建立“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)在《物質(zhì)結(jié)構(gòu)》中的應(yīng)用
——以金剛石模型為例

薛曉燕

(陜西省西安市西安外國(guó)語(yǔ)大學(xué)附屬西安外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 710061)

“模型認(rèn)知”是高中化學(xué)核心素養(yǎng)重要構(gòu)成要素，該能力建立在證據(jù)推理素養(yǎng)基礎(chǔ)上，依據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成、變化特點(diǎn)提出假設(shè)，使學(xué)生可通過推理、分析、思考，將研究對(duì)象具體化，以該體系為依據(jù)建造認(rèn)知模型，在模型中展示各個(gè)構(gòu)成要素之間的關(guān)系及本質(zhì)特征，使化學(xué)現(xiàn)象可通過模型解釋，得出化學(xué)規(guī)律及現(xiàn)象本質(zhì)，使學(xué)生在掌握化學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)上，達(dá)到培養(yǎng)其“模型認(rèn)知”思維等核心素養(yǎng)的目的，凸顯高中化學(xué)教育創(chuàng)新實(shí)踐價(jià)值.

筆者以金剛石模型為例，淺談一下建立“模型認(rèn)知”的應(yīng)用.

一、建立金剛石晶體結(jié)構(gòu)單元模型

1.金剛石晶體中正四面體結(jié)構(gòu)單元

(1)如何理解金剛石結(jié)構(gòu)？

金剛石結(jié)構(gòu)中的每個(gè)原子與相鄰的4個(gè)原子形成正四面體.在金剛石晶體中，每個(gè)碳原子的4個(gè)價(jià)電子以sp3雜化方式形成4個(gè)完全等同的原子軌道，與最相鄰的4個(gè)碳原子形成共價(jià)鍵.這4個(gè)共價(jià)鍵之間的角度都相等，為109°28.

(2)如何理解正四面體中心這個(gè)碳原子(①號(hào)碳原子)參與形成4個(gè)C—C單鍵，每個(gè)碳原子對(duì)一個(gè)C—C單鍵的“貢獻(xiàn)”都是1/2,所以數(shù)目相當(dāng)于4×1/2=2,故金剛石中1 mol C原子形成2 mol C-C單鍵.除金剛石以外，還有硅、鍺等.

2.金剛石晶體中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)六元環(huán)

如何理解金剛石晶體中每個(gè)碳原子被12個(gè)六元環(huán)共有？

二、金剛石晶胞結(jié)構(gòu)

1.認(rèn)識(shí)金剛石晶胞結(jié)構(gòu)

金剛石晶胞結(jié)構(gòu)為立方晶系，碳原子分布于8個(gè)頂角和6個(gè)面心，同時(shí)在晶胞內(nèi)部有4個(gè)碳原子位于4條體對(duì)角線的1/4、3/4處.每個(gè)碳原子周圍都有4個(gè)碳原子，配位數(shù)為4，碳原子之間形成共價(jià)鍵，為正四面體構(gòu)型.

原子坐標(biāo)參數(shù)，表示晶胞內(nèi)部各原子的相對(duì)位置，用坐標(biāo)參數(shù)來分析一下金剛石的結(jié)構(gòu).其中原子坐標(biāo)參數(shù)A為(0,0,0)；B為(1/2,1/2,0)；D為(1/4,1/4,1/4)；C為(1/4,3/4,1/4)

2.金剛石晶胞中碳原子數(shù)是多少？

每個(gè)晶胞中含有碳原子數(shù)8個(gè)頂角×1/8+6個(gè)面心×1/2+內(nèi)部4個(gè)碳原子=8，所以每個(gè)晶胞實(shí)際含有8個(gè)碳原子.

三、晶體邊長(zhǎng)a與碳原子半徑r的關(guān)系及金剛石晶胞中碳原子空間利用的計(jì)算

1.晶體邊長(zhǎng)a與碳原子半徑r的關(guān)系

2.晶胞中碳原子空間利用率的計(jì)算

(1)空間利用率：指構(gòu)成晶體的原子、離子或分子在整個(gè)晶體空間中所占有的體積百分比.

(2)空間利用率的計(jì)算步驟：

第一步：計(jì)算晶胞中的微粒數(shù)

第二步：計(jì)算晶胞的體積

第三步：找出球的半徑r與晶胞邊長(zhǎng)a的關(guān)系

四、利用晶胞常數(shù)計(jì)算晶體密度

1.晶體密度的計(jì)算

(2)計(jì)算步驟：

第一步：確定晶胞中的粒子數(shù)

第二步：確定晶胞體積

第三步：代入公式進(jìn)行計(jì)算

(3)注意長(zhǎng)度單位的換算

常見長(zhǎng)度單位換算關(guān)系：1cm=10-2m 1nm=10-9m=10-7cm 1pm=10-12m=10-10cm

2．應(yīng)用模型

將所需論證的化學(xué)問題套用在該模型中，為學(xué)生系統(tǒng)認(rèn)知化學(xué)問題提供路徑，充實(shí)原有化學(xué)思維，提高學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)能力，擴(kuò)展“模型認(rèn)知”思維輻射范圍，提升學(xué)生模型認(rèn)知能力，達(dá)到培養(yǎng)其核心素養(yǎng)教育目的.

例1 高考鏈接一(2015全國(guó)1卷節(jié)選)碳有多種同素異形體，其中石墨烯與金剛石的晶體結(jié)構(gòu)如圖所示：

(1)在石墨烯晶體中，每個(gè)C原子連接____個(gè)六元環(huán)，每個(gè)六元環(huán)占有____個(gè)C原子.

(2)在金剛石晶體中，C原子所連接的最小環(huán)也為六元環(huán)，每個(gè)C原子連接____個(gè)六元環(huán)，六元環(huán)中最多有____個(gè)C原子在同一平面.

(2)由金剛石的結(jié)構(gòu)可知，每個(gè)C可參與形成4條C—C鍵，其中任意兩條邊(共價(jià)鍵)可以構(gòu)成2個(gè)六元環(huán).根據(jù)組合知識(shí)可知四條邊(共價(jià)鍵)任選其中兩條有6組，6×2=12.因此每個(gè)C原子連接12個(gè)六元環(huán).六元環(huán)中C原子采取sp3雜化，為空間六邊形結(jié)構(gòu)，最多有4個(gè)C原子位于同一平面.

例2 高考鏈接二(2019全國(guó)1卷第35題節(jié)選)

圖(a)是MgCu2的拉維斯結(jié)構(gòu)，Mg以金剛石方式堆積，八面體空隙和半數(shù)的四面體空隙中，填入以四面體方式排列的Cu.圖(b)是沿立方格子對(duì)角面取得的截圖.可見，Cu原子之間最短距離x=____pm，Mg原子之間最短距離y=____pm.設(shè)阿伏加德羅常數(shù)的值為NA，則MgCu2的密度是____g·cm-3(列出計(jì)算表達(dá)式).

該晶胞中含有8個(gè)Mg原子和16個(gè)Cu原子，也就是有8個(gè)MgCu2基本單元.

所以，MgCu2的密度為

綜上所述，高中化學(xué)核心素養(yǎng)“模型認(rèn)知”思維在教學(xué)中若想得到有效培養(yǎng)，教師需秉持以人為本教育理念，關(guān)注學(xué)生化學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)動(dòng)向，引導(dǎo)學(xué)生善用化學(xué)思維，組就“模型認(rèn) 知”思維體系，通過建模準(zhǔn)備、提出假設(shè)、建立模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ图皯?yīng)用模型，使學(xué)生掌握建模方法，體悟建模過程，形成建模意識(shí)，達(dá)到建立“模型認(rèn)知”思維體系的目的.