Валентность и валентные связи: от формального обозначения к электронной модели
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока научиться определять валентность элементов в бинарных соединениях, изображать простейшие валентные связи электронными формулами и объяснять образование связи через общую электронную пару, выполнив не менее 4 из 5 учебных заданий.
- Сформировать представление о валентности как способности атома образовывать определённое число связей и отличать это понятие от степени окисления.
- Научить определять валентность по формуле вещества и составлять формулы бинарных соединений по заданным валентностям.
- Развивать умение анализировать электронное строение атомов, моделировать образование ковалентной связи и аргументировать выбранный способ решения.
- Подготовить к выполнению заданий ЕГЭ на определение валентности, составление формул и распознавание типа химической связи без сведения работы к механическому запоминанию.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознавать значение химических моделей для объяснения свойств веществ и процессов.
- Проявлять ответственное отношение к точности химической записи и проверке результата.
- Связывать освоение темы с дальнейшим изучением химии, биологии, медицины и инженерных дисциплин.
- Сохранять учебную самостоятельность и конструктивное отношение к затруднениям при подготовке к ЕГЭ.
Метапредметные
- Извлекать информацию из периодической таблицы, электронных схем и химических формул.
- Сравнивать валентность и степень окисления, выявляя общее и различия.
- Планировать решение задачи, проверять индексы и корректировать ошибочную запись.
- Аргументированно формулировать выводы в паре и при обсуждении исследовательской гипотезы.
Предметные
- Знать определения валентности, валентной связи и общей электронной пары.
- Уметь определять валентность элементов в формулах $H_2O$, $NH_3$, $CH_4$, $CO_2$ и других бинарных соединений.
- Уметь составлять формулы соединений по валентностям элементов с использованием правила перекрёстного отношения.
- Уметь изображать образование одинарной ковалентной связи электронными и структурными формулами.
- Понимать, что валентность характеризует число связей атома, а степень окисления является условным зарядом атома.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личную учебную цель: научиться объяснять химическую формулу, а не только воспроизводить алгоритм.
- Оценивают значение точной химической символики для научного общения.
- Проявляют готовность самостоятельно искать объяснение расхождения между валентностью и степенью окисления.
- Осознают связь результата урока с дальнейшей образовательной траекторией и подготовкой к экзамену.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель на основе выявленного затруднения при анализе химической формулы.
- Планируют последовательность определения валентности и составления формулы.
- Осуществляют самопроверку по правилу равенства числа связей и по эталону.
- Находят ошибку в индексе или валентности и исправляют её с объяснением причины.
Познавательные УУД
- Моделируют образование общей электронной пары между атомами.
- Выделяют существенные признаки валентности и валентной связи.
- Сравнивают электронные формулы молекул $H_2$, $Cl_2$, $HCl$ и $CH_4$.
- Применяют алгоритм к новым формулам и обосновывают вывод с опорой на электронное строение.
Коммуникативные УУД
- Обсуждают гипотезу в парах и формулируют общий вывод.
- Задают уточняющие вопросы о числе связей и принадлежности электронной пары.
- Аргументируют выбор формулы и корректно сравнивают решения одноклассников.
- Распределяют роли при совместном анализе карточки и принимают общий результат группы.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить презентацию с электронными схемами атомов водорода, хлора, углерода, азота и кислорода, а также с формулами $H_2$, $HCl$, $H_2O$, $NH_3$, $CH_4$.
- Распечатать индивидуальные карточки трёх уровней: базовые задания на валентность, задания на составление формул и задания в формате ЕГЭ — по одной на каждого ученика.
- Подготовить карточки для работы в парах с формулами $NaCl$, $H_2S$, $CO_2$, $SO_3$, $PCl_3$, $SiH_4$ — по одной на пару.
- Подготовить цветные фишки или кружки двух цветов для моделирования общих электронных пар — по 6–8 на пару.
- Вывести на доску или подготовить слайд с алгоритмом: определить известную валентность, найти общее число связей, вычислить валентность второго элемента, проверить результат.
- Подготовить таблицу сравнения «Валентность — степень окисления» с незаполненными графами.
- Распечатать мини-лист самооценки и билет на выход — по одному экземпляру на каждого ученика.
- Подготовить проектор или интерактивную доску, периодическую таблицу и маркеры двух цветов.
- Заранее записать на доске тему, проблемный вопрос: «Почему формула $H_2O$ содержит два атома водорода, а $CO_2$ — два атома кислорода?»
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую работу и показать практическую значимость точной записи химических формул.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс: "Здравствуйте, ребята. Сегодня мы будем не просто повторять определения, а проверим, как за химической формулой увидеть число связей между атомами. Подготовьте тетради, ручки и периодические таблицы. В течение урока вам понадобится не только память, но и умение обосновывать каждый индекс в формуле." | Проверяют готовность рабочего места, записывают дату и тему урока. |
2 мин | Учитель показывает на экране формулы $H_2O$ и $CO_2$: "Посмотрите на две формулы. В обеих молекулах участвует кислород, но почему в первой формуле два атома водорода, а во второй — два атома кислорода? Можно ли объяснить это одним правилом? Сначала подумайте самостоятельно 30 секунд, затем обсудите ответ с соседом. Приём называется «Подумай — обсуди в паре — поделись»." | Индивидуально формулируют гипотезу, обсуждают её в парах и предлагают варианты: «число атомов связано со способностью элемента образовывать связи», «кислород образует две связи». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Ваши гипотезы уже содержат ключевую идею — число связей атома. Сейчас проверим, достаточно ли привычного алгоритма и как электронное строение объясняет это число."
Этап 2. Актуализация знаний (6 мин)
Цель этапа: актуализировать знания об электронном строении атомов и химической формуле как основе открытия нового понятия.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает схемы атомов водорода, углерода, азота и кислорода: "Назовите число электронов на внешнем уровне у каждого атома. Почему внешние электроны важны для образования химической связи? Не называйте только факт — добавьте объяснение." | Рассматривают схемы и отвечают: «У водорода один электрон на первом уровне, у углерода четыре, у азота пять, у кислорода шесть. Внешние электроны участвуют в образовании связей». |
2 мин | Учитель записывает на доске $H_2$, $Cl_2$, $HCl$: "Какие частицы входят в состав молекул? Что происходит с электронами при образовании связи? Сравните случаи соединения одинаковых и разных атомов." | Определяют состав молекул, формулируют: «атомы объединяются, между ними образуется общая электронная пара»; отмечают, что в $H_2$ и $Cl_2$ атомы одинаковые, а в $HCl$ — разные. |
2 мин | Учитель предлагает устную проверку: "Определите число атомов каждого элемента в формулах $NH_3$, $CH_4$, $CO_2$. Что показывает нижний индекс?" | Отвечают: «В $NH_3$ один атом азота и три атома водорода; в $CH_4$ один атом углерода и четыре атома водорода; в $CO_2$ один атом углерода и два атома кислорода». Формулируют: «индекс показывает число атомов элемента». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы вспомнили внешние электроны, общую электронную пару и смысл индекса в формуле. Теперь выясним, какое новое понятие связывает число атомов с числом связей."
Этап 3. Выявление затруднения и постановка цели (4 мин)
Цель этапа: зафиксировать необходимость понятия валентности и сформулировать план исследования.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель предлагает задание: "Попробуйте без нового определения объяснить, почему формулы воды, аммиака и метана имеют вид $H_2O$, $NH_3$, $CH_4$. Что именно пока не позволяет нам рассуждать уверенно? Запишите одним предложением место затруднения." | Записывают затруднение: «Мы видим индексы, но не умеем связать их с числом химических связей атомов»; обсуждают формулировки в парах. |
2 мин | Учитель организует «Снежный ком»: "Сначала каждый предложит цель, затем пара объединит формулировки, после чего две пары выберут общий вариант. Цель должна начинаться с глагола действия." Учитель фиксирует итог: "Определять валентность, составлять формулы и объяснять образование связей через общие электронные пары." | Формулируют и уточняют цель урока, записывают её в тетрадь; предлагают план: вспомнить определение, вывести алгоритм, потренироваться, выполнить задание экзаменационного типа. |
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 определено: нам нужно перейти от внешнего вида формулы к модели связей. Начнём с открытия понятия валентности и проверим его на знакомых веществах."
Этап 4. Открытие нового знания (10 мин)
Цель этапа: вывести смысл валентности и валентной связи через анализ электронных моделей молекул.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель демонстрирует модель $H_2$: "У каждого атома водорода по одному электрону. При сближении атомов эти электроны образуют общую электронную пару. Каждый атом получает доступ к двум электронам первого уровня. Такую связь называют ковалентной неполярной. Число образованных атомом связей называют его валентностью. Какова валентность водорода в $H_2$?" | Рассматривают схему, изображают два электрона между атомами, отвечают: «Валентность водорода равна I, потому что каждый атом образует одну связь». |
3 мин | Учитель показывает электронную модель $HCl$: "У атома водорода один неспаренный электрон, у атома хлора один неспаренный электрон на внешнем уровне в упрощённой модели. Они образуют общую пару. Электронная пара является общей для обоих атомов, но смещена к более электроотрицательному хлору. Как изменится название связи и сколько связей образует каждый атом?" | Изображают общую пару, отвечают: «Связь ковалентная полярная; водород и хлор образуют по одной связи; валентность обоих элементов в этой молекуле равна I». |
4 мин | Учитель поэтапно строит на доске модели $H_2O$, $NH_3$, $CH_4$: "У кислорода две пары неспаренных электронов, участвующие в образовании двух связей; у азота — три, у углерода в модели метана — четыре. Сопоставьте число связей и индексы в формулах. Запишите вывод: валентность — это число химических связей, образованных атомом в данном соединении." | Заполняют таблицу: $H_2O$: H(I), O(II); $NH_3$: N(III), H(I); $CH_4$: C(IV), H(I). Формулируют вывод о соответствии числа связей валентности. |
Запись в тетрадях
Валентность — способность атома образовывать определённое число химических связей в соединении; её обозначают римской цифрой. Валентная связь — химическая связь, рассматриваемая как связь атома с другими атомами в соответствии с его валентностью. Для простейших молекул одна общая электронная пара соответствует одной ковалентной связи.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы связали формулу с моделью: индекс показывает, сколько атомов участвует, а валентность — сколько связей образует атом. Теперь применим это правило к формулам, где валентность одного элемента уже известна."
Этап 5. Первичное закрепление. Алгоритм составления формул (8 мин)
Цель этапа: отработать определение валентности и составление формул бинарных соединений с проговариванием алгоритма.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт парам карточки и говорит: "Работаем по алгоритму. Первый шаг — записать символы элементов. Второй — указать валентности. Третий — найти наименьшее общее число связей и подобрать индексы. Четвёртый — проверить, совпадает ли число связей у каждого элемента. Разберите формулы $NaCl$, $H_2S$ и $CO_2$. Один ученик объясняет, второй фиксирует запись, затем поменяйтесь ролями." | В парах записывают валентности и объясняют: $NaCl$: Na(I), Cl(I); $H_2S$: H(I), S(II); $CO_2$: C(IV), O(II). Проверяют равенство общего числа связей. |
3 мин | Учитель предлагает составить формулы по валентностям: "Составьте формулы соединений алюминия(III) и кислорода(II), углерода(IV) и водорода(I). Проговорите, почему индексы нельзя оставить равными валентностям." | Записывают $Al_2O_3$ и $CH_4$, объясняют: «В $Al_2O_3$ два атома алюминия дают шесть связей, три атома кислорода также дают шесть; индексы сокращать нельзя». |
2 мин | Учитель организует взаимопроверку: "Обменяйтесь тетрадями. Проверьте четыре позиции: символы, валентности, индексы, баланс связей. Поставьте две звезды за верные шаги и одно пожелание, если нашли место для исправления." | Проверяют работу партнёра по четырём критериям, исправляют найденную ошибку и формулируют пожелание: «Проверить валентность кислорода» или «Не забыть сократить индексы до простейшего отношения». |
Эталон решения
Для соединения алюминия и кислорода: 1) записываем $Al$ и $O$; 2) указываем валентности $Al(III)$ и $O(II)$; 3) наименьшее общее число связей равно 6; 4) шесть связей дают два атома алюминия и три атома кислорода; 5) формула — $Al_2O_3$. Проверка: $2 \cdot III = 3 \cdot II = 6$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Алгоритм работает только при обязательной проверке общего числа связей. Сейчас каждый самостоятельно покажет, умеет ли применять его без подсказки партнёра."
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой и подготовкой к ЕГЭ (9 мин)
Цель этапа: диагностировать индивидуальное понимание темы и применить знания к заданиям экзаменационного типа.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | Учитель раздаёт карточки и поясняет: "Выполните задания индивидуально. В задании 1 определите валентность элементов в $SO_3$, $PCl_3$ и $SiH_4$. В задании 2 составьте формулы соединений магния(II) с азотом(III) и фосфора(V) с кислородом(II). В задании 3 выберите верное утверждение: а) валентность всегда совпадает со степенью окисления; б) валентность показывает число связей атома в соединении; в) индекс показывает число связей одного атома. Записывайте краткое обоснование, как это требуется при разборе ошибки." | Индивидуально решают: $SO_3$: S(VI), O(II); $PCl_3$: P(III), Cl(I); $SiH_4$: Si(IV), H(I); составляют $Mg_3N_2$ и $P_2O_5$; выбирают утверждение б и объясняют его. |
2 мин | Учитель выводит эталон: "Сверьте не только итог, но и ход. Если ответ отличается, найдите первый шаг, на котором возникла ошибка. Красным обозначьте исправление, зелёным — правило, которое помогло." | Сверяют решения, отмечают первый ошибочный шаг, исправляют записи и формулируют правило: «общее число связей у обоих элементов должно быть одинаковым». |
2 мин | Учитель задаёт вопрос повышенного уровня: "Почему утверждение «валентность всегда совпадает со степенью окисления» неверно? Рассмотрите $H_2O$ как пример и назовите валентность и степени окисления элементов." | Записывают и обсуждают: в $H_2O$ валентность H равна I, O — II; степени окисления H равны +1, O — −2. Делают вывод: валентность — число связей, степень окисления — условный заряд. |
Эталон решения
В $SO_3$ кислород имеет валентность II. Три атома кислорода образуют $3 \cdot II = VI$ связей, поэтому валентность серы равна VI. Для $Mg(II)$ и $N(III)$ наименьшее общее число связей равно 6: нужны три атома магния и два атома азота, формула $Mg_3N_2$. Для $P(V)$ и $O(II)$ общее число связей равно 10: два атома фосфора и пять атомов кислорода, формула $P_2O_5$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Самостоятельная работа показала, что формулу нельзя получать механическим переносом цифр. Нужно различать валентность и степень окисления, а затем обязательно выполнять проверку. Завершим урок фиксацией личного результата и вопросом на выход."
Этап 7. Рефлексия и домашнее задание (5 мин)
Цель этапа: осознать освоенные способы действия, выявить затруднения и принять домашнее задание с учётом уровня подготовки к ЕГЭ.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт лист самооценки: "Отметьте, что вы можете сделать без помощи: определить валентность, составить формулу, изобразить общую электронную пару, объяснить отличие валентности от степени окисления. Рядом запишите одно действие, которое требует повторения." | Заполняют лист самооценки, отмечают зелёным освоенные действия и жёлтым — требующие тренировки. |
2 мин | Учитель проводит «Билет на выход»: "Ответьте письменно на два вопроса: почему формула воды имеет вид $H_2O$ и какую ошибку чаще всего допускают при составлении формулы по валентностям? Ответ должен содержать химическое объяснение, а не одно слово." | Пишут ответы: «водород одновалентен, кислород двухвалентен, поэтому для одной частицы кислорода нужны две частицы водорода»; «переносят валентности без проверки или не сокращают индексы». |
1 мин | Учитель сообщает домашнее задание: "Выберите обязательный уровень и, если готовы, один повышающий или дополнительный. В каждом решении показывайте валентности и проверку общего числа связей." | Записывают выбранный уровень домашнего задания и задают уточняющие вопросы. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — верно выполнены не менее 90% заданий, правильно определены валентности в трёх формулах, составлены обе формулы по валентностям, приведена проверка общего числа связей и объяснено отличие валентности от степени окисления.
- «4» — верно выполнены не менее 70% заданий; допущена одна несущественная ошибка в индексе или объяснении, но алгоритм и проверка в основном соблюдены.
- «3» — верно выполнены не менее 50% заданий; ученик определяет валентность по простым формулам, но допускает ошибки при составлении формул или не доводит проверку до вывода.
- Ниже «3» — менее половины заданий выполнено верно либо отсутствует понимание связи между индексом и числом связей; требуется индивидуальная коррекция алгоритма.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о валентности и валентной связи? | Выявление осознанного понимания ключевых понятий и отделение нового знания от ранее известного. |
Как вы определяли индексы в формуле $Al_2O_3$ или $Mg_3N_2$? | Проверка понимания алгоритма составления формул и причин выбора индексов. |
В каком месте вы могли бы ошибиться при решении задания экзаменационного типа? | Выявление индивидуальных точек затруднения и типичных ошибок. |
Чем валентность отличается от степени окисления? | Проверка готовности переносить знание на задания повышенного уровня и не смешивать термины. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы увидели, что химическая формула — это не набор случайных индексов, а краткая модель числа связей между атомами. Вы научились определять валентность, составлять формулы и проверять их через равенство общего числа связей. Помните о типичной ошибке: валентность нельзя автоматически приравнивать к степени окисления. На следующем уроке мы продолжим анализировать химические связи и рассмотрим, как строение и полярность связи связаны со свойствами веществ."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Выполнить 5 заданий: определить валентность элементов в формулах $H_2S$, $NH_3$, $CO_2$, $PCl_5$, $SO_2$ и составить 3 бинарные формулы по заданным валентностям. Для каждой записи указать проверку общего числа связей. | Закрепляет базовый алгоритм; при проверке смотреть на правильность валентностей, индексов и сокращение отношения. |
Средний (повышающий) | Решить 4 задания экзаменационного типа: выбрать верные утверждения о валентности, исправить ошибочные формулы, составить формулы по парам валентностей и сравнить валентность со степенью окисления в двух соединениях. | Развивает анализ, применение и аргументацию; при проверке учитывать не только ответ, но и письменное объяснение. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить краткое исследовательское сообщение с электронными формулами $H_2$, $HCl$, $H_2O$ и $CH_4$: показать общие электронные пары, определить число связей и объяснить, почему связь в $HCl$ полярная. | Развивает моделирование и создание объяснения; при проверке смотреть на корректность электронных схем, терминов и причинно-следственных связей. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Что показывает валентность атома?», «Как связаны индексы в формуле и число связей?», «Как проверить составленную формулу?», «Почему валентность и степень окисления нельзя считать одним и тем же понятием?»
