《物质结构与性质》——16、物质的聚集状态与晶体的常识（上）

第三章  晶体结构与性质

第一节　物质的聚集状态与晶体的常识

自然界中绝大多数物质是固体。

常见的晶体类型有分子晶体、共价晶体、金属晶体和离子晶体，还有一些是过渡晶体、混合晶体等。

晶体的结构决定了晶体的性质，包括晶体的熔点、密度、硬度、还原性、溶解性、热分解性、化学反应性、生物活性等。

一、物质的聚集状态

1、物质三态的相互转化

分子是保持物质性质的最小粒子，物质的三态变化只是分子间的距离发生了变化。

分子在固态时只能振动，气态时可以自由移动，液态时介乎二者之间。

2、物质的其它聚集状态

通过X射线衍射等实验手段，人们发现许多常见的晶体，包括气态、液态物质，并无分子，有些物质由原子、离子等微粒构成。如氯化钠、石墨、二氧化硅、金刚石及各种金属等。

物质的聚集状态还有晶态、非晶态、塑晶态、液晶态等。  

（1）等离子体

概念：气态物质在高温或者在外加电场激发下，分子发生分解，产生电子和阳离子等。这种由电子、阳离子和电中性粒子（原子或分子）组成的，整体上呈电中性的气态物质称为等离子体。

等离子体就存在我们周围。如，日光灯的和霓虹灯的灯管里、火焰里、极光和雷电里。

特点：等离子体含有带电粒子能自由移动，因而具有良好的导电性和流动性。

应用：等离子体用途十分广泛，如制造等离子体显示器；利用等离子体进行化学合成；核聚变反应也是在等离子态下发生的。

（2）液晶

概念和特点：液晶是介于液态和晶态之间的物质状态，既具有液体的流动性、黏度、形变性等，又具有晶体的某些物理性质，如导热性、光学性质、各向异性等。

分类：热致液晶（熔点和澄清点之间）、溶致液晶（即胶束，从溶液中获得）。

应用：手机、电脑和电视的液晶显示器，由于施加电场可使液晶的长轴取向发生不同程度的改变，从而显示数字、文字或图像。再如，合成高强度液晶纤维已广泛应用于飞机、火箭、坦克、舰船、防弹衣、防弹头盔等。

二、晶体与非晶体

在实验室和日常生活中见到过许多固体，如白磷（P4）、硫黄（S8）、碘（I2）、高锰酸钾（KMnO4）、胆矾（CuSO4∙H2O）、碳酸钙（CaCO3）等，还有金属、玻璃、陶瓷、砖瓦、水泥、塑料、橡胶、木材等。

这些固体，有些是晶体，有些不是晶体（非晶体）。  

1、晶体与非晶体的本质差异

自范性：晶体能自发地呈现多面体外形的性质。自发过程即自动发生的过程，仍需要一定条件。

晶体呈现自范的条件之一是晶体生长的速率要适当。熔融态物质冷凝时，有时得到晶体，但凝固速率过快，常得到多面体外形的粉末，或不规则的块状物，甚至形成非晶态（玻璃态）。

如天然水晶球是熔融态二氧化硅冷凝形成，它的外层是看不到晶体外形的玛瑙，是二氧化硅快速冷却形成，内层才是呈现晶体外形的水晶，是二氧化硅缓慢冷却形成。  

2、得到晶体的途径

得到晶体的途径有三条：

(1)熔融态物质凝固。如，液态硫冷凝得到硫晶体。

(2)气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)。如，碘蒸气凝华得到碘晶体。

(3)从溶液中析出溶质。如，从饱和硫酸铜溶液中析出胆矾。

得到晶体的三条途径都可制得有重要价值的大晶体。

如，由熔融硅制备单晶硅；制造激光器的KH2PO4大晶体是从溶液中结晶得到；CVD宝石级钻石由烷烃分解出的碳通过化学气相沉淀得到。

3、晶体的特性和检验

(1)晶体有自范性：

原因是晶体中的粒子在微观空间里，呈现周期性有序排列。非晶体中粒子排列相对无序，所以无自范性。下图中左边是晶体二氧化硅，右边是非晶体二氧化硅。

可用X射线衍射实验区别晶体和非晶体，这是最可靠的方法。  

(2)晶体有各向异性：

由于晶体内部质点排列有序，晶体在不同方向上表现出不同的物理性质（即各向异性），包括强度、导热性、导电性、光学性质等。

如，在水晶表面滴一滴石蜡，用一根红热铁针刺中凝固的石蜡，石蜡在不同方向上熔化的快慢不同，这是导热性的各向异性。

而非晶体没有各向异性，可用于区别晶体和非晶体。

(3)晶体有固定的熔点：

晶体有固定的熔点，而非晶体没有固定的熔点。也可用于晶体和非晶体的区别。

思考：

如图是一张玻璃的微观结构示意图，判断玻璃是不是晶体。

玻璃不是晶体，基粒子不是周期性有序排列。

根据晶体的物理性质有各向异性，鉴别用玻璃仿制的假宝石，有哪些可能的方法。

宝石是晶体，具有固定的熔点和各向异性，可用硬度、熔点等性质来鉴别宝石。观察宝石的形状，具有多面体的外形；测试它的硬度，可在玻璃上刻画出痕迹；进行X射线衍射实验鉴别。