1.3.3 晶体的缺陷
在实际的晶体中，由于晶体形成条件、粒子的热运动及其他条件的影响，粒子的排列不可能非常完整和规则，往往存在偏离了理想晶体结构的区域。这些与完整周期性点阵结构的偏离就是晶体中的缺陷，而这种缺陷对晶体性质的影响有时是很大的。晶体的缺陷大致可以分为点缺陷，线缺陷和面缺陷。
1.点缺陷 是指三维尺寸都很小、不超过几个原子直径的缺陷，主要有空位、杂质粒子、间隙粒子、错位粒子和变价粒子。
2.线缺陷 是指三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方向上尺寸较大的缺陷。属于这类缺陷的主要是位错。位错指晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。
3.面缺陷 是指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。通常是指晶界和亚晶界。
由于晶体缺陷破坏了正常的点阵结构，它对晶体的一系列物理、化学性质产生明显影响。如它会影响到晶体的力学性质、光学性质、电学性质，此外对催化剂性能也有影响。但是晶体的缺陷是普遍存在、不可避免的，所以人们已开始有意识、有目的地利用缺陷，从而制成具有不同性能的材料，以满足多种需要。例如，钢铁中残留的碳，如果以片状石墨的形式存在于钢铁中，则钢铁受力后容易断裂，根本不能做结构材料，但它有很好的减震作用，可做机床的底座。如果将片状石墨转化成球形石墨，则钢铁不仅不易断裂，而且能增加其耐磨性和机械强度。
【人物简介】
1.约翰·道尔顿(John Dalton，1766—1844) 英国化学家、物理学家，近代化学之父。1766年9月6日生于坎伯雷，1844年卒于曼彻斯特。父亲是一位农民兼手工业者。幼年时家贫，无钱上学，加上又是一个色盲者，但他以惊人的毅力，自学成才。1778年在乡村小学任教；1781年应表兄之邀到肯德尔镇任中学教师，在哲学家高夫的帮助下自修拉丁文、法文、数学和自然哲学等，并开始对自然观察，记录气象数据，从此学问大有长进；1793年任曼彻斯特新学院数学和自然哲学教授；1796年任曼彻斯特文学和哲学会会员，1800年担任该会的秘书，1817年升为该会会长；1816年被选为法国科学院通讯院士；1822年被选为皇家学会会员。1826年，英国政府将英国皇家学会的第一枚金质奖章授予了道尔顿。
2.范德华(J.D.vanderWaals，1837—1923) 荷兰物理学家。青年时代家境贫寒，无力入学读书，在工作之余刻苦钻研，自学成才。1874年他的论文《论液态和气态的连续性》引起了学术界的关注，并获得了莱顿大学的博士学位。1877—1910年任阿姆斯特丹大学教授。1910年因研究气态和液态方程获诺贝尔物理学奖。原子间和分子间的吸引力被命名为范德华力。1873年，他最先假设了这种力，以研究关于真实气体的理论。
3.范特霍夫(J..Van’tHoff，1852—1911) 1852年8月30日出生于荷兰的鹿特丹市，19岁时考入莱顿大学数学系，第二年他又转到波恩大学专攻化学，幸运地成为著名的有机化学家凯库勒(F.A.Kekule)的学生，开创了以有机化合物为研究对象的立体化学。范特霍夫对化学的另一重大贡献是有关物理化学理论的发展。1885—1886年又发表了一系列稀溶液理论研究论文，正是这些在物理化学上取得的成绩，使他获得首届(1901年)诺贝尔化学奖。1911年3月1日，年仅59岁的范特霍夫由于长期超负荷工作，不幸逝世。
【阅读材料】
等离子体
等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分被剥夺电子后的原子及电离产生的负电子组成的气体状物质，它是除去固、液、气外物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过设计的磁场，可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提供新的技术和工艺。
看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体。现在人们已经掌握利用电场和磁场的产生来控制等离子体，例如焊工们用高温等离子体焊接金属。
等离子体可分为两种：高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体只有在温度足够高时才发生，太阳和恒星不断地发出这种等离子体。低温等离子体是在常温下发生的等离子体(虽然电子的温度很高)，可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。
等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号的电荷)、电子、原子和分子。其实，人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电，以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎99.9%以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和星际空间等。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。
等离子体和普通气体性质不同，普通气体由分子构成，分子之间的相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，其相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述。在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果。等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。电场和磁场影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束做回旋运动。等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态。
等离子体主要用于以下三方面。
(1)等离子体冶炼：用于以普通方法难于冶炼的材料，例如高熔点的锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，如碳化钨—钴、Mo—Co、Mo—Ti—Zr—C等粉末。等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好，可免除容器材料的污染。
(2)等离子体喷涂：许多设备的部件应能耐磨、耐腐蚀、抗高温，为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体(部件)上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可大大提高喷涂质量。
(3)等离子体焊接：可用以焊接钢、合金钢、铝、铜、钛等及其合金，特点是焊缝平整，可以再加工，没有氧化物杂质，焊接速度快；用于切割钢、铝及其合金，切割厚度大。
在宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态。宇宙研究、宇宙开发，以及卫星、宇航、能源等新技术将随着等离子体的研究而进入新时代。
液晶
液晶相需要具有特殊形状分子组合才会产生，它们可以流动，又拥有结晶的光学性质。液晶的定义，现在已放宽而囊括了在某一温度范围可以是现液晶相，在较低温度为正常结晶之物质。而液晶的组成物质是一种有机化合物，也就是以碳为中心所构成的化合物。同时具有两种物质的液晶，是以分子间力量组合的，它们的特殊光学性质和对电磁场敏感，极有实用价值。
液晶显示材料最常见的用途是电子表和计算器的显示板。为什么会显示数字呢?原来这种液态光电显示材料利用液晶的电光效应把电信号转换成字符、图像等可见信号。液晶在正常情况下，其分子排列很有秩序，显得清澈透明，一旦加上直流电场，分子的排列被打乱，一部分液晶变得不透明，颜色加深，因而能显示数字和图像。
液晶的电光效应是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受电场调制的光学现象。
一些有机化合物和高分子聚合物，在一定温度或浓度的溶液中，既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性，这就是液晶。液晶光电效应受温度条件控制的液晶称为热致液晶；溶致液晶则受控于浓度条件。显示用液晶一般是低分子热致液晶。
根据液晶会变色的特点，人们利用它来指示温度、报警毒气等。例如，液晶能随着温度的变化，使颜色从红变绿、变蓝，这样可以指示出某个实验中的温度。液晶遇上氯化氢、氢氰酸之类的有毒气体，也会变色。在化工厂，人们把液晶片挂在墙上，一旦有微量毒气逸出，液晶变色了，就提醒人们赶紧去检查、补漏。
液晶种类很多，通常按液晶分子的中心桥键和环的特征进行分类。目前已合成了1万多种液晶材料，其中常用的液晶显示材料有上千种，主要有联苯液晶、苯基环己烷液晶及酯类液晶等。液晶显示材料具有明显的优点：驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示器、便于携带等。由于这些优点，用液晶材料制成的计算机终端和电视可以大幅度减小体积。液晶显示技术对显示显像产品结构产生了深刻影响，促进了微电子技术和光电信息技术的发展。
超密态
在通常状况下，铁的密度是每立方厘米7.9g，为普通岩石密度的两倍多。铂的密度是每立方厘米21.5g，约为铁的密度的2.8倍，其密度在地球上可谓很大。然而，在宇宙中，有些天体的密度大得惊人。
20世纪20年代发现的一类新的恒星——白矮星，按地球引力计算，其中心密度为每立方厘米100吨左右。为什么白矮星有如此惊人的密度呢?根据现代物理学和现代化学的研究，原来组成白矮星的物质受到超高压(如几百万个大气压)时，不仅分子之间的空隙及原子之间的空隙早已被压得消失了，而且原子核与电子之间的空隙(原子核的体积只占整个原子体积的几千亿分之一，因此原子内是十分敞空的)也被压得几乎没有了。这时，电子全部被压进原子内层，电子壳层不复存在，其密度几乎接近原子核的密度，故白矮星的密度大得惊人。
但是，密度最大的天体要算另一类恒星——中子星。1939年，美国物理学家奥本海默根据广义相对论研究了中子星的结构，指出中子星是几乎完全由中子组成的天体。在该天体中，由于超高压的作用，原子核外的电子99%被压进原子核，与核内质子结合形成了中子。根据地球引力计算，中子星的密度每立方厘米达10亿吨左右。如此高的密度，让人难以相信，也无法想象。如果超高压的作用把地球和月球分别压成中子星，那么地球的直径只有200m左右，月球的直径则只有2.5m左右。也就是说，一粒小桃核那么小的中子星物质，需要10万艘万吨级巨轮才能拖动它。
像白矮星和中子星这样超高密度的物质已与一般固体全然不同，故被称为超固体，其物质形态称为超密态。如果超固体几乎全部由中子组成，则被称为中子态，例如中子星。中子星以脉冲形式辐射出强烈的电磁波，自20世纪60年代以来，宇宙中已发现的中子星有300多颗。
【思考题】
1.总结理想气体状态方程式有哪些应用，并举例说明。
2.实际气体在哪些条件下近似为理想气体，并举例说明。
3.举例说明如何计算混合气体中组分B的分压pB。
4.说明范德华方程式中a、b的物理意义。在低压高温下，如何将范德华方程式简化为理想气体状态方程式?
5.在相同体积、相同压力和相同温度下，两种气体的摩尔质量分别为M1和M2(M1＜M2)，试比较下面量的大小：
(1)质量M1和M2；(2)物质的量1和n2；(3)两种气体的密度ρ1和ρ2。
6.溶液的浓度有哪些表示方法?对稀的水溶液，试推导其质量摩尔浓度与溶质的摩尔分数的关系。
7.正确理解“饱和蒸气压”的概念及稀溶液的依数性，并举例说明。
8.试用稀溶液的依数性解释，为什么冬天下雪后，在雪地上撒些盐可加快雪的融化。
9.简述工业上或实验室中采用易潮解的氯化钙、五氧化二磷作为干燥剂的原理。
10.将下列水溶液按沸点的高低顺序排列为________。
(1)0.1mol·kg-1CH3COOH (2)1mol·kg-1H2SO4
(3)1mol·kg-1NaCl (4)1mol·kg-1C6H12O6
(5)0.1mol·kg-1CaCl2 (6)0.1mol·kg-1NaCl
(7)0.1mol·kg-1C6H12O6
11.简述晶体与非晶体的区别。
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