第三单元 从微观结构看物质的多样性优秀教案范文

专题1第三单元 从微观结构看物质的多样性

第1课时

同素异形现象

教学设计

广西壮族自治区藤县第一中学 刘丽梅

【学习目标】

1.

知识与技能：从金刚石、石墨、足球烯等碳的同素异形体为例认识同素异形现象的概念，进而认识由于微观结构不同而导致的物质的多样性。

2.过程与方法：运用多媒体图片展示、教师讲解和观看视频等方法认识同素异形现象。

3.情感态度与价值观：通过学习，激发学生从微观角度探究化学本质问题的学习兴趣，同时认识物质世界的多样性，形成正确的世界观。

【教材处理】

1、以生活中熟悉的两种碳的同素异形体——金刚石和石墨性质的“异”、“同”点为切入点，从“同素”和“异形”两个角度帮助学生认识同素异形现象和同素异形体。帮助学生从微观结构角度认识两种晶体中碳元素原子间的结合方式，作用力和空间排列方式的不同，认识它们性质不同的原因。同时，通过介绍现代科学研究中的热点：C60和石墨烯等知识来拓展学生的视野，增长学生的知识点。

2、运用电脑图片，向学生展示“足球烯”、“纳米碳管”等碳的不同单质。

3、用三维空间结构模型学习金刚石、C60的结构知识。

【教学重点】

以金刚石、石墨为例认识由于微观结构的不同从而导致的同素异形现象

【教学难点】

金刚石、石墨、碳纳米管的结构

【教学过程】

[引入]我们知道由碳原子构成的物质有哪些？人类已发现的元素仅百余种，可它们却能形成数千万种不同的物质。这是什么原因呢？

[思考]金刚石和石墨都是C单质，为什么它们的物理性质却有很大的区别？

[展示]金刚石、石墨与C60的图片和视频资料，让同学们从视觉上感受差异性，并介绍目前世界上最大的钻石的重量和价格，激发学生的学习兴趣。

[讲解]以金刚石和C60的结构模型分析它们的结构特点：构成金刚石的微粒是C原子，每个C原子都与周围4个碳原子以共价键相连，结合成空间网状结构，金刚石的基本结构单元是正四面体；而C60 分子中每个碳原子与周围3个碳原子以共价键相连结合成一个分子，因形似足球又被称为足球烯。

以图片的形式介绍石墨和碳纳米管的结构特点：构成石墨的微粒是C原子，C原子以共价键相连，在石墨的每一层，每个C原子与周围3个C原子以共价键相连，排列成平面六边行，无数平面六边行形成平面网状结构，石墨的不同层之间存在分子间作用力。

石墨烯是由单层碳原子排列成六边形晶格的一种异形体，石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

[展示]介绍石墨烯的结构，观看被称之为“黑金”的石墨烯的小视频。

[归纳] 同素异形现象、同素异形体

定义： 。

实例： 。

[讲述] [列表比较]

外观

密度（g/cm）

熔点（K）

沸点（K）

莫氏硬度

金刚石

无色

透明

石墨

灰黑色不透明

2．25

3925

5100

1

导电、导热性好

比金刚石稍活泼

[思考] 为什么金刚石和石墨在硬度和导电性有差异？

[讲述] 除了C元素有同素异形体外，O、S、P元素也有同素异形现象。

[列表比较]

化学式

颜色

气味

沸点

℃

溶解性

3．51

>3823

5100

10

3导电、导热性

不导电

化学活泼性

不活泼

氧气

O2

无色

无味

－183

0.030

臭氧

O3

淡蓝色

鱼腥味

－112.4

>O2

[学生]书写氧气的电子式和结构式，以便巩固上一单元所学的化学键的相关知识。

[讲述]评价学生所写氧气的电子式和结构式，简单介绍臭氧的结构及其对地球上生命体的保护作用，讲解人类长期遭受紫外线照射的危害。

[展示]以图片的形式展示1980-1991年“臭氧洞”的变化，教育学生平时要保护好我们的地球。

[展示]“走进臭氧层”的科普视频。

[讲述] 除了C、O元素有同素异形体外， P元素也有同素异形现象。

[列表比较]

化学式

色态

着火点

溶解性

毒性

保存方法

白磷

红磷

[展示]“磷的同素异形体”的科普视频。

[归纳]白磷和红磷的异同点，给学生灌输学习化学学科的理念“结构决定性质，性质决定用途”。

[提问]为什么红磷和白磷燃烧后都是生成P2O5，金刚石、石墨、C60充分燃烧后都生成CO2？

[小结]互为同素异形体的单质物理性质不同，化学性质相似，并介绍臭氧的用途。

[提问]同素异形体的转化是什么变化？

[讲解]有单质参加反应或有单质生成的反应不一定是氧化还原反应。

[小结]请学生辨析同素异形体和同位素这两个概念。

[当堂检测]导学案的1-5题。

[板书设计] 一、同素异形体

1.定义：

2.实例：

①金刚石、石墨与C60

②氧气与臭氧

③红磷与白磷

[课后练习] 1、下列各组中互为同位素的是( )，互为同素异形体的是( ) 2A.O2和O3 B.11H和1H C.H2O和H2O2 D.O和O 2－2、最近医学界通过用放射性C标记C60，发现一种C60的羧酸衍生物在特定条件下可通过断裂DNA杀死细胞，从而抑制艾滋病（AIDS），则有关C的叙述正确的是 ( ) （A）与C60中普通碳原子的化学性质不同

（B）与N含的中子数相同

（C）是C60的同素异形体

（D）与C互为同位素

3、1995年诺贝尔化学奖授予致力于研究臭氧层被破坏问题的三位环境科学家。大气中的臭氧层可滤除大量的紫外光，保护地球上的生物。氟利昂可在光的作用下分解，产生Cl原子，Cl 原子会对臭氧层产生长久的破坏作用。有关反应为 。

根据以上叙述，回答1~2小题：

①在上述臭氧变成氧气的反应过程中，Cl 是 ；

②O2和O3是 。

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【教学参考资料】

1.碳的同素异形体

（1）碳的同素异形体有金刚石、石墨和碳60等富勒烯，它们的不同性质是由微观结构的不同所决定的。

外观

密度3熔点沸点（K）

莫氏硬度

导电、导热性

燃烧热（kJ/mol）

化学活泼性

（g/cm）

（K）

金刚石

石墨

无色

透明

灰黑色不透明

3．51 >3823 5100 10 不导电

395．40 不活泼

2．25 3925 5100 1 导电、导热性好

393．50 比金刚石稍活泼

金刚石呈正四面体空间网状立体结构，碳原子之间形成共价键。当切割或熔化时，需要克服碳原子之间的共价键，金刚石是自然界已经知道的物质中硬度最大的材料，它的熔点高。上等无暇的金刚石晶莹剔透，折光性好，光彩夺目，是人们喜爱的饰品，也是尖端科技不可缺少的重要材料。颗粒较小、质量略为低劣的金刚石常用在普通工业方面，如用于制作仪器仪表轴承等精密元件、机械加工、地质钻探等。钻石在磨、锯、钻、抛光等加工工艺中，是切割石料、金属、陶瓷、玻璃等所不可缺少的；用金刚石钻头代替普通硬质合金钻头，可大大提高钻进速度，降低成本；镶嵌钻石的牙钻是牙科医生得心应手的工具；镶嵌钻石的眼科手术刀的刀口锋利光滑，即使用1000被的显微镜也看不到一点缺陷，是摘除眼睛内白内障普遍使用的利器。金刚石在机械、电子、光学、传热、军事、航天航空、医学和化学领域有着广泛的应用前景。

石墨是片层状结构，层内碳原子排列成平面六边形，每个碳原子以三个共价键与其它碳原子结合，同层中的离域电子可以在整层活动，层间碳原子以分子间作用力（范德华力）相结合。石墨是一种灰黑色、不透明、有金属光泽的晶体。天然石墨耐高温，热膨胀系数小，导热、导电性好，摩擦系数小。石墨被大量用来做电极、坩埚、电刷、润滑剂、铅笔等。具有层状结构的石墨在适当条件下使某些原子或基团插入层内与C原子结合成石墨层间化合物。这些插入化合物的性质基本上不改变石墨原有的层状结构，但片层间的距离增加，称为

膨胀石墨，它具有天然石墨不具有的可绕性，回弹性等，可作为一种新型的工程材料，在石油化工、化肥、原子能、电子等领域广泛应用。

（2）碳60 1985年，美国德克萨斯洲罗斯大学的科学家们制造出了第三种形式的单质碳C60， C60是由60个碳原子形成的封闭笼状分子，形似足球，C60为黑色粉末，易溶于二硫化碳、苯等溶剂中。人们以建筑大师B.富勒的名字命名了这种形式的单质碳，称为富勒烯（fullarene）。这是因为富勒设计了称为球状穹顶的建筑物，而某些富勒烯的结构正好与其十分相似。C60曾又被称足球烯、巴基球等，它属于球碳族，这一类物质的分子式可以表示为Cn，n为28到540之间的整数值，有C50、C70、C84、C240等，在这些分子中，碳原子与另外三个碳原子形成两个单键和一个双键，它们实际上是球形共扼烯。

富勒烯分子由于其独特的结构和性质，受到了广泛的重视。人们发现富勒烯分子笼状结构具有向外开放的面，而内部却是空的，这就有可能将其他物质引入到该球体内部，这样可以显著地改变富勒烯分子的物理和化学性质。例如化学家已经尝试着往这些中空的物质中加进各种各样的金属，使之具有超导性，已发现C60和某些碱金属化合得到的超导体其临界温度高于近年研究过的各种超导体，科学家预言C540有可能实现室温超导；也有设想将某些药物置入C60球体空腔内，成为缓释型的药物，进入人体的各个部位。在单分子纳米电子器件等方面有着广泛的应用前景，富勒烯已经广泛地影响到物理、化学、材料科学、生命及医药科学各领域。

（3）碳纳米管

碳纳米管可分单层及多层的碳纳米管，它是由单层或多层同心轴石墨层卷曲而成的中空碳管，管直径一般为几个纳米到几十个纳米，多层碳纳米管是管壁的石墨层间距为0.34纳米，与平面石墨层的间距一样，不论是单层还是多层碳纳米管，前后末端类似半圆形，结构基本上与碳六十相似，使整个碳管成为一个封闭结构，故纳米碳管也是碳簇的成员之一。碳纳米管非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发丝宽，是长度和直径之比很高的纤维。

碳纳米管强度高具有韧性、重量轻、比表面积大，性能稳定，随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性，场发射性能优良。自1991年单层碳纳米管的发现和宏观量的合成成功以来，由于具有独特的电子结构和物理化学性质，碳纳米管在各个领域中的应用已引起了各国科学家的普遍关注，已成为富勒烯和纳米科技领域的研究热点。

利用碳纳米管可以制成高强度碳纤维材料和复合材料，如其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6，被科学家称为未来的“超级纤维”；在航天事业中，利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅可以为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不会烧毁；用金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀掉，还可以得到导电性能非常好的纳米尺度的导线；利用碳纳米管做为锂离子电池的正极和负极材料可以延长电池寿命，改善电池的充放电性能；利用碳纳米管制成极好的发光、发热、发射电子的准点光源，制成平面显示器等，使壁挂电视成为可能；在电子工业上、用碳纳米管生产的晶体管，体积只有半导体的1/10，用碳基分子电子装置取代电脑芯片，将引发计算机的新的革命；碳纳米管可以在较低的气压下存储大量的氢元素，利用这种方法制成的燃料不但安全性能高，而且是一种清洁能源，在汽车工业将会有广阔的发展前景；碳纳米管还可作为催化剂载体和膜材料。

2.磷的同素异形体

磷有多种的同素异形体，其中主要有白磷、红磷、黑磷等。

固体白磷（P4）是白色的，遇光逐渐变成黄色，它难溶于水，易溶于二硫化碳。白磷有毒，误食0.1g就能致死。白磷呈正四面体结构。白磷性质较活泼。它和空气或潮气接触时发生缓慢氧化反应，部分能量以光的形式放出，这便是白磷在暗处发光的原因，叫做磷光现象。白磷的着火点为313K，在空气中容易自燃。白磷要保存在水中。利用白磷的易燃性和生成物五氧化二磷能形成烟雾的特性，可制燃烧弹和烟雾弹。在工业上，白磷主要用在制造高纯度的磷酸、磷酸盐、农药、信号弹等的制造。

红磷是一种暗红色粉末，它难溶于水和二硫化碳，没有毒性。红磷的结构可能为P4正四面体的一个P—P键断裂后形成的长链状。红磷的化学性质比白磷稳定得多。红磷要加热到513K才燃烧，生成物也是五氧化二磷。红磷用于火柴生产，火柴盒侧面所涂的物质就是红磷与三硫化二锑等的化合物。

黑磷具有石墨状片层结构，有导电性，有“金属磷”之称。黑磷化学性质最稳定。

将白磷隔绝空气加热到在533K，就会转化为红磷，红磷加热到689K时升华，它的蒸气冷却后凝华为白磷。

白磷和红磷的相互转化实验：取一支长约30厘米、直径约1厘米的玻璃管，一端用橡皮塞塞紧。在玻璃管里放入两粒黄豆大小的干燥红磷，用细玻璃棒把它推到玻璃管的中部。把玻璃管平夹在铁架台上，在盛红磷的部分微微加热。开始时红磷会着火燃烧，有白烟产生。但因玻璃管的一端已被塞住，空气不能流通，火焰就熄灭了。不久在红磷两旁玻璃管的内壁上各有一薄层白磷出现。把这支玻璃管取下，放在开有一个小孔的纸盒里。在暗处通过小孔观察，可以看到白磷在发光，不久即熄灭。拔掉一端的塞子，轻轻摇动玻璃管使空气流通，白磷又重行发光。

3.硫的同素异形体

硫有几种同素异形体，最常见的是晶状的斜方硫和单斜硫。斜方硫在369K以下稳定，单斜硫在369K以上稳定。将单质硫加热到369K，斜方硫不经熔化直接变成单斜硫。当它冷却时，发生相反的变化。若把加热到503K的熔融态的硫急速倾入冷水中，纠缠在一起的长链被固定下来，它就会快速冷却形成一种软橡胶状、可以拉伸的弹性硫，经放置后弹性硫会逐渐转变为晶状硫。

4.臭氧

(1)臭氧的化学性质

臭氧是氧的同素异性体，为无色气体，有特殊臭味。臭氧在常温下分解缓慢，在高温下分解迅速，形成氧气。Ag、Hg等在空气或氧气中不易被氧化的金属，可以与臭氧反应。臭氧在大气污染中有着重要的意义，在紫外线的作用下，臭氧与烃类和氮氧化物的光化学反应，形成具有强烈刺激作用的有机化合物称为光化学烟雾。臭氧在水中的溶解度比较高，是一种广普高效消毒剂。

(2)臭氧对人体的危害

臭氧具有强烈的刺激性，对人体有一定的危害。它主要是刺激和损害深部呼吸道，并可损害中枢神经系统，对眼睛有轻度的刺激作用。当大气中臭氧浓度为0.1mg/m3时，可引起鼻和喉头粘膜的刺激；浓度在0.1-0.2mg/m3时，引起哮喘发作，导致上呼吸道疾病恶化，同时刺激眼睛，使视觉敏感度和视力降低。臭氧浓度在2mg/m3以上可引起头痛、胸痛、思维能力下降，严惩时可导致肺气肿和肺水肿。此外，臭氧还能阻碍血液输氧功能，造成组织

缺氧；使甲状腺功能受损、骨骼钙化，还可引起潜在性的全身影响，如诱发淋巴细胞染色体畸变，损害某些酶的活性和产生溶血反应。

(3)室内空气中臭氧的来源

臭氧主要来自室外的光化学烟雾。此外，室内的电视机、复印机、激光印刷机、负离子发生器、紫外灯、电子消毒柜等在使用过程中也都能产生臭氧。室内的臭氧可以氧化空气中的其他化合物而自身还原成氧气；还可被室内多种物体所吸附而衰减，如橡胶制品、纺织品、塑料制品等。臭氧是室内空气中最常见的一种氧化型污染物。

三．

室内空气中臭氧浓度的限值

我国公共场所卫生标准规定臭氧浓度不得大于0.1mg/m3。我国室内空气中臭氧卫生标准规定，1H平均最高容许浓度为0.1mg/m3。（GB/T18202-2000）