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《物质的聚集状态与晶体的常识》第二课时 教学设计
课题
| 《物质的聚集状态与晶体的常识》
| 单元
| 3
| 学科
| 化学
| 年级
| 高二
| 教材
分析
| 本章内容比较系统地介绍了晶体结构与性质，内容比较丰富。第三章作为选修性必修2结尾章，与前两章一起构成“原子、分子、晶体的结构与性质”三位一体的物质结构与性质模块的基本内容。本节教学内容是人教版高中化学选择性必修第二册第三章《晶体结构与性质》第一节《物质的聚集状态与晶体常识》第二课时。晶胞是描述晶体结构的基本单元，是研究晶体结构的最基本概念，教科书利用图片、比喻等方式介绍了晶体与晶胞的关系，并通过例子介绍了如何计算晶胞中所含的原子数。
本节安排了“晶胞与晶体结构的测定”这部分内容。学生通过学习这部分知识，了解晶胞的概念，认识晶体与晶胞的关系，理解晶胞“无隙并置”构成晶体的过程。通过交流讨论，掌握不同晶胞中平均所含粒子个数的计算方法——“均摊法”。
| 教学目标与核心素养
| 证据推理与模型认知：了解晶胞的概念，认识晶体与晶胞的关系，理解晶胞“无隙并置”构成晶体的过程。掌握不同晶胞中平均所含粒子个数的计算方法——“均摊法”。
科学探究与创新意识：知道晶体X射线衍射实验时测定物质结构的基本方法和实验手段。
| 重点
难点
| 晶胞、均摊法
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教学过程
| 教学环节
| 教师活动
| 学生活动
| 设计意图
| 导入新课
| 为了描述晶体在微观空间里原子的排列，无须画出千千万万个原子，只需在晶体微观空间里取出一个基本单元即可。
这种描述晶体结构的基本单元叫做晶胞。
| 思考
| 通过思考，引发学生兴趣，提高学生学习积极性。
| 讲授新课
| 第一节 物质的聚集状态与晶体常识
第二课时 晶胞与晶体结构的测定
一、晶胞
1.定义
描述晶体结构的基本单元叫做晶胞。
晶胞是晶体中最小的结构重复单元。
2.晶体和晶胞的关系
一般来说,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。
(1)“无隙”是相邻晶胞之间没有任何间隙。
(2)“并置”是所有晶胞都是平行排列的,取向相同。
(3)所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列是完全相同的。
3.晶胞的特点及晶胞中粒子个数的计算
①晶胞的特点
(1)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。
(2)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。
例如，图3-8的右图是金属铜的一个晶胞，它是一个立方体，含4个铜原子。这张图里不是有14个铜原子吗？怎么说一个晶胞只含4个铜原子呢？
原来，我们在观察晶胞图时，千万不能忘记，晶胞只是晶体微观空间结构里的一个基本单元，在它的上下左右前后无隙并置地排布着无数晶胞，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（包括取向）是完全相同的。
均摊法：晶胞任意位置上的一个原子如果是被x个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个原子分得的份额就是1/x
②晶胞中粒子数目的计算——均摊法
“均摊法”是计算每个晶胞平均拥有的粒子数目的常用方法。其基本理念是每个粒子被n个晶胞所共用,则该粒子有 <Object: word/embeddings/oleObject1.bin>属于这个晶胞。
(1)长方体(含正方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算(如下图)
立方晶胞
氯化钠晶胞中所含的Na+、Cl-数
氯化钠晶胞如图所示,其中体积较小的为Na+离子(填“Na+”或“Cl-”,下同),体积较大的为Cl-离子,则晶胞中含4个Na+(提示:晶胞中心还有一个Na+)和4个Cl-。
思考与讨论
(1)晶胞有几套平行棱？有几套平行面？
晶胞有3套平行棱，有3套平行面。
(2)下图依次是金属钠(Na)、锌(Zn)、碘(12)、金刚石(C)晶胞的示意图，数一数，它们分别平均含几个原子?
二、晶体结构的测定
测定晶体结构最常用的仪器是X射线衍射仪。
通过晶体的X射线衍射实验获得行射图后，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。
1.X射线衍射原理
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明锐的衍射峰。
2.X射线衍射实验获得晶胞信息
晶体的X射线衍射实验图经过计算,可以获得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。
3.X射线衍射实验获得分子信息
通过晶体X射线衍射实验,可以测定晶胞中各个原子的位置(坐标),根据原子坐标,可以计算原子间的距离,判断哪些原子之间存在化学键,确定键长和键角,得出分子的空间结构。
例如，通过晶体X射线衍射实验，对乙酸晶体进行测定，可以得出乙酸晶胞，晶胞中含有4个乙酸分子（如图3-15）。并且，测定晶胞中各个原子的位置（坐标），根据这些原子之间存在化学键，确定键长和键角，从而，得出分子的空间结构。
【课堂练习】
1．判断正误(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)
(1)晶胞是晶体的最小重复单元。 ( )
(2)晶胞中的任何一个粒子都只属于该晶胞。 ( )
(3)位于顶角上的粒子一定为8个晶胞所共有。( )
(4)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： (1)√ (2)× (3)× (4)×
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
解析: A 。X粒子属于晶胞独立拥有,而每个Y粒子则为8个晶胞共用,每个晶胞均摊Y粒子的个数为 ×8=1,故A项正确。
3.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
解析:仔细观察钛酸钡晶胞的结构示意图可知:Ba在立方体的体心,完全属于该晶胞;Ti处于立方体的8个顶点,O处于立方体的12条棱的中点,故晶胞中Ba、Ti、O三种原子的个数比为<Object: word/embeddings/oleObject2.bin>
4.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：X3Y 1∶3∶1
规律总结 晶体化学式的确定流程:观察确认粒子种类→确定各粒子在晶胞中的位置→用均摊法求晶胞均摊各粒子的数目→求各粒子数目的最简比→确定化学式。
5.如图所示为高温超导领域里的一种化合物——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的
且等距离的钛离子共有个。
(2)该晶体中,元素氧、钛、钙的粒子个数比是。
答案： 6 3：1：1
解析:回答第(1)小题要注意发挥空间想象力,在晶胞的上、下、左、右、前、后都有完全等同的晶胞,依据一个晶胞我们能观察到3个与钛离子最接近且等距离的钛离子,在与这3个钛离子相反的位置还有3个钛离子,所以共有6个钛离子。对于第(2)小题我们可以使用均摊法求得。
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思考
认真思考
| 了解晶胞的概念，认识晶体与晶胞的关系，理解晶胞“无隙并置”构成晶体的过程。
归纳总结
掌握不同晶胞中平均所含粒子个数的计算方法——“均摊法”。
了解晶体的特点，学会辨识晶体与非晶体的差异。
知道晶体X射线衍射实验时测定物质结构的基本方法和实验手段。培养科学探究与创新意识核心素养。
检测反馈
| 课堂小结
| 一、晶胞与晶体的测定
一、晶胞
1.定义
描述晶体结构的基本单元叫做晶胞，是晶体中最小的结构重复单元。
2.晶体和晶胞的关系
一般来说,常规的晶胞都是平行六面体。特点：
(1)“无隙”是相邻晶胞之间没有任何间隙。
(2)“并置”是所有晶胞都是平行排列的,取向相同。
(3)所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列是完全相同的。
②晶胞中粒子数目的计算——均摊法
3.晶胞的特点及晶胞中粒子个数的计算
(1)长方体(含正方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算(如下图)
均摊法：晶胞任意位置上的一个原子如果是被x个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个原子分得的份额就是1/x
| | | 板书
| 一、晶胞与晶体的测定
一、晶胞
1.定义
描述晶体结构的基本单元叫做晶胞，是晶体中最小的结构重复单元。
2.晶体和晶胞的关系
一般来说,常规的晶胞都是平行六面体。特点：
(1)“无隙”是相邻晶胞之间没有任何间隙。
(2)“并置”是所有晶胞都是平行排列的,取向相同。
(3)所有晶胞的形状及其内部的原子种类、个数及几何排列是完全相同的。
②晶胞中粒子数目的计算——均摊法
3.晶胞的特点及晶胞中粒子个数的计算
(1)长方体(含正方体)晶胞中不同位置的粒子数的计算(如下图)
均摊法：晶胞任意位置上的一个原子如果是被x个晶胞所共有，那么，每个晶胞对这个原子分得的份额就是1/x
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