用直觀教學(xué)加深學(xué)生對(duì)晶胞的理解

摘要：中學(xué)化學(xué)人教版選修三《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》中，金屬晶體中原子的幾種堆積方式只有圖例，無直觀的模型，學(xué)生難以理解，更無法計(jì)算每一種堆積方式中原子的利用率，尤其是面心密堆積。介紹如何利用直觀模型教學(xué)解決以上問題。

關(guān)鍵詞：金屬晶體；原子；堆積

在中學(xué)化學(xué)人教版選修三《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》中，對(duì)晶體的相關(guān)知識(shí)要求較深，而學(xué)生才學(xué)立體幾何不久，對(duì)空間結(jié)構(gòu)想象不夠，空間中點(diǎn)、線、面之間的關(guān)系難以確定，所以對(duì)微觀晶胞結(jié)構(gòu)的理解困難很大。在金屬晶體的教學(xué)中，學(xué)生的這種情況表現(xiàn)更為突出，學(xué)生對(duì)幾種晶胞的形成、晶胞中原子間的位置關(guān)系、每一晶胞所占用的原子的個(gè)數(shù)、晶胞的體積、原子的空間利用率的計(jì)算等知識(shí)很難把握。

一、現(xiàn)行教材的不足之處

在高中人教2009版教材選修三《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》第三章第三節(jié)金屬晶體的內(nèi)容中，對(duì)金屬原子的堆積方式有如下的描述：金屬原子在二維平面堆積中有兩種方式，配位數(shù)分別為4和6的非密置層和密置層。對(duì)這種平面的堆積方式，學(xué)生很容易理解兩種方式的特征及區(qū)別。在非密置的空間堆積方式中又可得簡(jiǎn)單立方與體心立方。在簡(jiǎn)單立方中，學(xué)生能準(zhǔn)確理解晶胞中原子間的位置關(guān)系和晶胞的邊長(zhǎng)，方便學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)求晶胞的相關(guān)參數(shù)。但在體心立方中，學(xué)生對(duì)晶胞的邊長(zhǎng)與原子半徑的關(guān)系不太明確，求晶胞的參數(shù)則更困難。

在密置層的空間堆積中所得的六方最密堆積和面心最密堆積立方中，學(xué)生對(duì)如何得到這兩種晶胞以及兩種晶胞中各原子間的位置關(guān)系理解困難，更難以求晶胞的參數(shù)和原子的空間利用率。特別是在六方最密堆積晶胞中，學(xué)生容易根據(jù)教材圖例認(rèn)為中間原子在四棱柱的面上或在四棱柱的棱上，而它的底面為正方形，而實(shí)際上中間原子與其相切的三原子同處于一正四面體的頂點(diǎn)，底面的另一原子與其不接觸，底面為菱形。

二、改進(jìn)方法

為了給學(xué)生以直觀的感受，可以先用Flash制作各晶胞的模型，然后指導(dǎo)學(xué)生用乒乓球代替金屬原子按照教材敘述用膠水粘貼成簡(jiǎn)單立方、體心立方和六方最密堆積，通過動(dòng)手操作，加深學(xué)生對(duì)各晶胞的認(rèn)識(shí)，消除內(nèi)心的錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)。在簡(jiǎn)單立方中，晶胞邊長(zhǎng)與原子半徑間的關(guān)系非常明確，邊長(zhǎng)為半徑的2倍，配位數(shù)為4。而體心立方中，晶胞的體對(duì)角線長(zhǎng)為原子半徑的4倍，配位數(shù)為8。在這兩種晶胞中，學(xué)生可通過模型，利用所學(xué)的數(shù)學(xué)立體幾何知識(shí)能清楚掌握原子間的位置關(guān)系和快速計(jì)算出原子的配位數(shù)以及原子的空間利用率。在六方最密堆積中，原子間的位置關(guān)系較復(fù)雜。以乒乓球粘成的實(shí)際模型為例，取晶胞的A層原子為四原子形成的菱形底面，B層原子放在其中A層3原子圍成的空隙中，且只能放一個(gè)原子，該原子不完全屬于3原子球心所圍成的空間，但從Flash動(dòng)畫透視圖可見，中間原子與其接觸的原子圍成以球心為頂點(diǎn)的正四面體，底面的另一原子不能與接觸面相切。通過上下底的球心作連線所形成的四棱柱剛好將中間小球球心圍在其中，A層球心連線將B層球切除部分。但同時(shí)將不屬于此四棱柱的小球切入到此四棱柱中，剛好切出與切進(jìn)的體積相等，即一四棱柱完整擁有一中間小球，而中間小球的球心不在面或邊線上。在原子利用率的計(jì)算中：晶胞底面為菱形，高為正四體高的兩倍，配位數(shù)為12。

對(duì)于面心最密堆積，學(xué)生不可能觀察到面心結(jié)構(gòu)，F(xiàn)lash動(dòng)畫方式也不能讓學(xué)生從該方式中抽出面心結(jié)構(gòu)，F(xiàn)lash為平面動(dòng)畫，只能讓學(xué)生看到前視圖或透視效果，不能從多角度觀察晶胞。這時(shí)可以改用3ds max軟件模擬面心最密堆積，它可以從不同角度觀察原子在空間堆積所形成的效果。具體方法為：打開3Ds Max在其前視圖中，建立一小球，然后用復(fù)制的方法得相同大小的小球若干，在左右視圖和上視圖中，調(diào)整各小球的位置，讓它們形成平面的密置層結(jié)構(gòu)，命名為A層。復(fù)制該層兩次，分別命名為B層、c層。在前視圖中向上調(diào)整B層一層與A層小球的位置關(guān)系，讓上層每一小球剛好與下層兩球相切；然后在左或右視圖中，將B層、c層小球向同一方向平移。最后將A層小球復(fù)制放在C層之上，特別要注意的是，要讓兩個(gè)A層對(duì)齊。這時(shí)可以將所得空間密層結(jié)構(gòu)向左或右旋轉(zhuǎn)90度，很容易在視圖中觀察到五個(gè)原子所圍成的面心，去掉一個(gè)面心結(jié)構(gòu)中不屬于它的原子，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)此模型，用相同的方法可以得到整個(gè)面心晶胞的結(jié)構(gòu)。從實(shí)際得到的結(jié)構(gòu)中可以看到，其實(shí)A層只要一個(gè)小球，B層、C層只要6個(gè)小球，B、c層6小球圍成等邊三角形，中心重疊，所延伸方向剛好相反，配位數(shù)12。3Ds Max制作該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，可以用模擬攝像機(jī)記錄該晶胞的形成過程，再通過播放的方式給學(xué)生觀看，可以加深學(xué)生對(duì)原子間的位置關(guān)系的理解。在面心結(jié)構(gòu)中，面對(duì)角線長(zhǎng)為半徑的4倍。通過3Ds Max也可以讓學(xué)生親手制作面心最密堆積晶胞模型，在制作時(shí)不能按教材所述進(jìn)行，按A層只要一個(gè)小球，B層、C層只要6個(gè)小球，B層、C層6小球圍成等邊三角形，中心重疊所延伸方向剛好相反的方式可以輕松得到面心結(jié)構(gòu)，實(shí)物模型可以讓難以想象和理解的微觀結(jié)構(gòu)真實(shí)地展現(xiàn)在學(xué)生面前，有利于學(xué)生加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握。

三、直觀模型教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)中，研究的對(duì)象是微觀微粒，要求學(xué)生具有抽象思維，學(xué)生對(duì)看不見摸不著的晶胞很難想象到各原子、分子或離子在空間中的排列情況。學(xué)生對(duì)晶胞中各頂點(diǎn)、面心、棱上原子及體內(nèi)原子的利用情況認(rèn)識(shí)較快，但涉及原子與原子在空間中等距問題就很困難，他們考慮問題往往是在一個(gè)平面內(nèi)來思考原子間的關(guān)系，難以向空間中延伸，如能將微觀的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成宏觀可見的模型，將有利于學(xué)生建立晶胞的空間位置關(guān)系，再利用自己所學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí)，可解決晶胞的邊長(zhǎng)、體積、密度、化學(xué)式、摩爾質(zhì)量等有關(guān)問題。在《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》的實(shí)際教學(xué)過程中，只要老師，能多以直觀模型的方式給學(xué)生講解或指導(dǎo)，學(xué)生親手制作相應(yīng)的模型，就可以幫助學(xué)生更好地理解相關(guān)知識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

宋心琦，化學(xué)選修三：物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，人民教育出版社，2009.

(作者單位重慶市第十八中學(xué))