建立“模型认知”核心素养在《物质结构》中的应用——以金刚石模型为例

薛晓燕

(陕西省西安市西安外国语大学附属西安外国语学校 710061)

“模型认知”是高中化学核心素养重要构成要素，该能力建立在证据推理素养基础上，依据物质结构、组成、变化特点提出假设，使学生可通过推理、分析、思考，将研究对象具体化，以该体系为依据建造认知模型，在模型中展示各个构成要素之间的关系及本质特征，使化学现象可通过模型解释，得出化学规律及现象本质，使学生在掌握化学知识基础上，达到培养其“模型认知”思维等核心素养的目的，凸显高中化学教育创新实践价值.

笔者以金刚石模型为例，浅谈一下建立“模型认知”的应用.

一、建立金刚石晶体结构单元模型

1.金刚石晶体中正四面体结构单元

(1)如何理解金刚石结构？

金刚石结构中的每个原子与相邻的4个原子形成正四面体.在金刚石晶体中，每个碳原子的4个价电子以sp3杂化方式形成4个完全等同的原子轨道，与最相邻的4个碳原子形成共价键.这4个共价键之间的角度都相等，为109°28.

(2)如何理解正四面体中心这个碳原子(①号碳原子)参与形成4个C—C单键，每个碳原子对一个C—C单键的“贡献”都是1/2,所以数目相当于4×1/2=2,故金刚石中1 mol C原子形成2 mol C-C单键.除金刚石以外，还有硅、锗等.

2.金刚石晶体中网状结构六元环

如何理解金刚石晶体中每个碳原子被12个六元环共有？

二、金刚石晶胞结构

1.认识金刚石晶胞结构

金刚石晶胞结构为立方晶系，碳原子分布于8个顶角和6个面心，同时在晶胞内部有4个碳原子位于4条体对角线的1/4、3/4处.每个碳原子周围都有4个碳原子，配位数为4，碳原子之间形成共价键，为正四面体构型.

原子坐标参数，表示晶胞内部各原子的相对位置，用坐标参数来分析一下金刚石的结构.其中原子坐标参数A为(0,0,0)；B为(1/2,1/2,0)；D为(1/4,1/4,1/4)；C为(1/4,3/4,1/4)

2.金刚石晶胞中碳原子数是多少？

每个晶胞中含有碳原子数8个顶角×1/8+6个面心×1/2+内部4个碳原子=8，所以每个晶胞实际含有8个碳原子.

三、晶体边长a与碳原子半径r的关系及金刚石晶胞中碳原子空间利用的计算

1.晶体边长a与碳原子半径r的关系

2.晶胞中碳原子空间利用率的计算

(1)空间利用率：指构成晶体的原子、离子或分子在整个晶体空间中所占有的体积百分比.

(2)空间利用率的计算步骤：

第一步：计算晶胞中的微粒数

第二步：计算晶胞的体积

第三步：找出球的半径r与晶胞边长a的关系

四、利用晶胞常数计算晶体密度

1.晶体密度的计算

(2)计算步骤：

第一步：确定晶胞中的粒子数

第二步：确定晶胞体积

第三步：代入公式进行计算

(3)注意长度单位的换算

常见长度单位换算关系：1cm=10-2m 1nm=10-9m=10-7cm 1pm=10-12m=10-10cm

2．应用模型

将所需论证的化学问题套用在该模型中，为学生系统认知化学问题提供路径，充实原有化学思维，提高学生化学学习能力，扩展“模型认知”思维辐射范围，提升学生模型认知能力，达到培养其核心素养教育目的.

例1 高考链接一(2015全国1卷节选)碳有多种同素异形体，其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图所示：

(1)在石墨烯晶体中，每个C原子连接____个六元环，每个六元环占有____个C原子.

(2)在金刚石晶体中，C原子所连接的最小环也为六元环，每个C原子连接____个六元环，六元环中最多有____个C原子在同一平面.

(2)由金刚石的结构可知，每个C可参与形成4条C—C键，其中任意两条边(共价键)可以构成2个六元环.根据组合知识可知四条边(共价键)任选其中两条有6组，6×2=12.因此每个C原子连接12个六元环.六元环中C原子采取sp3杂化，为空间六边形结构，最多有4个C原子位于同一平面.

例2 高考链接二(2019全国1卷第35题节选)

图(a)是MgCu2的拉维斯结构，Mg以金刚石方式堆积，八面体空隙和半数的四面体空隙中，填入以四面体方式排列的Cu.图(b)是沿立方格子对角面取得的截图.可见，Cu原子之间最短距离x=____pm，Mg原子之间最短距离y=____pm.设阿伏加德罗常数的值为NA，则MgCu2的密度是____g·cm-3(列出计算表达式).

该晶胞中含有8个Mg原子和16个Cu原子，也就是有8个MgCu2基本单元.

所以，MgCu2的密度为

综上所述，高中化学核心素养“模型认知”思维在教学中若想得到有效培养，教师需秉持以人为本教育理念，关注学生化学知识学习动向，引导学生善用化学思维，组就“模型认 知”思维体系，通过建模准备、提出假设、建立模型、检验模型及应用模型，使学生掌握建模方法，体悟建模过程，形成建模意识，达到建立“模型认知”思维体系的目的.