《人类对原子结构的认识》教学设计

苏教版化学必修 1 专题 1 第 3 单元人类对 原子结构的认识教学设计 一、教学设计思路 根据布鲁纳的结构主义教学理论，学生应积极主动地构建自己的知识结构，亲自探索 或“发现”应得出的结论或规律性知识，并发展他们发现学习的能力。依据这一理论，在 教学过程中，充分体现学生作为学习者的主体地位，在原子结构的模型演变史中，设计由 学生自主阅读、探索、归纳的教学过程，让学生自己积极主动的去发掘课本中知识点之间 的关系并能自己做出总结。 “作为教师，教学的目的不仅仅是使学生掌握知识，更重要的是教会学生学习的方法， 使学生由学会变为会学 ”。所以在以氧化镁的形成过程为例从原子核外电子得失情 况分析发生化学反应的本质时，循循诱导，并最终由学生自己得出结论，教会学生探索规 律的方法。 创新学习理论提出人要在急剧变化和发展的社会中生存发展，不仅在于学习已有的知识 经验，即维持性学习，更要重视面向未来发展需要，在解决自己面临的新的问题中进行的 创新性学习。本课教学从科学家探索物质构成奥秘的史实中让学生体会科学探究的过程与 方法，在了解了化学学科发展的趋势，学习了科学家的探究精神之后，培养起学生创新学 习的意识。 我们现在培养的学生都将在信息化社会里寻求生存和发展，如果学生在学校教育阶段里 没有能够培养对知识不断探索和创新的欲望，没有形成一种科学思维的习惯和能力，将很 难在今后踏入社会的过程中得到补偿。因此课堂教育不仅仅要使学生学会知识，更要通过 知识的学习，使学生形成对知识的浓厚兴趣和进一步发展的愿望，并获得一些思维方法， 形成自主思考的习惯。 二、学习任务分析 1、 课程标准 、 学科教学指导意见对本课教学内容的要求 课程标准的要求：知道化学科学的主要研究对象，了解 20 世纪化学发展的基本 特征和 21 世纪化学的发展趋势。认识实验、假说、模型、比较、分类等科学方法对化学 研究的作用。知道元素、核素的涵义。了解原子核外电子的排布。 学科教学指导意见的基本要求：通过了解原子结构模型演变的历史，体验科学 家探索原子结构的艰难过程，认识实验、假说、模型等科学方法对化学研究的作用。了 解部分典型元素原子的核外电子排布，并能用原子结构示意图来表示。知道活泼金属和非 金属原子在化学反应过程中通过电子得失使最外层达到稳定结构的事实。通过氧化镁的形 成了解镁与氧气反应的本质。 2、本课内容的组成成分和在模块学习中的地位和作用 （1）本课内容的组成成分 本节教材包括三部分内容：原子结构模型的演变、原子核外电子排布和原子核的组成。 在原子结构模型的演变中主要介绍了几种典型的原子结构模型和代表科学家，并引出原子 核外电子排布，在这块内容中，首先给出了几种常见原子的核外电子排布，并介绍了原子 结构示意图，然后以氧化镁的形成过程为例介绍了发生化学反应的本质，在此基础上归纳 出化学反应中原子得失电子的情况。在原子核的组成中，先提出了原子核是由质子、中子 构成，后介绍了原子核中各微粒之间的关系以及质量数的概念和原子组成的表示形式，最 后介绍了核素、同位素等概念，同位素的应用以拓展视野的方式展示。 （2）在模块学习中的地位和作用 本节内容编排在苏教版化学必修 1 专题一第三单元。经过前两个单元的学习，学生已 经认识到了缤纷的化学世界，也了解到了研究物质的实验方法是多种多样的。在这样的知 识基础上，本节教材通过化学史中人们对原子结构模型的不断探究和演变的过程引入原子 结构内容，是本专题学习的一个终结和升华，将学生逐步带入一个完全的化学微观世界， 充分诠释了本专题的主题“化学家眼中的物质世界” 。 在化学研究过程中，要研究物质的宏观性质，就必须到微观世界去寻找原因，必须从 微观粒子入手才能更好地加以理解。因此只有了解了原子的结构，才可以了解分子和离子 的结构，才可以深入地认识物质的组成和结构，了解化学变化的规律。由此可见，本节内 容在整个高中化学学习中具有举足轻重的地位。另一方面，本专题的学习是化学 2中 系统学习原子核外电子排布和元素周期表等知识的基础，并且有助于学生在化学 1后 三个专题的学习中能从原子结构的有关知识角度认识某些元素的化学性质和氧化还原反应 等概念，体现了知识结构的循序渐进和螺旋式上升的特点。 教学重点：原子在化学反应中通过电子得失形成稳定结构的过程；构成原子的粒子间的关 系及核素、同位素的概念。 教学难点：镁和氧气发生化学反应的本质；对构成原子的粒子间的相互关系及结构与性质 的关系的理解；元素、核素、同位素之间的关系及概念的区别。 三、学习者分析 1、分析学生已有的认知水平和能力基础 在初中阶段，学生已经有了对原子结构的认识，对几种常见的原子结构模型，原子核 外电子排布和原子核的组成，同位素的概念等知识都有了一定的了解，所以本单元内容是 在原有的基础上的一种拓展和加深。在前面的学习中，学生已经逐步培养起了对化学学科 的兴趣和认识，也了解到了研究物质的实验方法是多种多样的。这都为本节课学生对新的 知识点的学习奠定了基础，有助于学生从电子得失的角度理解化学反应的本质，掌握质量 数、核素等新的概念。 我校属于重点中学，学生学习基础较好，对初中已接触过的知识学习的比较扎实，所 以对本节大部分内容的学习都是在已有基础上的巩固和加深、拓展，对于课堂上的很多问 题都能快速说出答案，并且学生的理解能力、接受能力、知识的迁移能力也较强，能在课 堂上形成较好的互动。 2、分析学生学习本课可能遇到的困难和问题 学生自主学习能力不足，自主阅读中可能还存在各种问题。 对知识的归纳、整理和迁移能力尚还欠缺。 四、教学目标 1、知识与技能： （1）通过原子结构模型演变历史的学习，知道每个阶段的代表人物及主要理论。 （2）掌握钠、镁、铝、氧、氯等常见元素的原子的核外电子排布情况，知道这类原子在化 学反应中常通过电子的得失使最外层达到 8 电子稳定结构的事实。 （3）通过氧化镁的形成知道镁与氧气发生化学反应的本质。 （4）知道原子的构成，懂得质量数和元素符号的表示法，掌握构成原子的粒子间的关系。 （5）知道同位素和核素的概念，掌握常见同位素。 2、过程与方法： （1）通过学习原子结构模型演变的历史，认识实验、假说、模型等科学方法对化学研究的 重要作用。 3、情感态度与价值观： （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与方法，知道化学学科发展 的趋势，学习科学家的探究精神。 （2）通过学习原子结构模型的演变，体会科学探索的艰辛和无止境，进一步培养学习化学 的兴趣。 五、课前准备 1、教师的教学准备 搜集相关图片、资料并结合教学设计制作成多媒体课件。 六、教学过程 【引入】在开始今天新的内容学习之前，先让我来考考大家一个生活中的常识性问题：我 们平时洗了的衣服，为什么会晒干？ 【学生】水蒸发、水分子扩散。 【教师】没错，衣服会晒干，是因为水蒸发掉了，而其本质就是水分子的扩散。这也就说 明了一个问题，水是由什么微粒构成的？ 【学生】分子。 【提问】水是由水分子构成的，那么，是不是所有物质都是由分子构成的呢？ 【多媒体演示】展示教材 27 页图 121“物质的构成”图片。 【教师】从图中，我们看到铜是由铜原子构成的，氯化钠是由氯离子和钠离子结合而成的， 而水，我们刚刚已经提到了，是由氢、氧原子构成的水分子组成的。这里我们提到了构成 物质的三种微粒：原子、分子、离子，而分子又是由原子构成的，离子又是带电的原子或 原子团，而原子，则是大家都非常熟悉的一名词，但人类对原子的认识和探索已经历了 2500 多年的漫长历史，直到 20 世纪 80 年代，科学家用扫描隧道显微镜观察到物体表面的 原子，才对原子结构有了进一步的认识，为什么人类早期对原子结构的探索如此艰难呢？ 下面，我们就来了解原子结构模型的演变过程。 【板书】一、原子结构模型的演变 【自主阅读】下面请同学们自主阅读教材 27-28 页“交流与讨论”中的内容，在阅读的过 程中归纳：原子结构模型的演变有那几个阶段？每个阶段的代表人物是哪位科学家？其主 要观点是什么？ 【学生】阅读教材内容，汇报上述论述题。 【多媒体演示】原子结构模型的演变历史 模型 道尔顿 汤姆生 卢瑟福 玻尔 量子力学 年代 1803 1904 1911 1913 1926 依据 元素化合时 的质量比例 的关系 发现电子 粒子散射 氢原子光谱 近代科学实 验 主要内容 原子是不可 再分的实心 小球 葡萄干面包 式 含核模型 行星轨道式 原子模型 量子力学 【教师】1803 年，道尔顿依据元素化合时的质量比例的关系提出原子是不可再分的实心小 球；1904，汤姆生发现原子中存在电子，提出了一个被称为“葡萄干面包式”的原子结构 模型；在这之后，卢瑟福根据 粒子散射现象，提出了带核原子结构模型；而玻尔则在研 究氢原子光谱时，引入了量子论观点，大胆提出了行星轨道式原子模型；20 世纪初，科学 家揭示了微观世界波粒二象性的规律，提出必须用量子力学模型描述核外电子的运动。 【板书】道尔顿汤姆生卢瑟福玻尔量子力学 【提问】在了解了原子模型结构的演变过程后，大家有什么启迪呢？ 【教师】从原子模型结构的演变历史，我们可以看出，汤姆生提出的“葡萄干面包式”的 原子结构模型是从阴极射线实验中发现电子为起点的，卢瑟福根据 粒子散射实验提出带 核的原子结构模型等等，所以原子结构模型的每一次演变，都是从科学家实验开始的，实 验方法是科学研究的一种重要方法，实验手段的不断进步是化学科学发展的关键，而科学 结论也都是以实验事实为依托的。此外，大家有没有发现，每一种新模型的出现，都经过 较长的时间，特别是从道尔顿到汤姆生原子结构模型的演变，经历了将近 100 年的时间， 说明科学探索的过程并不是一路平坦的，而是发展过程中曲折的继承、积累、突破，科学 研究是无止境的。人类对原子结构的研究发展到今天还没有停止，还在不断的深入。当然， 这一段历史给我们的启迪不止这些，就不一一讲了。 【过渡】知道了原子结构模型的大体演变过程之后，我们不禁思考到了这样一个问题：常 见元素原子的核外电子排布是怎样的呢？ 【板书】二、原子核外电子排布 【提问】首先请大家回忆一下，原子是由什么构成的？ 【学生】原子是由原子核和核外电子构成的。 【教师】没错，现在人们已经知道原子是由原子核与核外电子构成的，而除氢原子外，所 有的原子都是有多个电子的，那么这些多个的核外电子是如何排布在原子核周围的呢？请 同学们阅读教材 29 页图 127 几种原子的核外电子排布，看看核外电子的排布有没有什么 规律？ 【学生】核外电子是分层排布的。 【教师】没错，对于多电子原子，可以近似认为电子在原子核外是分层排布的。这在我们 的初中阶段都已经学过了，那么，除此之外，同学们还发现了什么规律？既然是分层排布 的，那每一层的电子数有什么规律吗？ 【学生】自主发言回答。 【教师】我们可以从图中这六个原子的电子排布看出，它们的核外电子都是在最内层最多 只排了 2 个电子，而第二层最多排了 8 个电子，第三层，最多也只可以排布 8 个电子。所 以我们说这每一层的电子排布数也是有规律的，不是任意排布的，就像同学们围坐在一起 时，每一层都已经放了规定数量的椅子，如果这一层的椅子已经被别的同学坐满了，那你 就只能坐到外面一层空着的椅子上了。 【过渡】同学们可能也已经发现了，如果用像图 127 这样的图来表示核外电子排布是很 麻烦的，那我们有什么方法来简化表示原子的核外电子排布吗？为简便描述，我们引入原 子结构示意图。 【板书】1、原子结构示意图 【多媒体演示】对应图 127 中六种原子的原子结构示意图 【教师】我们以 Mg 原子为例，请大家对照书中 Mg 原子的核外电子排布，看一下大屏幕 中的 Mg 的原子结构示意图，在画原子结构示意图的时候，我们就是这样用一个圆圈代表 原子核，圈圈中写上原子的核电荷数，在这里氧的核电荷数是+12。而电子层则是用小半 个圆圈表示，在中间写上这一电子层的电子数。对 Mg 来说，有三个电子层，从内向外的 电子数依次是 2、8、2。 【板书】Mg 【讲解】其中核电荷数前面的正号表示原子核带正电，而核外电子的第一层、第二层、第 三层分别叫做 K 层、L 层、M 层。 【板书】 【练习】那么下面，就请同学们拿出纸笔，根据大屏幕上的 118 号元素的核外电子排布， 写一下除了书上这几种元素以外的元素的原子结构示意图。写好后可以同桌之间相互校对 一下。 【多媒体演示】118 号元素的核外电子排布 【教师】写好之后请同学们跟大屏幕上给出的答案校对一下，看看原子结构示意图的书写 还有没有问题？ 【多媒体演示】118 号元素的原子结构示意图 【提问】现在请大家来看 He、Ne、Ar 这三种原子的核外电子排布，大家发现这三种元素 的电子排布有什么共同的特点？ 【学生】它们的电子层最外层都填满了电子。 【教师】回答的很好。He、Ne、Ar 这三种最外层分别有 2 个、8 个、8 个电子，分别都达 到了这一层电子数的最大值，我们再来联系这三种原子的另一个共同性质，它们所构成的 物质都是稀有气体，稀有气体具有什么特殊的性质呢？ 【学生】稳定。 【教师】没错。稀有气体也叫惰性气体，具有稳定的化学性质，那么我们就想到，稀有气 体稳定的化学性质是不是跟他们的核外电子排布有关呢？答案是肯定的。正是因为稀有气 体的最外层电子达到了 8 电子的稳定结构（对 He 来说是 2 个电子） ，才使它们有了惰性， 不容易发生化学反应。那么，像 He、Ne、Ar 这样的元素，它们本身就达到了稳定的结构， 而其它多数原子并没有达到稳定的核外电子排布结构，当这些原子碰撞在一起的时候，会 怎么样呢？让我们先来看一段动画。 【多媒体演示】氧化镁的形成过程 【教师】从刚才这段动画中，我们看到在镁和氧碰撞过程中，镁原子最外层的两个电子失 去后达到了 2、8 的稳定的核外电子排布，相反的，氧原子则是得到了这两个电子但结果同 样是达到了 2、8 这样的稳定结构，最终生成了氧化镁。 【板书】2、氧化镁的形成过程 Mg Mg2 2 8 2+12 2 8 2+12 原子核 原子核带正电 核电荷数 K 层 L 层 M 层 2 8 2+12 失去两个电子 2 8+12 O O2 【教师】这就是从微观角度分析由单个原子形成化合物的过程。不仅是氧化镁，很多活泼 金属与活泼非金属之间都是通过这种得失电子的方式来形成化合物的。活泼金属诸如钠、 镁、铝等，由于这些原子的最外层电子数较少，与活泼非金属反应时易失去最外层的电子， 而氧、氟、氯等活泼非金属最外层电子数较多，与活泼金属反应时易得到电子。但无论是 活泼金属失电子，还是活泼非金属得电子，它们都有一个共同的特性，请同学来回答是什 么？ 【学生】形成稳定的电子层结构。 【教师】没错。它们都趋向于达到最外层 8 电子结构，就像 Ne、Ar 等惰性元素一样的稳 定结构，而原子核并不发生变化。根据这一条规律，请同学们来探究一下书本 30 页上的 “问题解决” ，把答案写在书本上。 【学生】思考、答题（教师巡视，启发，指导） 【教师】请一位同学到黑板上来写一下，第一个问题的答案是什么？ 【学生】Na 2O、MgCl 2 【教师】回答的很好，我们根据活泼金属和非金属在反应中都趋于达到最外层 8 电子稳定 结构，可以知道钠原子在与氧化合的过程中失去一个电子，而氧则需要得到两个电子才能 达到稳定结构，所以需要两个钠与氧化合生成的是 Na2O。同理我们可以知道金属 Mg 与 Cl2 生成的氯化物是 MgCl2 。大家都做对了吗？我们再来看下第二题。 【多媒体演示】 元素 化合价 原子最外层电子数目 失去（或得到） 电子的数目 Na +1 1 失去 1 Mg +2 2 失去 2 O 2 6 得到 2 Cl 1 7 得到 1 【教师】请同学们对照大屏幕上的表格，看看自己写的答案是否正确？ 【提问】从刚才的练习中，我们可以得出什么结论呢？ 【学生】元素的化合价和得失电子数目一样金属元素原子最外层电子数与失电子数相 等非金属原子最外层电子数与得电子数之和为 8 【教师】是的，元素的化合价与其在反应中得失电子的数目的确有一定的关系，而得失电 子数又与最外层电子数有一定的关系，这种关系我们可以总结为金属元素的正化合价等于 失电子数，也等于最外层电子数，非金属元素的负化合价的绝对值与得电子数相等，也就 是 8 减去最外层电子数。 【板书】3、元素化合价与原子得失电子数目的关系 正化合价=失电子数= 最外层电子数 负化合价 =得电子数=8 最外层电子数 +8 2 6 +8 2 8 得到两个电子 【教师】这里我们要注意一点：金属元素一般为正价，而非金属元素既可以为正价也可以 为负价，这里所说的负化合价是指非金属元素的最低价态。 【过渡】现在我们知道了原子最外层电子与原子的化学性质密切相关，化学反应是外层电 子的得失行为。原子是由原子核和核外电子构成的，那么原子核又由哪些微粒构成呢？ 【板书】三、原子核的组成 【学生】中子、质子 【教师】科学研究证明，绝大多数原子的原子核由质子和中子构成。而原子呢，我们已经 知道了是由原子核和核外电子构成的，所以组成原子的微粒可以表示为这样的关系。 【板书】1、原子的构成 质子 原子核 原子 中子 核外电子 【教师】质子、中子、电子是构成原子的三种粒子，我们说，粒子一般带有电荷，也具有 质量，那么这三种粒子的质量大小、带电情况有什么差异？与原子的带电量和质量又有什 么关系呢？请大家阅读课本 31 页的表 17 中质子、中子和电子的质量、相对质量及电量 的关系，能得出什么规律？ 【学生】质子和中子的相对质量差不多，基本接近 1，电子的相对质量要小得多。质 子和电子的电量一样。 【教师】没错。我们从中可以看出两条规律。一条规律是关于电量的：中子不带电荷，质 子带正电、电子带负电，它们的带电量相同，我们把一个质子或一个电子所带的电量作为 一个单位的电荷，所以 1 个质子带一个单位正电荷，一个电子带一个单位负电荷，而中子 不带电，又因为整个原子呈现电中性，所以原子中各微粒有如下关系：核电荷数=质子数= 原子核外电子数。 【板书】 质子：一个单位正电荷 原子核 中子：不带电 原子 （电中性） 核外电子：一个单位负电荷 核电荷数=质子数= 原子核外电子数 【教师】另一条规律是关于质量的：三种微粒的质量都很小，中子和质子的质量基本相等， 而电子质量要比中子和质子质量小得多，所以原子质量主要集中在原子核上，接下来请同 学完成课本 31 页表 18 的表格，做完之后思考，你能得出什么结论？ 【学生】相对原子质量与中子数和质子数之和相等。 【教师】没错，正是因为原子质量主要集中在原子核上，原子的质量也可以近似的认为就 是原子核的质量。如果忽略电子的质量，将原子核内所有的质子和中子的相对质量取近似 整数值加起来，所得的数值，我们称之为质量数。 【板书】2、质量数（A）=质子数（Z）+中子数（N ）相对原子质量 【教师】我们在了解了原子的构成后，就要想办法来表示原子的组成。如果用 X 表示元素 符号，Z 表示原子的质子数，A 表示原子的质量数，那么请大家用 A ZX 表示表 18 中原 子的组成。 【多媒体演示】19 9F 23 11Na 27 13Al 【教师】大家都做对了吗？这就是原子组成的表示法。 【板书】3、原子组成的表示形式 质量数A 质子数Z X 元素符号 【教师】这个符号的含义就是：代表一个质量数为 A，质子数为 Z 的原子。 【多媒体演示】1 1H（氕） 2 1H（氘） 3 1H（氚）及其原子结构模型 【提问】在初中阶段，我们已经知道，氕、氘、氚这三种元素，互为 【学生】同位素 【教师】氕、氘、氚这三种互为同位素的原子，我们看到它们的相同之处在于 【学生】元素符号都是 H 质子数都是 1 【教师】没错，它们的质子数都相同，元素种类也相同都是氢，所以化学性质相同。 它们的不同之处呢？ 【学生】质量数不同，分别是 1、2、3 【教师】是的，它们的质量数不同，但又由于质子数是相同的，所以中子数也不同，现在 就请大家回忆下同位素的概念 【学生】质子数相同、中子数不同的同一元素的原子 【教师】没错，同位素就是指质子数相同、质量数（或中子数）不同的同一元素的原子。 【板书】4、同位素：质子数相同、质量数（或中子数）不同的核素互为同位素 【教师】同一原子要求有相同的质子数、中子数，像氕、氘、氚只有质子数一样，中子数 各不相同的原子，我们说它们之间的关系是互为同位素，那么它们中的每一个原子叫做什 么呢？我们给这种原子一个新的名称核素。 【板书】5、核素 定义：具有一定质子数和一定中子数的一种原子称为一种核素 【教师】刚才我们介绍的氕、氘、氚，就是氢元素的三种核素，它们的原子核内都含有一 个质子，中子数分别为 0、1、2。其中氘为重氢（用符号 D 表示） ，氚为超重氢（用符号 T 表示） ，它们都是制造氢弹的原料。 【板书】氢元素存在三种核素：氕、氘（D ） 、氚（T） 【教师】此外，我们常见的元素碳，也存在三种核素，它们的质子数都是 6，中子数分别 为 6、7、8，可分别表示为 12 6C、13 6C、14 6C，我们用来作为相对原子质量基准和 物质的量基准时所用的 C-12 就是指质子数和中子数都为 6 的碳原子。 【板书】碳元素存在三种核素：12 6C、13 6C、14 6C 【教师】学习了核素之后，让我们来梳理一下元素、同位素和核素这三者之间的区别和关 系。 【多媒体演示】 元素 同位素 核素 概 念 具有相同质子数的 同类原子的总称， 与核外电子数无关 质子数相同、质量 数（或中子数）不 同的同一元素的原 子（即两同一不同） 具有一定质子数和 中子数的某元素的 原子 范 围 宏观概念。对同类 原子而言，既有游 离态又有化合态 微观概念。对某种 元素的原子而言， 因同位素的存在， 所以原子种类多于 元素种类 指具体的原子 【教师】而互为同位素的几种原子，它们每一种原子就叫做一种核素。在今天学习了核素 的概念之后，大家要好好区分核素和同位素的概念，理解元素、同位素、核素之间的关系。 那么同位素在我们实际生产中有何应用呢？ 【多媒体演示】同位素应用于医学、工业、农业、能源等各领域的图片。 【小结】通过本节课的学习，我们知道构成原子的基本微粒是质子、中子和电子，但是随 着科学的发展，人们认识到构成原子核的质子、中子仍然可以再分，请同学们课后阅读教 材 32 页“夸克的发现” ，体会科学探索的艰辛和