现规律的重复性，几何形状具有对称性。

（2）硬度：晶体由于内部原子、离子或分子的结合力较强，因此常具有较高的硬度。

（3）透明性：某些晶体的结构对入射光具有高度的吸收和散射，从而使得它们呈现出透明的性质。

2. 非晶体结构非晶体没有明确的晶体结构，其原子、离子或分子的排列形式是无序的、杂乱的。

非晶体的特点包括：（1）无规则性：非晶体内部原子、离子或分子无明显的规律性排列，呈现无序状态。

（2）随机性：在非晶态下，固体的物理性质随着组成成分的变化呈现连续性、可调节性。

（3）折射性：非晶体对光的折射性较强，使得它们呈现出不透明的特征。

二、固体的性质固体的性质是其结构特点所决定的，在以下几个方面表现出差异：1. 密度不同结构的固体具有不同的密度。

在一定温度和压力下，晶体的密度较大，而非晶体的密度较小。

这是因为晶体的有序排列使得原子、离子或分子之间的间隙较小，而非晶体中的无序性使得间隙较大。

2. 热导率晶体的热导率一般较高，是因为晶体中原子、离子或分子的排列紧密有序，传热路径较短。

非晶体由于其无序性，传热路径较长，因此热导率较低。

3. 电导率根据固体中携带电荷的粒子类型和可移动性的不同，固体的电导率表现出多样性。

金属固体因其自由电子的存在具有优良的导电性；离子晶体由于离子在结构中的周期性排列具有较高的电离度和离子迁移性；而非金属固体的电导率则相对较低。

4. 弹性固体的弹性是指其在受力作用下产生的变形和恢复的能力。

贵州大学固体物理学教案第一章：固体物理学概述1.1 固体物理学的基本概念固体的定义与分类晶体的基本特征晶体的空间点阵与布拉格子1.2 固体物理学的研究方法实验方法：X射线衍射、电子显微镜、光谱学等理论方法：周期性边界条件、平面波展开、密度泛函理论等1.3 固体物理学的历史与发展固态电子学的兴起晶体生长的技术发展新型材料的发现与应用第二章：晶体的结构与性质2.1 晶体的点阵结构点阵类型的定义与特点晶胞的参数与坐标描述晶体的对称性分析2.2 晶体的物理性质热膨胀与导热性弹性与硬度电性质与磁性质2.3 晶体的电子结构能带理论的基本概念电子在晶体中的散射与迁移半导体与半金属的特性第三章：金属物理学3.1 金属的电子结构自由电子模型与费米面电子与晶格振动的合作效应电子的输运性质3.2 金属的晶体结构金属晶体的常见类型晶界的特性与分类多晶体与微观缺陷3.3 金属的相变与合金相变的类型与特点合金的性能与设计纳米结构材料的应用第四章：半导体物理学4.1 半导体的电子结构能带结构的类型与特点载流子的产生与复合半导体的掺杂效应4.2 半导体的导电性质霍尔效应与载流子迁移率光电导性与光吸收半导体器件的应用4.3 半导体材料与应用硅与锗的特性与应用化合物半导体材料新型半导体材料的研究方向第五章：超导物理学5.1 超导现象的发现与发展超导的定义与实验发现超导体的临界温度与临界磁场超导体的微观机制5.2 超导材料的性质与应用交流超导电缆与磁体超导量子干涉器高温超导材料的发现与应用前景5.3 高温超导材料的合成与表征高温超导材料的合成方法材料的结构表征技术材料的热电性质测量第六章：固体的磁性质与自旋电子学6.1 固体的磁性基础电子的自旋与磁矩磁性材料的类型与特点磁性的宏观表现：磁化、磁化率、磁滞回环6.2 磁性材料的微观机制顺磁性、抗磁性、铁磁性、反铁磁性磁畴与磁畴壁磁性材料的晶体结构与磁性关系6.3 自旋电子学及其应用自旋极化与自旋注入磁隧道结与自旋转移矩自旋电子学器件与新型存储技术第七章：固体的光学性质7.1 固体的能带结构与光吸收能带结构与光吸收的关系直接跃迁与间接跃迁带隙与半导体的发光性质7.2 固体的发光性质与LED技术发光二极管（LED）的工作原理半导体激光器有机发光二极管（OLED）7.3 非线性光学与光子晶体非线性光学效应与器件光子晶体的基本概念与特性光子晶体在光通信中的应用第八章：固体的电性质与器件8.1 固体的电导性与电阻器电导性的微观机制金属的电导性与电阻器半导体的电导性与二极管8.2 固体的晶体管与集成电路晶体管的工作原理集成电路的设计与制造微电子技术与纳米电子学8.3 新型纳米电子器件纳米线与纳米带器件单分子电子器件量子点与量子线器件第九章：固体的热性质与热力学9.1 固体的热传导性质热传导的微观机制热导率的测量与影响因素热绝缘材料与热开关9.2 热力学第一定律与第二定律热力学基本方程与状态方程熵与无序度的物理意义热力学循环与效率9.3 固体热力学应用实例热电材料与热电器件热泵与制冷技术热力学在能源转换中的应用第十章：固体物理学的前沿领域10.1 新型纳米材料一维纳米材料：纳米线、纳米管二维纳米材料：石墨烯、过渡金属硫化物三维纳米材料：纳米颗粒、纳米结构10.2 新型超导材料高温超导材料的发现与发展铁基超导材料的特性与应用拓扑绝缘体与量子相变10.3 量子计算与量子通信量子比特与量子电路量子纠错与量子保护量子通信的实验进展与未来挑战10.4 固态器件的模拟与设计计算机模拟方法与软件工具基于第一性原理的电子结构计算器件设计与优化的一般方法重点和难点解析重点一：晶体的基本特征与点阵结构晶体具有长程有序、周期性重复的点阵结构。

《固体物理教案》课件第一章：固体物理概述1.1 固体物理简介介绍固体物理的基本概念和研究内容强调固体物理在材料科学和工程领域的重要性1.2 固体的基本性质介绍固体的分类和晶体结构讲解固体的弹性、塑性、硬度和导电性等基本性质1.3 固体材料的制备和characterization介绍固体材料的制备方法，如熔融、蒸发、溅射等讲解固体材料的表征技术，如X射线衍射、电子显微镜等第二章：晶体结构与晶体缺陷2.1 晶体结构的基本概念介绍晶体的定义和特征讲解晶体的点阵结构和空间群理论2.2 常见晶体结构介绍金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体的结构特点举例讲解不同晶体结构的代表性材料2.3 晶体缺陷介绍晶体缺陷的类型和性质讲解晶体缺陷对材料性能的影响第三章：固体的电子性质3.1 电子分布与能带理论介绍电子分布的基本概念讲解能带理论的基本原理和应用3.2 半导体的电子性质介绍半导体的能带结构和导电机制讲解半导体的掺杂和器件应用3.3 金属的电子性质介绍金属的能带结构和导电机制讲解金属的电子迁移率和电子束效应等性质第四章：固体的热性质4.1 热传导的基本概念介绍热传导的定义和方式讲解热传导的微观机制4.2 热膨胀和热容介绍热膨胀和热容的概念讲解热膨胀系数和热容的计算方法4.3 超导现象介绍超导现象的发现和基本原理讲解超导体的特性和应用第五章：固体材料的力学性质5.1 弹性和塑性介绍弹性和塑性的定义和区别讲解弹性模量和塑性变形的微观机制5.2 硬度和磨损介绍硬度的概念和测量方法讲解磨损的机制和防止方法5.3 断裂和强度介绍断裂的类型和强度概念讲解断裂韧性和疲劳强度的计算方法第六章：固体的磁性质6.1 磁性的基本概念介绍磁性的定义和分类讲解磁化强度、磁化率和磁化曲线等基本概念6.2 晶体磁性介绍顺磁性、抗磁性和铁磁性等晶体磁性的基本特性讲解磁晶场的概念和磁畴结构的形成6.3 磁性材料及其应用介绍软磁性材料和硬磁性材料的特点和应用讲解磁性材料在电机、传感器和存储器等领域的应用第七章：固体的光学性质7.1 光的传播与折射介绍光的传播原理和折射定律讲解光在不同介质中的传播特性7.2 光的吸收与发射介绍光的吸收和发射现象讲解能级跃迁和量子亏损等基本概念7.3 固体的发光性质介绍固体的发光机制和分类讲解LED和激光器等固体发光器件的原理和应用第八章：固体的电性质8.1 电导率和电阻率介绍电导率和电阻率的定义和计算方法讲解电子散射和载流子浓度的关系8.2 半导体器件介绍半导体器件的基本原理和分类讲解晶体管、二极管和光电器件等半导体器件的结构和特性8.3 介电材料介绍介电材料的分类和介电常数的概念讲解介电材料的电容和绝缘性能等特性第九章：固体的声性质9.1 声波的基本概念介绍声波的定义和传播原理讲解声速和声波的衰减等基本特性9.2 固体的声学性质介绍固体的声速和声波的传播特性讲解声波在固体中的散射和衰减现象9.3 声波的应用介绍声波在通信、医学和材料检测等领域的应用讲解声波传感器和声波换能器等器件的原理和应用第十章：固体物理实验技术10.1 固体物理实验基本方法介绍固体物理实验的基本技术和设备讲解样品制备、表征和测量等实验方法10.2 实验数据分析方法介绍实验数据的误差分析和信号处理方法讲解数据拟合和参数估计等数据分析技术10.3 固体物理实验案例分析分析固体物理实验的实际案例讲解实验结果的物理意义和应用价值重点和难点解析1. 固体物理的基本概念和研究内容，以及其在材料科学和工程领域的重要性。

第七章固体、液体和气体的性质在20世纪上半叶，物理学对固体的研究主要是针对自然界天然存在物体的一些物理现象，例如各种金属和非金属晶体。

但到20世纪下半叶，固体物理逐渐演变为含义更广的凝聚态物理（液态也包括在内）。

研究方法上主要是从微观结构和微观粒子（分子、原子、电子）的运动来研究其宏观性质。

我们从分子动理论可以知道，分子不停地在做无规则运动，它们之间有相互作用力存在。

分子力的作用使分子聚集在一起，分子的无规则运动又使它们分散开来，这两种作用相反的因素决定了分子的三种不同的聚集状态：固态、液态和气态。

固体和液体有一个共同点，即原子、分子间距离较短，彼此间有较强的作用，它们都不易被压缩。

而气体和液体都没有一定的形状，都具有流动性，所以统称为流体。

气体分子间距离较大，分子间的作用十分微弱，可以认为气体分子除了跟别的分子或跟器壁碰撞时有相互作用外，不受其他任何作用力，所以气体分子可以到达容器的任何角落而充满整个容器。

本章我们将学习固体、液体和气体的性质，以及它们的微观结构。

第七章 A 固体的基本性质瑞典皇家科学院于1996年10月宣布，将当年诺贝尔化学奖授予美国的罗伯特·柯尔、理查德·斯莫利和英国的哈罗德·克罗托。

这三位科学家获奖的原因是他们发现了一种新的碳的同素异构体：碳- 60。

这种分子形状很像足球的新材料有许多独特的性质，将在21世纪的经济建设中发挥重要的作用。

图7-1那么，极微小的“足球”为什么会在科技界引起如此巨大的轰动效应呢？要解释这些问题，我们必须从固体的微观结构及其基本性质讨论起。

一、晶体和非晶体固体是一种物质的凝聚态。

从结构上说，一般可以把固体分成晶体和非晶体两大类，我们平时接触的物质，如金属、玻璃、木材、泥土等，其中哪些是晶体？哪些是非晶体呢？拓展联想你知道什么是凝聚态物质吗？物质除气、液、固三种常见状态外，还有介于液、固之间的中间态、等离子态、低温下的特殊量子态（如超流态）等。