从微观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。
所决定的。
外观
密度(g/cm3)
熔点(K)
沸点(K)
莫氏硬度
导电、导热性
燃烧热(kJ/mol)
化学活泼性
金刚石
无色
透明
3.51
>3823
5100
10
不导电
395.40
不活泼
石墨
灰黑色不透明
2.25
3925
5100
1
导电、导热性好
393.50
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:
晶体种不同的方向上具有不同的物理性质。
固定熔点:
晶体具有周期性结构,熔化时,各部分需要同样的温度。
规则外形:
理想环境中生长的晶体应为凸多边形。
对 称 性:
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
离子晶体
原子晶体
分子晶体
金属晶体
实 例
氯化钠、硫酸铜、氢氧化钠
金刚石、二氧化硅
冰、干冰、甲烷
钠、钨、铜、汞
内部构成微粒
阴、阳离子
原子
分子
原子、阳离子、自由电子
微粒间作用力
离子键
共价键
分子间作用力
金属键
某些物理性质
熔、沸点
高
很高
低
差别很大
硬度
硬
很硬
软
导电、导热性
熔融态及其水溶液导电
非导体
不导电
是电和热的良导体
溶解性
易溶于水
不溶于水
能溶
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。