2.3.3 溶解度 分子的手性 高二化学教学设计

2.3.3溶解度分子的手性高二化学教学设计一、教学背景与设计理念本节课选自人教版化学选择性必修1第二章第三节第三课时，内容涵盖“溶解度”与“分子的手性”两个知识模块。在高中化学课程体系中，溶解度是溶液理论的重要组成部分，是学生理解物质分离、提纯及工业生产中结晶操作的核心理论基础；而分子的手性则属于物质结构与性质领域的拓展性内容，是连接宏观性质与微观结构的关键桥梁，也是学生建立空间想象能力和立体化学思维的重要契机。依据《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》的相关要求，本节课的教学设计遵循“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”等化学学科核心素养导向。溶解度部分强调从定量角度认识物质溶解规律，并能运用溶解度曲线解决实际问题；手性分子部分则引导学生从分子结构的立体特征出发，理解同分异构现象中旋光异构的特殊性，体会化学结构决定性质的学科思想。本设计充分考虑高二学生已有知识基础。学生在初中阶段已经接触过溶解度的初步概念，在高中化学必修第一册中学习了物质的量、溶液配制等内容，具备一定的定量计算能力和实验操作技能。分子结构方面，学生已掌握碳原子的sp³杂化轨道理论，了解甲烷的正四面体结构，并能书写简单的有机化合物结构式，这为理解手性分子的结构特征奠定了认知基础。教学策略上，本设计采用“情境驱动—问题链引导—模型建构—迁移应用”的教学路径，通过生活情境、实验探究、模型搭建等多种教学手段，促进学生对核心概念的深度理解。同时注重信息技术与化学教学的融合，利用分子结构三维模型软件、动态演示等手段帮助学生突破空间想象的难点。二、教学目标（一）知识与技能目标1.理解固体溶解度的定义，能够准确表述溶解度概念中的四个要点：温度一定、溶剂质量为100g、达到饱和状态、溶解溶质的质量。掌握溶解度计算公式S=m质/m剂×100g，并能熟练运用该公式进行有关溶解度的基本计算。2.能够正确绘制和识别溶解度曲线，理解溶解度曲线的物理意义，掌握利用溶解度曲线比较不同物质溶解度大小、判断物质溶解度受温度影响趋势的方法。了解气体溶解度及其影响因素。3.理解手性分子的概念，掌握手性碳原子的判断标准，能够准确识别有机物分子中具有手性碳原子的结构。理解手性异构体（对映异构体）的立体结构特征，知道手性分子与镜像不能重合的本质原因。4.了解手性分子在药物化学、生命科学等领域的重要应用，体会化学学科的社会价值。（二）过程与方法目标5.通过溶解度概念的建立过程，体验从实验事实出发、抽象概括形成定量概念的科学研究方法。6.通过绘制和分析溶解度曲线的活动，学习运用图表工具处理实验数据、总结变化规律的方法。7.通过搭建手性分子球棍模型的活动，发展空间想象能力和模型认知能力，学会从三维空间结构的角度认识分子。8.通过对比分析手性分子与普通分子的结构差异，培养比较、归纳、演绎等逻辑思维方法。（三）情感态度与价值观目标9.通过了解我国制盐工业、海水晒盐等生产实践，体会化学知识在生产生活中的实际应用价值，增强民族自豪感和社会责任感。10.通过认识“反应停”事件中手性药物的深刻教训，树立科学伦理意识，理解化学研究中的社会责任。11.通过手性分子的学习，感受分子世界的神奇与对称之美，激发探索微观世界的兴趣和热情。三、教学重难点教学重点：溶解度概念的内涵及溶解度曲线的应用；手性碳原子的判断。教学难点：手性分子与镜像不能重合的空间关系的理解，对映异构体的书写与辨识。四、教学过程（一）创设情境，导入新课教师活动：展示两幅图片，一幅是食盐晶体在放大镜下的立方体形状，另一幅是雪花的六角形晶体图案。请学生观察并思考：不同物质形成的晶体形貌各不相同，这与物质在水中的溶解行为有什么内在联系？再展示一组生活场景：在冬季，北方地区道路结冰时环卫工人会撒盐融雪；在夏季，晒盐场的海水中析出大量白色晶体。这些现象背后隐藏着怎样的化学规律？学生活动：观察图片，思考讨论，尝试用已有知识解释这些现象。教师引导：同学们在初中已经学习过溶解度的基本概念，知道“在一定温度下，某固态物质在100g溶剂里达到饱和状态时所溶解的质量”叫做溶解度。今天我们要进一步深入探讨溶解度的本质规律，同时还将走进一个全新的微观世界——手性分子。先来观看一段视频：展示一辆自行车的左右脚踏板，以及人的左右手的关系。提问：左手和右手能否完全重合？如果将左手放进镜子里，镜中的像和右手有什么关系？设计意图：通过生活现象和直观对比，激发学生学习兴趣，激活已有知识经验，同时为手性概念的引入埋下伏笔。（二）溶解度概念深度解析教师活动：板书溶解度定义，引导学生圈画关键词，逐一分析四个要点。强调：一是“一定温度”条件不可缺失，因为温度改变会导致溶解度发生变化；二是溶剂质量必须是100克，这是规定标准；三是溶液必须达到饱和状态；四是溶解度的单位是“克”，表示的是质量而非其他量。学生活动：在学案上标注定义中四个关键词，用自己的语言重新表述溶解度的定义。教师追问：现有20℃时氯化钠的溶解度为36g，这句话的含义是什么？请从溶质、溶剂、溶液三者质量关系角度进行分析。学生回答：表示20℃时，100g水中最多能溶解36g氯化钠，此时形成136g饱和溶液，其中溶质和溶剂的质量比为36∶100。教师拓展：如果给出某温度下饱和溶液中溶质和溶剂的质量，如何计算该温度下的溶解度？学生练习：已知60℃时，将50g硝酸钾放入100g水中充分搅拌，所得溶液质量为145g，计算60℃时硝酸钾的溶解度。学生演算：溶质质量=145g100g=45g，所以S=45g/100g×100g=45g。教师点评：计算过程中注意溶质是否全部溶解是关键，如果溶质有剩余，则剩余部分不参与计算。设计意图：通过关键词分析和定量计算练习，深化学生对溶解度概念的理解，避免概念理解的模糊性和片面性。（三）溶解度曲线的绘制与应用教师活动：分发实验数据表，提供硝酸钾、氯化钠、氢氧化钙三种物质在不同温度下的溶解度数据。固体物质溶解度数据表温度/℃0102030405060708090100硝酸钾溶解度/g13.320.931.645.863.985.5110.0138.0169.0202.0246.0氯化钠溶解度/g35.735.835.936.036.336.637.037.337.838.439.0氢氧化钙溶解度/g0.1850.1770.1650.1530.1410.1300.1160.1060.0940.0850.077学生活动：在坐标纸上绘制三种物质的溶解度曲线，横轴为温度（0～100℃），纵轴为溶解度（g）。注意氢氧化钙的溶解度数值较小，可采用不同的纵轴比例或在图中用虚线标出。教师巡视：指导个别学生规范描点，连线时注意平滑过渡，不能出现折线现象。学生完成后，教师组织小组讨论以下问题：问题一：从三种物质的溶解度曲线可以看出，它们随温度变化的趋势有何不同？问题二：在0～100℃温度范围内，三种物质的溶解度是否始终是硝酸钾大于氯化钠大于氢氧化钙？请找出它们相交或接近的温度点。问题三：如果要除去硝酸钾中混有的少量氯化钠杂质，可以采用什么方法？如果要除去氯化钠中混有的少量硝酸钾杂质，又该采用什么方法？请运用溶解度曲线的原理进行分析。学生讨论交流：硝酸钾的溶解度随温度升高而显著增大，曲线陡峭，适合用冷却热饱和溶液的方法结晶提纯；氯化钠的溶解度随温度变化不大，曲线平缓，适合用蒸发溶剂的方法结晶；氢氧化钙的溶解度随温度升高而降低，比较特殊。教师总结：溶解度曲线的倾斜程度反映了物质溶解度受温度影响的敏感程度。曲线陡峭的物质适合用降温结晶法提纯，曲线平缓的物质适合用蒸发结晶法提纯。在生产实践中，选择结晶方法的主要依据就是溶解度曲线的形状和变化趋势。教师补充：从海水中提取食盐，利用的就是蒸发结晶的原理。我国食盐产量世界第一，其中海盐占很大比例，天津长芦盐场、江苏盐城等地都是重要的海盐产区。这就是运用溶解度规律服务工农业生产的具体实例。设计意图：通过学生亲自动手绘制曲线，培养数据处理和图表分析能力；通过实际问题讨论，提高知识应用能力和解决实际问题的能力。（四）气体溶解度简介教师活动：展示一瓶打开瓶盖的碳酸饮料，观察到有大量气泡逸出。提问：这些气泡是什么气体？为什么打开瓶盖后气体大量逸出？这说明气体溶解度受什么因素影响？学生回答：气泡是二氧化碳气体。打开瓶盖后压强减小，二氧化碳在水中的溶解度降低，所以大量逸出。说明压强是影响气体溶解度的重要因素。教师追问：除了压强，温度对气体溶解度有什么影响？请结合生活中烧开水时水中气泡逸出的现象进行解释。学生回答：加热时水中溶解的氧气等气体的溶解度减小，所以会出现气泡逸出的现象。教师总结：气体溶解度与固体溶解度在定义上有所不同，通常用“在压强为101kPa和一定温度时，气体溶解在1体积水里达到饱和状态时的气体体积”来表示气体溶解度。影响气体溶解度的重要因素有温度和压强两个因素。设计意图：从生活常见现象切入，帮助学生理解气体溶解度的特点及影响因素，与固体溶解度形成对比，完善溶液知识体系。（五）过渡引入，从宏观到微观教师活动：请大家回顾之前学过的同分异构现象。分子式相同而结构不同的化合物互称同分异构体。我们学过哪些类型的同分异构现象？学生回答：碳链异构、位置异构、官能团异构。教师引导：今天我们将认识一种非常特殊的同分异构现象，它不涉及碳链的长短不同，也不涉及官能团位置的变化，而是在原子连接顺序完全相同的情况下，仅仅因为原子在空间排列方式不同而产生的异构现象。这就是手性异构。教师展示：用球棍模型搭建乳酸分子C₃H₆O₃的两种结构，让学生观察两个模型的差异。设计意图：衔接已有认知，建立新旧知识的逻辑联系，自然地引出新知。（六）分子的手性——概念的建立教师活动：请同学们伸出自己的双手，观察左手和右手的关系。将左手放在桌面上，再将右手放上去，能否完全重合？把左手伸到镜子前，镜中的影像和什么相似？学生活动：跟随教师指令进行操作和观察，发现左手在镜中的影像恰好与右手相似，左右手互为镜像关系，但左右手无法完全重合。教师引导：分子世界中，也存在类似左右手关系的分子。有些分子和它的镜像分子就像人的左右手一样，互为镜像但不能完全重合，这种性质称为手性。具体来说，如果一个分子不能与其镜像重合，则该分子具有手性，这样的分子称为手性分子。教师演示：利用CH₄、CH₃Cl、CH₂Cl₂等分子的球棍模型进行对比。先展示甲烷CH₄的正四面体结构，指出其具有四个相同的C—H键，该分子是对称的，与其镜像可以完全重合，不具有手性。再展示一氯甲烷CH₃Cl，其中三个H和一个Cl，这个分子可以与其镜像重合，也不具有手性。再展示CH₂ClBr，其中的两个H、一个Cl、一个Br，通过旋转模型尝试重合，发现该分子也不具有手性。教师展示：展示乳酸分子CH₃CH(OH)COOH的两种球棍模型，请学生尝试将一个模型与其镜像重合。无论怎样旋转都不能完全重合。学生观察：确实无法重合，两个模型互为镜像关系但空间结构不同，就像左手和右手的关系一样。教师讲解：带有四个不同原子或原子团的碳原子称为手性碳原子，通常用C标记。乳酸分子中与羟基、羧基、甲基和氢原子相连的碳原子就是手性碳原子。含有一个手性碳原子的分子具有手性，存在一对互为镜像关系的对映异构体。教师板书：手性碳原子的判断标准：连接四个不同的原子或原子团。例如：乳酸CH₃CH(OH)COOH中，中间碳原子连接—CH₃、—OH、—COOH、—H四个不同的基团，因此该碳原子是手性碳原子，乳酸分子具有手性。设计意图：通过实物模型搭建与镜像观察的直观操作，降低学生理解立体化学概念的认知难度。手性概念的学习需要从具体到抽象，从宏观到微观，循序渐进。（七）手性碳原子的判断方法教师活动：呈现一组有机化合物的结构式，请学生找出其中含有手性碳原子的分子。题目一：判断下列分子中是否存在手性碳原子，若有请用星号标出。(1)CH₃CH₂CH₂CH₃(2)CH₃CH₂CHClCH₃(3)CH₃CH(CH₃)CH₂CH₃(4)甘油醛CH₂OHCH(OH)CHO学生分析：(1)正丁烷分子中，1号碳连接三个H和一个C，4号碳同理，2号碳连接两个H和两个C，3号碳连接两个H和两个C，均不符合要求，无手性碳原子。(2)2氯丁烷中，2号碳连接Cl、H、CH₃和CH₂CH₃四个不同的原子或原子团，所以该碳原子是手性碳原子。(3)2甲基丁烷中，2号碳连接CH₃、CH₃、H和CH₂CH₃，其中两个CH₃相同，因此不是手性碳。3号碳连接CH₃、CH(CH₃)₂、H和CH₃，其中两个CH₃相同也不是手性碳。所以该分子没有手性碳原子。(4)甘油醛中中间碳原子连接CH₂OH、CHO、OH和H四个不同基团，因此是手性碳原子，甘油醛具有手性。教师总结：判断一个碳原子是否为手性碳原子，关键是确认该碳原子所连接的四个原子或原子团各不相同。当四个基团中有任何两个相同时，该碳原子就不具有手性。教师补充：有时分子中虽然没有手性碳原子，但整个分子也可能具有手性，例如某些螺环化合物和联苯衍生物。不过在高中阶段，主要研究含有手性碳原子的手性分子，能够识别和判断手性碳原子即可。设计意图：通过典型例题的练习和讨论，帮助学生掌握手性碳原子的判断方法，在应用中将知识内化为能力。（八）手性分子的应用与社会价值教师活动：讲述历史上著名的“反应停”事件。20世纪50年代，德国研制出一种名为“沙利度胺”的药物（商品名“反应停”），用于缓解孕妇的妊娠呕吐反应。该药物投入市场后，导致全球数以千计的婴儿出现“海豹肢症”畸形。后来的研究发现，沙利度胺分子具有手性，其两种对映异构体中，一种具有镇静安胎作用，另一种则具有强烈的致畸性。由于当时制得的药物是两种对映异构体的混合物，其中有害的成分导致了这场悲剧。学生聆听思考：手性分子的两种对映异构体的生物活性差异巨大，一个是有益的，另一个却可能是有害的。教师引导：这一事件给我们的启示是，在药物研发和生产中，必须重视分子手性对生物活性的影响。在手性药物的合成中，需要尽可能获得单一构型的对映异构体，而不是外消旋混合物。教师继续讲解：现代药物化学中，手性药物已经占据非常重要的地位。据统计，目前全球市场上销售的化学药物中，超过一半为手性药物。例如，用于治疗高血压的氨氯地平、抗菌药物左氧氟沙星等都是单一对映异构体的手性药物。2001年诺贝尔化学奖授予了在手性催化领域做出突出贡献的三位科学家，手性催化技术已经成为不对称合成的重要手段，为人类健康事业做出了重大贡献。学生讨论：在日常生活中，我们接触的哪些物质可能涉及手性？教师引导：我们身体内的大部分生物大分子如蛋白质、核酸、糖类等都具有手性。生命活动的基础就是手性识别和手性匹配的过程，例如酶催化的反应通常具有高度的手性选择性。氨基酸具有手性，天然的氨基酸绝大多数为L型，通过手性色谱等方法可以区分它们。设计意图：通过“反应停”事件的警示与实际应用案例的正面引导，帮助学生认识化学研究中的社会责任和科学伦理，理解手性化学对人类健康和社会发展的重大意义，激发学生从事科学研究的兴趣和志向。（九）课堂巩固与反馈练习教师活动：呈现一组当堂检测题，检验学生对本节课核心知识的掌握情况。练习一：20℃时，将30g氯化钠放入100g水中，充分搅拌后仍有少量固体未溶解。若在该温度下继续加入50g水使固体恰好完全溶解，求此时溶液中氯化钠的质量分数及20℃时氯化钠的溶解度。学生计算：开始时有固体未溶解，说明溶液已饱和，加入50g水后恰好全部溶解，说明30g氯化钠完全溶解在150g水中恰好形成饱和溶液。20℃时，100g水中最多溶解氯化钠的质量为30g/150g×100g=20g，即溶解度为20g。质量分数为30g/180g×100%=16.7%。教师验证：此结果说明20℃时氯化钠溶解度约为36g，但本题条件中溶质质量较少，实际上是溶质不足而非饱和，学生需要辨识题意中的隐含条件。上述计算有误，重新分析：第一次加入30g氯化钠于100g水中，有固体剩余，说明100g水中溶解的氯化钠小于30g。再加入50g水，剩余的固体恰好溶解，则30g氯化钠恰好溶解在150g水中，形成饱和溶液。因此20℃时，100g水最多溶解氯化钠的质量为30g×100g/150g=20g，这一结果与实际不符，说明题目条件需要修正。教师提醒：本练习旨在提醒学生在解题时需注意数据的合理性和题目条件的前后一致性。实际数据应以教材中20℃氯化钠溶解度约为36g为准。练习二：指出下列物质中是否存在手性碳原子，如果有请用星号标出。(1)CH₃CH(OH)CH₂CH₃(2)CH₃CHBrCH₂CH₃(3)CH₃CH₂CH(NH₂)COOH(4)葡萄糖CH₂OH(CHOH)₄CHO学生回答：(1)2丁醇中2号碳连接CH₃、OH、H和CH₂CH₃四个不同基团，是手性碳原子。(2)2溴丁烷中2号碳连接CH₃、Br、H和CH₂CH₃，是手性碳原子。(3)丙氨酸中α碳连接CH₃、NH₂、H和COOH，是手性碳原子。(4)葡萄糖分子中有四个手性碳原子，分别是2、3、4、5号碳原子。教师总结：葡萄糖分子含有多个手性碳原子，每一种单糖都有其独特的手性构型组合，这决定了糖类的生物活性和代谢途径的差异。设计意图：通过即时反馈巩固所学知识，检测学生的掌握程度，及时发现和纠正认知偏差。（十）课堂总结与作业布置教师活动：引导学生从知识、方法、价值三个维度进行课堂总结。知识层面：本节课学习了固体溶解度的定义及计算，溶解度曲线的绘制和应用，气体溶解度的特点及影响因素；认识了手性分子、手性碳原子的概念，掌握了手性碳原子的判断方法，了解了手性分子的实际应用。方法层面：通过实验数据绘制溶解度曲线，学会了运用图像方法分析物质变化规律；通过搭建分子模型和镜像比较的方法，建立了三维空间认知分子的思维方式。价值层面：溶解度知识在海水晒盐、粗盐提纯等工业生产中有着广泛应用；手性化学在药物合成和生命科学研究中具有重要意义，化学研究必须坚持科学精神与人文关怀的统一。作业布置：1.完成教材课后习题中有关溶解度计算和手性碳原子判断的题目。2.查找资料，了解我国在不对称合成领域取得的重要研究成果，写一篇不少于300字的学习心得。3.利用球棍模型或橡