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視頻標簽：離子晶體
所屬欄目：高中化學優質課視頻
視頻課題：人教版高二化學選修三《離子晶體》廣州市執信中學
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人教版高二化學選修三《離子晶體》廣州市執信中學
教學目標
知識與技能:熟練掌握配位數的計算方法;掌握晶胞中原子距離和晶體密度的計算方法。
過程與方法:利用數學上建系方法解決化學問題,初步學習將數學知識運用到化學中的方法;通過宏觀實驗與數據測定與微觀分析的結合,更能找到物質的本質規律。
情感態度與價值觀:體驗科學家研究問題的一般思路;初步體驗數學以及其他學科與化學之間的關系,樹立學科交叉的概念。進一步提升學生的學科素養與知識綜合運用能力。
2學情分析
通過在前一階段的學習,學生對晶體的結構與基本性質有了一定的了解,也掌握了一些分析晶體結構的方法,但對晶胞中構成微粒的相對位置仍未能很好地理解,關 于微粒之間的距離,晶體的密度計算等未能熟練運用。在課本中只介紹了離子晶體的配位數、晶格能等基本參數,并沒有具體介紹相關的計算方法。而在2015高 考考綱中,關于晶胞的理解作了以下的要求“能根據晶胞確定晶體的組成并進行相關的計算”。
本課的設計充分調動學生運用數學知識解決化學中晶體相關的問題。通過建立模型,引導學生理解晶胞中離子的相對位置;引導學生利用幾何法計算晶胞中離子之間 的距離;同時,通過建立空間直角坐標系,對晶胞中各個離子相對位置作進一步認識,并通過坐標簡便地計算兩點之間的距離。
讓學生提升學生學科交叉運用的解決問題的能力,進一步培養科學素養。此外,通過介紹“寶石具有顏色的原因”、“能否形成氫鍵”等問題,提高學生對晶體學習的興趣。
本課充分利用在此前數學的學習中,提升學生的數與化學結合的能力,培養跨學科研究的興趣。
3重點難點
教學重點:在離子晶體晶胞中,離子的相對位置。
教學難點:離子晶體晶胞中離子間的距離;晶體知識的綜合應用計算。
4教學過程
4.1第一學時
4.1.1教學活動
活動1【導入】回顧氟化鈣的晶胞結構
【講授】CaF2的晶胞如圖所示,一個CaF2的晶胞中含有4個Ca2+,8個F-。
Ca2+的配位數是8,F- 的配位數是4。
活動2【講授】構建模型了解四面體和八面體空隙
【講授】我們上一節課學習了離子鍵的特點,離子鍵沒有方向性和飽和性。因此,每一層的原子都是緊密地堆積。由于離子是球狀的,離子之間有空隙。以CaF2為例,Ca2+緊密堆積,中間存在空隙,F- 插入其中的空隙中。
【引導】為了研究填充方式方便,我們把CaF2晶胞切成8個小立方體進行研究。
【回答】Ca2+位于互不相鄰的四個頂點上,F-位于小立方體的體內,這個小立方體的邊長為晶胞邊長的一半。
【回答】F-填入由四個Ca2+組成的四面體空隙中。
【提問】為什么F-可以填入由四個Ca2+組成的四面體空隙中?
【回答】因為F-的半徑恰好占據了四面體的空隙,太大不能填入空隙中,太小容易掉落,晶體不穩定。
【引導】不同的類型的晶體填充空隙的方式不同,如NaCl晶體的晶胞中,Na+填入由6個Cl-組成的八面體空隙中。
活動3【活動】解決實際問題——共生
【過渡】我們帶著這個思考方式,來解釋生活中的問題。
【提問】請結合表1解釋閃鋅礦(ZnS)常與鐵礦共生的原因。
【回答】Fe2+的半徑與Zn2+的半徑接近,且所帶電荷數相同,Fe2+可以代替Zn2+填入晶體中。
【提問】請你猜測,隨著閃鋅礦中鐵含量增多,閃鋅礦在宏觀上會有哪些變化?
【回答】閃鋅礦中鐵含量增多時,由淺變深,從白色到褐色;其劃痕為淺綠色。
【總結】微觀上的改變可以導致宏觀性質的改變。
活動4【活動】解決實際問題——摻雜
【引導】按照這個思路,我們可以猜測主要成分為Al2O3的剛玉寶石會呈現不同顏色的原因。其中紅寶石為紅色的原因是Cr3+部分取代了Al3+在由O2-組成八面體的空隙中。
【提問】請猜想,Cr3+能否取代Na+的位置,形成紅色的“食鹽”?
【回答】我們知道Na+半徑比Al3+大,而Cr3+的半徑和Al3+的半徑接近,因此,Cr3+的半徑小于Na+的半徑,可以取代了Na+在由Cl-組成八面體的空隙中。
【教授】這個紅色的“食鹽”的晶體在1990年時,已經被科學家培養出來了,他的結構如圖所示。
【提問】利用Cr3+替代Na+,電荷不對,如何這個問題?
【回答】當一個Cr3+代替一個Na+時,為了保持晶體的電中性,可以減少Cr3+臨近的Na+或增加陰離子來平衡,使晶體保持電中性。
活動5【講授】晶體的研究在科研工作中的應用
【引導】晶體結構在科研工作中有著重要的意義。(阿貍的故事)
【引導】我們從阿貍的故事中可以知道研究晶體的一般過程。在研究晶體中,我們得到哪些重要的數據可以解決什么實際問題?
【回答】原子間的距離,可以解決是否形成氫鍵的問題、成鍵的問題。
活動6【講授】晶體密度的計算
【引導】首先,我們解決密度的問題,密度是一個聯系微觀和宏觀的一個重要的物理量。下面以CaF2為例,計算CaF2的密度。
【講解】計算密度運用公式 ,請問m是什么的質量,V是什么的體積?
【回答】m是一個晶胞的密度,V是一個晶胞的體積。
【講授】78 g是1mol CaF2的質量,是NA個CaF2的質量。每一個CaF2微粒的質量為78/NA ,晶胞中有4個CaF2微粒,故可以求出晶胞的質量 。
活動7【活動】晶體中微粒間距離的計算
【過渡】接下來,我們要研究的第二個晶胞的數據是原子間的距離。
【提問】已知,CaF2晶胞是一立方體。已知CaF2晶胞的邊長為a,請討論計算相鄰F-和Ca2+的距離。【小組討論】
【總結】方法一,幾何法,小立方體體對角線為邊長的 倍。
方法二,建立坐標系,通過確定原子坐標,利用空間中兩點間距離公式計算兩點間距離。
活動8【練習】總結晶胞中微粒間的距離
【練習】我們有三種常見的晶體模型,設晶胞的邊長為a,請填寫下表。
活動9【練習】解決實際問題——氫鍵
【引導】下面,我們通過實際的例子,體驗計算晶胞中兩個原子間的距離,像阿貍一樣判斷兩個微粒之間是否存在氫鍵。
【講解】這是Na2CO3·xH2O的晶胞,請判斷O1和H1、H2之間能否形成氫鍵。
【講解】我們可以算出O1和H1之間的距離是255.0 pm,存在氫鍵;O1和H2之間的距離是321.6 pm,也不存在氫鍵。
活動10【講授】課堂小結
【提問】我們這節課上完之后,你最大的感受是什么?
【回答】數學作為一個工具,可以為化學服務,通過化學的方法,可以解決生物的問題。可以看出學科之間的交叉,學科并不是孤立存在的。學科的交叉是當今科學研究發展的一個重要方向。
視頻來源：優質課網 www.jixiangsibao.com
