利用磁性球棒模型解决晶体结构学习难点*

周瑞莎，宋江锋

(中北大学理学院，山西　太原　030051)



利用磁性球棒模型解决晶体结构学习难点*

周瑞莎，宋江锋

(中北大学理学院，山西太原030051)

材料的晶体结构是《材料化学》课的重要内容。为了解决晶体结构理论学习的难点, 提出了一种新型磁性球棒型晶体结构模型, 设计出了常见金属晶体结构和典型二元离子晶体结构中所需要的钢球和磁棒的尺寸和个数。简述了该模型在对称元素、晶向指数、晶面指数、配位数、配位多面体和密堆结构教学中的应用。该模型的使用使金属晶体结构和二元离子晶体结构的教学更加形象，提高了教学效果和学生的学习兴趣。

磁性球棒模型；晶体结构；金属晶体；二元离子晶体

在应用化学的专业教学中，《材料化学》是重要的专业课之一，材料的晶体结构的知识是该课程的重点和难点。同时晶体结构的教学质量直接影响到晶体缺陷、材料的性能与结构之间的关系等后续章节的学习[1]。尽管一些三维晶体软件对学生的理解有一定的帮助，但未进行实验实践过的多数学生觉得这一部分内容理论性太强，很难取得较好的教学效果。为了克服这一难题，可以让学生自己动手搭建晶体结构模型，更好的掌握对称元素、晶向指数、晶面指数、配位数、配位多面体等知识，掌握金属晶体和典型的二元离子晶体的空间结构，加深对分子构型和分子性质的了解。同时，可以促进学生更好的理解结构与性能之间的关系[2]。

目前，已经有用球棒模型进行演示的例子：即用有小孔的木球、塑料球或橡胶球代表原子或离子，用金属或塑料短棒代表原子或离子间的键合或作用力，但该模型一般是一次性成型，存在很多不足之处。如：

(1) 一种模型只能展示一种晶体结构，不能很好的利用资源；

(2) 已经固定好孔的球棒模型，只需插入相应的短棒，因此学生组装时不会很好的掌握配位数、配位多面体等知识；

(3) 多次拆装后, 球和短棒的贴合度变差，利用率低[3]。

基于此，本文提出了一种不易损坏, 容易拆装和保存的磁性球棒模型：以钢球代表晶体结构中的原子、分子或离子，通过磁棒组装成各式晶体结构模型。这种磁性球棒晶体结构模型的优点如下：

(1) 钢球和磁棒通过强磁力贴合在一起, 无需打孔。钢球和磁棒可以多次重复使用，节约资源；

(2) 原子间的键合和晶胞边界可以采用不同颜色的磁棒进行展示，晶体学的理论知识形象化；

(3) 磁性球棒模型的趣味性很强, 因此能使学生更好的掌握晶体结构的理论知识，达到良好的教学效果。

1　金属晶体结构模型的组装和相应晶体结构理论知识的加深

表1 中给出了三种金属晶体结构模型的钢球和磁棒尺寸。为了很好的利用资源，三种晶体结构模型中钢球的尺寸一样。不同结构模型中磁棒的长度不同，其作用有键合和作为晶胞边界。

表1　三种典型金属晶体结构模型中磁球、磁棒数量及规格

(1) 对称元素。对称性和周期性是晶体最基本的性质。通过学生亲自组装金属晶体结构模型，不断摸索，从中找到相应的对称要素，如对称中心、对称面和对称轴等。

(2) 晶向指数和晶面指数。晶向指数相对简单，用不同颜色的棒代表某些晶向，指出其晶向指数。晶面指数相对有点难度，可以在掌握晶向指数的基础上，采用同样方法，使用特殊颜色的磁棒标出某一晶面，进而很好的掌握晶面及晶面指数。

(3) 配位数、配位多面体和多面体空隙。配位数和配位多面体可以通过模型直观的观察到；多面体空隙可以用钢球和磁棒进行构筑，一目了然。

(4) 最密堆积结构(面心立方结构和六方最密堆积结构)的堆垛。面心立方结构的堆垛方式是：(111)晶面沿着体对角线方向按照…ABCABC…的方式重复排列，而六方最密堆积结构的(001)晶面沿c 轴方向按照…ABAB…的方式重复排列。这部分内容较抽象，可以充分发挥磁棒颜色的作用，先用模型拼出几个具有不同颜色磁棒的密堆面, 然后进行组装。照相记录其形状、观察其结构特点。

必须很好的掌握金属晶体结构的知识，为进一步组装二元离子晶体结构模型奠定基础。

2　二元离子晶体结构模型的组装相应晶体结构理论知识的加深

表2中已经根据典型二元离子晶体结构的正负离子半径比范围给出了常见二元离子晶体结构的模型尺寸。为了对比，在每个类型的晶体结构中，统一了正离子的半径，均是12.5 mm。为了资源的更好利用，统一了磁棒的直径，均为10 mm，而磁棒的长度在尽可能一棒多用。磁棒的作用有键合和作为晶胞边界，表中不再列出。在已完成金属离子晶体组装的基础上，可以参考表2中模型尺寸组装模型。

首先，能够对不同结构的离子半径比有更直观形象的认识；其次，能更好的掌握二元离子晶体结构的理论知识，包括负离子的堆积方式，正负离子半径比和数量，正离子所占什么空隙，正负离子的配位数，晶胞内正负离子数。结构基元、点阵型式、特征对称元素、正当晶胞中结构基元数等[4]。

同时，典型的二元离子离子晶体结构的正负离子半径比在一定的范围之间，因此，也可以让学生自己选取钢球和磁棒，动手组装典型的二元离子晶体结构模型，照相记录其形状，然后将组装时所需要的钢球和磁棒数量及大小填写在空的表2中。

因为二元离子晶体结构的内容较金属晶体结构难度大，因此，必须深深的理解和掌握金属晶体结构，进而才能很好的组装二元离子晶体结构模型。

表2　典型二元离子晶体结构模型需要钢球、磁棒数量和规格及离子晶体结构的计算

3　结　论

在软件辅助和空间想象的基础上，学生亲自动手用钢球和磁棒连接金属晶体结构的晶胞模型和典型的二元离子晶体结构晶胞模型，可使学生很好的掌握晶体结构中对称元素、晶向指数和晶面指数、配位数、配位多面体和多面体空隙、结构基元和点阵型式等晶体学理论知识，同时更好的掌握了金属晶体结构模型和典型的二元例子晶体结构的模型。为以后学习晶体的缺陷、材料的性能与结构之间的关系、材料的应用等章节奠定坚实的基础。

[1]冯娟萍.“结晶学与矿物学”教学实践及探索[M].陕西教育(高教)，2013(9): 58-59.

[2]周瑞.晶体结构和孪生变形教学方法探索[J].中国科技创新导刊，2013(11): 62.

[3]王晓娜,杨晓丽,张惠友,等.金属晶体结构模型的制作及球体钻模的设计[J].农业科技与装备，2009(4):74-75.

[4]周公度，段连运.结构化学基础[M].北京: 北京大学出版社，2002:386-408.

Application of Magnetic Sphere and Stick Model in Crystal Structure Teaching Progress*

ZHOURui-sha,SONGJiang-feng

(School of Science, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051, China)

Crystal structures of related materials are important compositions of Material Chemistry curriculum. To overcome the difficulties of theoretic knowledge of crystal structures, a new crystal structure model-magnetic sphere and stick model was presented, layout the size and numbers of sphere balls and sticks of metal crystal structures and typical binary ionic crystal structures. The application of the model in symmetry elements, crystallographic direction indices, crystallographic plane indices, coordination numbers, coordination polyhedron and close packing in teaching progress was described. The application of the model can make the metal crystal structures and typical binary ionic crystal structures more image, improve the teaching efficiency and interests of studying crystal structures.

magnetic sphere and stick model; crystal structure; metal crystal; typical binary ionic crystal

中北大学高等教育教学改革立项：利用磁性球棒模型解决晶体理论学习难点。

周瑞莎(1981-)，博士，副教授，主要从事配位化学的研究。

O742

A

1001-9677(2016)07-0188-02