Валентность и валентные возможности атомов. Связь электронной структуры молекул с их геометрическим строением
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока учащиеся объяснят связь числа связей и неподелённых электронных пар центрального атома с геометрией молекулы и применят эту связь для определения строения не менее трёх молекул из предложенных примеров.
- Образовательная задача: сопоставить электронное строение атомов элементов второго периода с доступными для них валентными возможностями и типичными молекулярными структурами.
- Развивающая задача: научиться строить и анализировать электронно-графические формулы молекул, различать связывающие и неподелённые электронные пары.
- Развивающая задача: аргументировать прогноз геометрии молекулы, используя число электронных областей около центрального атома и модель отталкивания электронных пар.
- Воспитательная задача: формировать ответственность за точность химической модели и уважительное отношение к аргументам одноклассников в исследовательском обсуждении.
Планируемые результаты
Личностные
- Учащиеся проявляют познавательный интерес к объяснению формы молекул через строение атомов и электронных оболочек.
- Осознают, что научная модель помогает объяснять свойства веществ, но требует проверки и точного применения.
- Проявляют готовность пересматривать первоначальный прогноз геометрии молекулы на основании электронно-графической модели.
- Связывают изучение химии с дальнейшим образованием и применением знаний о строении веществ в естественных науках.
Метапредметные
- Учащиеся извлекают сведения о валентных электронах из электронных конфигураций и представляют их в виде схем.
- Сравнивают электронное строение молекул и выявляют закономерность между числом электронных областей и пространственной формой.
- Планируют последовательность построения модели: определить центральный атом, учесть связи и неподелённые пары, спрогнозировать геометрию.
- Аргументируют выводы в парной и фронтальной работе, используя химические термины и обозначения.
- Проверяют собственные решения по критериям и корректируют ошибочные модели.
Предметные
- Учащиеся различают понятия «валентность», «валентные электроны» и «валентные возможности атома» в контексте электронного строения.
- Определяют число связывающих и неподелённых электронных пар у центрального атома в простых молекулах.
- Объясняют, что электронные области вокруг центрального атома располагаются так, чтобы уменьшить взаимное отталкивание.
- Прогнозируют форму молекул CH₄, NH₃, H₂O и CO₂, учитывая неподелённые пары и кратные связи как одну область электронного сгущения.
- Записывают электронно-графические схемы указанных молекул и связывают их с пространственной моделью.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Учащиеся определяют личную учебную цель: научиться обосновывать геометрию молекулы, а не только узнавать её по формуле.
- Осознают значимость точности и доказательности при работе с химическими моделями.
- Проявляют самостоятельность при выборе аргументов для объяснения формы молекулы.
- Оценивают собственный прогресс и обозначают вопрос, требующий дальнейшего изучения.
Регулятивные УУД
- Учащиеся формулируют цель исследования на основании проблемного вопроса о различии формы молекул.
- Планируют построение электронной схемы и пространственной модели в заданной последовательности.
- Сверяют результат с критериями: верно определены пары, учтено число областей, форма названа корректно.
- Исправляют модель, если при самопроверке обнаружено неверное число неподелённых пар или ошибочная геометрия.
Познавательные УУД
- Учащиеся извлекают и преобразуют информацию об электронных конфигурациях атомов в электронно-графические схемы.
- Классифицируют электронные области около центрального атома на связывающие и неподелённые.
- Моделируют расположение электронных областей и выводят форму молекулы на основе их взаимного отталкивания.
- Сравнивают тетраэдрическое расположение областей в CH₄, NH₃ и H₂O с линейной структурой CO₂.
Коммуникативные УУД
- Учащиеся задают уточняющие вопросы о расположении электронных пар и отвечают на вопросы партнёра.
- Согласуют в паре электронно-графическую схему и формулируют общий вывод о геометрии молекулы.
- Аргументируют прогноз, опираясь на число связей и неподелённых пар, а не только на запоминание названия формы.
- Корректно обсуждают расхождения в моделях и приходят к выводу, опираясь на химические основания.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить карточки для парной работы с формулами CH₄, NH₃, H₂O и CO₂ — по одной карточке каждого вида на пару, всего по числу пар в классе.
- Распечатать каждому ученику лист-схему с четырьмя пустыми электронно-графическими моделями и полями «связывающие пары», «неподелённые пары», «форма молекулы».
- Подготовить для каждой пары набор из 12 небольших фишек двух цветов и четыре комплекта карточек с символами атомов для моделирования электронных областей.
- Заранее разместить на доске таблицу с электронными конфигурациями H, C, N и O и незаполненными графами для числа валентных электронов.
- Подготовить слайд с проблемным вопросом: «Почему CH₄, NH₃ и H₂O имеют разную форму, хотя в каждой молекуле центральный атом окружён четырьмя электронными областями?»
- Подготовить отдельный слайд-схему с линейным, плоским треугольным и тетраэдрическим расположением электронных областей; сначала показывать только схематические направления, затем — названия.
- Подготовить карточку для самостоятельной работы с заданиями по NH₃, H₂O и CO₂ и кратким эталоном для самопроверки.
- Обеспечить проектор или интерактивную доску, рабочее пространство на доске и таймер для коротких этапов парной работы.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: организовать готовность класса и вызвать исследовательский интерес к связи электронного строения с формой молекул.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | «Здравствуйте, ребята. Проверьте, пожалуйста, что у вас есть тетрадь, ручка и карточка для работы. Сегодня мы будем не просто вспоминать названия форм, а исследовать, почему молекулы принимают определённое пространственное строение. На экране появятся три знакомые формулы: CH₄, NH₃ и H₂O. Посмотрите на них и пока не называйте ответ вслух: отметьте, что в них может быть общим, а что — различным». | Готовят тетради и ручки, рассматривают формулы на экране, индивидуально фиксируют по одному предположению об общем и различном в строении молекул. |
2 мин | «Подумайте самостоятельно полминуты, затем обсудите своё предположение с соседом. Это приём “Подумай — обсуди в паре — поделись”. Как вы считаете, можно ли предсказать форму молекулы, зная число связей центрального атома? А достаточно ли одного числа связей, если у атома есть неподелённые электронные пары? Через минуту попрошу две пары озвучить гипотезы; мы запишем их и в конце проверим». | Обдумывают вопросы 30 секунд, обсуждают гипотезы в парах около минуты; две пары формулируют предположения: «Число связей важно» и «Нужно учитывать также неподелённые пары». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «У нас появились две проверяемые идеи: на форму влияют связи и, возможно, неподелённые пары. Чтобы проверить их, сначала восстановим, какие электроны атом способен использовать при образовании связей».
Этап 2. Актуализация знаний и выявление затруднения (6 мин)
Цель этапа: актуализировать знания о валентных электронах и валентности и обнаружить, почему подсчёта связей недостаточно для прогноза геометрии.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | «Посмотрите на таблицу электронных конфигураций на доске. У водорода один электрон на внешнем уровне, у углерода — четыре, у азота — пять, у кислорода — шесть. Вспомните, что называют валентными электронами и валентностью. Запишите рядом с каждым элементом число электронов внешнего уровня. Затем для CH₄, NH₃ и H₂O укажите число связей центрального атома. Не смешивайте число связей с общим числом электронных областей: пока фиксируем только связи». | Заполняют таблицу: H — 1, C — 4, N — 5, O — 6; считают связи центрального атома: в CH₄ — 4, в NH₃ — 3, в H₂O — 2. |
3 мин | «Сравните результаты. Если ориентироваться только на число связей, можно ли объяснить, почему у азота и кислорода остаются электроны, не участвующие в связи? Что происходит с этими электронами в электронно-графической формуле? Запишите вопрос, который сейчас вызывает затруднение. Я слышу версии “они исчезают” и “они образуют пары”; давайте проверим их по структуре внешнего уровня». | Сверяют ответы в парах, отвечают: «Оставшиеся электроны могут образовать неподелённую пару»; формулируют затруднение: «Как неподелённая пара влияет на пространственную форму?» |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы восстановили число валентных электронов и увидели, что число связей не описывает всё электронное окружение. Теперь сформулируем цель исследования и договоримся, как проверять гипотезу».
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную задачу и определить последовательность исследования строения молекул.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | «Вернёмся к проблемному вопросу на экране: почему CH₄, NH₃ и H₂O имеют разную форму, хотя около центрального атома может быть по четыре области электронной плотности? Не буду сейчас сообщать правило. Какие сведения нам нужно найти, чтобы ответить? Предлагаю начать с построения электронно-графических формул, затем посчитать связи и неподелённые пары, а после сравнить пространственные модели. Согласны ли вы с таким планом или хотите добавить шаг?» | Предлагают план: «Нужно нарисовать электронные пары», «Нужно понять, как они располагаются»; дополняют последовательность: построить схемы, посчитать области, сравнить формы и сформулировать закономерность. |
2 мин | «Запишите цель своими словами: объяснить геометрию молекул через электронное строение центрального атома. Для проверки результата используем три критерия: правильно показаны электронные пары; правильно посчитаны области вокруг центрального атома; форма молекулы обоснована, а не угадана. Если в ходе обсуждения ваше первоначальное предположение изменится, это будет не ошибка, а результат исследования». | Записывают тему и цель урока, отмечают в листе критерии проверки; принимают задачу исследовать влияние связывающих и неподелённых пар. |
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 и порядок действий определены. Теперь построим модели и выясним, какая закономерность объясняет форму молекул, а затем проверим её на примерах».
Этап 4. Открытие нового знания: электронные пары и геометрия (12 мин)
Цель этапа: вывести связь между распределением электронных областей около центрального атома и геометрией молекулы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | «Работаем в парах с карточками CH₄ и NH₃. Углерод имеет четыре валентных электрона и образует четыре связи с четырьмя атомами водорода. У азота пять валентных электронов: три участвуют в образовании связей N–H, а два образуют одну неподелённую пару. Разложите фишки: один цвет обозначает связывающую пару, другой — неподелённую. Сколько областей электронной плотности находится около центрального атома в каждом случае? Обратите внимание: каждая связь, в том числе кратная, при подсчёте областей считается одной областью». | Парами выкладывают схемы: у C в CH₄ — четыре связывающие области и ни одной неподелённой; у N в NH₃ — три связывающие области и одна неподелённая. Записывают, что в обоих случаях около центрального атома четыре области. |
4 мин | «Теперь возьмите карточку H₂O. У кислорода шесть валентных электронов: две пары участвуют в связях O–H, ещё две пары остаются неподелёнными. Разместите четыре фишки так, чтобы они находились как можно дальше друг от друга. Какую общую геометрическую схему расположения четырёх областей вы получили? Сравните её с CH₄ и NH₃. Не путайте геометрию электронных областей с формой самой молекулы: у последней учитываются положения атомов, а неподелённые пары не являются атомами». | Моделируют H₂O, фиксируют две связывающие и две неподелённые пары; делают вывод, что общая схема четырёх областей близка к тетраэдрической, но форма молекулы H₂O угловая. |
4 мин | «Посмотрите на схему расположения областей на экране. Электронные пары отталкиваются, поэтому располагаются так, чтобы уменьшить взаимное отталкивание. Для четырёх областей это тетраэдрическое расположение; для двух областей — линейное. Неподелённые пары сильнее влияют на форму, чем связывающие, поэтому углы в NH₃ и H₂O меньше тетраэдрического угла около 109,5°. В CO₂ центральный атом углерода связан с двумя атомами кислорода двойными связями: каждая двойная связь считается одной областью, и области располагаются линейно. Сформулируйте правило, которое вы вывели». | Сопоставляют схемы и формулируют вывод: «Электронные области отталкиваются и занимают положение, при котором отталкивание меньше; неподелённые пары учитываются при определении формы»; записывают линейную форму CO₂. |
Запись в тетрадях
Учащиеся записывают: «Электронные области вокруг центрального атома располагаются с учётом взаимного отталкивания. Форма молекулы определяется расположением атомов, поэтому при её прогнозировании учитывают связывающие и неподелённые пары. Кратная связь при подсчёте электронных областей рассматривается как одна область». Схема примеров: CH₄ — тетраэдрическая; NH₃ — пирамидальная; H₂O — угловая; CO₂ — линейная.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вывели правило и отделили форму электронного окружения от формы молекулы. Теперь проверим, можете ли вы применить этот способ к новым карточкам без моей подсказки».
Этап 5. Первичное закрепление и разбор модели (7 мин)
Цель этапа: закрепить последовательность определения электронной модели и геометрии молекулы на примере NH₃ и H₂O.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | «Разберём NH₃ вслух по нашему алгоритму. Азот — центральный атом; у него пять валентных электронов. Три атома водорода образуют три связи N–H, а оставшиеся два электрона составляют одну неподелённую пару. Сколько всего областей вокруг азота? Как расположены атомы водорода относительно азота? Не отвечайте только названием: сначала назовите число областей и вид каждой». | Называют три связывающие области и одну неподелённую, всего четыре; отвечают: «Электронные области расположены тетраэдрически, атомы образуют пирамидальную форму». |
3 мин | «Сравните NH₃ и H₂O. В воде две связи O–H и две неподелённые пары, то есть снова четыре электронные области. Почему тогда форма не такая же, как у метана? Скажите вывод полным предложением и назовите, что именно мы изображаем, когда называем молекулу угловой или пирамидальной». | Обсуждают ответ в парах и формулируют: «Число областей одинаковое, но часть из них — неподелённые пары; форма молекулы определяется положением атомов, поэтому NH₃ пирамидальная, а H₂O угловая». |
Эталон решения
NH₃: центральный атом N; 3 связи N–H + 1 неподелённая пара = 4 электронные области; расположение областей тетраэдрическое; форма молекулы пирамидальная. H₂O: центральный атом O; 2 связи O–H + 2 неподелённые пары = 4 электронные области; расположение областей тетраэдрическое; форма молекулы угловая.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Вы показали, что одинаковое число областей не означает одинаковую форму молекулы: важно, какие области являются атомными связями, а какие — неподелёнными парами. Теперь примените алгоритм самостоятельно и проверьте себя по критериям».
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (8 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное умение строить электронную модель и обосновывать геометрию молекулы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | «Каждый выполняет задание самостоятельно на карточке. Для NH₃ и H₂O укажите число связывающих и неподелённых пар у центрального атома и назовите форму молекулы. Для CO₂ нарисуйте схему O=C=O, определите число электронных областей около углерода и прогнозируйте геометрию. Обязательно приведите обоснование: “всего областей …, поэтому …”. Сначала выполните обязательные пункты; если закончите раньше, сравните, почему двойные связи в CO₂ не дают четыре отдельные области». | Индивидуально заполняют три строки карточки, рисуют электронно-графические схемы NH₃, H₂O и CO₂, записывают обоснование формы; завершившие задание объясняют учителю или соседу, как считают области для двойных связей. |
3 мин | «Откройте эталон на экране и проведите самопроверку другим цветом. За каждую молекулу проверьте три позиции: верно ли посчитаны пары, правильно ли учтена кратная связь, соответствует ли форма модели. Если нашли расхождение, не стирайте первоначальный ответ — исправьте его и подпишите, что именно изменили. Поднимите карточку: зелёная сторона — алгоритм понятен, жёлтая — нужна проверка одного шага, красная — нужна помощь». | Сверяют работу с эталоном, отмечают исправления другим цветом; показывают выбранную сторону карточки и при необходимости называют затруднение: «Не уверен, как считать двойную связь» или «Путаю расположение областей и форму молекулы». |
Эталон решения
NH₃: 3 связывающие пары и 1 неподелённая пара; 4 электронные области; форма пирамидальная. H₂O: 2 связывающие пары и 2 неподелённые пары; 4 области; форма угловая. CO₂: структура O=C=O; две двойные связи дают две области около атома C; форма линейная.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Вы проверили не только названия геометрических форм, но и ход рассуждения. Осталось связать сегодняшнее правило с понятием валентных возможностей и оценить, насколько уверенно вы можете пользоваться алгоритмом».
Этап 7. Включение в систему знаний, рефлексия и домашнее задание (5 мин)
Цель этапа: обобщить связь электронного строения с валентными возможностями и геометрией молекул, оценить достижение цели и объяснить домашнюю работу.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | «Соберём цепочку рассуждения одним предложением: электронное строение атома — валентные возможности — число связей и неподелённых пар — геометрия молекулы. Что в этой цепочке нельзя пропустить? Почему валентность сама по себе не сообщает нам полностью форму молекулы? Вернёмся к начальной гипотезе: достаточно ли было считать только связи?». | Формулируют итог: «Нужно учитывать и связывающие, и неподелённые пары»; отвечают: «Число связей не показывает все электронные области и не определяет само по себе расположение атомов». |
1 мин | «Заполните короткий билет на выход: назовите одну молекулу из рассмотренных и объясните её форму через число связей и неподелённых пар. Второй строкой напишите, какой шаг алгоритма вы хотели бы ещё потренировать. Это не отметка, а способ понять, где нужна следующая практика». | Письменно заполняют билет, например: «H₂O угловая: у O две связи и две неподелённые пары»; отмечают возможный вопрос. |
2 мин | «Домашняя работа имеет три уровня; обязательный уровень выполняют все, а повышенный выбирают по готовности. Для каждой схемы обязательно укажите пары, число областей и форму, чтобы я видел ход рассуждения. На выходе ответьте устно: почему CO₂ линейная молекула, хотя каждая связь C=O двойная?». | Записывают выбранный уровень домашнего задания; перед выходом отвечают: «Каждая двойная связь считается одной областью, поэтому около углерода две области, расположенные линейно». |
Сегодня мы установили, что прогноз геометрии молекулы начинается с анализа электронного строения, но не заканчивается подсчётом связей: необходимо учитывать и неподелённые пары. На этом этапе мы рассмотрели простые молекулы элементов второго периода и научились обосновывать их форму. На следующем уроке будем применять модели строения к объяснению свойств веществ и расширим круг рассматриваемых молекул. Проверьте дома не только итоговый ответ, но и последовательность рассуждений.
Критерии оценивания практической работы
- «5» — правильно построены модели всех трёх молекул в самостоятельной работе, верно определены связывающие и неподелённые пары, форма каждой молекулы обоснована числом электронных областей.
- «4» — модели и формы в целом определены верно, допущена одна неточность в подсчёте пар или формулировке объяснения, которая исправлена при самопроверке.
- «3» — правильно определена форма не менее чем двух молекул, но объяснение неполное или допущена ошибка при учёте неподелённых пар либо кратной связи; ученик способен исправить часть ошибок с опорой на эталон.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какую информацию о центральном атоме нужно учесть, чтобы предсказать форму молекулы? | Проверка понимания роли связывающих и неподелённых электронных пар. |
Какое различие между расположением электронных областей и формой молекулы вы теперь можете объяснить? | Выявление понимания того, что неподелённые пары учитываются в окружении, но не являются атомами молекулы. |
На каком шаге алгоритма вы испытывали наибольшую трудность? | Выявление конкретных затруднений: построение схемы, подсчёт областей или определение формы. |
Насколько уверенно вы сможете объяснить форму ещё одной простой молекулы: уверенно, с опорой на схему или пока нужна помощь? | Субъективная оценка освоения способа действия и планирование дальнейшей поддержки. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы связали электронное строение атома с валентными возможностями и пространственной формой молекул. Главное — не подменять анализ электронных областей простым подсчётом связей: неподелённые пары тоже влияют на геометрию. Типичная ошибка — считать двойную связь двумя отдельными областями при определении формы. Используйте алгоритм последовательно и всегда объясняйте, какие электронные пары учтены. На следующем уроке мы применим этот подход для обсуждения свойств веществ и более широких примеров молекулярного строения».
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Для трёх молекул из ряда CH₄, NH₃, H₂O и CO₂ (на выбор учителя) составить электронно-графические схемы; указать число связывающих и неподелённых пар, число электронных областей и форму молекулы. | Закрепляет алгоритм анализа; при проверке обратить внимание на правильный подсчёт неподелённых пар и различение формы электронного окружения и формы молекулы. |
Средний (повышающий) | Разобрать четыре простые молекулы из изученного материала: построить модели, сравнить два примера с одинаковым числом электронных областей и письменно объяснить, почему формы молекул различаются. | Развивает сравнение и аргументацию; при проверке смотреть, объясняет ли ученик влияние неподелённых пар на расположение атомов. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить краткое объяснение для одноклассника: чем валентность, валентные электроны и валентные возможности атома отличаются друг от друга; проиллюстрировать объяснение двумя электронными схемами рассмотренных молекул. | Углубляет понятийное понимание и навыки научного объяснения; при проверке оценить точность терминов и логичность связи между электронным строением и геометрией. |
Контрольные вопросы перед выходом: сколько электронных областей учитывают около центрального атома в CO₂ и почему? Чем форма электронного окружения отличается от формы молекулы? Как неподелённые пары влияют на прогноз геометрии?
