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利用磁环球棒模型解决晶体结构学习难点

2021-06-16 11:29:26

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永欣电子是集生产、经营、科研、技术开发及信息服务为一体的科技先导型企业磁环厂家,为高新技术企业,具有多年行业经验。主要生产抗干扰磁芯、磁环、抗干扰磁环、滤波磁芯、铁粉芯、扣式磁环、铁氧体磁环、RH磁环、T型磁环、磁棒、电感磁棒系列和电感系列,非晶磁环系列,滤波磁珠系列500余种规格的产品。

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。第 44 卷第 7 期 周瑞莎,等: 利用磁性球棒模型解决晶体结构学习难点 189

表 1 三种典型金属晶体结构模型中磁球、磁棒数量及规格

金属晶体结构类型 钢球数量,直径 磁棒数量,直径,长度

面心立方( A1) 14 个,12. 5 mm

8 个,10 mm,34. 8 mm

12 个,10 mm,42. 5 mm

体心立方( A2) 14 个,12. 5 mm

33 个,10 mm,26. 5 mm

12 个,10 mm,42. 5 mm

六方最密堆积( A3) 17 个,12. 5 mm 45 个,10 mm,26. 5 mm

( 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

CsCl 型 Na Cl 型 立方 Zn S 型 反萤石型 金红石型

钢球直径和数量

12. 5 mm,1 个

15 mm,8 个

12. 5 mm,14 个

18 mm,14 个

12. 5 mm,4 个

31 mm,14 个

12. 5 mm,8 个

15 mm,14 个

12. 5 mm,9 个

18 mm,6 个

磁棒数量和长度

34 mm,8 个

40 mm,12 个

40 mm,54 个

34 mm,16 个

113. 8 mm,12 个

34 mm,32 个

87. 7 mm,12 个

34 mm,14 个

127 mm,8 个

73. 3mm,4 个

负离子堆积方式 简单立方 面心立方 面心立方 面心立方 变形的六方密堆积

正负离子半径比 0. 732 ~ 1. 000 0. 414 ~ 0. 732 0. 225 ~ 0. 414 ≥0. 732 0. 414 ~ 0. 732

正负离子数量比 1∶1 4∶4 4∶4 4∶8 3∶6

正离子占什么空隙 立方体 八面体 四面体 四面体 八面体

正离子占空隙比率 1 1 1 /2 1 1 /2

正离子的配位数 8 6 4 4 6

负离子的配位数 8 6 4 8 3

点阵型式 简单立方 面心立方 面心立方 面心立方 变形的六方

晶胞中正负

离子数

正 1 4 4 4 2

负 1 4 4 8 4

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。

永欣电子是集生产、经营、科研、技术开发及信息服务为一体的科技先导型企业磁环厂家,为高新技术企业,具有多年行业经验。主要生产抗干扰磁芯、磁环、抗干扰磁环、滤波磁芯、铁粉芯、扣式磁环、铁氧体磁环、RH磁环、T型磁环、磁棒、电感磁棒系列和电感系列,非晶磁环系列,滤波磁珠系列500余种规格的产品。


作者: 永欣电子
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