3.1.2 晶体结构的测定和晶胞 教学设计-2025-2026学年高二下学期化学人教版选择性必修2

3.1.2 晶体结构的测定和晶胞 详案 一、基本信息 课题：3.1.2 晶体结构的测定和晶胞 课时：1 课时（40分钟） 授课对象：物化地（奥赛B班） 物化生（实验班） 授课教师：吗喽 二、核心素养目标 1. 宏观辨识与微观探析 认识晶胞是描述晶体结构的基本单元，能从微观角度理解晶体微粒的排列方式，将晶胞的二维图示转化为三维结构模型，建立宏观晶体外形与微观粒子排布的关联。 2. 证据推理与模型认知 通过 X 射线衍射实验的证据，建立晶胞与晶体结构的认知模型，能运用均摊法计算晶胞中的粒子数，确定晶体的化学式，基于晶胞模型推理晶体的性质。 3. 科学探究与创新意识 了解晶体结构测定的实验手段，体会科学技术对物质结构研究的推动作用，能设计简单的晶胞模型构建实验，尝试从不同角度探究晶体结构的特点。 4. 科学态度与社会责任 感受晶体结构的规律性与严谨性，形成尊重事实、重视实证的科学态度，了解晶体结构研究在材料科学、药物研发等领域的应用，增强运用化学知识解决实际问题的社会责任感。 三、教学重难点 （一）教学重点 1. 晶胞的概念和特征，“无隙并置” 的理解。 2. 均摊法计算晶胞中的粒子数，确定晶体的化学式。 3. X 射线衍射实验测定晶体结构的原理和应用。 （二）教学难点 1. 晶胞 “无隙并置” 的理解，空间想象能力的培养。 2. 均摊法在复杂晶胞（如正六棱柱、正三棱柱晶胞）中的应用。 3. 晶体密度、原子半径等相关计算的推导和应用。 四、教学方法 讲授法、探究法、模型演示法、小组合作法、多媒体辅助教学法 五、教学准备 1. 多媒体课件（包含晶体图片、X 射线衍射仪图片、晶胞模型示意图、动画等） 2. 晶胞模型（立方体积木、橡皮泥、牙签等） 六、教学过程 （一）课堂引入（5 分钟）[PPT3] 1. 展示钻石、石墨、食盐、水晶等晶体的实物图片，提问：“同学们，大家看这些物质，钻石璀璨坚硬，石墨柔软顺滑，食盐是规则的立方体，水晶有着晶莹的外形，它们都是晶体。为什么同样由碳元素组成的钻石和石墨，性质却天差地别？为什么晶体都有着规则的几何外形？这些都和它们的微观结构有关，今天我们就来学习如何测定晶体的结构，以及描述晶体结构的基本单元 —— 晶胞。” 2. 板书课题：3.1.2 晶体结构的测定和晶胞 （二）新课讲授（30 分钟） 1. 晶体结构的测定 ——X 射线衍射实验（10 分钟） （1）科学史引入[PPT4] “在 1895 年，德国物理学家伦琴发现了一种未知的射线，他称之为 X 射线，这一发现开启了物质结构研究的新时代。1912 年，劳厄发现了 X 射线在晶体中的衍射效应，而布拉格父子则利用 X 射线衍射技术测定了晶体的结构，他们也因此获得了诺贝尔奖。X 射线衍射技术成为了测定晶体结构的重要手段。” （2）实验原理 “当单一波长的 X 射线通过晶体时，X 射线会和晶体中的电子相互作用，发生衍射现象，在记录仪上会产生分立的斑点或者明锐的衍射峰。[PPT6]而非晶体由于其微粒排列无序，不会产生这样的衍射图谱，这也是区分晶体和非晶体的重要方法。”（展示晶态 SiO₂和非晶态 SiO₂的衍射图谱，对比两者的差异，说明晶体的周期性结构是产生衍射的原因。）[PPT7] （3）仪器介绍[PPT8] 展示 X 射线衍射仪的图片，介绍仪器的组成部分：X 射线管、晶体样品台、铅板、记录仪。讲解仪器的工作过程：X 射线管产生 X 射线，经过铅板准直后照射到晶体样品上，产生的衍射信号被记录仪记录下来，形成衍射图谱。 （4）实验结果处理[PPT9-10] “通过分析衍射图谱，我们可以获得晶体结构的很多信息，包括晶胞的形状和大小、分子或原子的排列方式、原子在晶胞中的位置等。比如甲烷晶体，我们可以通过衍射图谱确定其晶胞是边长为 a 的立方晶胞，还能确定 C、H 原子的位置和 C-H 键的键长、键角。再比如乙酸晶体，通过 X 射线衍射实验可以测定其晶胞中含有 4 个乙酸分子，还能确定乙酸分子的空间结构。” （讲练结合，完成全品导学案例题7） 2. 晶胞的概念和特征（8 分钟） （1）晶胞的定义[PPT12] “为了描述晶体在微观空间里原子的排列，我们不需要画出千千万万个原子，只需要取出一个基本单元即可，这个基本单元就是晶胞。整块晶体可以看作是由数量巨大的晶胞‘无隙并置’而成的。” （2）无隙并置的理解[PPT13-14] 用立方体积木进行演示，将多个立方体积木拼接在一起，说明 “无隙” 是指相邻晶胞之间没有任何间隙，“并置” 是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、内部的原子种类、个数及几何排列是完全相同的。 （3）晶胞的特征[PPT15-21] 晶胞具有三个重要特征：第一，晶胞的 8 个顶角相同；第二，三套各两个平行面分别相同；第三，三套各 4 根平行棱分别相同。 展示不同的晶体结构图片，让学生判断哪些结构满足晶胞的特征， 比如 A 图的结构满足晶胞的特点，是晶胞；B 图的结构不满足 “8 个顶角相同” 的要求，不是晶胞；C 图的结构不满足 “三套各 4 根平行棱分别相同” 的要求，不是晶胞；D 图的结构不满足 “三套各两个平行面分别相同” 的要求，不是晶胞。 【注意：讲解时要充分利用动画对BCD结构为什么不能进行无隙并置进行解释】 3. 晶胞的类型（4 分钟） （1）简单立方晶胞[PPT22] 展示简单立方晶胞的示意图，讲解：“简单立方晶胞的结构特点是仅在平行六面体的 8 个顶角上有粒子，晶胞的边长 a 等于粒子直径的 2 倍，也就是 。” （2）体心立方晶胞（体对角线上的两两相切） 展示体心立方晶胞的示意图，讲解：“体心立方晶胞除了 8 个顶角上有粒子外，平行六面体的体心还有 1 个粒子，晶胞的边长 a 和粒子半径 r 的关系是 。” （3）面心立方晶胞（面对角线上的两两相切） 展示面心立方晶胞的示意图，讲解：“面心立方晶胞除了 8 个顶角上有粒子外，平行六面体的 6 个面的面心上均有 1 个粒子，晶胞的边长 a 和粒子半径 r 的关系是。” 4. 晶胞中的相关计算（8 分钟） （1）均摊法的原理[PPT26] “在计算晶胞中的粒子数时，我们需要用到均摊法，因为晶胞中的粒子是被多个晶胞共用的。具体来说，顶点上的粒子被 8 个晶胞共用，所以每个顶点的粒子属于该晶胞的份额是 1/8；棱边上的粒子被 4 个晶胞共用，份额是 1/4；面心上的粒子被 2 个晶胞共用，份额是 1/2；体心的粒子完全属于该晶胞，份额是 1。” （2）均摊法的应用 ——NaCl 晶胞[PPT27] 展示 NaCl 晶胞的示意图，讲解：“在 NaCl 晶胞中，Na⁺位于棱边和体心，Cl⁻位于顶点和面心。我们来计算一下，Na⁺的个数是 12×1/4 + 1×1 = 4，Cl⁻的个数是 8×1/8 + 6×1/2 = 4，所以 NaCl 晶胞中 Na⁺和 Cl⁻的个数比是 1:1，化学式为 NaCl。” （3）其他晶胞的计算（课本思考讨论）[PPT28] 展示 Na、Zn、I₂、金刚石的晶胞示意图，让学生分组计算每个晶胞中的粒子数： Na 晶胞：8×1/8 + 1 = 2 Zn 晶胞：8×1/8 + 1 = 2 I₂晶胞：8×1/8 + 6×1/2 = 4（这里的粒子是 I₂分子） 金刚石晶胞：8×1/8 + 6×1/2 + 4 = 8 （4）正六棱柱和正三棱柱晶胞的计算 展示正六棱柱晶胞的示意图，讲解：“正六棱柱晶胞中，顶角的粒子被 6 个晶胞共用，面上的粒子被 2 个晶胞共用，棱上的粒子被 3 个或 4 个晶胞共用，内部的粒子完全属于该晶胞。”[PPT31] 展示正三棱柱晶胞的示意图，讲解：“正三棱柱晶胞中，顶角的粒子被 12 个晶胞共用，面上的粒子被 2 个晶胞共用，棱上的粒子被 6 个或 4 个晶胞共用。”[PPT32] 【特别提醒】团簇分子或纳米颗粒与晶胞不同，这两类物质是独立的分子，所有原子均为该分子所有。与晶体中多个晶胞共用原子不相同。[PPT33] （讲练结合，完成全品导学案例题5、6） （4）晶体密度的计算[PPT36] 1 讲解晶体密度的计算公式：ρ = (n×M)/(NA×V)，其中 n 是晶胞中的粒子数，M 是粒子的摩尔质量，NA 是阿伏伽德罗常数，V 是晶胞的体积。 2 讲解已知晶体密度求晶胞参数的变形。 【提醒学生】涉及到晶胞的计算时，务必注意单位换算：1 pm＝10－10 cm；1 nm＝10－7 cm 以 NaCl 和Fe晶体为例 （5）晶体配位数的计算[PPT39] ① 晶体学中的配位数是指晶体中一个粒子周围最近且等距的粒子数目。 ② 离子晶体中的配位数是指一个离子周围最近且等距的异电性离子数目。 ③ 配合物中的配位数是指直接同中心离子(或原子)配位的原子数目。 涉及到的配合物等第四节讲解，先了解即可！ 常见晶胞的配位数：[PPT40] （三）课堂练习（7 分钟） （四）课堂小结（3 分钟） 1. 总结本节课的重点内容： （1）X 射线衍射实验是测定晶体结构的重要方法，通过衍射图谱可以获得晶胞的形状、大小和原子的位置等信息。 （2）晶胞是描述晶体结构的基本单元，整块晶体由晶胞无隙并置而成，晶胞具有特定的特征。 （3）常见的晶胞类型有简单立方、体心立方、面心立方等，运用均摊法可以计算晶胞中的粒子数，确定晶体的化学式。 （4）可以通过晶胞的相关参数计算晶体的密度、原子半径等。 2. 提问：“同学们，今天我们学习了晶体结构的测定和晶胞，大家有什么收获？还有什么疑问吗？” 解答学生的疑问。 （五）作业布置（5 分钟） 1. 完成教材上的课后习题。 2. 查阅资料，了解晶体结构研究在材料科学、药物研发等领域的应用。 3. 用橡皮泥和牙签制作一个简单立方晶胞和一个面心立方晶胞的模型，下节课带来展示。 七、板书设计 3.1.2 晶体结构的测定和晶胞 一、X射线衍射实验 1. 科学史： 2. 原理：X射线与电子相互作用，产生衍射图谱 3. 仪器：X射线管、样品台、记录仪 4. 结果处理：确定晶胞形状、大小、原子位置 二、晶胞 1. 概念：描述晶体结构的基本单元 2. 无隙并置：无间隙、平行排列、取向相同、结构相同 3. 特征：顶角相同、平行面相同、平行棱相同 4. 类型：简单立方、体心立方、面心立方 三、晶胞计算 1. 均摊法：顶点1/8、棱边1/4、面心1/2、体心1 2. 化学式确定：如NaCl晶胞 3. 密度计算：ρ=(n×M)/(NA×V) 4. 配位数：简单立方6、面心立方12、体心立方8 八、教学反思 1. 在讲解晶胞的“无隙并置”过程中，对于不符合晶胞的三大特点的结构为什么不能进行无隙并置要讲解清楚。 2. - 部分学生对均摊法的应用还不够熟练，在计算晶胞中的粒子数时，容易混淆顶点、棱边、面心和体心的份额，导致计算结果出现错误。均摊法计算晶胞的化学式，是后续计算的基础，在讲解均摊法时，除了平行六面体还需要结合正六棱柱和正三棱柱充分理解什么是均摊法。 3. 在涉及到密度计算过程中，首先应回顾物质的量与个数、质量之间的关系，要让学生能够学会怎么计算1个晶胞的质量，进而求得晶胞的密度；与此同时，已知密度，求晶胞参数时，重点在于理解好三大晶胞的堆积方式中（简单立方、体心立方、面心立方）晶胞参数和原子半径之间的关系，这是很难的一个点，学生刚刚开始接触晶胞，可能对晶胞中各个原子/离子的排列方式和位置不是很清楚，需要借助晶胞结构模型让学生充分理解晶胞参数和原子半径的关系。 改进措施： （1）在后续的教学中，我会加强均摊法的练习，通过更多的实例帮助学生掌握均摊法的应用，比如让学生计算更多不同类型的晶胞中的粒子数。 （2）增加更多的模型演示和动画展示，帮助学生将二维图示转化为三维结构，培养学生的空间想象能力。 （3）采用更多的互动教学方法，比如提问、小组讨论等，鼓励学生积极参与课堂互动，提高学生的学习积极性。 （4）在作业布置中，增加更多的基础练习，帮助学生巩固知识点，逐步提高学生的学习水平。 课程讲解结束时间：2026年3月1日 ( 第 1 页 共 6 页 ) 学科网（北京）股份有限公司 $