Периодический закон. Распределение электронов в атомах элементов малых и больших периодов
Цели и задачи
- Цель урока: к концу урока научиться объяснять периодическое изменение свойств элементов через строение атома и составлять электронные конфигурации атомов элементов малых и больших периодов, используя принцип наименьшей энергии и правила заполнения орбиталей.
- Сформулировать современную формулировку периодического закона и установить связь между порядковым номером элемента, зарядом ядра и числом электронов в нейтральном атоме.
- Повторить правила заполнения электронных оболочек, подуровней и орбиталей, включая принцип Паули, правило Хунда и принцип наименьшей энергии.
- Научиться составлять полные и сокращённые электронные конфигурации атомов элементов 2–4-го периодов и объяснять различия в строении атомов элементов малых и больших периодов.
- Развивать умение анализировать периодические закономерности, аргументировать выводы по данным Периодической системы и осуществлять самопроверку по алгоритму.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают значение периодического закона как основы научного объяснения свойств химических элементов и веществ.
- Проявляют познавательный интерес к теоретическому описанию строения вещества и связывают изучаемый материал с дальнейшим обучением в естественно-научной или технической области.
- Принимают ответственность за точность записи электронных конфигураций и объективность самопроверки.
- Понимают ценность доказательного рассуждения: вывод о свойствах элемента должен опираться на строение его атома, а не только на запоминание положения элемента в таблице.
Метапредметные
- Выделяют существенную информацию из Периодической системы, схемы энергетических уровней и таблицы последовательности заполнения подуровней.
- Строят причинно-следственную цепочку «порядковый номер — электронная конфигурация — положение в периоде и группе — свойства элемента».
- Планируют решение задания по алгоритму, проверяют число электронов и исправляют обнаруженные ошибки.
- Формулируют гипотезы, сравнивают конфигурации атомов и аргументированно представляют выводы в паре и в классе.
Предметные
- Знать современную формулировку периодического закона: свойства химических элементов и образованных ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от зарядов ядер атомов.
- Знать вместимость энергетических уровней и подуровней: $s$ — 2 электрона, $p$ — 6, $d$ — 10, $f$ — 14.
- Уметь составлять электронные конфигурации атомов элементов 1–4-го периодов и сокращённые конфигурации элементов 4-го периода.
- Уметь определять по электронной конфигурации период, блок и примерное положение элемента в Периодической системе.
- Объяснять периодическое изменение числа электронных слоёв и числа электронов на внешнем уровне в пределах периода.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Осмысливают роль периодического закона как универсального способа упорядочивания научных знаний.
- Проявляют готовность самостоятельно выбирать способ проверки электронной конфигурации.
- Связывают точность химической записи с ответственностью за результат учебной и будущей профессиональной деятельности.
- Оценивают собственное продвижение от воспроизведения правил к объяснению закономерностей.
Регулятивные УУД
- Принимают и уточняют цель исследования связи между положением элемента и строением его атома.
- Планируют последовательность записи электронной конфигурации по порядку заполнения подуровней.
- Осуществляют контроль по трём критериям: число электронов, допустимая вместимость подуровней, соответствие порядку заполнения.
- Находят и исправляют ошибки в готовых конфигурациях, оценивают уровень самостоятельности при выполнении задания.
Познавательные УУД
- Моделируют строение атома с помощью электронной конфигурации и схемы энергетических уровней.
- Сравнивают электронные конфигурации элементов одного периода и выявляют повторяемость внешнего электронного строения.
- Классифицируют элементы по заполняемому подуровню и относят их к $s$-, $p$- или $d$-блоку.
- Используют анализ, обобщение и причинно-следственное объяснение при формулировке периодического закона.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в паре при анализе электронных конфигураций.
- Формулируют уточняющие вопросы о порядке заполнения подуровней и проверяют аргументы партнёра.
- Представляют решение с использованием химической терминологии: «энергетический уровень», «подуровень», «валентные электроны», «электронная конфигурация».
- Корректно обсуждают ошибочные решения и предлагают способ их исправления без подмены аргумента оценочным суждением.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить Периодическую систему на экране или интерактивной доске с хорошо различимыми периодами, группами и блоками элементов.
- Вывести на отдельном слайде последовательность заполнения подуровней: $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, $4s$, $3d$, $4p$.
- Распечатать диагностические карточки с тремя конфигурациями: корректной, содержащей ошибку в числе электронов, и содержащей нарушение порядка заполнения — по одной на каждого ученика.
- Распечатать карточки для парной работы с элементами натрий, хлор, кальций, железо и бром — по одной карточке на пару.
- Подготовить шаблон алгоритма: определить число электронов; заполнить подуровни; проверить вместимость; записать сокращённую конфигурацию; определить период и блок.
- Разместить на доске памятку с вместимостью подуровней: $s^2$, $p^6$, $d^{10}$, $f^{14}$ и с формулировками принципа Паули и правила Хунда.
- Подготовить маркеры двух цветов: одним цветом обозначать внутренние электроны, другим — электроны внешнего уровня или незаполненного подуровня.
- Подготовить таймер на 3 минуты для индивидуальной работы и на 4 минуты для парного исследования.
- Оборудование: компьютер, проектор или интерактивная доска, Периодическая система, раздаточные карточки, тетради и ручки.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую деятельность и показать проблему, которую нельзя решить только механическим запоминанием.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране две конфигурации: $1s^22s^22p^63s^1$ и $1s^22s^22p^63s^23p^5$. «Ребята, перед вами не просто последовательности символов. Это модели двух атомов. Определите, какие элементы скрываются за этими записями, и предположите, почему элементы, находящиеся в одном периоде, могут заметно различаться по свойствам». | Рассматривают записи, подсчитывают электроны и отвечают: «Первая конфигурация соответствует натрию, вторая — хлору»; предполагают: «У атомов одинаковое число электронных слоёв, но разное число электронов на внешнем уровне».· |
2 мин | Учитель фиксирует ответы на доске и формулирует проблемный вопрос: «Как периодическая система связана с распределением электронов в атомах? Почему свойства элементов изменяются закономерно, а затем повторяются? Сегодня мы не будем только вспоминать готовые правила: мы проверим закономерность на конкретных атомах и выведем объяснение». | Записывают тему урока, формулируют предположение: «Положение элемента связано с числом уровней и электронов на внешнем уровне»; принимают задачу исследования. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы увидели, что за положением элемента в таблице скрывается определённое строение атома. Теперь восстановим правила, которые позволят нам это строение записывать без ошибок».»
Этап 2. Актуализация знаний и выявление затруднения (6 мин)
Цель этапа: актуализировать знания о строении атома и обнаружить, какие правила необходимы для записи электронной конфигурации.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель проводит приём «Подумай — обсуди в паре — поделись». «Индивидуально за 30 секунд ответьте: что определяет порядковый номер элемента, сколько электронов имеет нейтральный атом и чем отличаются энергетический уровень и подуровень? Затем обсудите ответы с соседом. После этого назовём формулировки, с которыми согласен класс». | Индивидуально записывают определения, затем обсуждают их в парах. Формулируют: «Порядковый номер равен заряду ядра и числу электронов в нейтральном атоме»; «уровень обозначает главный энергетический слой, а подуровень состоит из орбиталей одного типа». |
3 мин | Учитель выводит схему вместимости подуровней и задаёт вопросы: «Сколько электронов помещается на $s$-, $p$-, $d$- и $f$-подуровнях? Как формулируются принцип Паули и правило Хунда? Посмотрите на запись $1s^22s^22p^63s^13p^1$. Можно ли считать её корректной конфигурацией атома? Обоснуйте». | Отвечают: «$s^2$, $p^6$, $d^{10}$, $f^{14}$»; формулируют правила. Находят проблему в записи: «После $3s$ должен заполняться $3p$, но запись содержит один электрон на $3s$ и один на $3p$; такая конфигурация не соответствует основному состоянию атома». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вспомнили, что число электронов известно из порядкового номера, но одной этой информации недостаточно: электроны нужно распределить по уровням и подуровням в определённом порядке. Сейчас сформулируем способ действия и проверим его на элементах разных периодов».»
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: совместно построить алгоритм исследования электронной конфигурации и определить ожидаемый результат урока.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает на экране элементы литий, неон, натрий и аргон. «Сравните их положение в Периодической системе. Какие признаки повторяются? Сформулируйте гипотезу: по каким данным можно предсказать строение внешнего уровня атома?» Учитель записывает варианты гипотез на доске. | Сравнивают элементы, отмечают: «Литий и натрий находятся в одной группе и имеют по одному электрону на внешнем уровне»; «неон и аргон имеют завершённый внешний уровень»; формулируют гипотезу о связи группы и числа внешних электронов для элементов главных подгрупп. |
2 мин | Учитель предлагает алгоритм и просит проверить его полноту: «Шаг первый — определить число электронов. Шаг второй — заполнить подуровни в порядке возрастания энергии. Шаг третий — проверить вместимость и общее число электронов. Шаг четвёртый — определить период и блок. Какой шаг добавим, если работаем с большим периодом?» | Предлагают добавить анализ незаполненного или заполняемого подуровня и запись сокращённой конфигурации через символ благородного газа; формулируют цель: «Научиться объяснять положение элемента и его закономерные свойства через электронную конфигурацию». |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Алгоритм принят: от порядкового номера — к конфигурации, от конфигурации — к положению и свойствам. Теперь применим его сначала к элементам малых периодов, а затем выясним, что меняется в больших периодах».»
Этап 4. Открытие нового знания: малые и большие периоды (12 мин)
Цель этапа: вывести связь между периодическим законом и последовательным заполнением энергетических уровней и подуровней.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель демонстрирует на доске последовательность заполнения и разбирает пример. «Рассмотрим атом фосфора, порядковый номер 15. В нейтральном атоме 15 электронов. Заполняем подуровни по порядку: $1s^2$, $2s^2$, $2p^6$, $3s^2$, $3p^3$. Проверяем сумму: $2+2+6+2+3=15$. Последний электрон находится на третьем энергетическом уровне, значит, элемент расположен в третьем периоде; заполняется $p$-подуровень, поэтому это $p$-элемент». | Следят за алгоритмом, записывают конфигурацию фосфора, проверяют сумму электронов и формулируют вывод: «Номер периода определяется наибольшим главным квантовым уровнем, занятым электронами; блок определяется типом заполняемого подуровня». |
4 мин | Учитель организует работу в парах с карточками натрия и хлора. «Составьте полные конфигурации атомов натрия и хлора, выделите цветом электроны внешнего уровня и сравните их. Объясните, почему оба элемента находятся в третьем периоде, но имеют разные химические свойства». Учитель напоминает: «Не называйте только положение в таблице — приведите электронное доказательство». | В парах записывают: натрий $1s^22s^22p^63s^1$, хлор $1s^22s^22p^63s^23p^5$. Выделяют третий уровень, сравнивают 1 и 7 внешних электронов. Объясняют: «У атомов одинаковое число электронных слоёв, но разная заполненность внешнего уровня, поэтому различается способность принимать или отдавать электроны». |
4 мин | Учитель переходит к большому периоду. «Теперь рассмотрим железо, порядковый номер 26. После заполнения $4s$ начинает заполняться $3d$-подуровень: $1s^22s^22p^63s^23p^64s^23d^6$. В сокращённом виде запись выглядит так: $[Ar]4s^23d^6$. Почему железо относят к элементам большого периода и к $d$-блоку, хотя в записи после $4s$ появляется подуровень третьего уровня?» | Составляют и проверяют конфигурацию железа. Отвечают: «У железа заполняется внутренний по отношению к внешнему $3d$-подуровень, что характерно для больших периодов и переходных элементов; блок определяется последним заполняемым подуровнем». |
Запись в тетрадях
Записать алгоритм: 1) определить число электронов по порядковому номеру; 2) распределить электроны по подуровням в порядке $1s$, $2s$, $2p$, $3s$, $3p$, $4s$, $3d$, $4p$; 3) проверить вместимость подуровней и сумму электронов; 4) определить период по наибольшему $n$; 5) определить блок по заполняемому подуровню. Записать современную формулировку периодического закона.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «В малых периодах последовательно заполняются внешние $s$- и $p$-подуровни, а в больших периодах появляются переходные элементы с заполнением $d$-подуровня. Повторяемость строения внешних электронных уровней и есть микроскопическое объяснение периодичности свойств. Проверим это самостоятельно».»
Этап 5. Первичное закрепление. Приём «Химический конструктор» (7 мин)
Цель этапа: закрепить алгоритм составления конфигураций и определения положения элемента по строению атома.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт парам карточки с заданиями и объясняет приём «Химический конструктор»: «На каждой карточке есть порядковый номер или конфигурация. Ваша задача — собрать полное описание элемента: название, электронная конфигурация, период, блок и число электронов на внешнем уровне. Сначала каждый решает свою часть, затем пара сверяет результат». | Решают задания для элементов кальций и бром. Для кальция записывают $1s^22s^22p^63s^23p^64s^2$ и определяют $s$-блок; для брома — $[Ar]4s^23d^{10}4p^5$ и определяют $p$-блок. |
2 мин | Учитель предлагает взаимопроверку: «Обменяйтесь карточками с соседней парой. Проверьте три пункта: сумма электронов, заполненность подуровней, соответствие периода и блока. Если нашли ошибку, не стирайте её сразу: подчеркните место и напишите короткое объяснение». | Проверяют работу соседней пары по трём критериям, отмечают ошибки и формулируют комментарии: «В конфигурации пропущен подуровень $3d$» или «Сумма показателей степеней не равна порядковому номеру». |
2 мин | Учитель разбирает типичную ошибку на экране: $[Ar]4s^24p^5$. «Почему такая запись ошибочна для атома брома? Какой подуровень должен быть заполнен между $4s$ и $4p$? Назовите правило, которое помогает это проверить». | Исправляют запись: $[Ar]4s^23d^{10}4p^5$. Объясняют: «Между $4s$ и $4p$ заполняется $3d$; необходимо соблюдать последовательность возрастания энергии подуровней». |
Эталон решения
Для брома: $Z=35$, следовательно, в нейтральном атоме 35 электронов. После конфигурации аргона остаются 17 электронов: $4s^2$, $3d^{10}$, $4p^5$. Сокращённая конфигурация: $[Ar]4s^23d^{10}4p^5$. Наибольший главный уровень — $n=4$, поэтому бром находится в 4-м периоде. Последним заполняется $p$-подуровень, следовательно, бром относится к $p$-блоку.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы научились проверять конфигурацию не по внешнему виду, а по числу электронов и порядку заполнения подуровней. Теперь каждый самостоятельно покажет, может ли применить алгоритм без подсказки партнёра».»
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (9 мин)
Цель этапа: диагностировать индивидуальное освоение алгоритма и умение объяснять связь электронной конфигурации с периодическим законом.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | Учитель раздаёт индивидуальные карточки трёх уровней. «Выполните обязательное задание: составьте электронную конфигурацию атома серы, определите период, блок и число электронов на внешнем уровне. Затем выберите одно дополнительное задание: найти ошибку в конфигурации $1s^22s^22p^63s^23p^64s^1$ или составить сокращённую конфигурацию никеля, $Z=28$. Работайте самостоятельно, время — пять минут». | Записывают конфигурацию серы: $1s^22s^22p^63s^23p^4$, определяют 3-й период, $p$-блок, 6 внешних электронов. Выполняют выбранное дополнительное задание: исправляют порядок для записи с $4s$ или составляют для никеля $[Ar]4s^23d^8$. |
2 мин | Учитель открывает эталон на экране и просит провести самопроверку цветными ручками. «Сначала проверьте только число электронов. Затем — порядок подуровней и соответствие периода. Исправления выполняйте рядом с ошибкой и подпишите причину». | Сверяют решения, подсчитывают совпадение с эталоном, исправляют ошибки. Отмечают в листе самооценки: «могу выполнить самостоятельно», «нужна помощь с порядком заполнения» или «затрудняюсь определить блок». |
2 мин | Учитель проводит краткий «Светофор»: «Покажите зелёную карточку, если можете составить конфигурацию элемента 1–4-го периодов; жёлтую — если иногда путаете порядок $4s$ и $3d$; красную — если алгоритм пока не работает. По одному примеру объясните, что именно вызвало затруднение». | Показывают карточки, формулируют конкретное затруднение или подтверждают готовность: «Путаю положение $3d$ после $4s$»; «Не всегда проверяю сумму электронов»; «Могу определить период по максимальному значению $n$». |
Эталон решения
Для серы: $Z=16$, поэтому в атоме 16 электронов. Заполнение: $1s^2+2s^2+2p^6+3s^2+3p^4=16$. Конфигурация: $1s^22s^22p^63s^23p^4$. Наибольшее значение $n$ равно 3, следовательно, третий период. Последним заполняется $3p$-подуровень, поэтому сера относится к $p$-блоку. На внешнем уровне 6 электронов.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Самопроверка показала, что главное затруднение связано не с подсчётом электронов, а с последовательностью заполнения и чтением записи. В финале свяжем отдельные решения с общей формулировкой периодического закона и проверим, достигли ли мы цели».»
Этап 7. Рефлексия и домашнее задание (4 мин)
Цель этапа: обобщить открытое знание, оценить степень достижения цели и дать разноуровневое домашнее задание.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель возвращается к проблемному вопросу. «Почему свойства элементов периодически повторяются? Сформулируйте ответ в два шага: сначала назовите закономерность в строении атомов, затем её следствие для свойств». Учитель принимает 2–3 ответа и уточняет научную формулировку. | Формулируют: «При увеличении заряда ядра электроны заполняют уровни и подуровни в закономерной последовательности; через определённые промежутки повторяется строение внешнего уровня, поэтому периодически повторяются свойства элементов и их соединений». |
2 мин | Учитель раздаёт «Билет на выход»: «Запишите конфигурацию элемента с $Z=19$, назовите период и блок. Внизу ответьте одним предложением: какое правило сегодня стало для вас самым важным?» Объявляет домашнее задание. | Записывают для калия: $1s^22s^22p^63s^23p^64s^1$, 4-й период, $s$-блок. Заполняют билет на выход и фиксируют домашнее задание. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Сегодня мы прошли путь от порядкового номера элемента к электронной конфигурации, а затем — к положению элемента и объяснению периодичности свойств. Проверьте дома не только правильность записи, но и логику каждого шага. На следующем уроке используем электронное строение для объяснения изменения радиусов атомов, энергии ионизации и металлических свойств».»
Критерии оценивания практической работы
- «5» — верно составлены обязательная конфигурация серы и выбранное дополнительное задание, правильно определены период и блок, сумма электронов проверена, объяснение ошибки или выбор порядка заполнения аргументированы.
- «4» — обязательная конфигурация выполнена верно, но допущена одна неточность в дополнительном задании, определении блока или формулировке объяснения; ошибка исправлена при самопроверке.
- «3» — записана основа конфигурации и правильно определено число электронов, но допущены две ошибки в порядке заполнения, определении периода или блока; после подсказки алгоритм применён частично.
- Ниже базового уровня — конфигурация не соответствует порядковому номеру или отсутствует проверка суммы электронов; требуется индивидуальная отработка алгоритма на элементах малых периодов.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о связи периодического закона с электронной конфигурацией? | Выявление осознания причин периодического повторения свойств элементов. |
Какой шаг алгоритма составления конфигурации выполняется уверенно, а на каком возникает затруднение? | Диагностика конкретной точки затруднения, а не общей самооценки. |
Почему в конфигурации железа после $4s$ появляется $3d$? | Проверка понимания особенностей больших периодов и $d$-блока. |
Как вы проверите, что электронная конфигурация записана правильно? | Осознание критериев самоконтроля: число электронов, вместимость и порядок заполнения. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы увидели, что Периодическая система — это не перечень символов, а отражение закономерного заполнения электронных уровней и подуровней. Мы научились переходить от порядкового номера к конфигурации атома и объяснять по ней период и блок элемента. Типичная ошибка — забывать проверить сумму электронов или пропускать подуровень $3d$ в больших периодах. На следующем уроке мы продолжим анализировать, как электронное строение определяет радиус атома, энергию ионизации и металлические свойства. Точность сегодняшнего алгоритма станет основой для этих выводов».»
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить полные электронные конфигурации атомов магния, алюминия, фосфора и хлора; для каждого указать период, блок и число электронов на внешнем уровне. | Закрепить алгоритм для элементов третьего периода; при проверке обратить внимание на сумму электронов и запись $3s$- и $3p$-подуровней. |
Средний (повышающий) | Составить сокращённые электронные конфигурации кальция, железа, цинка и брома; определить, какой подуровень заполняется последним, и объяснить принадлежность каждого элемента к блоку. | Закрепить особенности больших периодов и переходных элементов; при проверке оценить правильность размещения $4s$, $3d$ и $4p$. |
Продвинутый (дополнительный) | Сравнить электронные конфигурации натрия и калия, а также магния и кальция. Составить письменное объяснение, почему элементы каждой пары находятся в одной группе и почему их свойства закономерно изменяются сверху вниз. | Развивать умение использовать конфигурации для объяснения периодических закономерностей, а не только для механической записи. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Как число электронов нейтрального атома связано с порядковым номером? По какому признаку определяют период? Чем определяется блок элемента? Какой подуровень заполняется после $4s$? Какие три проверки нужно выполнить после записи конфигурации?»
