Распределение электронов в атомах элементов больших периодов
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока научиться объяснять порядок заполнения энергетических уровней и подуровней в атомах элементов 4–7-го периодов, составлять электронные и электронно-графические схемы для не менее чем трёх атомов и аргументировать положение элемента в периодической системе.
- Сформировать представление об особенностях распределения электронов в атомах элементов больших периодов, включая заполнение подуровней, правило Клечковского и электронные конфигурации переходных элементов.
- Научить применять порядок заполнения орбиталей при составлении сокращённых электронных конфигураций атомов элементов 4-го периода.
- Развивать умение анализировать электронную конфигурацию и устанавливать связь между строением атома, номером периода, группой и химическими свойствами элемента.
- Воспитывать ответственное отношение к точности химической записи, готовность к сотрудничеству и интерес к связи химии с физикой, математикой и профессиональными областями.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают значение электронной структуры атома для объяснения свойств веществ и процессов в природе и технике.
- Проявляют познавательный интерес к теоретическому объяснению периодичности химических свойств.
- Понимают ценность точности, доказательности и самостоятельной проверки научного вывода.
- Связывают изучаемый материал с будущим обучением в естественно-научной, медицинской, инженерной или технологической сфере.
Метапредметные
- Извлекают информацию из периодической системы, схемы энергетических уровней и таблицы последовательности заполнения орбиталей.
- Сравнивают электронные конфигурации элементов одного периода и выявляют закономерности.
- Формулируют гипотезу, проверяют её на конкретных примерах и корректируют запись при обнаружении ошибки.
- Работают в паре, аргументируют решение и используют химическую символику для представления информации.
Предметные
- Знать понятия «энергетический уровень», «подуровень», «орбиталь», «электронная конфигурация», «валентные электроны».
- Знать последовательность заполнения подуровней по правилу Клечковского: $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s$.
- Уметь составлять полные и сокращённые электронные конфигурации атомов элементов больших периодов.
- Уметь объяснять особенности заполнения $4s$- и $3d$-подуровней и определять число неспаренных электронов по электронной схеме.
- Владеть алгоритмом проверки электронной конфигурации по общему числу электронов и положению элемента в периодической системе.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Осмысливают роль теоретической модели атома в объяснении химических явлений.
- Проявляют готовность самостоятельно преодолевать затруднение при работе со сложной электронной записью.
- Оценивают собственный интерес и уровень уверенности в применении алгоритма.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель работы с электронной конфигурацией и планируют последовательность действий.
- Сверяют количество электронов с порядковым номером элемента.
- Обнаруживают и исправляют ошибки в порядке заполнения подуровней.
- Оценивают результат по заданным критериям и определяют следующий шаг для закрепления.
Познавательные УУД
- Моделируют строение атома с помощью электронных конфигураций и орбитальных диаграмм.
- Сравнивают энергетические подуровни по вместимости и относительной энергии.
- Устанавливают причинно-следственную связь между заполнением подуровней и изменением свойств элементов.
- Применяют математический подсчёт электронов для проверки химической модели.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в паре при составлении и проверке электронной конфигурации.
- Формулируют уточняющие вопросы и объясняют партнёру последовательность решения.
- Аргументируют выбор записи, используя правило Клечковского и данные периодической системы.
- Корректно принимают замечания и совместно исправляют найденную ошибку.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить на доске или экране схему энергетических подуровней с указанием вместимости: $s^2$, $p^6$, $d^{10}$, $f^{14}$.
- Распечатать карточки с атомами элементов 4-го периода: калий, кальций, скандий, железо, медь, цинк, бром, криптон — по одной карточке на пару.
- Подготовить индивидуальные карточки трёх уровней сложности: базовый, повышающий и исследовательский — по одной на каждого ученика.
- Вывести на экран таблицу последовательности заполнения орбиталей по диагональному правилу без готовых электронных конфигураций.
- Подготовить фрагмент периодической системы на каждого ученика и одну крупную таблицу для фронтальной работы.
- Заранее записать на доске тему, проблемный вопрос и обозначения: число электронов атома равно порядковому номеру элемента.
- Подготовить таймер на 2–3 минуты для парной работы и сигнальные карточки «верно», «нужна проверка», «затрудняюсь».
- Освободить участок класса для короткой физкультминутки; подготовить слайд с безопасными упражнениями для кистей, плеч и глаз.
- Подготовить лист рефлексии и таблицу домашнего задания с тремя уровнями выбора.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую деятельность и обозначить практическую значимость темы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране конфигурации $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1$ и $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^5 4s^1$. «Ребята, перед вами две записи. В первой легко увидеть порядок заполнения, а во второй возникает вопрос: почему после $4s$ появляется $3d$ и почему иногда встречается особое распределение электронов? Сегодня мы не будем заучивать отдельные исключения, а построим систему объяснения». | Рассматривают две конфигурации, называют известные подуровни, формулируют вопросы: «Почему порядок не совпадает с номерами уровней?» и «Как проверить запись?» |
2 мин | Учитель использует приём «Проблемный вопрос»: «Как по электронному строению определить, правильно ли записана конфигурация атома элемента большого периода? Какие данные нам понадобятся? Запишите свой первый вариант ответа в тетради». | Индивидуально записывают гипотезу, затем сообщают варианты: «Нужно знать порядковый номер элемента», «Нужно учитывать вместимость подуровней и энергию орбиталей». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы увидели, что одной записи порядковых номеров уровней недостаточно. Теперь восстановим знания, на которые опирается алгоритм, и найдём причину затруднения».
Этап 2. Актуализация знаний (5 мин)
Цель этапа: актуализировать знания о строении атома, вместимости подуровней и связи электронной структуры с периодической системой.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает таблицу подуровней. «Назовите максимальное число электронов на $s$-, $p$-, $d$- и $f$-подуровнях. Объясните, почему эти числа различаются. Вспомните также, сколько электронов может находиться на одной орбитали». | Заполняют пропуски в мини-таблице и отвечают: «$s^2$, $p^6$, $d^{10}$, $f^{14}$; на одной орбитали находятся не более двух электронов с противоположными спинами». |
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель проводит быструю проверку «Светофор». «Определите число электронов в нейтральном атоме фосфора, кальция и железа. Покажите зелёную карточку, если уверены, жёлтую — если нужно проверить, красную — если не можете объяснить». Затем уточняет: «Как связаны порядковый номер элемента и число электронов нейтрального атома?» | Решают: у фосфора 15 электронов, у кальция 20, у железа 26; поднимают карточки и формулируют правило: «В нейтральном атоме число электронов равно порядковому номеру». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вспомнили вместимость подуровней и правило подсчёта электронов. Теперь выясним, почему электрон не просто заполняет уровни подряд».
Этап 3. Выявление затруднения и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: обнаружить несоответствие между упрощённой моделью уровней и реальным порядком заполнения подуровней.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель записывает на доске последовательность $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d$. «Если следовать только номерам уровней, какой подуровень вы ожидали бы заполнить после $3p$? Почему в принятой последовательности появляется $4s$? Предложите объяснение, не используя пока готовое правило». | Обсуждают в парах 1 минуту и предполагают: «Подуровни имеют разную энергию», «$4s$ энергетически выгоднее заполнить раньше $3d$». Представляют 1–2 аргумента классу. |
2 мин | Учитель фиксирует гипотезы в виде кластера. «Сформулируем цель: научиться по правилу энергии восстанавливать порядок заполнения, составлять конфигурацию и проверять её по числу электронов. План такой: теория, совместный пример, парное исследование, самостоятельная проверка». | Записывают тему и цель урока, называют последовательность действий: «понять правило — применить — проверить — объяснить партнёру». |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Затруднение связано с тем, что номер энергетического уровня не всегда определяет энергию подуровня. Перейдём к теоретической модели, которая позволяет предсказывать порядок заполнения».
Этап 4. Открытие нового знания: теория (11 мин)
Цель этапа: сформировать целостное представление о порядке заполнения подуровней в атомах элементов больших периодов.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель демонстрирует схему. «Энергетический уровень обозначается главным квантовым числом $n$, а подуровни — буквами $s$, $p$, $d$, $f$. Вместимость подуровня определяется числом орбиталей: на каждой орбитали может быть максимум два электрона. Поэтому $s$ вмещает 2, $p$ — 6, $d$ — 10, $f$ — 14 электронов. Запишите эту схему и подчеркните, что вместимость зависит от типа подуровня». | Записывают в тетради схему $s^2$, $p^6$, $d^{10}$, $f^{14}$; отмечают, что $d$- и $f$-подуровни встречаются начиная с больших периодов. |
4 мин | Учитель выводит диагональную схему и объясняет правило Клечковского. «Электроны занимают орбитали в порядке возрастания их энергии. Для практической работы используем последовательность: $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s$. Обратите внимание: $4s$ заполняется раньше $3d$, хотя число 4 больше числа 3. Это не ошибка, а результат различия энергий подуровней». | Внимательно сопоставляют последовательность со схемой, выделяют цветом переходы $4s \rightarrow 3d$ и $6s \rightarrow 4f$, формулируют вывод: «заполнение определяется энергией подуровня, а не только номером уровня». |
3 мин | Учитель раскрывает два дополнительных принципа. «Принцип Паули запрещает двум электронам на одной орбитали иметь одинаковые спины. Правило Хунда требует сначала разместить электроны по одному на равных по энергии орбиталях, а затем спаривать их. Поэтому для $d^5$ получаем пять неспаренных электронов. В отдельных устойчивых конфигурациях возможны отклонения, например у хрома и меди; сегодня важно понять общую закономерность и уметь проверить число электронов». | Составляют орбитальную диаграмму для $3d^5$: пять ячеек с одним электроном в каждой; объясняют, почему электроны сначала располагаются неспаренно. Записывают примеры $Cr: [Ar]3d^5 4s^1$ и $Cu: [Ar]3d^{10}4s^1$. |
Запись в тетрадях
Электронная конфигурация показывает распределение электронов по уровням и подуровням. Алгоритм: 1) определить порядковый номер элемента; 2) выписать подуровни в порядке возрастания энергии; 3) заполнить их с учётом вместимости; 4) проверить сумму показателей; 5) при необходимости построить орбитальную диаграмму и определить неспаренные электроны.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Теория дала нам два инструмента: последовательность заполнения и правила размещения электронов на орбиталях. Сейчас проверим их не на слух, а в совместном решении».
Этап 5. Физкультминутка и межпредметная связь (2 мин)
Цель этапа: снять напряжение после теоретического блока и закрепить связь химии с физикой и математикой.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель говорит: «Встаньте рядом с партой. На вдохе поднимите руки, на выдохе опустите. Сделайте круговые движения плечами, затем мягко разомните кисти — это важно после записи формул. Переведите взгляд на дальний предмет, затем на кончик пальца. Движения выполняем спокойно, без резких наклонов». | Выполняют дыхательное упражнение, круговые движения плечами и кистями, упражнение для глаз. |
1 мин | Учитель продолжает: «Свяжем три науки: физика объясняет энергетические состояния электронов, математика помогает суммировать показатели конфигурации, химия связывает строение атома со свойствами элемента. Назовите, какую проверку можно выполнить математически». | Возвращаются к рабочим местам и отвечают: «Сложить все показатели степеней и сравнить сумму с порядковым номером элемента». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы восстановили работоспособность и увидели, что электронная конфигурация — это одновременно физическая модель, химический язык и математическая проверяемая запись. Теперь применим алгоритм в парах».
Этап 6. Первичное закрепление в парах (8 мин)
Цель этапа: научить применять алгоритм составления конфигурации и объяснять решение партнёру.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель разбирает образец. «Составим конфигурацию железа, $Z=26$. Сначала заполняем до аргона: $[Ar]$. Остаётся 8 электронов. По последовательности после $[Ar]$ идут $4s$, затем $3d$: два электрона записываем на $4s$, шесть — на $3d$. Получаем $Fe: [Ar]3d^6 4s^2$. Проверяем: $18+6+2=26$». | Следят за алгоритмом, записывают конфигурацию железа и проговаривают этапы проверки. |
3 мин | Учитель раздаёт карточки парам. «Пара получает один элемент. Первый ученик составляет конфигурацию, второй проверяет порядок и сумму электронов, затем вы меняетесь ролями. На карточке укажите полную или сокращённую запись, число неспаренных электронов и положение элемента в периодической системе». | Работают в парах с карточками калия, кальция, скандия, железа, меди, цинка, брома или криптона; распределяют роли, составляют запись и проверяют сумму электронов. |
3 мин | Учитель организует короткий обмен решениями. «Поднимите карточку, если в вашей конфигурации есть переход $4s$–$3d$. Одна пара объяснит решение для меди, другая — для брома. Не просто назовите ответ, а укажите, как вы его проверили». | Представляют решения: «$Cu: [Ar]3d^{10}4s^1$, сумма 29; $Br: [Ar]3d^{10}4s^2 4p^5$, сумма 35». Пары задают уточняющие вопросы и исправляют неточности. |
Эталон решения
Для меди $Z=29$: конфигурация до аргона содержит 18 электронов. После $[Ar]$ необходимо разместить 11 электронов. Обычная последовательность приводит к $4s^2 3d^9$, но более устойчива конфигурация с полностью заполненным $3d$-подуровнем: $Cu: [Ar]3d^{10}4s^1$. Проверка: $18+10+1=29$. Для брома $Z=35$: $Br: [Ar]3d^{10}4s^2 4p^5$; проверка: $18+10+2+5=35$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «В парной работе вы применили последовательность заполнения, правило Хунда и математическую проверку. Теперь каждый самостоятельно покажет, может ли он выполнить полный алгоритм без подсказки партнёра».
Этап 7. Самостоятельная работа с самопроверкой (8 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное освоение алгоритма и выявить типичные ошибки.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | Учитель раздаёт индивидуальные карточки. «Выполните три задания: составьте сокращённую конфигурацию молибдена или марганца, объясните порядок заполнения для выбранного элемента и определите число неспаренных электронов в конфигурации $[Ar]3d^5 4s^2$. Работайте самостоятельно, все промежуточные проверки записывайте». | Составляют электронную конфигурацию выбранного элемента, объясняют переходы между подуровнями, определяют пять неспаренных электронов в $3d^5$ и записывают ход рассуждения. |
3 мин | Учитель показывает эталон на экране. «Сверьте не только конечную запись, но и три пункта: порядок подуровней, сумму электронов, соответствие орбитальной диаграммы правилу Хунда. Ошибку отметьте знаком вопроса и рядом запишите, на каком шаге она возникла». | Проверяют работу по эталону, исправляют ошибки цветом, заполняют самооценку: «могу выполнить сам», «нужна дополнительная тренировка» или «пока нужна помощь». |
Эталон решения
Для марганца $Z=25$: $Mn: [Ar]3d^5 4s^2$, поскольку $18+5+2=25$. На $3d$ находятся пять орбиталей, поэтому при $d^5$ электроны размещаются по одному на каждой орбитали; число неспаренных электронов равно 5. Для молибдена допустима сокращённая запись $Mo: [Kr]4d^5 5s^1$; при проверке учитывают устойчивость наполовину заполненного $d$-подуровня.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Самостоятельная проверка показала, что основная ошибка возникает тогда, когда запись строят по номерам уровней, а не по энергии подуровней. В конце урока зафиксируем, что мы теперь умеем и где это знание понадобится».
Этап 8. Рефлексия, итог и домашнее задание (4 мин)
Цель этапа: осмыслить результат, зафиксировать затруднения и выбрать уровень домашней практики.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт лист рефлексии. «Закончите три фразы: “Теперь я могу…”, “Для проверки конфигурации я…”, “Мне нужно повторить…”. Затем ответьте на проблемный вопрос: почему $4s$ заполняется раньше $3d$?» | Заполняют лист, формулируют ответ: «Потому что подуровни заполняются в порядке возрастания энергии, а не просто по номеру уровня». |
2 мин | Учитель подводит итог и предлагает домашнее задание по выбору. «Выберите уровень, который соответствует вашей сегодняшней самостоятельности. Важно не количество записей, а точность алгоритма и объяснение каждого шага». | Выбирают уровень задания, записывают его в дневник, задают уточняющие вопросы по критериям проверки. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Сегодня мы построили теоретическую модель распределения электронов в атомах больших периодов и научились проверять её несколькими способами. На следующем уроке используем электронные конфигурации для объяснения изменения свойств элементов и образования химической связи».
Критерии оценивания практической работы
- «5» — правильно составлены все электронные конфигурации на карточке, корректно применены правило Клечковского и правило Хунда, сумма электронов проверена, объяснение содержит причинно-следственную связь.
- «4» — конфигурации в основном составлены верно, допущена одна неточность в порядке записи или определении неспаренных электронов, но алгоритм и проверка поняты.
- «3» — верно определено число электронов и записана основная часть конфигурации, однако допущены две ошибки в заполнении подуровней или объяснении правила.
- Ниже «3» — отсутствует целостный алгоритм, не выполнена проверка суммы электронов или запись не соответствует порядковому номеру элемента.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о порядке заполнения подуровней? | Выявление осознания главной теоретической закономерности урока. |
Как вы проверяли, что электронная конфигурация составлена правильно? | Проверка владения алгоритмом самоконтроля. |
На каком шаге возникло затруднение: выбор последовательности, подсчёт электронов или орбитальная диаграмма? | Выявление конкретной точки затруднения для коррекции. |
Где знание электронной конфигурации может понадобиться в дальнейшем? | Связь темы с изучением свойств элементов, химической связи и будущей профессиональной подготовкой. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы увидели, что электронная конфигурация — не набор символов, а модель, которую можно построить и проверить. Главное правило урока: подуровни заполняются по возрастанию энергии, поэтому порядок записи не всегда совпадает с последовательностью номеров уровней. Типичная ошибка — забыть о переходе $4s$–$3d$ или не проверить сумму электронов. На следующем уроке мы свяжем электронное строение с изменением свойств элементов и характером химической связи. Сохраните сегодняшнюю схему: она станет опорой для дальнейшего анализа».»
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить сокращённые электронные конфигурации для четырёх элементов 4-го периода: одного $s$-элемента, двух $d$-элементов и одного $p$-элемента. Для каждой записи указать сумму электронов и число неспаренных электронов. | Закрепляет алгоритм заполнения подуровней и математическую проверку; при проверке обратить внимание на переход $4s$–$3d$. |
Средний (повышающий) | Составить полные электронные конфигурации пяти атомов больших периодов, построить для двух из них орбитальные диаграммы и письменно сравнить конфигурации двух соседних элементов. | Развивает умение переходить от сокращённой записи к полной, применять правило Хунда и анализировать закономерность изменения строения. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить краткое объяснение двух аномальных конфигураций переходных элементов, например хрома и меди, с использованием понятий «наполовину заполненный» и «полностью заполненный» подуровень. | Формирует исследовательское объяснение исключений и готовит к осмысленному применению электронной модели при изучении свойств переходных металлов. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Какова вместимость $d$-подуровня? Почему $4s$ заполняется раньше $3d$? Как проверить электронную конфигурацию по порядковому номеру элемента? Сколько неспаренных электронов содержит конфигурация $3d^5$?»
