复习题特级教师教学实录

金属晶体的原子堆积模型

教学设计

【设计意图】

金属晶体的原子堆积模型及相关知识是高中化学的难点，也是高考中的高频考点，其重要性不言而喻，但金属晶体的堆积方式具有抽象性和复杂性，学生在理解这一部分内容的时候不易掌握要点，突破此类问题需要学生具有很强的观察能力及三维空间想象能力。高二的学生已经在数学课上学习过立体几何知识，但立体几何知识还比较有限，也未在实际当中应用过，对空间结构想象能力有限，空间中的点、线、面之间的关系难以确定，很难理解四种晶胞对应的堆积方式，特别是几种晶胞的抽取过程、晶胞中原子的相对位置关系、每一晶胞所占有的原子的个数、晶胞的体积、原子的空间利用率的计算等知识。为了突破这一知识难点，培养学生的化学学科核心素养——模型认知，本节课将借助实物模型，让学生动起来，在活动中体会原子的堆积方式、不同堆积方式中原子的相切位置和不同晶胞中原子的配位数等问题。借助形象生动的实物模型，将问题具体化，帮助学生跨越认知障碍，建构结构决定性质的化学基本理念，培养学生的动手能力。

本节课是选自人教版化学选修三《物质结构与性质》第三章第三节金属晶体，本节课主要解决知识点是金属晶体的原子堆积模型，不同晶胞的配位数、原子相切关系和所占原子个数，本节课难点是理解金属晶体的原子堆积模型。

为了突破本节课难点（金属晶体的原子堆积模型），教学过程中准备用泡沫小球代表金属原子，让学生动手拼原子的二维堆积模型和三维堆积模型，在动手过程中了解晶胞的提取过程及原子相对位置关系。

【教学目标】

（1）通过指导学生实际动手操作并交流探究成果，让学生了解金属晶体的四种堆积模型，了解它们的晶胞结构配位数、晶胞边长与原子半径的关系、每个晶胞占有原子个数等。

（2）通过制作模型及对模型的分析，发展学生证据推理和模型认知的学科核心素养，让学生体会到利用模型认识微观事物的结构是一种重要而且有效的科学手段。

【教学重难点】

重点：认识金属晶体的4种基本堆积模型。

难点：认识金属晶体的4种基本堆积模型。

【教学方法】

模型教学法

【教学工具】

多媒体课件，泡沫小球制作的堆积模型，3D打印晶胞模型

【课时安排】

1课时

【教学过程】

教师活动

图片：不同水果的堆积方式

提问：哪种排列方式更紧密呢？

有没有更紧密的排列方式呢？

图片：开普勒和托马斯·黑尔斯

提问：什么是面心立方最密堆积和六方最密堆积呢？

三点说明：

1、金属晶体中的原子可看成直径相等的球体。

2、配位数：在晶体中与每个微粒紧密相邻的微粒个数。

3、研究顺序：一维空间（线）→二维空间（面）→三维空间（体）

活动元一：探究金属原子在二维平面堆积模型

小组合作：请同学们小组合作，用泡沫小球模拟金属原子，将它们拼成一个二维平面。并分析每个小球的配位数，小球间空隙由几个小球围成。

分析非密置层和密置层的结构特点。

活动元二：探究非密置层在三维空间堆积模型

小组合作：当每一层原子均采用非密置层堆积时，第二层原子可以怎么安放在第一层（即最底层）原子上呢？第三层原子又可以怎么安放在第二层原子上呢？

之后的呢？请大家动手试一试。

动手探究非密置层在三维空间的堆积方式

使学生明白小球的以堆积方式有很多种，每一种是否有对应金属采用，还需要实验验证。

动手拼二维平面

思考回答问题

让学生了解球在二维空间的排布方式有两种：密置层和非密置层。

认真听讲并记录

为后面的动手环节作铺垫

学生活动

观察图片

思考并回答

设计意图

让学生了解化学史开普勒猜想，提升学生学习兴趣。

提问：以非密置层为基础的原子堆积方式很多，

我们该通过什么实验判断每种堆积方式是否有金属采用呢？

回答：X-射线衍射实验

（1）简单立方堆积——代表元素Po（钋）

a.配位数：

b.简单立方晶胞平均占有的原子数目：

c.金属原子半径

r 与正方体边长

a 的关系：

d.晶胞中金属原子在立方体的

上相切。（填“棱”或“面对角线”或“体对角线”）

（2）体心立方堆积——代表元素Na、K、Fe a.配位数：

b.体心立方晶胞平均占有的原子数目：

c.金属原子半径

r 与正方体边长

a 的关系：

d.晶胞中金属原子在立方体的

上相切。（填“棱”或“面对角线”或“体对角线”）

活动元三：密置层在三维空间堆积模型

当每一层原子均采用密置层堆积时，第二层原子可以怎么安放在第一层（即最底层）原子上呢？第三层原子又可以怎么安放在第二层原子上呢？

之后的呢？请大家动手试一试。

提问：以密置层为基础的原子堆积方式很多，我们该通过什么实验判断每种堆积方式是否有金属采用呢？

借助模型讲解面心立方最密堆积晶胞的提取方法

思考并回答

了解简单立方堆积模型的相关知识

思考并回答

了解体心立方堆积模型的相关知识

动手探究密置层在三维空间的堆积方式

回答：X-射线衍射实验

观察，并跟随老师一起动手提取面心立方最密堆积晶胞

使学生明白小球的以堆积方式有很多种，每一种是否有对应金属采用，还需要实验验证。

亲身体会面心立方最密堆积晶胞是怎么提取的。

了解面心立方最密堆积模型的相关知识

（3）面心立方最密堆积—代表元素Cu、Ag、Au a.配位数：

b.面心立方最密堆积晶胞平均占有的原子数目：

c.金属原子半径

r 与正方体边长

a 的关系：

d.晶胞中金属原子在立方体的

上相切。思考并回答

（填“棱”或“面对角线”或“体对角线”）

借助模型讲解六方最密堆积晶胞的提取方法

观察，并跟随老师一起动手提取六方最密堆积晶胞

（4）六方最密堆积—代表元素Mg、Zn、Ti a.配位数：

b.六方最密堆积晶胞平均占有的原子数目：

小结

知识层面

总结、讨论并回答

思考并回答

亲身体会六方最密堆积晶胞是怎么提取的。

了解六方最密堆积模型的相关知识

对本节所学知识和方法进行总结

化学学科核心素养层面

模型认知

科学精神

学以致用

空间利用率：晶体的空间被微粒占满的体积百分数，用它来表示紧密堆积的程度。

小组讨论、计算并展示

了解空间利用率，加深对简单立方堆积晶胞、体心立方堆积晶胞和面

请计算简单立方堆积晶胞、体心立方堆积晶胞、面心立方堆积晶胞的空间利用率。（用含π的式子表达）

课后反思

化学学科核心素养的养成并不能仅仅靠某一节课，而是需要教师在长期的教学过程长期去坚持，只有将化学学科核心素养分散到每一堂课，每一次作业，每一次考试中去，才能更快更好的促进学生化学学科核心素养的养成。本堂课是发展学生模型认知这一核心素养的良好载体，通过实际动手操作，能让学生更好的体会金属晶体的四种堆积方式。在实践中发心立方堆积晶胞结构的认识。

现，学生往往会受书本知识的影响，而无法展开思维，探寻更多的堆积方式。因此在今后的教学过程中，要注意引导学生从多角度去思考问题，而不能只从书本或考题的角度去分析问题，培养学生思维的严谨性。

附：导学案

第二节

金属晶体与离子晶体（第一课时）

成都石室中学北湖校区化学组

蒋永乐

【学习目标】

（1）能通过实际动手操作和思考交流，了解金属晶体的四种堆积模型，了解它们的晶胞结构配位数、晶胞边长与原子半径的关系、每个晶胞占有原子个数等。

（2）通过制作模型及对模型的分析，发展证据推理和模型认知的学科核心素养，体会到利用模型认识微观事物的结构是一种重要而且有效的科学手段。

【学习重难点】

认识金属晶体的4种基本堆积模型。

【学习过程】

◆【课堂引入】化学史——开普勒猜想

时间：2min ◆活动元一：探究金属原子在二维平面堆积模型

时间：5min 时间

2min

3min 活动形式

小组合作

动手拼模型

成果展示

用简图表征探究成果

思考、讨论活动过程及结果

请同学们小组合作，用泡沫小球模拟金属原子，将它们拼成一个二维平面。并分析每个小球的配位数，小球间空隙由几个小球围成。

操作提示：

1、泡沫小球已经预先粘成3个一组；

2、请尝试用尽可能多的方式拼接

画出常见的金属原子在二维平面堆积模型示意图：

层

层

配位数：

配位数：

空隙形状：

空隙形状：

空隙分为

种，分别标记出来。

回答

◆活动元二

探究非密置层在三维空间堆积模型

时间：9min 时间

活动形式

3min

3min

3min

小组讨论

动手拼模型

成果展示

当每一层原子均采用非密置层堆积时，第二层原子可以怎么安放在第一层（即最底层）原子上呢？第三层原子又可以怎么安放在第二层原子上呢？之后的呢？

操作提示：

1、这里只讨论非密置层与非密置层堆积，暂时不讨论非密置层和密置层堆积。

2、首先找到一个3×3的非密置层，再尝试将一个2×2的非密置层放在上面，最后再将第三个2×2的非密置层放在第二个非密置层上面。

（1）简单立方堆积

a.配位数：

b.简单立方堆积晶胞平均占有的原子数目：

c.金属原子半径

r 与正方体边长

a 的关系：

活动过程及结果

思考、d.晶胞中金属原子在立方体的

上相切。（填“棱”或“面对角线”或“体讨论回答

思考、讨论回答

a.配位数：

b.体心立方堆积晶胞平均占有的原子数目：

c.金属原子半径

r 与正方体边长

a 的关系：

d.晶胞中金属原子在立方体的

上相切。（填“棱”或“面对角线”或“体

对角线”）

（2）体心立方堆积

对角线”）

◆活动元三

探究密置层在三维空间堆积模型

时间：20min 时间

5min

5min

3min

4min

3min 活动形式

小组讨论

动手拼模型

展示成果

动手抽取晶胞

思考、讨论回答

动手抽取晶胞

思考、讨论回答

1、首先找一个作第一层（即最底层），再尝试将一个放在上面，活动过程及结果

当每一层原子均采用密置层堆积时，第二层原子可以怎么安放在第一层（即最底层）原子上呢？第三层原子又可以怎么安放在第二层原子上呢？之后的呢？

操作提示：

最后尝试将另一个放在第二次上面。

2、放第二层和第三层时注意分析，放上去的这一层对齐的是第一层的哪个位置？是与第一层的原子相对，还是与第一层的一种空隙相对，或是与第一层的另一种空隙相对？

（3）面心立方最密堆积

a.配位数：

b.面心立方最密堆积晶胞平均占有的原子数目：

c.金属原子半径

r 与正方体边长

a 的关系：

d.晶胞中金属原子在立方体的

上相切。（填“棱”或“面对角线”或“体对角线”）

（4）六方最密堆积

a.配位数：

b.面心立方最密堆积晶胞平均占有的原子数目：

课堂小结

时间：4min 时间

2min

2min 活动形式

思考并填写表格

学习思维方式、培养核心素养

活动过程及结果

知识层面：

堆积模型

采纳这种堆积的典型代表

配位数

边长和半径的关系

化学学科核心素养层面：

一、

二、

学以致用

已知空间利用率是晶体的空间被微粒占满的体积百分数，用它来表示紧密堆积的程度。它的计算方法为：空间利用率=球体积/晶胞体积×100%。

请计算简单立方堆积晶胞、体心立方堆积晶胞、面心立方堆积晶胞的空间空间利用率。（用含π的式子表达）

活学活用

聚焦高考

1、图为碳和钨形成的一种化合物的晶胞模型，碳原子和钨原子个数比为________，其中一个钨原子周围距离最近且相等的碳原子有________个。下列金属的堆积方式与晶胞中钨原子堆积方式完全相同的是________

A．Fe Cu

B.Ti Ag

C.Cu Au

D.Zn Mg 2、2、图表示的是金属铜的晶胞，请完成以下各题：

①该晶胞“实际”拥有的铜原子数是________，

铜原子的配位数为________。

②该晶胞称为________(填字母)。

A．六方晶胞

B.体心立方晶胞

C.面心立方晶胞

③已知铜原子的半径为a pm，则该晶体参数为

cm。