Электронное строение атома: электронные оболочки, подуровни и электронные конфигурации
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока учащиеся объяснят связь между номером энергетического уровня, видом подуровня и числом электронов, а также составят электронные конфигурации атомов не менее чем для четырёх химических элементов, проверяя их по алгоритму.
- Сформировать представление о современной модели электронного строения атома, энергетических уровнях, подуровнях и орбиталях.
- Научить применять правила заполнения электронных уровней и подуровней при составлении электронных конфигураций атомов элементов первых четырёх периодов.
- Развивать умение анализировать электронные схемы, находить ошибки и аргументированно объяснять порядок заполнения орбиталей.
- Формировать ответственное отношение к точности химической записи и понимание связи электронного строения с будущим изучением химической связи и периодических свойств элементов.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознавать значение моделей атома для объяснения свойств веществ и химических превращений.
- Проявлять познавательную мотивацию при решении исследовательской задачи о распределении электронов в атоме.
- Понимать ценность точной символической записи в естественно-научном знании.
- Соотносить изучаемую тему с дальнейшим изучением химической связи, периодического закона и профессиональными областями химии.
Метапредметные
- Извлекать информацию из периодической таблицы, схемы энергетических уровней и цифровой визуализации.
- Сравнивать электронные конфигурации атомов и делать выводы о закономерностях их изменения.
- Планировать решение задачи по заданному алгоритму, осуществлять самопроверку и коррекцию.
- Аргументированно представлять результат парной работы и использовать цифровой ресурс для проверки гипотезы.
Предметные
- Знать понятия «энергетический уровень», «энергетический подуровень», «орбиталь», «электронная конфигурация».
- Знать вместимость s-, p-, d-подуровней и максимальное число электронов на энергетическом уровне.
- Уметь записывать электронные конфигурации атомов элементов первых четырёх периодов.
- Уметь составлять электронно-графические схемы внешнего уровня для выбранных атомов.
- Уметь объяснять порядок заполнения орбиталей на основе принципа наименьшей энергии, принципа Паули и правила Хунда.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный учебный интерес к объяснению строения вещества на микроскопическом уровне.
- Оценивают собственную готовность применять химические модели при решении новых задач.
- Осознают необходимость аккуратности и доказательности при записи электронных конфигураций.
- Связывают изучение темы с дальнейшим профессиональным самоопределением в естественно-научной области.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель исследования по проблемному вопросу урока.
- Планируют последовательность составления электронной конфигурации.
- Сверяют результат с правилами заполнения орбиталей и исправляют обнаруженные ошибки.
- Оценивают степень достижения цели по листу самооценки и результатам контрольного задания.
Познавательные УУД
- Выделяют существенные признаки энергетического уровня, подуровня и орбитали.
- Моделируют распределение электронов с помощью электронно-графических схем.
- Устанавливают причинно-следственную связь между порядком заполнения подуровней и электронной конфигурацией атома.
- Анализируют неверные конфигурации и формулируют правило, нарушенное в записи.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в парной исследовательской работе и согласуют общий ответ.
- Формулируют уточняющие вопросы о порядке заполнения орбиталей.
- Аргументируют выбор электронной конфигурации, используя химическую терминологию.
- Корректно оценивают решение партнёра и предлагают конкретный способ исправления ошибки.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить презентацию или интерактивную визуализацию с моделями энергетических уровней, подуровней и орбиталей, а также анимацией последовательного заполнения орбиталей.
- Вывести на доску или экран схему порядка заполнения подуровней: $1s \rightarrow 2s \rightarrow 2p \rightarrow 3s \rightarrow 3p \rightarrow 4s \rightarrow 3d \rightarrow 4p$.
- Распечатать по одному листу алгоритма составления электронной конфигурации на каждого ученика.
- Распечатать карточки для парной работы: по одной карточке на пару, включив задания для атомов Li, O, Na, Cl, K, Ca, Fe и Br.
- Подготовить отдельные карточки с ошибочными записями электронных конфигураций для взаимопроверки.
- Подготовить лист самооценки с пунктами «Я различаю уровень и подуровень», «Я применяю правила заполнения», «Я умею находить ошибку».
- Подготовить периодическую таблицу на каждого ученика или одну таблицу на парту.
- Проверить работу проектора, компьютера и интерактивной доски; заранее открыть цифровую модель атома или интерактивную схему орбиталей.
- На доске оставить место для записи трёх правил: принцип наименьшей энергии, принцип Паули, правило Хунда.
- Подготовить стикеры трёх цветов для рефлексии и билет на выход на каждого ученика.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую деятельность и показать практическую значимость темы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране две модели атома: упрощённую планетарную схему и современную схему электронных облаков. «Сегодня мы будем говорить не о том, где электрон движется по заранее заданной орбите, а о том, как описывается вероятность его нахождения в атоме. Посмотрите на изображения и определите, какая информация в них совпадает, а какая различается». | Сравнивают две модели, называют общее и различия: «В обеих моделях есть ядро и электроны, но во второй показаны области вероятного нахождения электронов». |
2 мин | Учитель формулирует проблемный вопрос: «Почему атомы разных элементов имеют разное химическое поведение, если все они состоят из ядра и электронов? Сегодня мы проверим гипотезу: свойства элемента во многом связаны с электронной конфигурацией его атома». Учитель предлагает связать тему с будущими разделами химии. | Фиксируют проблемный вопрос в тетради, выдвигают гипотезы: «Важны число электронов», «Особенно важны электроны внешнего уровня», «Электроны расположены по определённым правилам». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы увидели, что современная модель описывает не траектории, а энергетические состояния электронов. Теперь восстановим знания, которые понадобятся для построения электронной конфигурации».
Этап 2. Актуализация знаний (5 мин)
Цель этапа: актуализировать сведения о составе атома, периодической таблице и максимальной вместимости энергетических уровней.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель проводит быстрый опрос с фиксацией ответов на доске. «Назовите части атома. Что показывает порядковый номер элемента? Как связаны число протонов и число электронов в нейтральном атоме? Какой вывод можно сделать по номеру периода?» | Отвечают: «Атом состоит из ядра и электронной оболочки», «Порядковый номер равен числу протонов», «В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов», «Номер периода показывает число занятых энергетических уровней». |
3 мин | Учитель показывает таблицу с уровнями и спрашивает: «Попробуйте объяснить, почему на первом уровне помещается не более двух электронов, а на втором — не более восьми. Что необходимо различать: уровень, подуровень или орбиталь?» Учитель не сообщает готовый ответ, а отмечает разные гипотезы. | В парах обсуждают вопрос 1 минуту, затем предлагают ответы. Формулируют предварительное различие: «Уровень включает подуровни, подуровень состоит из орбиталей, на каждой орбитали может находиться не более двух электронов». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вспомнили, что номер элемента задаёт число электронов в нейтральном атоме, а номер периода связан с числом энергетических уровней. Пока нам не хватает точного алгоритма распределения электронов по подуровням — именно его сейчас построим».
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: выявить затруднение и совместно сформулировать план открытия нового знания.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель записывает на доске конфигурации: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$ и $1s^2 2s^2 2p^6 3p^1$. «Обе записи содержат 11 электронов. Можно ли считать их описанием одного и того же атома? Какие сведения нужно проверить, чтобы ответить уверенно?» | Сравнивают записи и отвечают: «Первая конфигурация соответствует натрию, а вторая нарушает порядок заполнения; после $2p$ должен идти $3s$». Формулируют затруднение: «Нужно знать порядок заполнения и вместимость подуровней». |
2 мин | Учитель использует приём «Снежный ком». «Сначала каждый запишите один шаг, необходимый для составления конфигурации. Затем обсудите его с соседом и объедините шаги в общий алгоритм». После обсуждения учитель фиксирует предложения на доске. | Индивидуально предлагают шаги, затем в парах объединяют их в последовательность: определить число электронов, записать порядок подуровней, распределить электроны, проверить сумму и соответствие правилам. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Цель урока — не просто запомнить цепочку символов, а научиться обосновывать электронную конфигурацию и проверять её. Перейдём к модели, которая позволит нам самим вывести правила заполнения».
Этап 4. Открытие нового знания с использованием ИКТ (10 мин)
Цель этапа: открыть строение подуровней и правила заполнения орбиталей через визуальное моделирование.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель запускает интерактивную схему. «На экране показан первый энергетический уровень. Включите наблюдение: сколько орбиталей имеет s-подуровень и сколько электронов помещается на каждой орбитали? Теперь сравните s- и p-подуровни второго уровня». Учитель постепенно открывает обозначения $s$, $p$, $d$. | Наблюдают за цифровой моделью, заполняют таблицу в тетради: s-подуровень имеет 1 орбиталь и вместимость 2 электрона, p — 3 орбитали и вместимость 6 электронов, d — 5 орбиталей и вместимость 10 электронов. |
4 мин | Учитель показывает анимацию заполнения орбиталей и проговаривает: «Первое правило — принцип наименьшей энергии: электроны занимают сначала орбитали с меньшей энергией. Второе — принцип Паули: на одной орбитали может находиться не более двух электронов с противоположными спинами. Третье — правило Хунда: на равных по энергии орбиталях электроны сначала располагаются по одному». Учитель демонстрирует заполнение $2p^3$ и $2p^4$. | Выполняют схемы в тетради: для $2p^3$ изображают три неспаренных электрона на трёх орбиталях, для $2p^4$ — одну пару и два неспаренных электрона. Формулируют: «Сначала орбитали заполняются по одному, затем электроны спариваются». |
3 мин | Учитель выводит на экран последовательность подуровней и задаёт вопросы: «Почему после $3p$ записывается $4s$, а затем $3d$? Можно ли ориентироваться только на номер уровня? Как проверим конфигурацию атома хлора?» Учитель вместе с классом составляет запись для 17 электронов. | Отвечают: «Номер уровня не всегда определяет порядок энергии подуровня». Вместе составляют $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$, подсчитывают электроны: $2+2+6+2+5=17$, называют внешний уровень: третий. |
Запись в тетрадях
- $s$-подуровень содержит 1 орбиталь и максимум 2 электрона; $p$-подуровень — 3 орбитали и максимум 6 электронов; $d$-подуровень — 5 орбиталей и максимум 10 электронов.
- Порядок заполнения: $1s \rightarrow 2s \rightarrow 2p \rightarrow 3s \rightarrow 3p \rightarrow 4s \rightarrow 3d \rightarrow 4p$.
- Правила заполнения: принцип наименьшей энергии, принцип Паули, правило Хунда.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Теперь у нас есть модель и три правила, с помощью которых можно построить электронную конфигурацию. Проверим новое знание сначала вместе, а затем вы примените алгоритм самостоятельно».
Этап 5. Первичное закрепление в парах (7 мин)
Цель этапа: закрепить алгоритм составления электронных конфигураций и научиться объяснять решение партнёру.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт каждой паре карточку с одним элементом и инструкцией: «Определите число электронов атома по периодической таблице, составьте полную электронную конфигурацию, выделите внешний уровень и проверьте сумму показателей. Один ученик выполняет запись, второй озвучивает алгоритм; затем поменяйтесь ролями». | В парах распределяют роли, определяют число электронов и начинают составление конфигурации для указанного элемента. |
3 мин | Учитель предлагает взаимопроверку: «Обменяйтесь карточками с соседней парой. Проверьте три пункта: правильное число электронов, соблюдение порядка подуровней, отсутствие превышения вместимости. Если нашли ошибку, не зачёркивайте решение сразу, а подпишите, какое правило нарушено». | Проверяют работу другой пары, отмечают найденные ошибки и подписывают причину: «Нарушен принцип наименьшей энергии» или «На орбитали записано более двух электронов». |
2 мин | Учитель приглашает две пары представить решения. «Объясните не только ответ, но и ход рассуждения. Почему именно этот подуровень записан последним? Как электронная конфигурация связана с номером периода?» | Представляют решения, например: для кальция записывают $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$, объясняют сумму 20 и наличие четырёх занятых уровней. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Вы убедились, что конфигурация строится по алгоритму и обязательно проверяется подсчётом электронов. Теперь каждый выполнит короткую самостоятельную работу без подсказки партнёра».
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (9 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное освоение алгоритма и умение анализировать электронные схемы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | Учитель раздаёт карточки трёх уровней. «Выберите уровень, который позволит показать ваши реальные возможности. Минимум: составьте конфигурации атомов магния и фтора. Базовый уровень: составьте конфигурации кремния и калия и выделите внешний уровень. Повышенный уровень: найдите и исправьте ошибки в записях $1s^2 2s^2 2p^7$ и $1s^2 2s^2 2p^6 3p^1$, объяснив нарушение правила». | Индивидуально выполняют выбранный вариант. В минимальном варианте записывают $Mg: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$ и $F: 1s^2 2s^2 2p^5$. В базовом варианте записывают $Si: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2$ и $K: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1$. |
2 мин | Учитель открывает на экране эталон и предлагает самопроверку: «Поставьте плюс за каждый полностью выполненный пункт: определено число электронов, соблюдён порядок, правильно указаны степени, сумма электронов совпадает с порядковым номером. Ошибку исправляйте другим цветом». | Сверяют работу с эталоном, подсчитывают правильные пункты, исправляют записи другим цветом. |
2 мин | Учитель проводит краткий разбор типичной ошибки: «Если в записи появляется $2p^7$, что это означает? Почему запись $3p^1$ после $2p^6$ в основном состоянии неверна? Обсудите ответ с соседом 30 секунд и сформулируйте его одним предложением». | Обсуждают и формулируют: «$p$-подуровень вмещает максимум шесть электронов», «Перед $3p$ должен быть заполнен $3s$, поэтому после $2p^6$ записывают $3s^2$, а затем $3p$». |
Эталон решения
Для магния: 1) порядковый номер $Z=12$, значит, в нейтральном атоме 12 электронов; 2) заполняем подуровни по порядку: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2$; 3) проверяем сумму: $2+2+6+2=12$; 4) внешний уровень — третий, на нём находятся 2 электрона. Для ошибки $2p^7$: p-подуровень имеет три орбитали и вмещает не более шести электронов, поэтому такая запись невозможна.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Индивидуальная работа показала, что большинство из вас уже умеет строить конфигурацию по алгоритму. Ошибки чаще всего возникают при подсчёте электронов и при переходе от $3p$ к $4s$ и $3d$. В финале зафиксируем, что именно вы освоили и что нужно повторить».
Этап 7. Рефлексия и домашнее задание (7 мин)
Цель этапа: осмыслить результаты урока, выявить затруднения и определить направление самостоятельной работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт стикеры и предлагает приём «Светофор». «Зелёный стикер прикрепите рядом с утверждением, которое вы можете объяснить; жёлтый — с тем, где нужна тренировка; красный — с тем, что пока непонятно. Утверждения такие: я различаю уровень, подуровень и орбиталь; я знаю вместимость s-, p-, d-подуровней; я составляю электронную конфигурацию; я умею находить ошибку». | Прикрепляют стикеры к утверждениям, отмечают индивидуальные затруднения. |
2 мин | Учитель предлагает билет на выход: «Запишите электронную конфигурацию атома алюминия и ответьте одним предложением: почему последним заполняется подуровень $3p$?» | Записывают $Al: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1$ и объясняют: «После заполнения $3s$ следующим по энергии является $3p$». |
2 мин | Учитель формулирует домашнее задание и связывает его с будущей темой: «Выполните задания выбранного уровня. В каждом решении обязательно указывайте число электронов и делайте проверку суммы. На следующем уроке мы используем электронные конфигурации, чтобы объяснить закономерности изменения свойств элементов». | Записывают домашнее задание, задают уточняющие вопросы, отмечают в листе самооценки один навык, который нужно закрепить. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — правильно составлены все электронные конфигурации выбранного варианта, сумма электронов проверена, порядок заполнения и вместимость подуровней соблюдены, объяснение ошибки дано с указанием соответствующего правила.
- «4» — правильно выполнена основная часть заданий, допущена одна неточность в записи или объяснении, но алгоритм и число электронов определены верно.
- «3» — правильно выполнено не менее половины заданий, однако есть ошибки в порядке заполнения или подсчёте электронов; после подсказки ученик может исправить запись.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о различии энергетического уровня, подуровня и орбитали? | Проверка сформированности базовой понятийной структуры темы. |
Какое правило заполнения орбиталей оказалось самым важным или самым трудным? | Выявление точек затруднения и необходимости повторного объяснения. |
Что вы будете проверять в электронной конфигурации прежде всего? | Формирование осознанного алгоритма самоконтроля. |
Как электронное строение атома поможет объяснить свойства элементов? | Связь нового знания с последующими темами и повышение учебной мотивации. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы установили, что электронная конфигурация — это не случайный набор символов, а точная модель распределения электронов по уровням и подуровням. Вы научились применять принцип наименьшей энергии, принцип Паули и правило Хунда. Самая частая ошибка — забыть проверить вместимость подуровня или порядок $4s$ и $3d$. Повторите алгоритм и обязательно проговорите его при выполнении домашней работы. На следующем уроке мы увидим, как электронное строение связано с периодическим изменением свойств элементов».
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить полные электронные конфигурации атомов лития, кислорода, натрия и хлора; для каждого элемента указать число энергетических уровней и число электронов на внешнем уровне. | Закрепляет базовый алгоритм и связь конфигурации с положением элемента в периодической таблице; при проверке смотреть на сумму электронов и порядок подуровней. |
Средний (повышающий) | Составить электронные конфигурации атомов кальция, алюминия, кремния, калия и железа; для железа дополнительно изобразить электронно-графическую схему подуровня $3d$. | Развивает применение правил к элементам первых четырёх периодов и умение работать с d-подуровнем; при проверке обратить внимание на запись $4s$ перед $3d$. |
Продвинутый (дополнительный) | Проанализировать четыре предложенные электронные конфигурации, найти не менее трёх ошибок и для каждой указать нарушенное правило. Затем составить собственную корректную конфигурацию атома элемента четвёртого периода и обосновать выбор. | Развивает анализ и аргументацию; при проверке оценивать не только исправленную запись, но и объяснение причины ошибки. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Что показывает порядковый номер элемента? Сколько электронов максимально помещается на s-, p- и d-подуровнях? В каком порядке после $3p$ заполняются подуровни? Как проверить, что электронная конфигурация записана верно?»
