有关金刚石、二氧化硅、石墨晶体结构模型的教学建议

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【摘 要】本文简单探讨了SWOT分析法的含义，并在此基础上利用SWOT分析法深入研究了高等教育学学科发展中出现的优势与劣势，机会与威胁，从而为学科建设提供有效的参考依据。

【关键词】高等教育学；SWOT；学科；发展；研究

金刚石、二氧化硅、石墨晶体都属于原子晶体。原子晶体中，晶格结点上排列的是中性原子，原子间是以强大的共价键相结合，且成键电子被约束在原子之间不能自由运动，因此原子晶体表现出熔点高，硬度大，熔融时导电性差的特性。

初中化学教材通常在讲解晶体结构时，将结构分解成晶胞来进行进一步阐述的。教材中有关晶胞概念构建时，形象地用蜂巢与蜂室的关系来形容晶体与晶胞的关系，将模糊的理论知识与生活经验相连；而且在教材中选用了常用的NaCl晶胞模型、CaCl晶胞模型与干冰晶胞模型进行教学。然而这三种模型属于离子晶体与分子晶体的范畴，而二氧化硅、金刚石与石墨属于原子晶体的范畴。再应用教材中晶胞结构对理解显然会出现偏差。

一、教学建议

仔细观察二氧化硅晶体结构模型的图示可以发现，由于晶体中Si-O-Si两条共价键的键角画成了直线型即180°，而是109°28，这对学生的学习造成了困难。

石墨晶体结构模型图示中的虚线的意义不明确，“虚线”对学生观察石墨晶体结构进而理解石墨晶体结构作用太弱。“虚线”在表述晶体的图示中难以说明晶体内部原子的空间位置和原子之间的等价关系。

因此笔者对初中化学教材中二氧化硅晶体结构模型、金刚石晶体结构模型、石墨晶体结构模型进行细致地分析，以便于学生进行更准确地理解。

首先阐述金刚石与石墨的结构构成。金刚石是立体网状结构，每个碳原子形成4个共价键，任意抽出2个共价键，每两个单键归两个六元环所有，而不是只归一个六元环所有。每个碳原子连出4个共价键，任意抽出2个共价键能决定两个六元环，4个共价键总共能抽出6组。所以6组C-C键实际上可以构成12个六元环，所以每个C原子被12个六元环共用。每一个C以SP3杂化轨道以共价键和周围4个C结合成空间网状结构，键角为109.5，以12个C为一个最小元环形成原子晶体。

石墨是晶体结构介于原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体。层与层之间是C原子与C原子以共价键结合成的平面网状结构。在晶体中同层碳原子间以sp2杂化形成共价键，每个C原子与另外3个C原子形成C-C键，键角为120°，6个C碳原子在同一平面上形成六元环，伸展形成片层结构。每个C原子被3个六元环共有，每个C-C键被2个六元环共有；每个六元环拥有的C原子数为6*1/3=2，拥有的C-C键数为6*1/2=3。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道，它们互相重叠，形成离域的π键电子在晶格中能自由移动，可以被激发，所以石墨有金属光泽，能导电、传热。由于层与层间距离大，结合力（范德华力）小，各层可以滑动，所以石墨的密度比金刚石小，质软并有滑腻感。灰黑，不透明固体，密度2.25g/cm3，熔点3652℃，沸点4827℃。化学性质稳定，耐腐蚀，同酸、碱等药剂不易发生反应。

在SiO2晶体中，1个Si原子和4个O原子形成4个共价键，每个Si原子周围结合4个O原子；同时，每个O原子跟2个Si原子相结合.实际上，SiO2晶体是由Si原子和O原子按1：2的比例所组成的立体网状的晶体。

（1）二氧化硅晶体中最小环为12元环。

SiO2晶体中Si原子的排列方式和金刚石晶体中C原子的排列方式是相同的.在金刚石晶体中，每个最小环上有6个C原子，因此SiO2晶体中每个最小环上有6个Si原子，另外六边形的每条边上都夹入了一个O原子，所以最小环为12元环。

（2）每个硅原子被12个最小环共有。

如图可以看出，每个Si原子周围有四条边，而每条边又被6个环所共有，同时由于每个环上有两条边是同一个Si原子周围的，因此还要除以2以剔除重复.所以最终计算式为（4*6）/2=12。

（3）每个最小环平均拥有1个氧原子。

由于每个Si原子被12个环共有，因此每个环只占有该Si原子的1/12，又因为每个最小环上有6个Si硅原子，所以每个最小环平均拥有的Si原子数为：6*（1/12）=0.5个.又因为SiO2晶体是由Si原子和O原子按1：2的比例所组成，因此O原子的数目为0.5*2=1个。

通过这几个结构模型研究，笔者认为对于抽象的模型概念一定要用例子来加深对晶胞这一概念的理解。在应用这些事例时，应该注意一下几点：1.将例子与定义紧密结合起来以帮助学生充分理解概念。2.区别定义性特征与特异性特征。定义性特征是定义一个概念的必要且充分的特征；特异性特征是一个概念所呈现的典型特点，但这个概念所指代的物体并不一定都具备这一特征。3.帮助学生们将所新学的概念和已知知识概念联系起来。

二、总结

通过以上对有关金刚石、二氧化硅、石墨晶体结构模型的分析，教师应该准确掌握这一模块的教学重点和教学难点，正确的应用各种教学手段以及教学方法进行教学，在初中阶段，这一模块的掌握应改以概念和简单的分析为主，但要注重学生掌握知识的扎实程度，为以后高中的化学学习打下基础。

参考文献：

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