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物质结构与性质
第三章 晶体结构与性质教材解析
一、课标要求
二、内容分析
三、教学建议
一、课标要求
1.课程目标
本课程模块将从原子、分子水平上认识物质构成的规律，以微粒之间不用的作用力为线索，侧重研究不同类型物质的有关性质，进一步丰富学生物质结构的知识，提高学生分析问题和解决问题的能力。通过本课程模块的学习，提升学生有关物质结构的基本认识，深入认识物质的结构与性质之间的关系，发展化学学科核心素养。
一、课标要求
2.内容要求
了解晶体中微粒的空间排布存在周期性，认识简单的晶胞。借助分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体等模型认识晶体的结构特点。知道介于典型晶体之间的过渡晶体及混合晶体是普遍存在的。
知道在一定条件下，物质的聚集状态随构成物质的微粒种类、微粒间相互作用、微粒聚集程度的不同而有所不同。知道物质的聚集状态会影响物质的性质，通过改变物质的聚集状态可能获得特殊的材料。
了解人类探索物质结构的过程，认同“物质结构的探索是无止境的”观点，了解从原子、分子、超分子等不同尺度认识物质结构的意义。
认识物质的空间结构可以借助某些实验手段来测定，通过这些手段所获得的信息为建立物质结构模型或相关理论解释提供支撑。知道原子光谱、分子光谱、晶体X射线衍射等是测定物质结构的基本方法和实验手段。
一、课标要求
3.学业要求
能说出晶体与非晶体的区别；能结合实例描述晶体中微粒排列的周期性规律；能借助分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体等模型说明晶体中的微粒及其微粒间的相互作用。
能举例说明人类对物质结构的认识是不断发展的，并简单说明促进这些发展的原因。
能说明原子光谱、分子光谱、X射线衍射等实验手段在物质结构研究中的作用。
能举例说明物质在原子、分子、超分子、聚集态等不同尺度上的结构特点对物质性质的影响，能举例说明结构研究对于发现、制备新物质的作用。
二、教学内容分析
1.与苏教版教材内容要求比较
新增内容 要求
物质的聚集状态 知道
等离子体 知道
液晶 知道
获得晶体的途径 了解
准晶 知道
晶体结构的测定 知道
“电子气”理论 应用
离子液体 知道
过渡晶体与混合晶体 知道
硅酸盐与纳米晶体 知道
超分子 了解
简单配合物的制备 学生必做实验
二、教学内容分析
1.与苏教版教材内容要求比较
删除内容 要求
原子化热 知道
金属晶体的堆积模型 了解
晶格能的应用 了解
离子晶体中影响离子配位数的因素 了解
二、教学内容分析
1.与苏教版教材内容要求比较
表述更新 将原子晶体该为共价晶体
离子晶体性质的表述
二、教学内容分析
2.本章内容体系
二、教学内容分析
2.1 第一节 物质的聚集状态与晶体常识
物质的聚集状态
晶体
自范性
各向异性
熔点固定
宏观性质
晶胞
概念
简单的计算
结构测定
X射线衍射实验
获得途径
微观结构
凝固
凝华
析出
结构的描述
物质的聚集状态
(1)物质的聚集状态除了固态、液态、气态等三态之外，还存在晶态 、非晶态、塑晶态、液晶态等其他聚集状态。
(2)气态和液态物质也不一定都由分子构成，如等离子体是由电子、阳离子和电中性粒子组成的整体上呈电中性的气态物质，离子液体是熔点不高的仅由离子组成的液体物质。
晶体与非晶体
(1)本质差异
(2)晶体呈现自范性的条件之一是晶体生长的速率适当（玛瑙和水晶）。
(3)得到晶体一般有三条途径：熔融态物质凝固；气态物质冷却不经液态直接凝固（凝华）；溶质从溶液中析出。
固体 自范性 微观结构 典型代表
晶体 有（能自发呈现多面体外形） 原子在三维空间里呈周期性有序排列 氯化钠、金刚石、干冰
非晶体 没有（不能自发呈现多面体外形） 原子排列相对无序 玻璃、炭黑、石蜡
(4)晶体的特性
主要包括三个方面：（1）自范性，晶体能自发地呈现多面体外形的性质；（2）各项异性，晶体在不同方向上表现出不同的物理性质；（3）熔点固定。晶体呈现这些特性的本质原因是晶体中粒子在微观空间里呈现周期性有序排列。
晶胞
(1)概念:描述晶体结构的基本单元，是晶体结构中最小的重复单元。
(2)晶胞与晶体的关系：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。
晶体结构的测定
常用仪器：X射线衍射仪。
测定过程：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。
作用：根据衍射图，经过计算可以获得晶体结构的有关信息。
二、教学内容分析
2.2 第二节 分子晶体与共价晶体
晶体类型
分子晶体
结构特点
结构特点
共价晶体
分子间的相互作用
粒子间的相互作用
典型例子
典型例子
干冰
冰
金刚石
二氧化硅
金属晶体
离子晶体
构成微粒
分子晶体的结构
分子密堆积 分子非密堆积
分子间的作用力 范德华力 范德华力和氢键
空间特点 通常每个分子周围有12个紧邻的分子，空间利用率高 每个分子周围紧邻的分子数小于12个，空间利用率不高
举例 C60、干冰、I2 HF、NH3、冰
分子晶体结构
①冰晶体结构
冰晶体中，水分子间主要通过氢键形成晶体；由于氢键具有一定的方向性，一个水分子与周围四个水分子结合，这四个水分子也按照相同的规律再与其他的水分子结合；这样，每个氧原子周围都有4个氢原子，其中两个氢原子与氧原子以共价键结合，另外两个氢原子与氧原子以氢键结合，使水分子间构成四面体骨架结构。其结构可用下图表示。
由于氢键具有方向性，冰晶体中水分子未采取密堆积方式，这种堆积方式使冰晶体中水分子的空间利用率不高，留有相当大的空隙；当冰刚刚融化成液态水时，水分子间的空隙减小，密度反而增大，超过4℃时，分子间的距离加大，密度逐渐减小。
②干冰晶体结构
CO2分子内存在共价键，分子间存在范德华力，CO2的晶胞呈面心立方体形，立方体的每个顶角有一个CO2分子，每个面上也有一个CO2分子；每个CO2分子与12个CO2分子等距离相邻（在三个互相垂直的平面上各4个或互相平行的三层上，每层上各4个）。其结构如下图所示。
由于干冰中的CO2分子之间只存在范德华力不存在氢键，干冰晶体中CO2分子的空间利用率较高，密度比冰的高。干冰的外形很像冰，硬度也跟冰相似，熔点却比冰低很多，在常压下极易升华，在工业上广泛用作制冷剂。
共价晶体的结构
①金刚石晶体
金刚石晶体中，每个碳原子均以4个共价单键对称地与相邻的4个碳原子相结合，形成夹角为109 28’的正四面体结构（即金刚石中的碳采取SP3杂化轨道形成共价键），整块金刚石晶体就是以共价键相连的三维骨架结构。其中最小的环是六元环。
②二氧化硅晶体
① 二氧化硅晶体中，每个硅原子均以4个共价单键对称地与相邻的4个氧原子相结合，每个氧原子与2个硅原子相结合，向空间扩展，形成三维骨架结构。晶体结构中最小的环上有6个硅原子和 6个氧原子，硅、氧原子个数比为1:2。
② 二氧化硅晶体中，氧原子采取sp3杂化轨道形成两个共价键，并留下两对未成对电子，所形成的夹角并非180°，因此上述左图二氧化硅晶体结构模型并非完全准确，非180°的夹角导致二氧化硅晶体的共价键骨架不同于金刚石，而可用硅氧四面体相连构成的结构来表示。
③ 低温石英的结构中有顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链，而没有封闭的环状结构。这一结构决定了其具有手性。
石英晶体中的硅氧四面体相连构成的螺旋链
二、教学内容分析
2.3 第三节 金属晶体与离子晶体
用电子气理论解释金属的通性
延展性
当金属受到外力作用时，晶体中各原子层就会发生相对滑动，但不会改变原来的排列方式，而且弥漫在金属原子间的电子气可以起到类似轴承中滚珠之间润滑剂的作用，所以金属有良好地延展性。
导电性
在外加电场作用下，电子气在电场中定向移动而形成电流，呈现良好地导电性。
温度升高时，电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞导致金属的电导率随温度升高而降低。
导热性
电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞，从而引起两者的能量交换。
离子晶体
(1)概念：由阳离子和阴离子相互作用而形成的晶体。
(2)构成微粒：阳离子、阴离子
(3)微粒间作用：离子键
(4)物理性质：通常情况下，熔沸点较高、硬度较大、难挥发难压缩、水溶液或熔融状态下导电，随着离子晶体中阴阳离子体积的增大，离子键越来越小，熔点越来越低，有的离子晶体熔点稍高于室温或低于室温，称为离子液体。
同样是XY型离子晶体，为什么NaCl、CsCl的晶体结构不同？
在NaCl晶体中，Cl－占据顶点和面心，Na+占据棱心和体心（八面体空隙）。Na+或Cl－周围各排列着6个带有相反电荷的离子，即每个Na+周围有6个Cl－，每个Cl－周围有6个Na+，Na+、Cl－的配位数都为6；每个NaCl晶胞中含有4个Na+和4个Cl－。
在CsCl晶体中，Cl－占据顶点，Cs+占据体心。每个Cs+周围有8个Cl－，每个Cl－周围有8个Cs+，Cs+、Cl－的配位数都为8；每个CsCl晶胞中含有1个Cs+和1个Cl－。
离子晶体的结构主要由离子的半径比、电荷比和离子极化三个因素决定。
我们常把离子晶体看作大离子（经常是阴离子）堆积，小离子（经常是阳离子）填隙（填入堆积离子之间的空隙中），填隙的离子不能太小，也不能太大，否则晶体就不会稳定，会崩溃，正负离子的半径比需要在一个比例范围内离子晶体才能稳定存在。
由于堆积离子形成的空隙经常不止一种，有立方空隙（配位数为8）、八面体空隙（配位数为6）和四面体空隙（配位数为4），立方空隙最大，八面体空隙次之，四面体空隙小，若填隙离子半径为堆积离子半径的0.7~1之间，填隙离子可填入立方空隙，若填隙离子半径为堆积离子半径的0.4~0.7之间，填隙离子可填入八面体空隙，若填隙离子半径为堆积离子半径的0.2~0.4之间，填隙离子可填入四面体空隙。这正是NaCl、CsCl的晶体结构不同的原因。
电荷比不同，化学式的通式就不同，晶体结构自然就不会相同。例如，NaCl和CaF2晶体结构自然不同。
离子极化可称为“键性因素”，离子极化后离子键向共价键过渡了，离子键的无方向性向共价键的方向性转化，离子晶体的配位数将比纯粹用几何因素考虑要小，离子间的核间距变小，使离子晶体偏离单纯从几何因素考虑得到的标准模型。
过渡晶体
纯粹的典型晶体是不多的，大多数晶体是他们之间的过渡晶体。以离子晶体、共价晶体之间的过渡为例，偏向离子晶体的过渡晶体在许多性质上与纯粹的离子晶体接近，因而通常当作离子晶体来处理，如Na2O等。偏向共价晶体的过渡晶体则当作共价晶体来处理，如Al2O3、SiO2等。
Al2O3有许多同质异晶体，主要有3晶型，即α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3。它们结构不同，性质也不同，在1300℃以上的高温时几乎完全转化为α-Al2O3。
自然界中的刚玉是α-Al2O3，属于六方最密堆积，熔点、硬度高，不溶于酸碱，与教科书上讲的既能溶于酸、也能溶于碱的两性氧化铝不同，教材所指的主要是γ-Al2O3，它不溶于水，能溶于强酸或强碱溶液，将它加热至1200℃就全部转化为α-Al2O3。
混合型晶体
石墨晶体是典型的混合型晶体，石墨晶体是层状结构，层内每个碳原子以共价键与周围的3个C原子结合，C原子与碳碳键个数比为2︰3，所有碳原子均采取SP2杂化，形成平面六元并环结构。每个碳原子都有一个未参与杂化的2P电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面，这些p轨道相互平行而且相互重叠，使p轨道中电子可在整个碳原子平面中运动，因此，石墨有类似金属晶体的导电性且只能沿石墨平面方向。石墨晶体层内的碳原子核间距为142pm，层间距离为335pm，说明层间没有化学键相连，是靠范德华力维系的。
二、教学内容分析
2.4 第四节 配合物与超分子
配合物
(1)配位键特征：成键原子一方提供孤电子对，另一方接受孤电子对形成的“电子对给予—接受”键。
(2)1.配位键的表示方法
（单子对给予体）A→B（电子对接受体）或A—B
例如：H3O+中配位键的表示： 或
Cu(H2O)42+中配位键的表示： 或
(3)配位键同样具有饱和性和方向性。一般来说，多数过渡金属的原子或离子形成配位键的数目是基本不变的，如Ag＋形成2个配位键；Cu2＋形成4个配位键等。
(4)配合物的组成
a.配合物[Cu(NH3)4]SO4其组成如下图所示：
中心离子（原子）是提供空轨道接受孤电子对的原子。中心原子一般都是带正电荷的阳离子(此时又叫中心离子)，过渡金属离子最常见的有Fe3＋、Ag＋、Cu2＋、Zn2＋等。
b.配体是提过孤电子对的阴离子或分子，如Cl－、NH3、H2O等。配体中直接同中心原子配位的原子叫做配位原子。配位原子必须是含有孤电子对的原子，如NH3中的N原子，H2O中的O原子等。
c.配位数是直接与中心原子形成的配位键的数目。如[Cu(NH3)4]SO4中配位数为4。
d.[Cu(NH3)4]SO4在水溶液中的电离：[Cu(NH3)4]SO4 = [Cu(NH3)4]2＋ + SO42－
(5)配合物的形成对物质性质的影响
(1)溶解性的影响：一些难溶于水的金属氯化物、溴化物、碘化物、氰化物，可以依次溶于含过量Cl－、Br－、I－、CN－和氨的溶液中，形成可溶性的配合物。
(2)颜色的改变：当简单离子形成配生成。如Fe3＋与SCN－在溶液中可生成配位数为1～6的配离子，离子时，颜色常发生变化，根据颜色的变化可以判断是否有配离子这种配离子的颜色是血红色的，反应的离子方程式如下： Fe3＋＋nSCN－===[Fe(SCN)n]3－n(n＝1～6)。
(3)稳定性增强：配合物具有一定的稳定性，配合物中的配位键越强，配合物越稳定。当作为中心原子的金属离子相同时，配合物的稳定性与配体的性质有关。如血红素中的 Fe2＋与CO分子形成的配位键比Fe2＋与O2分子形成的配位键强，因此血红素中的Fe2＋与CO分子结合后，就很难再与O2分子结合，使血红蛋白失去输送O2的功能，从而导致人体CO中毒。
超分子
(1)概念：由两种或两种以上的分子通过分子间相互作用形成的分子聚集体。超分子定义中的分子是广义的，包括离子。
(2)超分子的两个重要特征：分子识别、自组装
例1：分离C60和C70
例2：冠醚识别碱金属离子
冠醚是皇冠状的分子，可有不同大小的空穴适配不同大小的碱金属离子。
左图表示：
冠醚分子与碱金属离子形成的络合物
冠醚 冠醚空腔直径/pm 适合的粒子（直径/pm）
12-冠-4 120~150 Li+（152） 15-冠-5 170~220 Na+（204） 18-冠-6 260~320 K+ （276） Rb+（304） 21-冠-7 340~430 Cs+（334） 三、教学建议
1.加强专业知识的学习，做到高屋建瓴。
“晶体结构与性质”部分作为选考要求是从无到有的部分，教师需要加强相关专业知识的学习，要认真学习与“晶体结构与性质”部分相关的大学知识，以期做到高屋建瓴、胸有成竹。
晶格能与离子键的关系
晶格能(U)是指将1摩尔离子晶体中正负离子完全气化而远离所需要吸收的能量。
离子晶体中离子间的化学作用力并不限于一对正、负离子之间，而是遍及所有离子之间。以氯化钠晶体为例，设钠离子与氯离子的最短核间距为d，以1个钠离子为中心，它与周围相离d的6个氯离子相互吸引，与相离d的12个钠离子相互排斥，又与相距d的8个氯离子相互吸引……整个离子晶体中离子之间的静电作用是所有这些离子的静电吸引力和排斥力的综合，由此形成晶格能的概念。
配位原子的判断
（1）Cu(H2O)42+；Cu(NH3)42+；Al(OH)4－
（2）Fe(CO)5；Fe(CN)63－
（3）Fe(SCN)3；Ag(SCN)2－
Fe(NCS)3
（4）EDTA
晶胞中原子的坐标
素晶胞与复晶胞
晶胞中空隙
晶体的空间利用率
配合物的空间构型
配合物的同分异构现象
……
三、教学建议
2.借助动画、模型，构建认知模型。
动画、模型能形象的展示晶体的微观模型，模拟微观粒子的运动，帮助学生理解记忆，突破教学重难点，建构相关知识的认知结构。
非密置层
配位数=4
配位数=6
金属晶体的原子堆积模型
1、构建模型
（1）二维空间（平面）模型
密置层
1、简单立方堆积（钋Po）
2、体心立方堆积（碱金属）
（2）三维空间（立体）模型
3、六方最密堆积(Mg)
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
前视图
A
B
A
A
B
4、面心立方最密堆积(Cu)
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
前视图
C
B
B
A
C
A
A
B
C
A
2、模型拓展
3、模型应用
三、教学建议
3.创新实验，加深学习理解。
关于晶体各向异性的理解
书本实验：在水晶柱表面上滴一滴熔化的石蜡，用一根红热的铁针刺中凝固的石蜡，发现石蜡在不同方向熔化的快慢不同。
改进实验：实验1：分别透过方解石和玻璃片观察白纸上的横线。
实验2：用小刀分别在方解石和玻璃片沿相互垂直的
方向上刻划，感受它们的硬度。
实验3：用铁锤分别敲碎方解石和玻璃片，观察碎片
的形状。
三、教学建议
4.通过对比、类比促进知识间的联系，构建结构化的知识体系。
例如：《晶体熔沸点高低的比较》
不同晶体类型熔沸点的比较
分子晶体 共价晶体 离子晶体 金属晶体
结 构 组成粒子 分子 原子 阴、阳离子 金属阳离子、
自由电子
粒子间作用 分子间作用力 共价键 离子键 金属键
物 理 性 质 熔沸点 低 很高 较高（有的很低） 有高有低
硬度 小 大 硬而脆 有大有小
溶解度 “相似相溶”原理 不溶于任何溶剂 易溶于极性溶剂，难溶于非极性溶剂 难溶（活泼金属可与水反应）
导电性 晶体不导电；熔融态不导电；溶于水后能电离的，其水溶液可导电 不良（半导体） 晶体不导电；熔融态能导电；能溶于水的，其水溶液可导电 良导体
典型实例 冰、干冰、硫磺、白磷 金刚石、晶体硅、SiO2、SiC NaCl、Na2O、NaOH、CaO Na、Mg、Al、Fe、Zn
晶体类型
性质比较
同种类型晶体熔沸点比较
晶体类型 分子晶体 共价晶体 离子晶体 金属晶体
组成微粒 分子 原子 阴、阳离子 金属阳离子、
自由电子
微粒间作用 分子间作用力 共价键 离子键 金属键
参数 分子间作用力 键长、键能 离子键 金属键
强弱判断 组成和结构相似，相对分子质量越大，范德华力越强； 分子间氢键使物质的熔沸点升高，分子内氢键使物质的熔沸点下降。 原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越强 离子所带电荷越多，阴阳离子半径之和越小，离子键越强 价电子数越多，金属阳离子半径越小，金属键越强
实例 金刚石>碳化硅>晶体硅 H2O>H2Te>H2Se>H2S MgO>NaCl>KCl Al>Mg>Na
三、教学建议
5.通过结构化教学设计，促进高阶思维的发展。
结构化的教学设计能使学生更易搭建属于自己知识结构和思维模型，从而能更准确的提取知识和信息，促进学生思维结构层次不断提升，思维能力有效发展。
《晶体密度的计算》
【教学目标】
1.巩固晶体化学式判断、微粒配位数判断、半径与晶胞边长的关系，提升空间想象能力；
2.利用晶胞模型想象晶胞中微粒空间位置关系，能进行微粒间距离关系；
3.宏观与微观结合，建立晶胞密度计算的思维模型。
【教学重点】
晶体密度计算。
【教学难点】
晶胞中微粒空间位置的识别。
【教学流程】
【教学过程】
教学环节一：晶胞模型中微粒位置的判断
教师活动 学生活动 设计意图
【展示】学生课前自制的NaCl晶胞模型 观看 激发学习兴趣
【提问】分析NaCl晶胞中微粒的空间位置、配位数及相邻微粒间最近距离 交流讨论并回答问题 完善对NaCl晶胞的认识，为后续认识陌生晶胞做铺垫。
【提问】根据给出的金刚石、Cu2O、FeS2晶胞模型，分析各自晶胞中微粒的空间位置、配位数及相邻微粒间最近距离 思考并回答 进一步完善对晶胞结构的认识
教学环节二：利用晶胞模型计算晶体的化学式
教师活动 学生活动 设计意图
【讲解】介绍计算晶胞中微粒数的方法——均摊法。 简单立方晶胞中微粒数目：8×1/8=1体心立方晶胞中微粒数目：8×1/8+1=2面心立方晶胞中微粒数目：8×1/8+6×1/2=4NaCl晶胞中微粒数目：Cl－数目：8×1/8+6×1/2=4；Na+数目：12×1/4+1=4 倾听、总结 掌握计算晶胞微粒的方法。
【任务1】利用均摊法分析金刚石、Cu2O、FeS2晶胞中的微粒数 练习 应用方法解决问题。
【任务2】一种四方结构的超导化合物的晶胞结构如图1所示，晶胞中Sm和As原子的投影位置如图2所示。图中F 和O2 共同占据晶胞的上下底面位置，若两者的比例依次用x和1 x代表，该化合物的化学式表示为？ 思考并练习答案：SmFeAsO1 xFx 运用所学知识分析解决陌生情境中的问题，提升知识迁移和问题解决的能力。
教学环节三：晶体密度的计算
教师活动 学生活动 设计意图
【引导】总结晶体密度、质量、体积与晶胞密度、质量、体积的关系 得出如表1所示的关系 构建晶体密度计算的模型
【讨论】晶体密度计算的方法
表1 晶体密度、质量、体积与晶胞密度、质量、体积的关系
晶体（含1mol晶胞）的质量m晶体 晶体（含1mol晶胞）的体积V晶体 晶体（含1mol晶胞）的密度ρ晶体 m晶体=ρ晶体×V晶体
一个晶胞的质量m晶胞 一个晶胞的体积V晶胞 一个晶胞的密度ρ晶胞 m晶胞=ρ晶胞×V晶胞
关系 m晶胞=m晶胞×NA V晶体=V晶胞×NA ρ晶体=ρ晶胞
教学环节四：问题解决
教师活动 学生活动 设计意图
【问题】一种四方结构的超导化合物的晶胞结构如图1所示，晶胞中Sm和As原子的投影位置如图2所示。 图中F 和O2 共同占据晶胞的上下底面位置，若两者的比例依次用x和1 x代表，该晶体的密度为多少？ 思考并解决问题答案： 运用模型解决问题，进一步巩固密度计算的相关知识。

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