利用磁性球棒模型解決晶體結構學習難點*

周瑞莎，宋江鋒

(中北大學理學院，山西　太原　030051)

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利用磁性球棒模型解決晶體結構學習難點*

周瑞莎，宋江鋒

(中北大學理學院，山西太原030051)

材料的晶體結構是《材料化學》課的重要內容。為了解決晶體結構理論學習的難點, 提出了一種新型磁性球棒型晶體結構模型, 設計出了常見金屬晶體結構和典型二元離子晶體結構中所需要的鋼球和磁棒的尺寸和個數。簡述了該模型在對稱元素、晶向指數、晶面指數、配位數、配位多面體和密堆結構教學中的應用。該模型的使用使金屬晶體結構和二元離子晶體結構的教學更加形象，提高了教學效果和學生的學習興趣。

磁性球棒模型；晶體結構；金屬晶體；二元離子晶體

在應用化學的專業教學中，《材料化學》是重要的專業課之一，材料的晶體結構的知識是該課程的重點和難點。同時晶體結構的教學質量直接影響到晶體缺陷、材料的性能與結構之間的關系等后續章節的學習[1]。盡管一些三維晶體軟件對學生的理解有一定的幫助，但未進行實驗實踐過的多數學生覺得這一部分內容理論性太強，很難取得較好的教學效果。為了克服這一難題，可以讓學生自己動手搭建晶體結構模型，更好的掌握對稱元素、晶向指數、晶面指數、配位數、配位多面體等知識，掌握金屬晶體和典型的二元離子晶體的空間結構，加深對分子構型和分子性質的了解。同時，可以促進學生更好的理解結構與性能之間的關系[2]。

目前，已經有用球棒模型進行演示的例子：即用有小孔的木球、塑料球或橡膠球代表原子或離子，用金屬或塑料短棒代表原子或離子間的鍵合或作用力，但該模型一般是一次性成型，存在很多不足之處。如：

(1) 一種模型只能展示一種晶體結構，不能很好的利用資源；

(2) 已經固定好孔的球棒模型，只需插入相應的短棒，因此學生組裝時不會很好的掌握配位數、配位多面體等知識；

(3) 多次拆裝后, 球和短棒的貼合度變差，利用率低[3]。

基于此，本文提出了一種不易損壞, 容易拆裝和保存的磁性球棒模型：以鋼球代表晶體結構中的原子、分子或離子，通過磁棒組裝成各式晶體結構模型。這種磁性球棒晶體結構模型的優點如下：

(1) 鋼球和磁棒通過強磁力貼合在一起, 無需打孔。鋼球和磁棒可以多次重復使用，節約資源；

(2) 原子間的鍵合和晶胞邊界可以采用不同顏色的磁棒進行展示，晶體學的理論知識形象化；

(3) 磁性球棒模型的趣味性很強, 因此能使學生更好的掌握晶體結構的理論知識，達到良好的教學效果。

1　金屬晶體結構模型的組裝和相應晶體結構理論知識的加深

表1 中給出了三種金屬晶體結構模型的鋼球和磁棒尺寸。為了很好的利用資源，三種晶體結構模型中鋼球的尺寸一樣。不同結構模型中磁棒的長度不同，其作用有鍵合和作為晶胞邊界。

表1　三種典型金屬晶體結構模型中磁球、磁棒數量及規格

(1) 對稱元素。對稱性和周期性是晶體最基本的性質。通過學生親自組裝金屬晶體結構模型，不斷摸索，從中找到相應的對稱要素，如對稱中心、對稱面和對稱軸等。

(2) 晶向指數和晶面指數。晶向指數相對簡單，用不同顏色的棒代表某些晶向，指出其晶向指數。晶面指數相對有點難度，可以在掌握晶向指數的基礎上，采用同樣方法，使用特殊顏色的磁棒標出某一晶面，進而很好的掌握晶面及晶面指數。

(3) 配位數、配位多面體和多面體空隙。配位數和配位多面體可以通過模型直觀的觀察到；多面體空隙可以用鋼球和磁棒進行構筑，一目了然。

(4) 最密堆積結構(面心立方結構和六方最密堆積結構)的堆垛。面心立方結構的堆垛方式是：(111)晶面沿著體對角線方向按照…ABCABC…的方式重復排列，而六方最密堆積結構的(001)晶面沿c 軸方向按照…ABAB…的方式重復排列。這部分內容較抽象，可以充分發揮磁棒顏色的作用，先用模型拼出幾個具有不同顏色磁棒的密堆面, 然后進行組裝。照相記錄其形狀、觀察其結構特點。

必須很好的掌握金屬晶體結構的知識，為進一步組裝二元離子晶體結構模型奠定基礎。

2　二元離子晶體結構模型的組裝相應晶體結構理論知識的加深

表2中已經根據典型二元離子晶體結構的正負離子半徑比范圍給出了常見二元離子晶體結構的模型尺寸。為了對比，在每個類型的晶體結構中，統一了正離子的半徑，均是12.5 mm。為了資源的更好利用，統一了磁棒的直徑，均為10 mm，而磁棒的長度在盡可能一棒多用。磁棒的作用有鍵合和作為晶胞邊界，表中不再列出。在已完成金屬離子晶體組裝的基礎上，可以參考表2中模型尺寸組裝模型。

首先，能夠對不同結構的離子半徑比有更直觀形象的認識；其次，能更好的掌握二元離子晶體結構的理論知識，包括負離子的堆積方式，正負離子半徑比和數量，正離子所占什么空隙，正負離子的配位數，晶胞內正負離子數。結構基元、點陣型式、特征對稱元素、正當晶胞中結構基元數等[4]。

同時，典型的二元離子離子晶體結構的正負離子半徑比在一定的范圍之間，因此，也可以讓學生自己選取鋼球和磁棒，動手組裝典型的二元離子晶體結構模型，照相記錄其形狀，然后將組裝時所需要的鋼球和磁棒數量及大小填寫在空的表2中。

因為二元離子晶體結構的內容較金屬晶體結構難度大，因此，必須深深的理解和掌握金屬晶體結構，進而才能很好的組裝二元離子晶體結構模型。

表2　典型二元離子晶體結構模型需要鋼球、磁棒數量和規格及離子晶體結構的計算

3　結　論

在軟件輔助和空間想象的基礎上，學生親自動手用鋼球和磁棒連接金屬晶體結構的晶胞模型和典型的二元離子晶體結構晶胞模型，可使學生很好的掌握晶體結構中對稱元素、晶向指數和晶面指數、配位數、配位多面體和多面體空隙、結構基元和點陣型式等晶體學理論知識，同時更好的掌握了金屬晶體結構模型和典型的二元例子晶體結構的模型。為以后學習晶體的缺陷、材料的性能與結構之間的關系、材料的應用等章節奠定堅實的基礎。

[1]馮娟萍.“結晶學與礦物學”教學實踐及探索[M].陜西教育(高教)，2013(9): 58-59.

[2]周瑞.晶體結構和孿生變形教學方法探索[J].中國科技創新導刊，2013(11): 62.

[3]王曉娜,楊曉麗,張惠友,等.金屬晶體結構模型的制作及球體鉆模的設計[J].農業科技與裝備，2009(4):74-75.

[4]周公度，段連運.結構化學基礎[M].北京: 北京大學出版社，2002:386-408.

Application of Magnetic Sphere and Stick Model in Crystal Structure Teaching Progress*

ZHOURui-sha,SONGJiang-feng

(School of Science, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051, China)

Crystal structures of related materials are important compositions of Material Chemistry curriculum. To overcome the difficulties of theoretic knowledge of crystal structures, a new crystal structure model-magnetic sphere and stick model was presented, layout the size and numbers of sphere balls and sticks of metal crystal structures and typical binary ionic crystal structures. The application of the model in symmetry elements, crystallographic direction indices, crystallographic plane indices, coordination numbers, coordination polyhedron and close packing in teaching progress was described. The application of the model can make the metal crystal structures and typical binary ionic crystal structures more image, improve the teaching efficiency and interests of studying crystal structures.

magnetic sphere and stick model; crystal structure; metal crystal; typical binary ionic crystal

中北大學高等教育教學改革立項：利用磁性球棒模型解決晶體理論學習難點。

周瑞莎(1981-)，博士，副教授，主要從事配位化學的研究。

O742

A

1001-9677(2016)07-0188-02