建立“模型認知”核心素養在《物質結構》中的應用
——以金剛石模型為例

薛曉燕

(陜西省西安市西安外國語大學附屬西安外國語學校 710061)

“模型認知”是高中化學核心素養重要構成要素，該能力建立在證據推理素養基礎上，依據物質結構、組成、變化特點提出假設，使學生可通過推理、分析、思考，將研究對象具體化，以該體系為依據建造認知模型，在模型中展示各個構成要素之間的關系及本質特征，使化學現象可通過模型解釋，得出化學規律及現象本質，使學生在掌握化學知識基礎上，達到培養其“模型認知”思維等核心素養的目的，凸顯高中化學教育創新實踐價值.

筆者以金剛石模型為例，淺談一下建立“模型認知”的應用.

一、建立金剛石晶體結構單元模型

1.金剛石晶體中正四面體結構單元

(1)如何理解金剛石結構？

金剛石結構中的每個原子與相鄰的4個原子形成正四面體.在金剛石晶體中，每個碳原子的4個價電子以sp3雜化方式形成4個完全等同的原子軌道，與最相鄰的4個碳原子形成共價鍵.這4個共價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碳原子(①號碳原子)參與形成4個C—C單鍵，每個碳原子對一個C—C單鍵的“貢獻”都是1/2,所以數目相當于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.金剛石晶體中網狀結構六元環

如何理解金剛石晶體中每個碳原子被12個六元環共有？

二、金剛石晶胞結構

1.認識金剛石晶胞結構

金剛石晶胞結構為立方晶系，碳原子分布于8個頂角和6個面心，同時在晶胞內部有4個碳原子位于4條體對角線的1/4、3/4處.每個碳原子周圍都有4個碳原子，配位數為4，碳原子之間形成共價鍵，為正四面體構型.

原子坐標參數，表示晶胞內部各原子的相對位置，用坐標參數來分析一下金剛石的結構.其中原子坐標參數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是多少？

每個晶胞中含有碳原子數8個頂角×1/8+6個面心×1/2+內部4個碳原子=8，所以每個晶胞實際含有8個碳原子.

三、晶體邊長a與碳原子半徑r的關系及金剛石晶胞中碳原子空間利用的計算

1.晶體邊長a與碳原子半徑r的關系

2.晶胞中碳原子空間利用率的計算

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

(2)空間利用率的計算步驟：

第一步：計算晶胞中的微粒數

第二步：計算晶胞的體積

第三步：找出球的半徑r與晶胞邊長a的關系

四、利用晶胞常數計算晶體密度

1.晶體密度的計算

(2)計算步驟：

第一步：確定晶胞中的粒子數

第二步：確定晶胞體積

第三步：代入公式進行計算

(3)注意長度單位的換算

常見長度單位換算關系：1cm=10-2m 1nm=10-9m=10-7cm 1pm=10-12m=10-10cm

2．應用模型

將所需論證的化學問題套用在該模型中，為學生系統認知化學問題提供路徑，充實原有化學思維，提高學生化學學習能力，擴展“模型認知”思維輻射范圍，提升學生模型認知能力，達到培養其核心素養教育目的.

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

(1)在石墨烯晶體中，每個C原子連接____個六元環，每個六元環占有____個C原子.

(2)在金剛石晶體中，C原子所連接的最小環也為六元環，每個C原子連接____個六元環，六元環中最多有____個C原子在同一平面.

(2)由金剛石的結構可知，每個C可參與形成4條C—C鍵，其中任意兩條邊(共價鍵)可以構成2個六元環.根據組合知識可知四條邊(共價鍵)任選其中兩條有6組，6×2=12.因此每個C原子連接12個六元環.六元環中C原子采取sp3雜化，為空間六邊形結構，最多有4個C原子位于同一平面.

例2 高考鏈接二(2019全國1卷第35題節選)

圖(a)是MgCu2的拉維斯結構，Mg以金剛石方式堆積，八面體空隙和半數的四面體空隙中，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.設阿伏加德羅常數的值為NA，則MgCu2的密度是____g·cm-3(列出計算表達式).

該晶胞中含有8個Mg原子和16個Cu原子，也就是有8個MgCu2基本單元.

所以，MgCu2的密度為

綜上所述，高中化學核心素養“模型認知”思維在教學中若想得到有效培養，教師需秉持以人為本教育理念，關注學生化學知識學習動向，引導學生善用化學思維，組就“模型認 知”思維體系，通過建模準備、提出假設、建立模型、檢驗模型及應用模型，使學生掌握建模方法，體悟建模過程，形成建模意識，達到建立“模型認知”思維體系的目的.