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视频标签：离子晶体
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视频课题：人教版高二化学选修三《离子晶体》广州市执信中学
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人教版高二化学选修三《离子晶体》广州市执信中学
教学目标
知识与技能:熟练掌握配位数的计算方法;掌握晶胞中原子距离和晶体密度的计算方法。
过程与方法:利用数学上建系方法解决化学问题,初步学习将数学知识运用到化学中的方法;通过宏观实验与数据测定与微观分析的结合,更能找到物质的本质规律。
情感态度与价值观:体验科学家研究问题的一般思路;初步体验数学以及其他学科与化学之间的关系,树立学科交叉的概念。进一步提升学生的学科素养与知识综合运用能力。
2学情分析
通过在前一阶段的学习,学生对晶体的结构与基本性质有了一定的了解,也掌握了一些分析晶体结构的方法,但对晶胞中构成微粒的相对位置仍未能很好地理解,关 于微粒之间的距离,晶体的密度计算等未能熟练运用。在课本中只介绍了离子晶体的配位数、晶格能等基本参数,并没有具体介绍相关的计算方法。而在2015高 考考纲中,关于晶胞的理解作了以下的要求“能根据晶胞确定晶体的组成并进行相关的计算”。
本课的设计充分调动学生运用数学知识解决化学中晶体相关的问题。通过建立模型,引导学生理解晶胞中离子的相对位置;引导学生利用几何法计算晶胞中离子之间 的距离;同时,通过建立空间直角坐标系,对晶胞中各个离子相对位置作进一步认识,并通过坐标简便地计算两点之间的距离。
让学生提升学生学科交叉运用的解决问题的能力,进一步培养科学素养。此外,通过介绍“宝石具有颜色的原因”、“能否形成氢键”等问题,提高学生对晶体学习的兴趣。
本课充分利用在此前数学的学习中,提升学生的数与化学结合的能力,培养跨学科研究的兴趣。
3重点难点
教学重点:在离子晶体晶胞中,离子的相对位置。
教学难点:离子晶体晶胞中离子间的距离;晶体知识的综合应用计算。
4教学过程
4.1第一学时
4.1.1教学活动
活动1【导入】回顾氟化钙的晶胞结构
【讲授】CaF2的晶胞如图所示,一个CaF2的晶胞中含有4个Ca2+,8个F-。
Ca2+的配位数是8,F- 的配位数是4。
活动2【讲授】构建模型了解四面体和八面体空隙
【讲授】我们上一节课学习了离子键的特点,离子键没有方向性和饱和性。因此,每一层的原子都是紧密地堆积。由于离子是球状的,离子之间有空隙。以CaF2为例,Ca2+紧密堆积,中间存在空隙,F- 插入其中的空隙中。
【引导】为了研究填充方式方便,我们把CaF2晶胞切成8个小立方体进行研究。
【回答】Ca2+位于互不相邻的四个顶点上,F-位于小立方体的体内,这个小立方体的边长为晶胞边长的一半。
【回答】F-填入由四个Ca2+组成的四面体空隙中。
【提问】为什么F-可以填入由四个Ca2+组成的四面体空隙中?
【回答】因为F-的半径恰好占据了四面体的空隙,太大不能填入空隙中,太小容易掉落,晶体不稳定。
【引导】不同的类型的晶体填充空隙的方式不同,如NaCl晶体的晶胞中,Na+填入由6个Cl-组成的八面体空隙中。
活动3【活动】解决实际问题——共生
【过渡】我们带着这个思考方式,来解释生活中的问题。
【提问】请结合表1解释闪锌矿(ZnS)常与铁矿共生的原因。
【回答】Fe2+的半径与Zn2+的半径接近,且所带电荷数相同,Fe2+可以代替Zn2+填入晶体中。
【提问】请你猜测,随着闪锌矿中铁含量增多,闪锌矿在宏观上会有哪些变化?
【回答】闪锌矿中铁含量增多时,由浅变深,从白色到褐色;其划痕为浅绿色。
【总结】微观上的改变可以导致宏观性质的改变。
活动4【活动】解决实际问题——掺杂
【引导】按照这个思路,我们可以猜测主要成分为Al2O3的刚玉宝石会呈现不同颜色的原因。其中红宝石为红色的原因是Cr3+部分取代了Al3+在由O2-组成八面体的空隙中。
【提问】请猜想,Cr3+能否取代Na+的位置,形成红色的“食盐”?
【回答】我们知道Na+半径比Al3+大,而Cr3+的半径和Al3+的半径接近,因此,Cr3+的半径小于Na+的半径,可以取代了Na+在由Cl-组成八面体的空隙中。
【教授】这个红色的“食盐”的晶体在1990年时,已经被科学家培养出来了,他的结构如图所示。
【提问】利用Cr3+替代Na+,电荷不对,如何这个问题?
【回答】当一个Cr3+代替一个Na+时,为了保持晶体的电中性,可以减少Cr3+临近的Na+或增加阴离子来平衡,使晶体保持电中性。
活动5【讲授】晶体的研究在科研工作中的应用
【引导】晶体结构在科研工作中有着重要的意义。(阿狸的故事)
【引导】我们从阿狸的故事中可以知道研究晶体的一般过程。在研究晶体中,我们得到哪些重要的数据可以解决什么实际问题?
【回答】原子间的距离,可以解决是否形成氢键的问题、成键的问题。
活动6【讲授】晶体密度的计算
【引导】首先,我们解决密度的问题,密度是一个联系微观和宏观的一个重要的物理量。下面以CaF2为例,计算CaF2的密度。
【讲解】计算密度运用公式 ,请问m是什么的质量,V是什么的体积?
【回答】m是一个晶胞的密度,V是一个晶胞的体积。
【讲授】78 g是1mol CaF2的质量,是NA个CaF2的质量。每一个CaF2微粒的质量为78/NA ,晶胞中有4个CaF2微粒,故可以求出晶胞的质量 。
活动7【活动】晶体中微粒间距离的计算
【过渡】接下来,我们要研究的第二个晶胞的数据是原子间的距离。
【提问】已知,CaF2晶胞是一立方体。已知CaF2晶胞的边长为a,请讨论计算相邻F-和Ca2+的距离。【小组讨论】
【总结】方法一,几何法,小立方体体对角线为边长的 倍。
方法二,建立坐标系,通过确定原子坐标,利用空间中两点间距离公式计算两点间距离。
活动8【练习】总结晶胞中微粒间的距离
【练习】我们有三种常见的晶体模型,设晶胞的边长为a,请填写下表。
活动9【练习】解决实际问题——氢键
【引导】下面,我们通过实际的例子,体验计算晶胞中两个原子间的距离,像阿狸一样判断两个微粒之间是否存在氢键。
【讲解】这是Na2CO3·xH2O的晶胞,请判断O1和H1、H2之间能否形成氢键。
【讲解】我们可以算出O1和H1之间的距离是255.0 pm,存在氢键;O1和H2之间的距离是321.6 pm,也不存在氢键。
活动10【讲授】课堂小结
【提问】我们这节课上完之后,你最大的感受是什么?
【回答】数学作为一个工具,可以为化学服务,通过化学的方法,可以解决生物的问题。可以看出学科之间的交叉,学科并不是孤立存在的。学科的交叉是当今科学研究发展的一个重要方向。
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
