师:今天我们一起来学习高二人教版化学选择性必修2第三章第一节物质的聚集状态与晶体的常识第二课时。本节课的学习目标有三点:其一,能够说出晶体和非晶体的区别,并联系晶体和非晶体的微观结构,解释二者的性能差异,体会结构决定性质的化学思维;其二,了解获得晶体的一般途径,并能从微观结构解释晶体呈现自范性的条件之一是晶体生长速率适当;其三,了解生活生产中几种有重要价值的大晶体的用途,感受化学学科对促进科学发展的重要作用。
生活中,我们常见到各种晶体,如冰糖晶体、味精晶体、金刚石、水晶等,它们都能自发地呈现规则的几何外形。现在请大家思考问题一:人工加工后的玻璃也具有规则的外形,那玻璃是晶体吗?要回答这个问题,我们需深入它们的微观结构。这是水晶的微观结构,从上往下垂直投影可得到其微观垂直投影结构示意图;同样方法可得玻璃的结构示意图。对比两者,我们发现晶体二氧化硅中原子呈周期性有序排列,而玻璃结构中原子是无序排列的。所以,即便玻璃经人工打磨成规则形状,也改变不了其非晶体的本质。
接下来,请同学们思考问题二:肉眼看不到规则外形的固体小颗粒有可能是晶体吗?比如一勺食盐。实际上是有可能的,显微镜下的食盐晶体,依然自发保持规则的几何外形,所以它是晶体。由此,我们可以得出晶体和非晶体的微观本质区别:晶体是微粒(原子、离子或分子)在三维空间里呈周期性有序排列,而非晶体原子排列相对无序。
非晶体没有特定外形,而晶体能自发呈现多面体外形,这种“自发”体现了晶体的重要特性——自范性。“自”即自发,“范”指规范的外形,也就是说晶体在一定条件下能够自发地呈现规则的几何外形。为了让同学们更好地理解晶体的自范性,请观看硫酸铜大晶体形成和雪花晶体形成的视频。
视频看完了,相信同学们对晶体的自范性有了更深入的了解。现在思考问题三:在适宜条件下,晶体能表现出自范性的微观本质是什么?就像砖块有规律地堆砌能建成漂亮房子一样,形成晶体的微粒能够自发地呈现周期性有序排列,从而形成外在规则的晶体。值得注意的是,晶体要呈现自范性是有条件的,必须要有适宜的生长速率。
除了自范性,晶体还有哪些特性呢?请同学们观察云母晶体的微观结构,预测一下云母晶体在不同方向上的导热性是否相同。从水平方向看,构成云母晶体的微粒排列相对紧密,我们猜测其导热性较好;在垂直方向,微粒排列比较疏松,猜测其导热性较差。实际情况究竟如何呢?请观看云母晶体与玻璃的导热性差异实验视频。
实验显示,玻璃上的石蜡薄层融化后呈圆形,说明玻璃在各个方向上的导热性相同;而云母晶薄片上,石蜡薄层融化后呈椭圆形,说明它在两个不同方向上的导热性不一样。这体现了晶体的各向异性,即晶体在不同方向上表现出不同的物理性质,如硬度、导热性、折光率、电导率等。其微观原因是晶体中的微粒周期性有序排列,有统一方向,不同方向上物理性质不同;而非晶体中微粒排列无序,没有统一方向,各方向上物理性质都相同。
晶体除了自范性、各向异性,同学们根据初中知识回忆一下,晶体还有什么特性呢?我们知道晶体有相对固定的熔点,达到熔点才能融化,根据这一特性可间接确定某一固体是否是晶体。其微观原因是晶体的微观结构呈周期性有序排列,微观结构均一,达到熔点后继续加热,外界热量均用于破坏晶体的基本单元,温度不再升高;而非晶体原子相对无序排列,结构不均匀,随着温度升高,物质先逐渐变软,然后逐渐由稠变稀,无固定熔点。今天我们通过宏微结合,学习了晶体与非晶体的区别。
晶体微观结构周期性有序排列,具有自范性、各向异性,有固定熔点;而非晶体原子排列相对无序,没有自范性、各向异性,也没有固定熔点。这也体现了化学中结构决定性质的化学思维。那么,这么多精美且具有特殊性质的晶体是如何制得的呢?请同学们思考问题五:结合以往知识,思考有哪些途径可以获得晶体?
我们联想到初中的一个实验,饱和硫酸铜溶液中可以吸出硫酸铜晶体,由此猜测从溶液中吸出晶体是一种可能途径。那还有其他途径吗?这是硫粉,如何得到硫晶体呢?左边是微小固体小颗粒,右边是规则大晶体,要实现转变,可先把硫粉融化,再慢慢冷却,让它重新结晶,有可能得到硫晶体,也就是说熔融物质融化后冷却凝固可能是一种途径。
再看碘颗粒,碘颗粒得到碘晶体可以加热吗?加热后碘固体升华变成气态,气态物质有可能得到固体晶体吗?联想到空气中水蒸气凝华直接得到雪花晶体,我们猜想由气态凝华也可得到晶体。实际情况怎样呢?接下来进行实验,请同学们翻开课本第71页,这里有三个实验:第一个实验是加热硫粉,自然冷却得到硫晶体;第二个实验是加热碘固体,碘升华后,在盛有冷水的表面皿底部凝华得到碘晶体;第三个实验是往饱和氯化钠溶液中加入浓盐酸,利用沉淀溶解平衡往沉淀方向移动,获得氯化钠晶体。接下来请观看晶体制备的实验视频。
