Строение атома. Особенности электронного строения атома углерода
Цели и задачи
- Цель: К концу урока учащиеся смогут объяснять механизм перехода атома углерода в возбужденное состояние и графически изображать его электронную конфигурацию для обоснования четырехвалентности углерода в органических соединениях.
- Образовательные задачи: актуализировать знания о квантовых числах и правилах заполнения орбиталей; раскрыть понятие «гибридизация» как следствие особенностей строения атома углерода; научить различать основное и возбужденное состояния атома.
- Развивающие задачи: развивать навыки логического мышления через установление причинно-следственных связей между строением атома и свойствами вещества; формировать умение работать с абстрактными моделями микромира.
- Воспитательные задачи: содействовать формированию научного мировоззрения; развивать коммуникативные навыки при работе в парах и группах.
Планируемые результаты
Личностные
- Сформированность познавательных интересов, направленных на изучение живой и неживой природы.
- Понимание значимости химических знаний для будущей профессиональной деятельности (подготовка к профильному обучению).
- Умение управлять своей познавательной деятельностью.
Метапредметные
- Умение создавать, применять и преобразовывать знаково-символические средства для решения учебных задач.
- Способность самостоятельно определять цели обучения и планировать пути их достижения.
- Умение устанавливать аналогии и классифицировать объекты.
Предметные
- Знать фундаментальные законы строения атома (принцип Паули, правило Хунда).
- Уметь записывать электронные и электронно-графические формулы углерода в основном и возбужденном состояниях.
- Владеть понятием валентности и степени окисления применительно к органическим веществам.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Самоопределение (внутренняя позиция школьника на уровне положительного отношения к уроку химии).
- Смыслообразование (связь между целью изучения химии и будущей профессией).
Регулятивные УУД
- Целеполагание как постановка учебной задачи на основе соотнесения того, что уже известно, и того, что еще неизвестно.
- Саморегуляция как способность к мобилизации сил и энергии для преодоления препятствий в решении задач ЕГЭ.
Познавательные УУД
- Поиск и выделение необходимой информации в учебнике и таблице Менделеева.
- Анализ объектов с целью выделения признаков (электронная плотность, форма орбиталей).
Коммуникативные УУД
- Умение с достаточной полнотой и точностью выражать свои мысли в соответствии с задачами коммуникации.
- Инициативное сотрудничество в поиске и сборе информации.
Подготовка учителя к уроку
- Распечатать карточки с заданиями для самостоятельной работы (3 уровня сложности) — 25 экз.
- Подготовить презентацию со схемами s- и p-орбиталей, а также 3D-моделями гибридных облаков.
- Подготовить шаростержневые модели метана, этилена и ацетилена.
- Проверить работу проектора и интерактивной доски.
- Открыть учебник (автор О.С. Габриелян или эквивалент) на странице с темой «Строение атома углерода».
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: психологический настрой учащихся, создание ситуации «интеллектуального разрыва».
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | «Здравствуйте, коллеги! Именно так я обращаюсь к вам сегодня, ведь в 10 классе мы переходим к серьезному изучению органической химии. Посмотрите на слайд: перед вами алмаз и графит. Одно вещество — самое твердое в мире, другое — мягкое, оставляет след на бумаге. Но оба состоят из одного и того же элемента — углерода. Как вы думаете, где кроется секрет такого различия?» | Приветствуют учителя. Рассматривают изображения на слайде. Выдвигают предположения: «В кристаллической решетке», «В связях между атомами». |
2 мин | «Верно. Но чтобы понять, как строятся эти решетки, нам нужно заглянуть внутрь самого атома. Сегодня мы станем архитекторами микромира. Наша тема: "Строение атома углерода". Запишите её в тетради.» | Записывают тему урока в тетради. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы обозначили проблему. Чтобы её решить, нам нужно вспомнить базовые правила "заселения" электронов в атомные квартиры-орбитали».
Этап 2. Актуализация знаний (5 мин)
Цель этапа: повторение квантовых чисел и принципов заполнения энергетических уровней.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | «Давайте вспомним правила игры. Приём "Блиц-опрос". 1. Сколько электронов может находиться на одной орбитали? 2. Как называется принцип, запрещающий двум электронам иметь одинаковые все 4 квантовых числа? 3. В каком порядке заполняются подуровни 2s и 2p?» | Отвечают: «Не более двух с противоположными спинами», «Принцип Паули», «Сначала 2s, так как его энергия ниже, затем 2p». |
2 мин | «Отлично. А теперь один доброволец к доске: изобразите схему строения атома углерода (порядковый номер 6) в основном состоянии. Остальные работают в тетрадях.» | Один ученик у доски, остальные в тетрадях рисуют ячейки и стрелки: 1s² 2s² 2p². |
Эталон решения
C (+6) 1s² 2s² 2p²
Электронно-графическая формула:
2p [↑][↑][ ]
2s [↑↓]
1s [↑↓]
Электронно-графическая формула:
2p [↑][↑][ ]
2s [↑↓]
1s [↑↓]
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы видим, что у углерода в обычном состоянии всего два неспаренных электрона. Но вспомните метан — CH₄. Сколько там связей?»
Этап 3. Выявление места и причины затруднения (3 мин)
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Цель этапа: осознание противоречия между теорией (2 неспаренных электрона) и практикой (4 связи).
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | «Посмотрите на схему, которую мы только что нарисовали. Сколько свободных мест на 2p-подуровне? Одно. А сколько неспаренных электронов? Два. Согласно теории валентных связей, углерод должен быть двухвалентным. Но в органической химии углерод ВСЕГДА четырехвалентен. Как же он умудряется образовать 4 связи, имея всего 2 неспаренных электрона?» | Ученики фиксируют затруднение. Выдвигают гипотезы: «Может, электроны перепрыгивают?», «Может, при нагревании что-то меняется?» |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Ваше предположение о "прыжке" электрона абсолютно верно. Это состояние называется возбужденным. Давайте разберемся, как это происходит».
Этап 4. Открытие нового знания (12 мин)
Цель этапа: изучение механизма возбуждения атома и введение понятия гибридизации.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | «При получении небольшой порции энергии один из электронов с 2s-подуровня переходит на свободную 2p-орбиталь. Изобразите это в тетради. Сколько теперь неспаренных электронов?» Учитель рисует на доске схему перехода (распаривание электронов). | Рисуют схему: 2s¹ 2p³. Отвечают: «Теперь их четыре!» |
7 мин | «Но вот загадка: s-электрон и p-электроны имеют разную форму облаков (сфера и гантель) и разную энергию. Однако в молекуле метана все 4 связи абсолютно одинаковы. Почему? Здесь вступает в силу процесс гибридизации — смешивания разных орбиталей. Представьте, что мы смешали один стакан красной краски (s) и три стакана синей (p). Мы получим четыре одинаковых стакана фиолетовой краски. Это и есть sp³-гибридизация.» Учитель демонстрирует на слайде форму гибридного облака (несимметричная восьмерка). | Слушают, фиксируют определение гибридизации. Зарисовывают форму гибридного облака. Задают уточняющие вопросы о том, всегда ли смешиваются все три p-орбитали. |
Запись в тетрадях
- Возбужденное состояние углерода (C*): 1s² 2s¹ 2p³.
- Гибридизация — процесс выравнивания орбиталей по форме и энергии.
- sp³-гибридизация: 1s + 3p = 4 гибридных облака, угол 109°28', форма — тетраэдр.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Итак, секрет четырехвалентности раскрыт: это переход в возбужденное состояние и последующая гибридизация. Но перед тем как закрепить это на практике, давайте немного разомнемся».
Этап 5. Физкультминутка (2 мин)
Цель этапа: снятие мышечного и зрительного напряжения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | «Встаньте, пожалуйста. Давайте представим себя электронами. 1. Электрон на s-орбитали: описываем руками в воздухе круг. 2. Электрон на p-орбитали: рисуем восьмерку в горизонтальной плоскости, затем в вертикальной. 3. А теперь гибридное облако: потянитесь одной рукой сильно вверх, а другую оставьте внизу — облако несимметрично! Встряхните кисти рук и садитесь.» | Выполняют упражнения, повторяя движения за учителем. |
Этап 6. Первичное закрепление (7 мин)
Цель этапа: применение полученных знаний в стандартных ситуациях.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | «Используя приём "Think-Pair-Share", обсудите с соседом по парте: чем отличается электронное строение атома углерода в молекуле углекислого газа CO₂ и в молекуле метана CH₄? Подсказка: посмотрите на количество связей у углерода в обоих случаях.» | Обсуждают в парах. Приходят к выводу: «Валентность в обоих случаях IV, значит, атом в обоих случаях в возбужденном состоянии». |
3 мин | «Давайте выполним задание из базы ЕГЭ. Выберите два элемента, которые в возбужденном состоянии имеют электронную конфигурацию внешнего слоя ns¹np³. Варианты: Si, C, N, P, O.» | Анализируют таблицу Менделеева. Выбирают Кремний (Si) и Углерод (C), так как они находятся в одной группе. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Вы отлично справились с поиском аналогий. Теперь проверим, как вы усвоили материал индивидуально».
Этап 7. Самостоятельная работа с самопроверкой (7 мин)
Цель этапа: индивидуальный контроль усвоения материала.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | Раздает карточки с заданием: «1. Изобразите электронно-графическую формулу C*. 2. Объясните, почему азот не может перейти в такое же возбужденное состояние, как углерод (подсказка: посмотрите на 2-й уровень азота). 3. Укажите количество неспаренных электронов у возбужденного атома кремния». | Выполняют работу на листочках. |
2 мин | Выводит правильные ответы на экран. «Проверьте себя. Если у вас все верно — поставьте на полях "+". Если есть ошибка в объяснении про азот — разберем сейчас». | Сверяют свои работы с эталоном. Отмечают, что у азота на 2-м уровне нет свободных орбиталей (все три p-ячейки заняты хотя бы одним электроном), поэтому распаривание 2s-электронов невозможно без перехода на 3-й уровень, что требует слишком много энергии. |
Эталон решения (про азот)
У азота (N) конфигурация 2s² 2p³. На 2-м энергетическом уровне всего 4 орбитали (одна s и три p). Все они уже заняты электронами. Свободных орбиталей для перехода электрона с 2s-подуровня в пределах того же уровня нет.
Этап 8. Рефлексия и домашнее задание (6 мин)
Цель этапа: осознание учащимися своей учебной деятельности, самооценка результатов.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | «Подведем итоги. Используем приём ПОПС-формула. Я начинаю фразу, а вы заканчиваете: П (позиция) — "Я считаю, что строение атома углерода уникально, потому что..."; О (обоснование) — "Потому что он может..."; П (пример) — "Например, в молекуле метана..."; С (следствие) — "Исходя из этого, органическая химия..."» | Желающие отвечают по формуле. Пример ответа: «Я считаю, что углерод уникален, так как он образует миллионы веществ. Это возможно благодаря переходу в возбужденное состояние и гибридизации. Например, в метане все связи равноценны. Значит, углерод — идеальный конструктор для жизни». |
3 мин | «Запишите домашнее задание. Обратите внимание на творческий уровень — он поможет вам лучше визуализировать тему. Спасибо за урок!» | Записывают задание в дневники. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — верно составлены электронные и графические формулы в основном и возбужденном состояниях, дано полное логическое объяснение невозможности возбуждения азота.
- «4» — верно составлены формулы, но допущена неточность в объяснении про азот или не указано количество электронов для кремния.
- «3» — верно составлены только формулы основного состояния, возбужденное состояние изображено с ошибками.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какое понятие сегодня было самым сложным: возбужденное состояние или гибридизация? | Выявление зон затруднения в абстрактных темах. |
Сможете ли вы объяснить восьмикласснику, почему углерод четырехвалентен? | Проверка глубины понимания и умения транслировать знание. |
Где в заданиях ЕГЭ нам встретится сегодняшняя тема? | Связь с практической целью (подготовка к экзаменам). |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы с вами приоткрыли завесу тайны над тем, как устроен фундамент всей органической химии. Понимание того, как электроны "танцуют" внутри атома, позволит нам на следующем уроке понять, почему органических веществ больше 20 миллионов, а неорганических — всего сотни тысяч. Мы изучим теорию химического строения Бутлерова. Будьте готовы к новым открытиям!»
Домашнее задание
Уровень сложности | Задания | Описание |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Параграф 2, упр. 1-3 | Повторить определения, уметь рисовать схемы C и C*. |
Средний (повышающий) | Задания на платформе РЭШ (тест по строению атома) | Отработка навыков решения тестов формата ЕГЭ. |
Продвинутый (дополнительный) | Моделирование | Из пластилина и зубочисток изготовить модель sp³-гибридного облака и молекулы метана. |
Контрольный вопрос: «Может ли атом кислорода находиться в четырехвалентном состоянии аналогично углероду? Почему?»
