选修3《物质结构与性质》教学实践与反思

《物质结构与性质》教学实践与反思物质结构理论是现代化学的重要组成部分，也是医学、生命科学，材料科学、环境科学等的重要基础。它揭示了物质构成的奥秘,物质结构与性质的关系，有助于人们理解物质变化的本质，预测物质的性质，为分子设计提供科学依据。一、《物质结构与性质》模块简介模块作用选修3模块是在高中化学必修课程后，对物质结构理论的拓展与加深。知识层面深：概念多、理论性强、从初步认识到全貌展现，从定性提升到定量……视野拓展广：大量化学史实、重要思想方法……能力要求高：空间想象能力、抽象思维能力、逻辑推理能力……模块特点1.以必修为基础，体系和内容上避免雷同和重复,结构线索逻辑关系清晰：模块特点内容线索力求符合学科本身的内在逻辑性，主次分明，主要线索线性化（结构与性质），次要枝节散点化（在正文适当位置以科学视野、科学史话、资料卡片等阅读材料的形式呈现）原子分子晶体教材中数量占多数的插图是“理论、模型、分类、归纳”。2.运用丰富的插图，激发学生的学习动机教材体现了从微观到宏观，从现象到本质，从定性到定量的特点，在中学生的基础上勾勒了人类认识结构化学的全貌。从原子、分子水平上认识物质构成的规律，以微粒之间不同的作用力为线索，侧重研究不同类型物质的有关性质，帮助高中学生进一步丰富物质结构的知识，提高分析问题和解决问题的能力。模块内容《物质结构与性质》的核心结构物质性质物质聚集状态晶体其他聚集状态分子性质微粒间相互作用化学键分子间作用力分子元素性质微粒原子离子核外电子原子核选修3物质结构与性质课程内容主题1原子结构与元素的性质主题2化学键与物质的性质主题3分子间作用力与物质的性质主题4研究物质结构的价值“物质结构与性质”课程主要内容一是有关物质结构的基本概念、原理和关系。如电离能，电负性，σ键和π键，配合物，分子间作用力，氢键，手性分子，晶体的结构微粒；原子结构的构造原理，原子核外电子的能级分布，原子结构与元素周期律的关系，杂化轨道理论，晶格能与离子键的强弱，键能、键长、键角与简单分子的某些性质，等电子原理，相似相溶规则，金属晶体的基本堆积模型等。二是有关物质结构的基本观点和基本方法。如物质的结构决定物质的性质的观点，量变引起质变的观点，对立统一的观点，对称性思想，模型化方法，类比方法，比较方法等。通过本课程模块的学习，学生应主要在以下几个方面得到发展：1．从科学家探索物质构成奥秘的史实中体会科学探究的过程和方法，增强学习化学的兴趣。2．进一步形成有关物质结构的基本观念，初步认识物质的结构与性质之间的关系。3．能从物质结构决定性质的视角解释一些化学现象，预测物质的有关性质。4．在理论分析和实验探究过程中学习辩证唯物主义的方法论，逐步形成科学的价值观。模块课程目标拓展与加深的内容（与旧教材相比）：（1）科学家探索物质构成奥秘的史实：1.加强引导学生认识研究物质结构的价值（主题1）原子结构理论的发展史、宇宙大爆炸理论、光谱发现史、元素周期表的发展史及其贡献、鲍林研究电负性、稀有气体及其化合物的发现、巴斯德与手性分子……体现“人类对物质及其变化的认识在不断发展，永无穷尽”等重要观念。（2）研究物质结构的基本方法和实验手段：光谱仪、红外光谱仪、质谱仪、X-衍射仪……渗透“实验是验证与探究的重要手段，是化学研究的基础”观念2.增加的学科知识内容：第一章:宇宙大爆炸理论、核外电子的运动状态、能层、能级、原子轨道（形状、伸展方向）、电子自旋、构造原理、能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则、电子排布式、外围电子排布式（图）、基态、激发态原子光谱（跃迁）、元素周期表分区、电离能、电负性、对角线原则。第二章:共价键的主要类型σ键和π键，键能、键长、键角。价层电子对互斥理论、杂化轨道理论、配合物理论、“等电子原理”、“手性分子”、无机含氧酸酸性强弱、氢键的种类及对物质性质的影响……第三章:晶体、非晶体；晶胞；金属晶体的原子堆积模型；晶格能等第一章编排思路能量最低原理基态、激发态、能级跃迁、光谱宇宙大爆炸理论（原子的诞生）能层能级构造原理电子排布电子云原子轨道泡利不相容原理洪特规则价电子排布元素周期表分区描述元素周期律原子半径、电离能、电负性☆★★☆☆★☆-重点☆★-难点二、教材分析第一节原子结构课程标准:使学生能用电子排布式表示常见元素(1一36号)原子核外电子的排布。原子的核外电子排布规律:泡利原理能量最低原理洪特规则第一节原子结构能层和能级构造原理（电子排布规律）能量最低原理电子云与原子轨道在已有知识上引出能层，引入新概念能级在能层和能级基础上，直接给出构造原理，并练习核外电子排布在构造原理基础上引出能量最低原理，并由此引出基态、激发态和光谱在电子云基础上引出原子轨道，为后面学习共价键打好基础传统教科书中，能量最低原理一般是这样描述:电子总是尽先占有能量最低的轨道，只有当这些轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道。新教科书中，在呈现方式上有变化，即原子的电子排布若遵循构造原理，则能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。能量最低原理表述的是“整个原子处于能量最低状态”，而不是说电子填充到能量最低的轨道中去，泡利原理和洪特规则都使“整个原子处于能量最低状态”科学探究1.必修2有关内容经典共价键概念离子键初步概念共价键的形成（电子对共用）共价键的极性化学键初步知识第二章分子结构与性质分子结构与性质分子结构分子性质共价键分子立体结构σ、π键键参数杂化轨道理论价层电子对互斥理论配合物理论等电子原理★★★★2.内容结构★-难点☆-重点☆☆2.内容结构分子结构与性质分子结构分子性质分子极性及其对性质影响手性分子无机含氧酸酸性强弱★★★★氢键形成及其对性质影响范德华力及其对性质影响☆☆★-难点☆-重点形形色色的分子第二节分子的立体结构图片感受分子的立体结构模型，提出问题预测分子的立体结构模型价层电子对互斥模型杂化轨道理论简介配合物理论简介解释分子立体结构形成的原因配合键特点和常见配合物简单分子或离子构型的推测课程标准:认识共价分子结构的多样性和复杂性，能根据有关理论判断简单分子或离子的构型。形形色色的分子第二节分子的立体结构图片感受分子的立体结构模型，提出问题预测分子的立体结构模型价层电子对互斥模型杂化轨道理论简介解释分子立体结构形成的原因在上述设计思路中，三部分内容是任务驱动式的关联发展。1.掌握中心原子上的价层电子对数的计算中心原子上的价层电子对数=σ键电子对数+中心原子上的孤电子对数。σ键电子对数可直接由分子式确定，如H2O中的σ键电子对数为2。中心原子上的孤电子对数=1/2（a-xb)，教学时，要根据具体例子，明确a、x、b的含义，要求学生熟练掌握中心原子的孤电子对数的计算，包括阴、阳离子的中心原子上的孤电子对数的计算。2.掌握简单分子或离子立体构型的确定在确定了σ键电子对数和中心原子上的孤电子对数后，把它们相加便知道了分子或离子的中心原子上的价层电子对数，然后，可得到VSEPR模型，再略去VSEPR模型中的中心原子上的孤电子对，就得到了分子的立体构型。只要求掌握确定价层电子对数为4的分子或离子的立体构型，不要求价层电子对数超过4的分子或离子的立体构型。如果结构式中的中心原子和邻接原子通过双键或三键结合成分子时，同样可以用价层电子对互斥理论来预测分子的立体构型，只是要把中心原子和邻接原子的双键或三键当成1对电子对。如二氧化碳分子，其结构式为O=C=O，可将C=C之间的双键当成1对电子对，则中心原子C的周围相当于2对σ键电子对;再通过计算可知中心原子C的孤电子对数为0，因此，CO2的立体构型为直线形。3.运用价层电子对互斥理论预测分子或离子的立体构型与分子或离子的结构式无关如甲醛，也可将其结构中的C=O之间的双键当成1对电子对，这样就可从甲醛分子式CH2O中推算出中心原子C上有3对σ键电子对，即2对C-H键和1对C=C键;再计算中心原子C的孤电子对数=1/2(4一1×2一2×1)=0。CH2O的立体构型为平面三角形。氰化氢(H—C三N)分子的中心原子C上有2对σ键电子对，孤电子对数=1/2(4一1×1一3×1)=0，氰化氢分子的立体构型为直线形。本章首先从人们熟悉的固体出发，把固体分为晶体和非晶体两大类，引出了晶体的特征和晶胞的概念，然后分别介绍了分子晶体、原子晶体、金属晶体和离子晶体四大晶体的结构特征与性质差异。通过本章的学习，结合前两章已学过的有关物质结构知识，学生能够比较全面地认识物质的结构及结构对物质性质的影响，提高分析问题和解决问题的能力。第三章晶体结构与性质本章框架中的某些内容表面上看与原甲种本和大学普通化学类似，但在具体表述上有很大区别，力求简单易懂、深度恰当。编者考虑教学实际情况进行了精心的设计。编写意图内容结构晶体晶体的常识晶胞晶体的特征分子晶体冰和干冰的结构特点分子晶体特性原子晶体金属键金属晶体离子晶体晶格能原子晶体特性原子晶体结构特点金属晶体的基本堆积模型离子晶体的特性与结构特点在第一节里，首先让学生知道固体有晶体和非晶体之分，然后陈述了晶体和非晶体间的本质差异，并通过图片和实验进一步了解晶体外形。晶胞是描述晶体结构的基本单元，是研究晶体结构的最基本概念，教科书利用图片、比喻等方式介绍了晶体与晶胞的关系，并通过例子介绍了如何计算晶胞中所含的原子数。呈现特点根据构成晶体的粒子及粒子间的作用力或化学键类型的不同，可把晶体简单地分为分子晶体、原子晶体、金属晶体和离子晶体。不管哪种类型的晶体，它们都具有一些共性，教材把这些共性的内容作为本章的第一节“晶体的常识”。教材编排注重四类晶体的共性和特性呈现特点1.晶胞在课程标准里没有提到晶胞的概念，教科书选取该知识点的原因：①引入晶胞概念有利于理解4类晶体的结构特征②课程标准建议制作晶体模型,如果学生没有最粗浅的晶胞概念就很难实施③晶胞概念进入中学教科书并不容易做到,为了避免在教学中对晶胞认识的种种错误,教科书只要求建立晶胞是平行六面体,晶体是晶胞无隙并置这两个要点,学生可以接受。不要求面心之类的点阵概念。晶胞安排在第三章的第一节，为即将介绍4种不同类型的晶体打下基础。以铜晶胞为例介绍了晶胞的特征，内容上还涉及金属晶体、分子晶体和原子晶体的典型代表物质的晶胞。在这些晶胞中，除了熟悉的体心立方晶胞和面心立方晶胞外，还有看上去比较复杂的晶胞，如金刚石的晶胞，I2和CO2的晶胞还涉及了分子的取向等。教学实践中，要善于运用多媒体、晶胞模型实物等手段帮助学生理解晶胞，要控制教学难度，不要一步到位，不要求解释I2和CO2的晶胞中存在分子取向的原因等。2.讨论分子晶体时提到一个规律：一个分子周围最接近的分子数为12。这是第一次把分子晶体的堆积规律(分子密堆积)引入中学教科书,并以此为基础,使分子晶体中氢键的引出变得十分自然,而且为氢键的方向性讨论打下基础。3.在“金属晶体的原子堆积模型”的呈现方式上,以图示的方式做主线引导,结合学生的模型制作(实践活动),层次分明,化难为易。在4种基本堆积模型中，简单立方堆积和体心立方堆积相对简单，也给出了它们的晶胞。六方最密堆积和面心立方最密堆积相对复杂。教科书的正文中没有给出它们的晶胞，不要求学生掌握如何从它们的堆积方式中取出晶胞。教学实践中，要理解这两种不同堆积方式的差异，需要组织学生利用小球动手探究圆球的堆积方式，理解金属晶体中金属原子的堆积方式。对于体心立方和面心立方，教科书不要求学生掌握这些概念的真实含义，教科书所涉及的体心立方和面心立方只是该概念的个例而非全部内容。案例:金属晶体中原子的基本堆积模型1.这堂课的主题非常鲜明。这堂课就是研究金属晶体里面金属原子的堆积方式。按照课时的要求，前面还有金属键，然后才谈到金属原子的堆积方式。如果把金属键和它连在一起，整堂课就上不完……2.充分发挥学生的主体性。学生动手，学生相互合作，多种合作方式：如组内成员的合作、组与组之间的合作，……。学生上讲台展示原子的堆积方式，学生主动利用模型解决问题。3.条理性非常清晰。由点到线到面。首先从平面角度，再发散到立体。符合学生的认知特点。4.充分利用多媒体来帮助学生理解。多