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2019-2020年高中化學(xué) 《分子間作用力 分子晶體》教案3 蘇教版選修3 闡述，力求學(xué)生能夠想象整個晶體結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的想象能力。通過分析“晶體中的每個微粒為幾個晶胞所共有”，計算“晶體中原子的個數(shù)、化學(xué)鍵的數(shù)目”等問題的訓(xùn)練，提高學(xué)生分析推理能力。 科學(xué)思想：熱愛科學(xué)，依靠科學(xué)解決實際問題。 科學(xué)品質(zhì)：通過使用計算機軟件或立體模型，刺激學(xué)生的感官，產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。通過教師的引導(dǎo)和精心設(shè)問，激發(fā)學(xué)生的求知欲。 科學(xué)方法：由個別到一般的歸納法及運用一般規(guī)律解決個別問題的演繹法。 重點、難點三類晶體代表物結(jié)構(gòu)的觀察；想象和分析推理能力的培養(yǎng)。 教學(xué)過程設(shè)計 第一課時 　 教師活動 【引入】《考試說明》中明確提出：對原子、分子、化學(xué)鍵等微觀結(jié)構(gòu)要有三維想象能力，這就要求我們能夠通過對晶體結(jié)構(gòu)的研究，提高自己觀察、想象和分析推理的能力。本節(jié)課我們將把晶體按著科學(xué)分類的方法進行研究。 【板書】一、離子晶體：代表物：NaCl、CsCl 【軟件或模型展示】NaCl的晶體。 【講述】在NaCl晶體中，存在可重復(fù)的最小單元，我們稱之為晶胞。 【投影】晶胞：晶體中的最小重復(fù)單元。“重復(fù)”的含義：通過上、下、左、右、前、后的平移能與下一個最小單元（即晶胞）完全重合。 【講述】現(xiàn)在我們來尋找NaCl晶體的晶胞。 【軟件或模型展示】NaCl晶體。 【講述】晶體是由無數(shù)個晶胞連在一起形成的，故晶胞的結(jié)構(gòu)反映了晶體的結(jié)構(gòu)，所以對于某些晶體我們就可以通過研究晶胞結(jié)構(gòu)來研究晶體結(jié)構(gòu)。 學(xué)生活動 觀察與思考。 觀察軟件或模型，思考、討論問題，找到 NaCl的晶胞。 思考。 【軟件或模型展示】NaCl晶體。 【提問】請觀察所給出的NaCl的晶體模型分析氯化鈉的化學(xué)式用“NaCl”來表示，原因何在？能否把“NaCl”稱之為分子式？ 觀察NaCl晶體模型，分析問題，得出答案：每個Na+離子吸引著6個Cl-離子，而每個Cl-離子也吸引著6個Na+離子，所以在NaCl晶體中Na+離子與Cl-離子的個數(shù)比為1∶1，故可用“NaCl”來表示氯化鈉。在氯化鈉晶體中不存在獨立的氯化鈉分子，所以只能把“NaCl”稱之為化學(xué)式，而不叫分子式。 【提問】觀察NaCl的晶體模型，分析在NaCl晶體的每個晶胞中，Na+占據(jù)的位置有________________________種？每種位置各有________________個？Cl-占據(jù)的位置有________________________種？每種位置各有________________________個？ 觀察NaCl 的晶體模型，分析問題，得出答案：在每個NaCl晶胞中Na+的位置有兩種：8個位于晶胞的頂點，6個位于晶胞的面心；Cl-的位置有兩種：12個位于晶胞的棱邊，1個位于晶胞的體心。 【提問】宏觀的NaCl晶體是由無數(shù)個晶胞相互延伸構(gòu)成的。位于頂點、面心、棱邊、體心上的微粒實際提供給每個晶胞的比例是多少？ 思考、討論問題，得出答案：頂點提供給每個晶胞只是它的1/8；面心是1/2；棱邊是1/4；體心是1。 【軟件或圖片展示】位于頂點、面心、棱邊、體心上的微粒實際提供給每個晶胞的比例。 觀察加深理解。 【引導(dǎo)】在每個NaCl晶胞中，平均占有Na+ 離子多少個？Cl-離子多少個？能否從晶胞的角度出發(fā)，再分析氯化鈉化學(xué)式的由來？ 思考、討論問題，得出答案：在每個NaCl晶胞中，平均占有Na+離子： 1/88+/26=4；Cl-離子：1/412+1=4。由此可見，NaCl晶胞中Na+離子與Cl-離子的個數(shù)比為1∶1，故晶體中Na+離子與Cl-離子的個數(shù)比為1∶1，所以可用“NaCl”來表示氯化鈉的組成。 教師活動 【提問】在NaCl晶體中：每個Na+周圍與之等距離且最近的Na+有個；每個Cl-周圍與之等距離且最近的Cl-有________________________個？ 學(xué)生活動 觀察模型，得出答案：每個Na+周圍與之等距離且最近的Na+有12個；每個Cl-周圍與之等距離且最近的Cl-有12個。 【軟件或模型展示】給出CsCl晶胞。 【提問】觀察CsCl的晶胞，想象CsCl晶體結(jié)構(gòu)，試從兩個不同角度分析“CsCl”化學(xué)式的由來？ 觀察CsCl晶胞、想象晶體結(jié)構(gòu)、思考并回答問題：在CsCl晶胞中占有Cs+離子的個數(shù)為1個，Cl-離子1個，故Cs+與Cl-的個數(shù)比為1∶1；由CsCl晶胞可想象其晶體結(jié)構(gòu)，在晶體中，每個Cs+吸引著8個Cl-離子，每個Cl-離子吸引著8個Cs+離子，故可用“CsCl”來表示其化學(xué)組成，稱之為化學(xué)式。 【提問】在CsCl晶體中：每個Cs+周圍與之等距離且最近的Cs+有________________________個？每個Cl-周圍與之等距離且最近的Cl-有________________________個？ 想象CsCl晶體結(jié)構(gòu)，回答問題：在CsCl晶體中：每個Cs+周圍與之等距離且最近的Cs+有6個，每個Cl-周圍與之等距離且最近的Cl-有6個。 請根據(jù)以上兩種晶體中微粒個數(shù)的求算方法，小結(jié)如何計算立方晶體中的微粒個數(shù)比？ 歸納小結(jié)。 要點如下： （1）找到晶體的晶胞； （2）分析晶胞中各微粒的位置： 位于晶胞頂點的微粒，實際提供給晶胞的只有________________________個； 位于晶胞棱邊的微粒，實際提供給晶胞的只有________________________個； 位于晶胞面心的微粒，實際提供給晶胞的只有________________________個； 位于晶胞中心的微粒，實際提供給晶胞的只有________________________個。 （3）數(shù)清晶胞中各微粒的個數(shù)： 【投影】將學(xué)生的小結(jié)內(nèi)容投影展示 （1）找到晶體的最小重復(fù)單元——晶胞； （2）分析晶胞中各微粒的位置： 位于晶胞頂點的微粒，實際提供給晶胞的只有1/8； 位于晶胞棱邊的微粒，實際提供給晶胞的只有1/4； 位于晶胞面心的微粒，實際提供給晶胞的只有1/2； 位于晶胞中心的微粒，實際提供給晶胞的只有1。 （3）數(shù)清晶胞中各微粒的個數(shù)： 晶體中的微粒個數(shù)比=“微粒提供給每個晶胞的數(shù)值晶胞中微粒個數(shù)”之比。 教師活動 【板書】 二、原子晶體 代表物：金剛石、晶體硅、石英 【軟件或模型展示】金剛石的結(jié)構(gòu)。 【提問】觀察金剛石結(jié)構(gòu)，思考其鍵角是多少度？構(gòu)成最小碳環(huán)所需碳原子數(shù)為多少？ 學(xué)生活動 觀察并回答問題：鍵角為10928′，構(gòu)成最小碳環(huán)所需的碳原子數(shù)為6個。 【信息給予】請運用元素周期律的知識想象并描述晶體硅結(jié)構(gòu)。 描述晶體硅的結(jié)構(gòu)：硅原子與硅原子之間通過非極性共價鍵形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鍵角為10928′，形成最小圓環(huán)需6個硅原子。 【提問】比較晶體硅與金剛石的不同之處，它將影響晶體硅的哪些不同于金剛石的性質(zhì)？ 思考并回答問題：由于硅原子的半徑大于碳原子，所以硅—硅鍵的鍵長大于碳—碳鍵的鍵長，使得其鍵能小于碳—碳鍵的鍵能，這將使晶體硅的熔、沸點低于金剛石。 【講述】石英與金剛石、晶體硅一樣，也具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如果我們把每個原子在平面上的投影點連接，就得到石英的平面結(jié)構(gòu)圖。 【軟件或圖片展示】石英平面結(jié)構(gòu)圖。 【提問】根據(jù)石英的平面結(jié)構(gòu)圖分析石英晶體化學(xué)式的由來？能否稱之為分子式？ 觀察、分析、回答問題： 在石英晶體中每個Si原子通過Si—O極性鍵與4個O原子作用，而每個O原子也通過Si—O極性鍵與2個Si原子作用，所以在石英晶體中Si原子與O原子的原子個數(shù)比為1∶2，可用“SiO2”來表示石英的組成。因在晶體中不存在石英分子，故只能稱其為化學(xué)式，不能叫分子式。 【提問】根據(jù)石英晶體的平面結(jié)構(gòu)圖分析：在石英晶體中，每個Si原子獨有多少個Si—O鍵？由此分析nmolSiO2晶體中約含多少摩Si—O鍵？ 分析并回答問題：在石英晶體中，每個Si原子獨有4個Si—O鍵，n molSiO2中含有n molSi原子，故約含4nmolSi—O鍵。 【信息給予】我們也可以將SiO2的晶體結(jié)構(gòu)想象為：在晶體硅的Si—Si鍵之間插入O原子。請想象SiO2的空間結(jié)構(gòu)。 想象SiO2的空間結(jié)構(gòu)。 觀察證實結(jié)論。 【軟件或模型展示】SiO2晶體結(jié)構(gòu)圖。 【提問】觀察SiO2晶體結(jié)構(gòu)，思考構(gòu)成一個最小的環(huán)需多少個原子？以Si原子為中心的Si—O鍵之間的鍵角為多少度？ 觀察并回答問題：需12個原子。鍵角：10928′。 教師活動 【板書】 三、分子晶體 代表物：干冰 【軟件或模型展示】干冰晶胞結(jié)構(gòu)。 【提問】觀察干冰的晶胞結(jié)構(gòu)，計算每個晶胞中含有CO2分子的個數(shù)？ 學(xué)生活動 觀察并回答問題：4個。 【提問】在干冰晶體結(jié)構(gòu)中，每個CO2分子周圍與之最近且等距離CO2分子的個數(shù)？干冰的晶胞結(jié)構(gòu)與我們見過的哪種結(jié)構(gòu)相似？ 觀察并回答問題：每個CO2分子周圍與之最近且等距離CO2分子有12個。這13個CO2分子的位置關(guān)系相當于NaCl晶體中的13個Na+離子或13個Cl-離子的位置關(guān)系。 【小結(jié)】在研究各類晶體代表物的結(jié)構(gòu)時，我們展開了空間想象，解決了“化學(xué)式的由來、求與之最近且等距離的微粒個數(shù)、鍵角、最小圓環(huán)”等問題；同時運用分析推理能力，計算出每個微粒為幾個這樣的單元所共有，解決了“晶體中微粒的個數(shù)比、化學(xué)鍵的數(shù)目”等問題。從而提高了我們的觀察、想象和分析問題的綜合能力。 　 第二課時 　 教師活動 【復(fù)習(xí)引入】上節(jié)課我們研究了各類代表物的結(jié)構(gòu)，位于不同位置的微粒提供給一個晶胞的數(shù)值各是多少？ 學(xué)生活動 回憶并回答問題： 位于晶胞頂點的微粒，實際提供給晶胞的只有1/8； 位于晶胞棱邊的微粒，實際提供給晶胞的只有1/4； 位于晶胞面心的微粒，實際提供給晶胞的只有1/2； 位于晶胞中心的微粒，實際提供給晶胞的只有1。 【過渡】本節(jié)課我們將運用上節(jié)課研究問題的方法通過典型實例進行更深層次的問題討論。 例1　 C60是碳單質(zhì)家族中的新成員，已知每個碳原子與其它三個碳原子相連。請根據(jù)碳的成鍵方式計算C60分子中存在________________________條C—C單鍵；________________________條C=C雙鍵？ 【引導(dǎo)】題目給出了哪些直接信息，是否有隱藏信息？ 分析得出答案：直接信息：C60分子中的每個碳原子與其它三個碳原子成鍵；間接信息：C60是一種單質(zhì)，分子中有60個原子；注意從碳原子的成鍵方式思考問題。 【提問】碳原子如何成鍵？ 回答問題：碳原子通過4條共價鍵與其它原子成鍵。 【提問】每個碳原子擁有多少條C-C單鍵和多少條C=C雙鍵才能滿足碳原子的成鍵方式？畫出碳原子的成鍵方式圖。 思考問題，畫出碳原子的成鍵方式圖： 【提問】每個C—C單鍵為幾個碳原子所擁有？計算每個碳原子占有多少條 C—C單鍵？在分子中共有多少條 C—C單鍵？同理計算 分子中共有多少條C=C雙鍵？ 分析問題，得出答案：每個C—C單鍵為2個碳原子所擁有，故每個碳原子占有21/2=1條C—C單鍵，分子中共有160=60條C—C單鍵；每個C=C雙鍵為2個碳原子所擁有，故每個碳原子占有11/2=1/2條C=C雙鍵，分子中共有1/260=30條C=C雙鍵。 例2 　某離子晶體晶胞如圖所示，●X位于立方體的頂點，○Y位于立方體的中心，試分析： （1）晶體中每個Y同時吸引著多少個X？每個X同時吸引著多少個Y？該晶體的化學(xué)式為________________？ （2）晶體中在每個X周圍與它最接近且距離相等的X共有多少個？ （3）晶體中距離最近的2個X與1個Y形成的夾角∠XYX角度為多少？ （4）該晶體的摩爾質(zhì)量為Mgmol-1，晶體密度為ρgcm-3，阿伏加德羅常數(shù)為NA，則晶體中兩個距離最近的X中心間的距離為多少？ 【引導(dǎo)】觀察晶胞結(jié)構(gòu)，可以直接得出什么答案？ 觀察晶胞結(jié)構(gòu)，回答問題：從晶胞結(jié)構(gòu)可以看出每個Y同時吸引著4個X。而且可以計算出晶胞中X的個數(shù)為1/84=1/2，Y的個數(shù)為1。則在該晶體中X與Y的個數(shù)比為1/1∶2，即2∶1，由此該晶體的化學(xué)式為XY2。 【引導(dǎo)】從晶胞結(jié)構(gòu)展開想象晶體結(jié)構(gòu)，每個X同時吸引著多少個Y？畫出Y的位置。 想象晶體結(jié)構(gòu)，回答問題：每個X同時吸引著8個Y，其位置關(guān)系如圖所示： 【提問】從晶胞結(jié)構(gòu)展開想象晶體結(jié)構(gòu)，每個X周圍與它距離最近且相等的X共有多少個？畫出這些X的位置。 想象晶體結(jié)構(gòu)，回答問題：每個X周圍與它距離最近且相等的X共有12個，其位置關(guān)系如圖所示： 【提問】將晶胞中的四個X連接在一起可以構(gòu)成何種立體圖形？Y在立體圖形中的位置？這種位置關(guān)系與哪種分子結(jié)構(gòu)相似？ 觀察晶胞結(jié)構(gòu)，回答問題：四個X構(gòu)成正四面體。Y位于正四面體的中心。這種結(jié)構(gòu)與CH4分子的結(jié)構(gòu)完全相同。 【提問】由CH4分子的鍵角可知此晶體中距離最近的2個X與1個Y形成的夾角∠XYX角度為多少？ 回憶舊知識：CH4分子的鍵角為10928′，故∠XYX角度為10928′。 【提問】1mol該晶體的體積為多少？1個XY2微粒的體積為多少？ 【提問】一個XY2微粒的體積與一個晶胞的體積是否相等？一個晶胞的體積為多少？ 【提問】晶胞的邊長如何計算？晶體中兩個距離最近的X中心間的距離為多少？ 例3　 （1）將NaCl的晶胞向三維空間延伸就可得到完美晶體。NiO（氧化鎳）晶體的結(jié)構(gòu)與NaCl相同，Ni2+與最鄰近O2-的核間距離為a10-8cm，計算NiO晶體的密度（已知NiO的摩爾質(zhì)量為74.7gmol-1）。 （2）天然的和絕大部分人工制備的晶體都存在各種缺陷，例如在某種NiO晶體中就存在如右圖所示的缺陷：一個Ni2+空缺，另有兩個Ni2+被兩個Ni3+所取代。其結(jié)果晶體仍呈電中性但化合物中Ni和O的比值卻發(fā)生了變化。某氧化鎳樣品組成為Ni0.97O，試計算該晶體中Ni3+與Ni2+的離子數(shù)之比。 【提問】如何入手去求算晶體密度？ 思考討論，得出解題思路：求算晶體密度即求算1cm3中NiO的質(zhì)量。 【引導(dǎo)】如何計算1cm3中陰、陽離子總數(shù)？1cm3中Ni2+—O2-離子對數(shù)為多少？ 【提問】如何計算每對Ni2+—O2-離子對的質(zhì)量？ 分析回答： 【引導(dǎo)】根據(jù)以上分析如何求算密度？ 回答問題：晶體的密度=每對Ni2+—O2-離子對的質(zhì)量1cm3中Ni2+—O2-離子對數(shù)。即密度： 【引導(dǎo)】整個晶體是否帶電？如何求算Ni2+與Ni3+離子數(shù)之比？ 回答問題：整個晶體呈電中性，則有：Ni2+與Ni3+所帶的正電荷數(shù)應(yīng)等于O2-所帶的負電荷數(shù)，即 3x+2（0.97-x）=21 （x為Ni3+的物質(zhì)的量。） 解得x=0.06。則Ni2+的物質(zhì)的量為： 0.97-x=0.97-0.06=0.91 mol。Ni3+與Ni2+離子數(shù)之比為6∶91。 精選題 一、選擇題 1．根據(jù)下表給出的幾種物質(zhì)的熔點、沸點數(shù)據(jù)判斷說法中錯誤的是 [　　　 ] A．SiCl4是分子晶體 B．MgCl2中鍵的強度比NaCl中鍵的強度小 C．單質(zhì)R是原子晶體 D．AlCl3為離子晶體 2．經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，有一種磷分子具有鏈狀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖所示。下列說法正確的是 [　　　 ] A．它是一種高分子化合物 B．它是一種極性分子，易溶于水 C．分子量是白磷的8倍 D．與白磷互為同素異形體 二、非選擇題 3．現(xiàn)有甲、乙、丙、丁四種晶胞（如圖2-8所示），可推知：甲晶體中A與B的離子個數(shù)比為；乙晶體的化學(xué)式為；丙晶體的化學(xué)式為________________________；丁晶體的化學(xué)式為________________________。 4．鈣-鈦礦晶胞結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。觀察鈣-鈦礦晶胞結(jié)構(gòu)，求該晶體中，鈣、鈦、氧的微粒個數(shù)比為多少？ 5．晶體硼的基本結(jié)構(gòu)單元都是由硼原子組成的正二十面體，其中含有20個等邊三角形的面和一定數(shù)目的頂角，每個頂角各有一個硼原子，如圖2-10所示，回答： （1）鍵角________________；（2）晶體硼中的硼原子數(shù)________________個；B—B鍵________________條？ 6．在碳單質(zhì)的成員中還有一種混合型晶體——石墨，如圖2-11所示。它是層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間依靠作用力相結(jié)合。每層內(nèi)部碳原子與碳原子之間靠作用力相結(jié)合，其鍵角。分析圖中每個六邊形含有個碳原子。 7．C70分子是形如橢球狀的多面體，該結(jié)構(gòu)的建立基于以下考慮： （1）C70分子中每個碳原子只跟相鄰的3個碳原子形成化學(xué)鍵； （2）C70分子中只含有五邊形和六邊形； （3）多面體的頂點數(shù)、面數(shù)和棱邊數(shù)的關(guān)系遵循歐拉定理：頂點數(shù)+面數(shù)-棱邊數(shù)=2。 根據(jù)以上所述確定：（1）C70分子中所含的單鍵數(shù)和雙鍵數(shù)；（2）C70分子中的五邊形和六邊形各有多少？ 8．晶體具有規(guī)則的幾何外形，晶體中最基本的重復(fù)單位稱為晶胞。NaCl晶胞結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。 已知FexO晶體的晶胞結(jié)構(gòu)為NaCl型，由于晶體缺陷，x的值小于1。測知FexO晶體密度ρ為5.719cm-3，晶胞邊長為4.2810-10m（鐵原子量為55.9，氧原子量為16）。求： （1）FexO中x的值（精確至 0.01）。 （2）晶體中的 Fe分別為Fe2+和Fe3+，在Fe2+和Fe3+的總數(shù)中，F(xiàn)e2+所占分數(shù)為多少？（精確至0.001）。 （3）寫出此晶體的化學(xué)式。 （4）描述Fe在此晶體中占據(jù)空隙的幾何形狀（即與O2-距離最近且等距離的鐵離子圍成的空間形狀）。 （5）在晶體中，鐵元素的離子間最短距離為多少？ 答　 案 　 一、選擇題 1．D．提示：一般來說晶體的熔沸點有如下規(guī)律：原子晶體＞離子晶體＞分子晶體，金屬晶體有的高有的低。對于同種類型晶體的熔沸點則取決于微粒間的作用力。 2．D、E 二、非選擇題 3．1∶1　 C2D　 EF　 XY3Z 4．1∶1∶3 5．（1）60度（2）12（3）30 6．范德華力（或分子間作用力）；非極性共價鍵；120度；2。 7．（1）單鍵數(shù)：70；雙鍵數(shù)：35。 （2）設(shè)C70分子中五邊形數(shù)為x個，六邊形數(shù)為y個。依題意可得方程組： 1/2（5x+6y）=1/2（370）（鍵數(shù)，即棱邊數(shù)） 70+（x+y）-1/2（370）=2（歐拉定理） 解得五邊形數(shù)x=12，六邊形數(shù)y=25。 8．（1）0.92（2）0.826 （4）正八面體（5）3.0310-10m。 提示：（1）由NaCl晶胞結(jié)構(gòu)可知，1molNaCl晶胞中含有4mol NaCl，故在FexO晶體中1mol FexO晶胞中含有4mol FexO。 設(shè)FexO的摩爾質(zhì)量為Mg mol-1，晶胞的體積為V。則有： 4M=ρVN0，代入數(shù)據(jù)解得M=67.4gmol-1，則x=0.92。 （2）設(shè)Fe2+為y個，F(xiàn)e3+則為（0.92-y）個，由正負化合價代數(shù)和為零可得：2x+3（0.92-y）=2，則y=0.76。Fe2+所占的分數(shù)為：0.76/0.92=0.826。 （3）由于Fe2+為0.76，則Fe3+為（0.92-0.76）=0.16，故化學(xué)式為 （4）與O2-距離最近且等距離的鐵離子有6個，這6個鐵離子所圍成的幾何形狀如圖2-13所示，由圖可知Fe在晶體中占據(jù)空隙的幾何形狀為正八面體。