課題
《物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體的常識》
單元
3
學科
化學
年級
高二
教材
分析
本章內(nèi)容比較系統(tǒng)地介紹了晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，內(nèi)容比較豐富。第三章作為選修性必修2結(jié)尾章，與前兩章一起構(gòu)成“原子、分子、晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”三位一體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊的基本內(nèi)容。本節(jié)教學內(nèi)容是人教版高中化學選擇性必修第二冊第三章《晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》第一節(jié)《物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體常識》第二課時。晶胞是描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元，是研究晶體結(jié)構(gòu)的最基本概念，教科書利用圖片、比喻等方式介紹了晶體與晶胞的關(guān)系，并通過例子介紹了如何計算晶胞中所含的原子數(shù)。
本節(jié)安排了“晶胞與晶體結(jié)構(gòu)的測定”這部分內(nèi)容。學生通過學習這部分知識，了解晶胞的概念，認識晶體與晶胞的關(guān)系，理解晶胞“無隙并置”構(gòu)成晶體的過程。通過交流討論，掌握不同晶胞中平均所含粒子個數(shù)的計算方法——“均攤法”。
教學目標與核心素養(yǎng)
證據(jù)推理與模型認知：了解晶胞的概念，認識晶體與晶胞的關(guān)系，理解晶胞“無隙并置”構(gòu)成晶體的過程。掌握不同晶胞中平均所含粒子個數(shù)的計算方法——“均攤法”。
科學探究與創(chuàng)新意識：知道晶體X射線衍射實驗時測定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本方法和實驗手段。
重點
難點
晶胞、均攤法
教學過程
教學環(huán)節(jié)
教師活動
學生活動
設(shè)計意圖
導入新課
為了描述晶體在微觀空間里原子的排列，無須畫出千千萬萬個原子，只需在晶體微觀空間里取出一個基本單元即可。
這種描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元叫做晶胞。
思考
通過思考，引發(fā)學生興趣，提高學生學習積極性。
講授新課
第一節(jié) 物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體常識
第二課時 晶胞與晶體結(jié)構(gòu)的測定
一、晶胞
1.定義
描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元叫做晶胞。
晶胞是晶體中最小的結(jié)構(gòu)重復單元。
2.晶體和晶胞的關(guān)系
一般來說,常規(guī)的晶胞都是平行六面體,整塊晶體可以看作是數(shù)量巨大的晶胞“無隙并置”而成。
(1)“無隙”是相鄰晶胞之間沒有任何間隙。
(2)“并置”是所有晶胞都是平行排列的,取向相同。
(3)所有晶胞的形狀及其內(nèi)部的原子種類、個數(shù)及幾何排列是完全相同的。
3.晶胞的特點及晶胞中粒子個數(shù)的計算
①晶胞的特點
(1)晶胞一般是平行六面體，其三條邊的長度不一定相等，也不一定互相垂直。晶胞的形狀和大小由具體晶體的結(jié)構(gòu)所決定。
(2)整個晶體就是晶胞按其周期性在三維空間重復排列而成。每個晶胞上下左右前后無隙并置地排列著與其一樣的無數(shù)晶胞，決定了晶胞的8個頂角、平行的面以及平行的棱完全相同。
例如，圖3-8的右圖是金屬銅的一個晶胞，它是一個立方體，含4個銅原子。這張圖里不是有14個銅原子嗎？怎么說一個晶胞只含4個銅原子呢？
原來，我們在觀察晶胞圖時，千萬不能忘記，晶胞只是晶體微觀空間結(jié)構(gòu)里的一個基本單元，在它的上下左右前后無隙并置地排布著無數(shù)晶胞，而且所有晶胞的形狀及其內(nèi)部的原子種類、個數(shù)及幾何排列（包括取向）是完全相同的。
晶胞的頂角原子是8個晶胞共用的，晶胞棱上的原子是4個晶胞共用的，晶胞面上的原子是兩個晶胞共用的，因此，金屬銅的一個晶胞的原子數(shù)=8 QUOTE
均攤法：晶胞任意位置上的一個原子如果是被x個晶胞所共有，那么，每個晶胞對這個原子分得的份額就是1/x
②晶胞中粒子數(shù)目的計算——均攤法
“均攤法”是計算每個晶胞平均擁有的粒子數(shù)目的常用方法。其基本理念是每個粒子被n個晶胞所共用,則該粒子有 屬于這個晶胞。
(1)長方體(含正方體)晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計算(如下圖)
立方晶胞
氯化鈉晶胞中所含的Na+、Cl-數(shù)
氯化鈉晶胞如圖所示,其中體積較小的為Na+離子(填“Na+”或“Cl-”,下同),體積較大的為Cl-離子,則晶胞中含4個Na+(提示:晶胞中心還有一個Na+)和4個Cl-。
思考與討論
(1)晶胞有幾套平行棱？有幾套平行面？
晶胞有3套平行棱，有3套平行面。
(2)下圖依次是金屬鈉(Na)、鋅(Zn)、碘(12)、金剛石(C)晶胞的示意圖，數(shù)一數(shù)，它們分別平均含幾個原子?
二、晶體結(jié)構(gòu)的測定
測定晶體結(jié)構(gòu)最常用的儀器是X射線衍射儀。
通過晶體的X射線衍射實驗獲得行射圖后，經(jīng)過計算可以從衍射圖形獲得晶體結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息，包括晶胞形狀和大小、分子或原子在微觀空間有序排列呈現(xiàn)的對稱類型、原子在晶胞里的數(shù)目和位置等，以及結(jié)合晶體化學組成的信息推出原子之間的相互關(guān)系。
1.X射線衍射原理
單一波長的X射線通過晶體時,X射線和晶體中的電子相互作用,會在記錄儀上產(chǎn)生分立的斑點或明銳的衍射峰。
2.X射線衍射實驗獲得晶胞信息
晶體的X射線衍射實驗圖經(jīng)過計算,可以獲得包括晶胞形狀和大小、分子或原子在微觀空間有序排列呈現(xiàn)的對稱類型、原子在晶胞里的數(shù)目和位置等,以及結(jié)合晶體化學組成的信息推出原子之間的相互關(guān)系。
3.X射線衍射實驗獲得分子信息
通過晶體X射線衍射實驗,可以測定晶胞中各個原子的位置(坐標),根據(jù)原子坐標,可以計算原子間的距離,判斷哪些原子之間存在化學鍵,確定鍵長和鍵角,得出分子的空間結(jié)構(gòu)。
例如，通過晶體X射線衍射實驗，對乙酸晶體進行測定，可以得出乙酸晶胞，晶胞中含有4個乙酸分子（如圖3-15）。并且，測定晶胞中各個原子的位置（坐標），根據(jù)這些原子之間存在化學鍵，確定鍵長和鍵角，從而，得出分子的空間結(jié)構(gòu)。
【課堂練習】
1．判斷正誤(對的在括號內(nèi)打“√”，錯的在括號內(nèi)打“×”。)
(1)晶胞是晶體的最小重復單元。( )
(2)晶胞中的任何一個粒子都只屬于該晶胞。( )
(3)位于頂角上的粒子一定為8個晶胞所共有。( )
(4)X射線通過晶體,導致晶體發(fā)生化學變化,形成特征的衍射圖。( )
答案： (1)√ (2)× (3)× (4)×
2.下圖是某晶體的晶胞示意圖,其中X粒子位于此晶胞的中心,Y粒子位于8個頂點,該晶體中粒子X和Y的個數(shù)比是( )
A.1∶1 B.1∶2
C.1∶4 D.1∶8
解析: A 。X粒子屬于晶胞獨立擁有,而每個Y粒子則為8個晶胞共用,每個晶胞均攤Y粒子的個數(shù)為 ×8=1,故A項正確。
3.話筒是聲電轉(zhuǎn)換的換能器,在話筒中有一種材料的結(jié)構(gòu)如圖所示,它的主要成分是鈦酸鋇,根據(jù)晶胞的結(jié)構(gòu)示意圖,可知它的化學式是( )
A.BaTi8O12 B.BaTi4O6
C.BaTi2O4 D.BaTiO3
解析:仔細觀察鈦酸鋇晶胞的結(jié)構(gòu)示意圖可知:Ba在立方體的體心,完全屬于該晶胞;Ti處于立方體的8個頂點,O處于立方體的12條棱的中點,故晶胞中Ba、Ti、O三種原子的個數(shù)比為
4.如圖為甲、乙兩種晶體的晶胞示意圖:
試寫出:
(1)甲晶體的化學式(X為陽離子)為 。
(2)乙晶體中A、B、C三種粒子的個數(shù)比是 。
答案：X3Y 1∶3∶1
規(guī)律總結(jié) 晶體化學式的確定流程:觀察確認粒子種類→確定各粒子在晶胞中的位置→用均攤法求晶胞均攤各粒子的數(shù)目→求各粒子數(shù)目的最簡比→確定化學式。
5.如圖所示為高溫超導領(lǐng)域里的一種化合物——鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)是具有代表性的最小重復單元。
(1)在該物質(zhì)的晶體中,每個鈦離子周圍與它最接近的
且等距離的鈦離子共有 個。
(2)該晶體中,元素氧、鈦、鈣的粒子個數(shù)比是 。
答案： 6 3：1：1
解析:回答第(1)小題要注意發(fā)揮空間想象力,在晶胞的上、下、左、右、前、后都有完全等同的晶胞,依據(jù)一個晶胞我們能觀察到3個與鈦離子最接近且等距離的鈦離子,在與這3個鈦離子相反的位置還有3個鈦離子,所以共有6個鈦離子。對于第(2)小題我們可以使用均攤法求得。

思考
認真思考
了解晶胞的概念，認識晶體與晶胞的關(guān)系，理解晶胞“無隙并置”構(gòu)成晶體的過程。
歸納總結(jié)
掌握不同晶胞中平均所含粒子個數(shù)的計算方法——“均攤法”。
了解晶體的特點，學會辨識晶體與非晶體的差異。
知道晶體X射線衍射實驗時測定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本方法和實驗手段。培養(yǎng)科學探究與創(chuàng)新意識核心素養(yǎng)。
檢測反饋
課堂小結(jié)
一、晶胞與晶體的測定
一、晶胞
1.定義
描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元叫做晶胞，是晶體中最小的結(jié)構(gòu)重復單元。
2.晶體和晶胞的關(guān)系
一般來說,常規(guī)的晶胞都是平行六面體。特點：
(1)“無隙”是相鄰晶胞之間沒有任何間隙。
(2)“并置”是所有晶胞都是平行排列的,取向相同。
(3)所有晶胞的形狀及其內(nèi)部的原子種類、個數(shù)及幾何排列是完全相同的。
②晶胞中粒子數(shù)目的計算——均攤法
3.晶胞的特點及晶胞中粒子個數(shù)的計算
(1)長方體(含正方體)晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計算(如下圖)
均攤法：晶胞任意位置上的一個原子如果是被x個晶胞所共有，那么，每個晶胞對這個原子分得的份額就是1/x
板書
一、晶胞與晶體的測定
一、晶胞
1.定義
描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元叫做晶胞，是晶體中最小的結(jié)構(gòu)重復單元。
2.晶體和晶胞的關(guān)系
一般來說,常規(guī)的晶胞都是平行六面體。特點：
(1)“無隙”是相鄰晶胞之間沒有任何間隙。
(2)“并置”是所有晶胞都是平行排列的,取向相同。
(3)所有晶胞的形狀及其內(nèi)部的原子種類、個數(shù)及幾何排列是完全相同的。
②晶胞中粒子數(shù)目的計算——均攤法
3.晶胞的特點及晶胞中粒子個數(shù)的計算
(1)長方體(含正方體)晶胞中不同位置的粒子數(shù)的計算(如下圖)
均攤法：晶胞任意位置上的一個原子如果是被x個晶胞所共有，那么，每個晶胞對這個原子分得的份額就是1/x

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第一節(jié) 物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體的常識

版本： 人教版 (2019)

年級： 選擇性必修2

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