《原子晶体》教学设计
一、教学目标
1.通过搭建金刚石、碳化硅结构模型，理解原子晶体的结构特征，预测原子晶体的物理
性质。
2.通过金刚石模型的变化，理解金刚石晶胞的结构，培养证据推理与模型认知的科学素
养。
3.通过对纳米金刚石应用的学习，建立结构决定性质，性质决定用途的化学学科核心观
念，并培养学生的社会责任感。
二、教学重点
1.原子晶体的结构特征
2.金刚石晶胞的结构
3.原子晶体的性质和用途
三、教学难点
原子晶体的结构与金刚石晶胞的结构
四、教学流程设计
【心灵拷问】同学们，正式上课之前我想问大家一个问题。假如有一天，你在上学的路
上捡到鸡蛋黄大小价值上亿元的钻石，请问接下来，你该怎么做？
【学生回答】
【讲述】对于你们的做法我暂不做评论，先让我们来看看当年魏振芳是怎么做的吧。上
世纪七十年代，在山东临沭县常林村有个 21 岁的姑娘，她叫魏振芳。有一天她扛着锄头跟
着生产队的队员出门去干活，结果一锄头下去，跳出来一块鸡蛋黄大小的东西，她捡起来一
看，发现亮晶晶的，黄灿灿的，非常漂亮，猜测是个好东西，就拿上回家了。父亲一看，断
定这是钻石。于是全家人商量后决定上缴国家。后经中国科学院鉴定：这颗钻石重 158 克拉，
是我国现存最大的一颗天然金刚石。据专家估计这颗钻石的价值达上亿元。
为了表彰魏振芳的爱国精神，国家要给些物质奖励，但她只要了一台拖拉机，不是给
他自己，而是给村里。故事讲到这儿，难道大家不觉得，这位姑娘的心灵与钻石一样闪耀吗？
然后,我们再回过头来想一想，当我提出先前的那个问题时，无论是刚才发言的同学还
是没有发言的同学，你的真实想法到底是什么呢？跟这位姑娘的想法一样吗？符合我们当代
的社会主义核心价值观吗？
【播放视频】钻石在打磨之前叫金刚石，那么大家一定会好奇：金刚石到底从哪儿来
的呢？又是如何形成的呢？看一段小视频。
【播放视频】金刚石形成于亿万年前地球深处，后来人类是如何使用与认识以及研究
金刚石的呢？我们接着看视频。（人类同金刚石打交道有悠久的历史。早在公元 1 世纪，当
时罗马的文献中就有了关于金刚石的记载。那时，人们利用它们无比的硬度，当作雕琢工具
使用。后来，随着技术的进步，金刚石才被当作宝石用于饰品。但人们对金刚石一无所知，
伴随他的只是神话般具有宗教色彩的崇拜和畏惧的传说，同时，把它视为权利和尊贵的象征。
然而，对金刚石的科学研究却相对比较迟缓。1600 年过后，直到 18 世纪的 70 至 90 年代，
才有法国化学家拉瓦锡等人进行的在氧气中燃烧金刚石的实验，结果发现得到的是二氧化碳
气体。终于，这些实验证明了组成金刚石的元素是碳。那么金刚石为什么如此坚硬呢？
这个问题，是在 1913 年才由英国的物理学家威廉·亨利。布拉格和他的儿子做出了回
答。布拉格父子用 X 射线观察金刚石，他们发现，在金刚石晶体内部，每一个碳原子都与周
围的 4 个碳原子紧密结合，形成一种致密的三维结构。这是一种在其他矿物中都未曾见到过
的特殊结构。而且，这种致密的结构，使得金刚石的密度为每立方厘米约 3.5g/cm3 克，大
约是石墨密度的 1.5 倍。正是这种致密的结构，使得金刚石具有最大的硬度。
由于他们用 X 射线对晶体结构研究的贡献，一起分享了 1915 年的诺贝尔物理学奖。小
布拉格获奖时，年仅 25 岁，是诺贝尔获奖史上最年轻的获奖者。
【讲解】布拉格父子通过 X 射线发现了金刚石内部结构，所有的碳原子都是以什么作
用力结合在一起的？（共价键）而且形成了一种空间网状结构，（展示金刚石结构模型），
形成了一个个六元环。我们就把所有原子间均以共价键相结合而形成的空间网状结构的晶体
叫做原子晶体。
【比较】（拿出两个 C60 模型），请问 C60 是原子晶体吗？为什么？
【学生回答】
【讲解】关键是所有原子都以共价键相连，原子晶体中除了共价键这种作用力之外，
没有其他作用力。所以新教材中将原子晶体又叫做共价晶体。
构成原子晶体的微粒：原子（分子晶体的构成微粒是：分子）
微粒之间的作用力：共价键（构成分子晶体微粒之间的作用力是：分子间作用力）
原子晶体的结构特征：三维空间网状结构，不存在单个小分子，（我只是截取了晶体
中一部分，它还可以向空间延伸），类似可以看成是一个“巨分子”。
【讲述】如果从科学美的角度来讲，原子晶体的结构其实很美，这种美是一种对称美、
匀称美，接下来，就请同学们亲自动手搭一搭金刚石的结构，切身体会一下金刚石的内部碳
原子排布的规律性。
【观察模型】搭建模型之前先认真观察，共 3 层，14 个碳原子。整体上也是一个正四
面体。
【学生建模】那一组同学先搭好，举手示意。
【学生体验】用双手挤压金刚石模型，体会一下是什么感觉？（C－C 键的键能为
348kJ·mol-1 ）
预测物理性质：硬度、熔沸点、溶解性
【讲解】常见的原子晶体除了金刚石之外还有哪些物质呢？
【模型类比】如果将金刚石晶体结构中的所有碳原子都换成硅原子，那就是单晶
硅；如果将单晶硅中每个硅硅键之间插入一个氧原子，那就是二氧化硅；如果将金刚石中每
个碳原子周围的 4 个碳都换成硅，每个硅原子周围都连接 4 个碳，那么就是碳化硅，同理如
果将碳化硅结构中的碳和硅分别换成 N 和 B，那就是 BN 晶体。这些都是常见的原子晶体。
【学生建模】接下来，请大家用你模型盒中蓝色的小球代表 Si 原子，替换掉你刚才搭
好的金刚石模型中的部分碳原子，重新组建一个碳化硅的晶体结构。蓝色的小球不一定全部
用完。注意：四个人商量一下，想好了再换。
【观察思考】我们来仔细观察金刚石的结构，解决下列问题：
1.每个碳原子与周围 个碳原子直接相连。
2.碳原子个数与 C－C 共价键个数之比是 。（提问为什么是 1:2）
3.组成最小碳环的碳原子有 个，它们 （填“在”或“不在”）同一平面内；
每个碳原子被 个最小环共有。（模型太小，需要发挥大家的空间想象能力和推理能
力。运用图片和视频加强理解）
4.每个最小环含有 个碳原子， 个共价键。
【展示模型】接下来，我们来研究金刚石的晶胞，如果我告诉你金刚石存在这样一个立
方晶胞，你恐怕也不会心服口服。
【播放视频】好，下面我们来看一段视频，看看他是怎么从金刚石的结构中截取晶胞
的。
【展示】我事先已经按照视频中的方法找到了这个晶胞，并且用标签纸将这 18 个碳原
子标记了出来。并且用红绳子将晶胞的 12 条楞给拉了出来，现在大家能看出这是一个立方
晶胞了吗？
【观察】晶胞的结构特点：每个顶点都有一个原子，每一个面心也有一个原子，立方
体内部还有 4 个原子。（换另一个立方晶胞，把学生搭的小晶胞拿过来进行比对），请找出
你们手里的金刚石结构还差哪几个位置的原子就构成了这个立方晶胞？你们搭的金刚石结
构距离晶胞只一步之遥。
【问题解决】接下来，我们根据金刚石的晶胞解决一些具体问题：
1.每个晶胞中所含碳原子数是
2.接下来，我们来看晶胞中每个原子的相对位置，尤其是晶胞内部的 4 个碳原子的精
确位置在哪里？这个大晶胞可以分为 8 个大小相同的小立方体，以这个（右前）碳原子为例，
它应该在这个 1/8 小立方体的什么位置呢？（体心）所以它在体对角线的什么位置？（1/4）
好，为了反映了晶胞内部各原子的相对位置，我们可以标出晶胞中所有碳原子的坐标，我们
把它称之为原子坐标参数。请问里面的这个（右前）碳原子的坐标是多少？(3/4,1/4,1/4)
3.通过这个晶胞，还可以计算什么呢？已知晶胞边长为 356.7pm，（1pm=10-10cm）。
【学生板演】请大家列出计算式，要是有计算器的同学，可以算出结果。
（学生计算的过程中）前面布拉格父子不仅发现了金刚石内部的结构，还测出了金刚
石的密度为多少？（密度为 3.5g/cm3）
【展示模型】接下来，我们继续探讨另一个原子晶体二氧化硅的结构。二氧化硅可以
看成是硅晶体中相邻两个硅原子之间个插入一个氧原子。
【问题解决】1.SiO2 空间结构中最小的环含有____个原子。
2.晶体中 Si、O 的原子个数比为 。（为什么？）因此，SiO2 不是分子式，只是按
照二氧化硅中硅氧原子的个数比写出来的化学式。
3.1molSiO2 晶体中含有 Si-O 键的数目为_______。（为什么？）
【交流讨论】根据下表中的数据，分析各原子晶体的熔点、硬度的大小与其结构之间
的关系。（表略）
（读题-解释键长的概念（两个成键原子间的平均核间距）-键长的长短就跟原子半径
有关-解释金刚石的键长为什么最小-填空）
结论：原子晶体中，一般键长越长，键能越小 ，原子晶体的熔沸点越低，硬度越小。
原子晶体的熔沸点和硬度归根到底跟什么有关？（原子半径）
仔细推敲这个结论，够严谨吗？我们为什么将这三个原子晶体拿过来比较呢？为什么
不将更常见的二氧化硅拿来比较呢？（这三个晶体的结构相似）
所以，我们以后在下结论时，一定要注意前提条件的限制。其实这也是一种控制变量。
这个例子再次向我们证明了化学学科的一个核心观念，那就是什么？（结构决定性质）
（提示：原子的半径决定了原子晶体的硬度熔沸点等物理性质）。
【讲解】性质决定什么？（用途）我们仍然以金刚石为例，如果科研人员将金刚石制
成纳米级的材料，它又会有怎样的用途呢？我们来了解一下。
机械润滑剂：纳米金刚石具有强共价键和强烈的亲油疏水特性，如果在润滑油中加入
纳米金刚石，可以形成稳定分散的胶体体系，使滑动摩擦变成滚动摩擦，其抗磨效果是用有
机化工方法无法比拟的。
防护涂层：因为纳米金刚石良好的透光率、高折射率、耐磨性和耐化学腐蚀性。所以
可以在光学玻璃上覆盖纳米金刚石薄膜保护涂层，这种保护涂层可以大幅提高光学玻璃在极
端条件下抗雨蚀，沙蚀的能力，甚至在高温，辐射环境当中也能起到保护效果，如导弹的整
流罩可以使用纳米金刚石薄膜起到保护作用。
生物医用：由于纳米金刚石与生物体的良好兼容性，无毒副作用，且不粘连皮肤，是
人造骨、人造关节的表面耐磨涂层的适宜材料。
【小结】金刚石等原子晶体的性能和用途远远不止这些，这是我从中国知网上查阅的
最近的有关金刚石的研究文献，看看科研人员都在研究些什么？《低氮掺杂对含氢类金刚石
结构和力学性能的影响》《硼硫协同掺杂金刚石的高压合成与电学性能研究》《基于复合电
镀工艺的金刚石-硬质合金复合材料的制备与表征》
【结束语】同学们，我们学习化学的终极目的是什么？我想就是把我们学到的知识转
化为生产力，从而造福人类。
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