教材變化指導(dǎo)下的高三化學(xué)二輪復(fù)習(xí)初探
——以“晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”為例

河北 李 暢 周孟雪

高考試題的命制是以高考評價體系為指導(dǎo)，以《普通高中化學(xué)課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)為依據(jù)，以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，以情境、知識、能力、素養(yǎng)為四個核心要素，重在考查符合學(xué)生認知層次的必備知識和關(guān)鍵能力，以真實情境為載體的問題解決過程中發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的選拔性考試。“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊是目前考試中的重要題型，高考試題往往緊扣教材中的基本概念、基本原理和基本規(guī)律，側(cè)重對基礎(chǔ)知識和主干內(nèi)容的理解與考查，強調(diào)基礎(chǔ)扎實。高考試題通過真實的、最新的、陌生功能材料的真實情境呈現(xiàn)與問題設(shè)置，側(cè)重對學(xué)生運用學(xué)科思維解決結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途等實際問題的能力考查，強調(diào)學(xué)以致用。高考試題通過信息提示、圖文展示等多種信息呈現(xiàn)，創(chuàng)新設(shè)問角度，啟發(fā)學(xué)生在解決問題時實現(xiàn)從低階思維到高階思維的提升，體現(xiàn)了試題的綜合性和創(chuàng)新性。

筆者通過對近五年全國卷中“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”試題的考查內(nèi)容梳理發(fā)現(xiàn)，高頻考查內(nèi)容主要包括：核外電子排布及相關(guān)概念、化學(xué)鍵類型及鍵參數(shù)、價層電子對互斥理論、雜化軌道理論、晶體的類型與性質(zhì)、晶胞中的微粒數(shù)和空間位置關(guān)系、晶胞中的相關(guān)計算、配合物理論等。雖然學(xué)生已經(jīng)具備了一輪復(fù)習(xí)建構(gòu)的知識體系，但是對晶體的結(jié)構(gòu)這一部分內(nèi)容仍存在著較大的認知困難。尤其在人教版新教材中，第三章晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)這一部分內(nèi)容與舊教材相比變化較多，在二輪復(fù)習(xí)中教師如何幫助學(xué)生提升對這部分知識的認知就顯得尤為重要。

一、新舊教材變化對比

1.章節(jié)內(nèi)容對比

在第一節(jié)物質(zhì)的聚集狀態(tài)與晶體常識中，新教材涉及的知識點中增加了物質(zhì)的聚集狀態(tài)，包括等離子體、液晶、準晶、晶體結(jié)構(gòu)的測定(X射線衍射實驗)；在第二節(jié)分子晶體與共價晶體中，新教材所涉及的知識點中增加了石英晶體中的硅氧四面體相連構(gòu)成螺旋鏈、石英晶體的左右型晶體；在第三節(jié)金屬晶體與離子晶體中，新教材所涉及的知識點中增加了能帶理論、離子液體、過渡晶體、硅酸鹽、納米晶體，刪掉了金屬晶體的原子堆積模型、金屬晶體的四種堆積方式及對比、離子晶體配位數(shù)及影響因素、CaF2晶胞結(jié)構(gòu)、碳酸鹽分解、晶格能、巖漿晶出規(guī)則等知識點；在第四節(jié)配合物與超分子中，新教材所涉及的知識點中增加了AgCl溶于氨水、超分子、分子識別、自組裝。筆者通過新舊教材內(nèi)容對比不難發(fā)現(xiàn)，新教材一是增加了學(xué)科發(fā)展最新成就內(nèi)容，二是更新規(guī)范了部分舊教材內(nèi)容說法，例如：“在考察大量的晶體后，人們發(fā)現(xiàn)，許多晶體不能被歸為分子晶體、共價晶體、金屬晶體和離子晶體四類晶體的某一類。但是，四類晶體仍然是考察晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。”引導(dǎo)學(xué)生認識到介于典型晶體之間的混合型晶體和過渡型晶體是普遍存在的。

2.《課程標準》修訂前后對比

在主題2“微粒間的相互作用與物質(zhì)的性質(zhì)”中的“微粒間的相互作用”的子主題中，《課程標準》修訂后對配合物這部分內(nèi)容做了細化處理。修訂前要求學(xué)生能說明簡單配合物的成鍵情況；《課程標準》修訂后要求學(xué)生知道配位鍵的特點，認識簡單的配位化合物的成鍵特征，了解配位化合物的存在和應(yīng)用。在“晶體和聚集狀態(tài)”子主題中，《課程標準》修訂前的要求為了解晶格能的應(yīng)用，知道晶格能的大小可以衡量離子晶體中離子鍵的強弱；了解原子晶體的特征，能表述金剛石、二氧化硅等原子晶體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系；能列舉金屬晶體基本堆積模型；知道分子晶體與原子晶體、離子晶體、金屬晶體的結(jié)構(gòu)微粒、微粒間作用力的區(qū)別；修訂后的要求為了解晶體中微粒的空間排布存在周期性，認識簡單的晶胞；借助分子晶體、共價晶體、離子晶體、金屬晶體等模型認識晶體的結(jié)構(gòu)特點；知道介于典型晶體之間的過渡晶體及混合型晶體是普遍存在的；知道在一定條件下，物質(zhì)的聚集狀態(tài)隨構(gòu)成物質(zhì)的微粒種類、微粒間相互作用、微粒聚集程度的不同而有所不同；知道物質(zhì)的聚集狀態(tài)會影響物質(zhì)的性質(zhì)，通過改變物質(zhì)的聚集狀態(tài)可能獲得特殊的材料。

3.教材變化的啟示

修訂前的教材及《課程標準》在“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊的課程內(nèi)容上側(cè)重知識點的具體呈現(xiàn)，而修訂后的教材及《課程標準》側(cè)重化學(xué)學(xué)科認識物質(zhì)、研究物質(zhì)的基本思維方法。因此，教師引導(dǎo)學(xué)生深度挖掘、深層次的理解教材內(nèi)容就顯得尤為重要。

二、“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”重難點突破

晶胞結(jié)構(gòu)的推斷與數(shù)學(xué)分析是學(xué)生認識“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊的一個重要考點，也是一個教學(xué)難點。此類試題以數(shù)學(xué)學(xué)科的立體幾何知識為支撐，重在考查學(xué)生的觀察圖示能力以及三維空間想象能力。因此，突破此類問題是教師在二輪復(fù)習(xí)的重中之重。

1.晶體結(jié)構(gòu)中的密度計算

【例1】理論計算預(yù)測，由汞(Hg)、鍺(Ge)、銻(Sb)形成的一種新物質(zhì)X為潛在的拓撲絕緣體材料。X的晶體可視為Ge晶體(晶胞如圖1a所示)中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成。

a

b

c

①圖1b為Ge晶胞中部分Ge原子被Hg和Sb取代后形成的一種單元結(jié)構(gòu)，它不是晶胞單元，理由是_______。

②圖1c為X的晶胞，X的晶體中與Hg距離最近的Sb的數(shù)目為________；該晶胞中粒子個數(shù)比Hg∶Ge∶Sb=________。

③設(shè)X的最簡式的式量為Mr，則X晶體的密度為________ g/cm3(列出算式)。

【試題分析及參考答案】①對比圖1b和圖1c可得X晶體的晶胞中上下兩個單元內(nèi)的原子位置不完全相同，不符合晶胞是晶體的最小重復(fù)單位要求，故答案為：由圖1c可知，圖1b中Sb、Hg原子取代位置除圖1b外還有其他形式。

【例2】碳的另一種同素異形體——石墨，其晶體結(jié)構(gòu)如圖2所示，則石墨晶胞含碳原子個數(shù)為________個；已知石墨的密度為ρg·cm-3，C—C鍵長為rcm，阿伏加德羅常數(shù)的值為NA，則石墨晶體的層間距為________cm(用r、NA、ρ的代數(shù)式表示)。

石墨的結(jié)構(gòu)

石墨晶胞

【例3】研究發(fā)現(xiàn)，氨硼烷在低溫高壓條件下為正交晶系結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)分別為apm、bpm、cpm，α=β=γ=90°。氨硼烷的2×2×2超晶胞結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3

氨硼烷晶體的密度ρ=________g·cm-3(列出計算式，設(shè)NA為阿伏加德羅常數(shù)的值)。

2.晶體結(jié)構(gòu)中的空隙問題

在離子晶體內(nèi)容部分，教材給出了氯化鈉的晶胞結(jié)構(gòu)和氯化銫的晶胞結(jié)構(gòu)，二者陰離子相同，陽離子為同族元素形成且半徑不同。兩種晶胞結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)了明顯的差異，這種差異造成的主要原因是陰陽離子的半徑比。教師引導(dǎo)學(xué)生再進行深層次的思考后，發(fā)現(xiàn)理解離子晶體陰陽離子堆積方式和填隙方式，能夠幫助學(xué)生建立晶體結(jié)構(gòu)中的空間想象力和立體結(jié)構(gòu)分辨力，降低學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)模塊的畏難情緒并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；教師引導(dǎo)學(xué)生通過對離子晶體不同類型配位數(shù)的結(jié)構(gòu)研究與分析，促進學(xué)生將三維立體結(jié)構(gòu)和二維平面結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)化能力的提升，培養(yǎng)學(xué)生的宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。常見正四面體空隙及正八面體空隙，如圖4所示。

圖4

2.1 氯化鈉型晶胞結(jié)構(gòu)面心立方晶格(正八面體空隙被占據(jù))

圖5

陰、陽離子的配位數(shù)均為6，Na+位于Cl-構(gòu)成的正八面體空隙，陰陽離子之間的距離d=0.5a。由于陰陽離子處于最密堆積時，體系能量最低。為了充分利用空間，較小的陽離子總是盡可能的填充在較大陰離子構(gòu)成的空隙中，形成穩(wěn)定的晶體。則Na+和Cl-在二維空間的相對位置可表示為：

圖6

2.2 氯化銫型晶胞結(jié)構(gòu)體心立方晶格

圖7

陰、陽離子的配位數(shù)均為8，Cs+位于Cl-構(gòu)成的立方體的空隙，陰陽離子之間的距離d=0.866a。Cs+和Cl-在三維空間的相對位置可表示為：

圖8

2.3 硫化鋅型晶胞結(jié)構(gòu)面心立方晶格(正四面體空隙被部分占據(jù))

陰、陽離子的配位數(shù)均為4，Zn2+位于S2-構(gòu)成的正八面體空隙，陰陽離子之間的距離d=0.433a。則Zn2+和S2-在三維空間的相對位置可表示為：

圖10

另外，此處的離子半徑需要特別說明，與原子半徑的考慮方式不同。原子半徑在元素周期表中一般表述為：同周期從左向右原子半徑逐漸減小(稀有氣體除外)，同主族從上到下原子半徑逐漸增大。一旦元素參與形成化學(xué)鍵，半徑的定義方式就會發(fā)生改變。例如：金屬原子的金屬半徑定義為固態(tài)金屬單質(zhì)中兩個最鄰近原子中心之間距離的一半，與金屬原子的堆積方式有關(guān)。離子晶體中相鄰陰、陽離子核間距被定義為陰、陽離子半徑和。如何將陰、陽離子之間的距離分配給這兩個離子，帶有一定的任意性。一般認為陰離子半徑大于陽離子半徑。

三、二輪復(fù)習(xí)的一點建議——二輪復(fù)習(xí)的深度要有層次