3.1 物质的聚集状态与晶体的常识 第2课时（表格型教学设计）化学人教版选择性必修2

第一节 物质的聚集状态与晶体的性质 第2课时 晶胞的分析与计算 教学设计 课题 晶胞的分析与计算 课型 新授课 教材 选择性必修二第三章第一节第2课时（人教版） 一、教学目标 知识目标 1. 了解晶体的概念，掌握晶胞的概念，理解晶体与晶胞的关系。 1. 掌握测定晶体结构的方法，知道X射线衍射仪的作用及原理。 1. 学会运用均摊法分析晶胞结构，掌握晶胞化学式的确定方法。 1. 掌握晶胞密度的计算方法，能根据晶胞参数进行相关计算。 素养目标 1. 宏观辨识与微观探析：从宏观上认识晶体的特征，从微观上理解晶胞的结构和组成，能从微观角度解释晶体的性质。 1. 证据推理与模型认知：通过对晶胞结构的分析和计算，建立晶胞模型，培养逻辑推理和空间想象能力。 1. 科学探究与创新意识：通过对晶体结构测定方法的学习，了解科学探究的过程和方法，培养创新意识和实践能力。 二、教学重难点 教学重点 晶胞的概念、均摊法的应用、晶胞密度的计算。 教学难点 均摊法的理解和应用、晶胞结构的分析与计算。 三、教学分析 本节教学内容源于人教版选择性必修2《物质结构与性质》第三章第一节《物质聚集状态与晶体常识》的第2课时《晶胞的分析与计算》。晶体结构与性质的知识是高中化学物质结构理论的重要组成部分，对于学生理解物质的性质和化学反应原理具有重要意义。 本课时聚焦于晶胞的概念、分析与计算以及晶体结构的测定方法。教材首先引入晶胞的概念，强调其作为描述晶体结构基本单元的重要性，通过“无隙并置”的特点，建立起晶体与晶胞之间的联系。接着详细介绍了晶胞分析与计算的方法，如均摊法，这是解决晶胞中粒子数目计算和化学式确定的关键方法。最后介绍了晶体结构测定的常用仪器——X射线衍射仪及其原理，让学生了解如何通过实验手段获取晶体结构的信息。这些内容不仅有助于学生深入理解晶体的微观结构，还能培养学生的空间想象能力和逻辑推理能力。 四、学情分析 教学对象是高二学生，他们在之前的化学学习中已经对物质的结构和性质有了一定的了解，具备了一定的化学基础知识和空间想象能力。然而，晶胞的概念较为抽象，涉及到微观的三维空间结构，对于学生来说理解起来有一定的难度。 在思维能力方面，高二学生正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，他们需要更多的直观实例和模型来帮助理解抽象的概念。同时，在计算能力和逻辑推理能力上，学生可能在运用均摊法进行晶胞分析和计算时会遇到困难，需要教师进行详细的指导和训练。 此外，学生在之前的学习中可能缺乏对晶体结构测定方法的了解，对于X射线衍射仪及其原理可能会感到陌生。因此，在教学过程中，教师应充分考虑学生的实际情况，采用多种教学手段，如模型展示、动画演示等，帮助学生建立起晶胞的空间概念，引导学生逐步掌握晶胞分析与计算的方法，同时通过生动有趣的实例介绍晶体结构的测定方法，激发学生的学习兴趣，提高学生的学习效果。 五、教学过程 教学环节 教学内容 设计意图 课堂导入 【展示生活图片】同学们，先来看老师展示的几幅图片。这里有璀璨夺目的钻石饰品，有我们生活中常见的食盐晶体，还有高科技领域用到的单晶硅。这些形态各异、用途广泛的物质，它们有一个共同的身份，都是晶体。大家在生活中还见过哪些晶体呢？可以和身边的同学讨论一下，然后举手分享。（给学生一些时间讨论和发言，学生可能会提到水晶、冰糖等） 【提出问题引导思考】大家说得都很对。这么多不同的晶体，它们内部的原子是如何排列的呢？科学家们又是怎样去描述这些原子的排列方式的呢？就好比我们要描绘一幅复杂的拼图，得先找到拼图的基本单元和拼接规律。晶体中的原子排列就像这幅复杂的拼图，我们需要找到描述它的方法。今天，我们就一起来探索如何描述晶体中原子的排列，走进晶胞的世界。 1.激发学生兴趣：通过展示生活中常见和高科技领域的晶体图片，让学生直观地感受晶体的多样性和重要性，引发学生的好奇心和学习兴趣。让学生分享自己见过的晶体，增加学生的课堂参与度，营造积极的课堂氛围。 2.联系生活实际：将晶体与生活中的钻石、食盐、单晶硅等联系起来，让抽象的化学知识变得具体可感，让学生认识到化学知识在生活和科技中的广泛应用，提高学生对化学学科的认同感。 3.引发思考，导入新课：提出关于晶体中原子排列和描述方法的问题，引导学生思考，自然地过渡到本节课关于晶胞的主题，让学生明确学习目标，带着问题去探索新知识，提高学习的主动性和积极性。 任务一 晶胞的概念 活动一 引入晶胞概念 【引入】同学们，我们来看大屏幕上展示的铜晶体和氯化钠晶体，自然界中有这么多不同的晶体，那我们该如何描述其中原子的排列呢？这就是我们今天要探讨的内容，首先我们来了解晶胞的概念。 【问题】请同学们阅读教材相关内容，思考什么是晶胞？ 【学生思考】阅读教材后回答，晶胞是描述晶体结构的基本单元。 【讲解】评价、强调：非常正确，常规的晶胞都是平行六面体，整块晶体可以看作是数量巨大的晶胞“无隙并置”而成。这里的“无隙”指相邻晶胞之间没有任何间隙；“并置”指所有晶胞都是平行排列的，取向相同。而且所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列是完全相同的。 【对应训练1】判断下列说法是否正确：晶胞是从晶体结构中截取出的最小的平行六面体。 【答案】错误 【解析】晶胞是描述晶体结构的基本单元，但不一定是最小的平行六面体，所以该说法错误。 【对应训练2】下列有关晶胞的叙述，正确的是（ ） A. 不同晶体中的晶胞大小和形状均相同 B. 晶胞排列时的取向相同 C. 要推知晶体的结构，需要研究大量的晶胞 D. 晶胞中的任何一个粒子都完全属于该晶胞 【答案】B 【解析】不同晶体中的晶胞大小和形状一般不同，A选项错误；晶胞排列时取向相同，B选项正确；推知晶体结构，研究一个晶胞即可，因为整块晶体是晶胞“无隙并置”而成，C选项错误；晶胞中的粒子有的是被多个晶胞共用的，并非完全属于该晶胞，D选项错误。 活动二 晶胞的判断 【问题】给出几个不同的六面体（如课件中的A、B、C、D图），让学生判断是否为晶胞，并说明理由。 【学生思考】认真观察图形，分析每个图形是否满足晶胞的特点。 【学生回答】A图中的晶体结构满足晶胞的特点，是晶胞；B图中的晶体结构，不满足晶胞“8个顶角相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是晶胞；C图中的晶体结构，不满足晶胞“三套各4根平行棱分别相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是晶胞；D图中的晶体结构，不满足“三套各两个平行面分别相同”的要求，无法进行“无隙并置”，不是晶胞。 【讲解】评价、强调：同学们分析得很准确，判断一个六面体是否为晶胞，关键要看它是否能满足“无隙并置”的条件，也就是要从顶角、棱、面等方面去考虑。 【对应训练3】下列有关晶胞的叙述中正确的是(　　) A. 晶胞的结构是晶体的结构 B. 不同的晶体中，晶胞的大小和形状都相同 C. 晶胞中的任何一个粒子都完全属于该晶胞 D. 已知晶胞的组成就可推知晶体的组成 【答案】D 【解析】晶胞是晶体结构的基本单元，但晶胞的结构不能完全等同于晶体的结构，A选项错误；不同晶体中晶胞的大小和形状一般不同，B选项错误；晶胞中的粒子有的是被多个晶胞共用的，并非完全属于该晶胞，C选项错误；因为晶体是由晶胞“无隙并置”而成，所以已知晶胞的组成就可推知晶体的组成，D选项正确。 1.通过展示常见晶体，引发学生对晶体原子排列描述方法的思考，从而引入晶胞的概念，激发学生的学习兴趣和探究欲望。 2.通过具体图形的判断，加深学生对晶胞概念的理解，提高学生运用概念解决实际问题的能力。 任务二 晶胞的分析与计算 活动一 晶胞特点及均摊法原理 【引入】我们已经知道了晶胞的概念，那晶胞有哪些特点呢？在计算晶胞中粒子数目时又有什么方法呢？接下来我们一起探究。 【问题】请同学们阅读教材，思考晶胞是否全是平行六面体？由晶胞构成的晶体，其化学式是否表示一个分子中原子的数目？ 【学生思考】阅读教材后回答，晶胞不一定全是平行六面体，如有的晶胞呈六棱柱形；由晶胞构成的晶体，其化学式不表示一个分子中原子的数目，只表示每个晶胞中各类原子的最简整数比。 【讲解】评价、强调：非常好，晶胞一般是平行六面体，其三条边的长度不一定相等，也不一定互相垂直，晶胞的形状和大小由具体晶体的结构所决定。整个晶体就是晶胞按其周期性在三维空间重复排列而成，每个晶胞上下左右前后无隙并置地排列着与其一样的无数晶胞，决定了晶胞的8个顶角、平行的面以及平行的棱完全相同。 【问题】在计算晶胞中粒子数目时，常用的方法是“均摊法”，请同学们思考“均摊法”的基本理念是什么？ 【学生思考】回答，每个粒子被个晶胞所共用，则该粒子有属于这个晶胞。 【对应训练1】在长方体（含正方体）晶胞中，处于顶角位置的粒子，被几个晶胞共用？该粒子有多少属于这个晶胞？ 【答案】处于顶角位置的粒子被8个晶胞共用，该粒子有属于这个晶胞。 【解析】根据“均摊法”的原理，顶角位置的粒子同时属于8个晶胞，所以被8个晶胞共用，每个晶胞分得该粒子的。 【对应训练2】在长方体（含正方体）晶胞中，处于面上位置的粒子，被几个晶胞共用？该粒子有多少属于这个晶胞？ 【答案】处于面上位置的粒子被2个晶胞共用，该粒子有属于这个晶胞。 【解析】面上位置的粒子同时属于2个晶胞，所以被2个晶胞共用，每个晶胞分得该粒子的。 活动二 均摊法计算晶胞中粒子数目 【问题】给出钠、锌、碘、金刚石晶胞示意图，让学生试计算它们晶胞中含有原子的数目。 【学生思考】运用“均摊法”，分别计算不同位置粒子对晶胞的贡献，然后相加得到晶胞中原子的数目。 【学生回答】以金属钠为例，假设钠晶胞为体心立方晶胞，顶角位置有8个原子，每个原子贡献，体心位置有1个原子，完全属于该晶胞，所以一个晶胞的原子数为。（其他晶体计算过程类似） 【讲解】评价、强调：同学们计算得很准确，在运用“均摊法”计算时，一定要准确判断粒子所处的位置，以及该位置粒子被几个晶胞共用。 【对应训练3】下图为高温超导领域的一种化合物——钙钛矿晶体结构，该结构是具有代表性的最小重复单元。 （1）在该物质的晶体中，每个钛离子周围与它最接近且距离相等的钛离子共有 个。 （2）该晶体结构单元中，氧、钛、钙离子的个数比是 。 【答案】（1）6；（2）3:1:1 【解析】（1）观察钙钛矿晶体结构可知，每个钛离子周围与它最接近且距离相等的钛离子共有6个。（2）根据“均摊法”，氧原子位于棱上，12个氧原子，每个氧原子贡献，则氧原子数目为；钛原子位于顶角，8个钛原子，每个钛原子贡献，则钛原子数目为；钙离子位于体心，完全属于该晶胞，数目为1，所以氧、钛、钙离子的个数比是3:1:1。 活动三 晶胞化学式的分析 【引入】我们掌握了晶胞中粒子数目的计算方法，接下来就可以分析晶胞的化学式了。 【问题】给出不同的晶胞结构示意图（如课件中的几种情况），让学生分析其化学式。 【学生思考】运用“均摊法”计算出各原子的数目，然后得出最简整数比，确定化学式。 【学生回答】以某晶胞为例，计算出A原子数目为，B原子数目为，则化学式为（具体计算过程根据实际晶胞结构进行）。 【讲解】评价、强调：在分析晶胞化学式时，关键是准确计算各原子的数目，然后化简得到最简整数比。同时要注意气态团簇分子和纳米小颗粒不采用无隙并置方式排列，故不能采用均摊法来确定化学式。 【对应训练1】话筒是声电转换的换能器，在话筒中有一种材料的结构如图所示，它的主要成分是钛酸钡，根据晶胞的结构示意图，可知它的化学式是(　　) A. BaTi₈O₁₂ B. BaTi₄O₆ C. BaTi₂O₄ D. BaTiO₃ 【答案】D 【解析】根据“均摊法”，钡原子位于体心，数目为1；钛原子位于顶角，8个钛原子，每个钛原子贡献，则钛原子数目为；氧原子位于面上，6个氧原子，每个氧原子贡献，则氧原子数目为，所以化学式为BaTiO₃，答案选D。 【对应训练2】科学家发现了一种由钛原子和碳原子构成的气态团簇分子。如图所示，顶角和面心的原子是钛原子，棱的中心和体心的原子是碳原子，则它的化学式是（ ） A. Ti₁₄C₁₃ B. Ti₄C₄ C. TiC D. Ti₁₃C₁₄ 【答案】A 【解析】因为气态团簇分子不采用无隙并置方式排列，不能用均摊法，直接数出钛原子有14个，碳原子有13个，所以化学式为Ti₁₄C₁₃，答案选A。 活动四 晶体密度的计算 【引入】在研究晶体时，晶体的密度也是一个重要的物理量，那如何根据晶胞的信息计算晶体的密度呢？ 【问题】请同学们阅读教材，推导晶体密度的计算公式。 【学生思考】阅读教材后，根据密度的定义，结合晶胞中粒子数目、相对分子质量、阿伏伽德罗常数等信息进行推导。 【学生回答】一个晶胞中的微粒数目为，晶胞中微粒的相对分子质量为，则晶胞的质量，晶胞的体积为，所以晶体密度。 【讲解】评价、强调：推导得很正确，在计算晶体密度时，要注意单位的换算，晶体密度的单位一般为，所以根据晶胞参数计算密度时，注意将其单位换算为，常用的换算方法为，。 【对应训练1】已知氯化钠晶胞的边长为，求氯化钠晶体的密度。 【答案】 【解析】在氯化钠晶胞中，钠离子和氯离子的数目均为4，晶胞中微粒的相对分子质量，晶胞的体积，根据密度公式，可得氯化钠晶体的密度为。 【对应训练2】某晶体的晶胞参数为，一个晶胞中含有个微粒，微粒的相对分子质量为，求该晶体的密度。 【答案】 【解析】晶胞的体积（单位为），换算为为，一个晶胞中的微粒数目，微粒的相对分子质量为，根据密度公式，可得该晶体的密度为。 1.通过问题引导学生自主探究晶胞的特点和“均摊法”的原理，培养学生的自主学习能力和思维能力。 2.通过具体晶胞中粒子数目的计算，让学生熟练掌握“均摊法”的应用，提高学生的计算能力和分析问题的能力。 3.通过分析晶胞化学式，进一步巩固“均摊法”的应用，培养学生的综合分析能力。 4.通过推导晶体密度的计算公式，培养学生的逻辑推理能力和知识迁移能力。 任务三 晶体结构的测定 活动一 测定晶体结构的仪器及原理 【引入】我们了解了晶胞的概念、分析与计算方法，那如何测定晶体的结构呢？ 【问题】请同学们阅读教材，思考测定晶体结构最常用的仪器是什么？ 【学生思考】阅读教材后回答，测定晶体结构最常用的仪器是X射线衍射仪。 【讲解】展示X射线衍射仪的图片，介绍其工作原理。当单一波长的X射线通过晶体时，X射线和晶体中的电子相互作用，会在记录仪上产生分立的斑点或者明锐的衍射峰。而在同一条件下摄取的非晶体图谱中却看不到分立的斑点或明锐的衍射峰。 【对应训练1】判断下列说法是否正确：X射线通过晶体，导致晶体发生化学变化，形成特征的衍射图。 【答案】错误 【解析】X射线通过晶体时，是X射线和晶体中的电子相互作用产生衍射图，并没有导致晶体发生化学变化，所以该说法错误。 【对应训练2】下列关于晶体结构测定的说法正确的是（ ） A. 测定晶体结构只能用X射线衍射仪 B. 非晶体也能产生分立的斑点或明锐的衍射峰 C. 通过晶体的X射线衍射实验可以获得晶体结构的有关信息 D. 无法通过晶体结构的测定推出原子之间的相互关系 【答案】C 【解析】测定晶体结构常用X射线衍射仪，但不是唯一方法，A选项错误；非晶体在X射线衍射图谱中看不到分立的斑点或明锐的衍射峰，B选项错误；通过晶体的X射线衍射实验获得衍射图后，经过计算可以从衍射图形获得晶体结构的有关信息，包括晶胞形状和大小、分子或原子在微观空间有序排列呈现的对称类型、原子在晶胞里的数目和位置等，以及结合晶体化学组成的信息推出原子之间的相互关系，C选项正确，D选项错误。 活动二 X射线衍射图所能获得的信息 【问题】请同学们阅读教材中关于乙酸晶体测定的例子，思考通过X射线衍射图可以获得哪些信息？ 【学生思考】阅读后回答，通过X射线衍射图可以获得晶胞形状和大小、分子或原子在微观空间有序排列呈现的对称类型、原子在晶胞里的数目和位置等信息，还可以结合晶体化学组成的信息推出原子之间的相互关系，确定键长和键角，从而得出分子的空间结构。 【讲解】评价、强调：同学们总结得很全面，X射线衍射技术在晶体结构测定中起着非常重要的作用，它为我们深入了解晶体的微观结构提供了有力的手段。 【对应训练3】通过对某晶体的X射线衍射实验，得到了晶胞中原子的坐标，由此可以（ ） A. 确定晶体的化学式 B. 计算晶体的密度 C. 判断原子之间是否存在化学键 D. 知道晶体的颜色 【答案】C 【解析】根据原子坐标，可以计算出原子间的距离，判断出晶体中哪些原子之间存在化学键，C选项正确；确定晶体的化学式需要运用“均摊法”计算晶胞中各原子的数目，A选项错误；计算晶体的密度需要知道晶胞的体积、晶胞中微粒的数目和相对分子质量等信息，B选项错误；晶体的颜色与晶体的微观结构和组成有关，但不能通过原子坐标直接知道，D选项错误。 1.通过介绍测定晶体结构的仪器和原理，拓宽学生的知识面，让学生了解现代科学技术在化学研究中的应用。 2.通过具体例子，让学生深入理解X射线衍射图所能获得的信息，体会科学研究的严谨性和重要性。 六、课堂小结 七、板书设计 3.1 物质的聚集状态与晶体的常识 第 2课时 晶胞的分析与计算 一、晶胞的概念 1. 定义 描述晶体结构的基本单元 2. 无隙并置 · 无隙：相邻晶胞无间隙 · 并置：平行排列，取向相同 3. 晶体与晶胞的关系 二、晶体的分析与计算 1. 晶胞特点 · 形状和大小由晶体结构决定 · 8个顶角、平行面、平行棱相同 2. 均摊法 · 长方体（含正方体）晶胞 顶角：8× =1 面上：6× =3 棱上：12× =3 晶胞内：1 · 非长方体（含正方体）晶胞 3. 晶胞化学式的分析 4. 常见的晶胞类型 · 简单立方晶胞 · 面心立方晶胞 · 体心立方晶胞 5. 晶体密度的计算 · 公式： 三、晶体结构的测定 1. 1. 测定仪器：X射线衍射仪 1. 测定原理 1. 衍射图信息 8、 随堂练习 1.判断下列说法的正误，正确的画“√”，错误的画“×”。 (1)晶体具有各向同性，非晶体具有各向异性(　　) (2)熔融态物质快速冷却即可得到晶体(　　) (3)粉末状的固体也有可能是晶体(　　) (4)不同晶体中晶胞的大小和形状都相同(　　) (5)X射线通过晶体，导致晶体发生化学变化，形成特征的衍射图(　　) 【答案】×；×；√；×；× 【解析】(1)晶体具有各向异性，非晶体具有各向同性，所以该说法错误。 (2)熔融态物质快速冷却得到的往往是非晶体，缓慢冷却才有可能得到晶体，所以该说法错误。 (3)粉末状的固体也有可能是晶体，如氯化钠粉末是离子晶体，所以该说法正确。 (4)不同晶体中晶胞的大小和形状一般不同，所以该说法错误。 (5)X射线通过晶体，与晶体中的电子相互作用产生衍射图，并未导致晶体发生化学变化，所以该说法错误。 2.下图是某晶体的晶胞示意图，其中X粒子位于此晶胞的中心，Y粒子位于8个顶点，该晶体中粒子X和Y的个数比是(　　) A. 1∶1 B. 1∶2 C. 1∶4 D. 1∶8 【答案】A 【解析】X粒子位于晶胞中心，完全属于该晶胞，个数为1；Y粒子位于8个顶点，每个顶点的粒子被8个晶胞共用，所以Y粒子的个数为(8=1)，则该晶体中粒子X和Y的个数比是1∶1，答案选A。 3.如图为甲、乙两种晶体的晶胞示意图。 试写出: (1)甲晶体的化学式(X为阳离子)为　　　　。 (2)乙晶体中A、B、C三种粒子的个数比是　　　　。 【答案】(1) (X_3Y)；(2) 1∶3∶1 【解析】 (1)甲晶胞中，X离子位于棱上和体心，棱上的X离子每个被4个晶胞共用，体心的X离子完全属于该晶胞，所以X离子的个数为(12+1 = 4)；Y离子位于顶点和面心，顶点的Y离子每个被8个晶胞共用，面心的Y离子每个被2个晶胞共用，所以Y离子的个数为(8+6= 4)，则甲晶体的化学式为(X_3Y)。 (2)乙晶胞中，A粒子位于顶点，个数为(8=1)；B粒子位于棱上，个数为(12=3)；C粒子位于体心，个数为1，所以乙晶体中A、B、C三种粒子的个数比是1∶3∶1。 4.晶胞有两个基本要素: （1）原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置。如图为Ge单晶的晶胞，其中原子坐标参数A为(0,0,0)；B为 。则D原子的坐标参数为　　　　。 （2）晶胞参数，描述晶胞的大小和形状。 已知Ge单晶的晶胞参数(a = 565.76 pm)，其密度为　　　　(g·cm-3) (列出计算式即可)。 【答案】（1）；（2） 九、教学反思 在本节课的教学中，通过实例引入晶胞概念，让学生理解其在描述晶体结构中的重要性，学生对晶胞的“无隙并置”特点理解较好。但在均摊法的应用上，部分学生对不同位置粒子的分摊比例掌握不熟练，尤其是非长方体晶胞的分析。在晶体密度计算环节，学生对单位换算和公式应用存在一定困难。在今后的教学中，应加强对均摊法的练习，通过更多实例帮助学生理解和掌握。同时，在讲解密度计算时，要详细强调单位换算的方法和重要性，提高学生运用知识解决实际问题的能力。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $