基于“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”的“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”全模塊教學(xué)案例

陳思明

一、項(xiàng)目的選擇與教學(xué)目標(biāo)的確定

高三復(fù)習(xí)課教學(xué)中對(duì)知識(shí)的整合以及形成解決問(wèn)題的認(rèn)識(shí)模型至關(guān)重要。在新能源的社會(huì)背景之下，磷酸鐵鋰電池因不含貴金屬元素，且具有耐高溫、循環(huán)次數(shù)高、安全性高、來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。本文以“磷酸鐵鋰電池的材料”為載體，從不同維度分析其結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)良性能，突出認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)角度在解決前沿問(wèn)題中的價(jià)值。基于以上分析，確定如下教學(xué)目標(biāo)。

（1）通過(guò)分析磷酸鐵鋰電池的宏觀性質(zhì)，探析各組成部分的微觀結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)觀念。

（2）通過(guò)探析磷酸鐵鋰電池微觀結(jié)構(gòu)，復(fù)習(xí)原子結(jié)構(gòu)元素性質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)與分子的性質(zhì)、晶體相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，建立結(jié)構(gòu)化認(rèn)知模型。

（3）通過(guò)探析磷酸鐵鋰電池微觀結(jié)構(gòu)，感受化學(xué)在人類(lèi)發(fā)展過(guò)程中作出的巨大貢獻(xiàn)，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

二、項(xiàng)目的實(shí)施

創(chuàng)設(shè)情境：認(rèn)識(shí)磷酸鐵鋰電池。

教師展示材料和圖片：工信部發(fā)布的第10批《新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用推薦車(chē)型目錄》其中近八成車(chē)型搭載磷酸鐵鋰電池。這種電池具有能量密度高、安全性能好、原材料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)。磷酸鐵鋰電池由正極材料（LiFePO4）、負(fù)極材料（石墨）、電解質(zhì)（LiPF5、溶劑）以及隔膜等部分構(gòu)成。

學(xué)生閱讀材料，從宏觀上了解磷酸鐵鋰電池的組成。

學(xué)生疑惑：磷酸鐵鋰電池為什么具有良好的性能？它是如何工作的呢？

教師過(guò)渡：物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)，我們下面從結(jié)構(gòu)入手找出答案。

（設(shè)計(jì)意圖：以磷酸鐵鋰電池為切入口，感受電池為社會(huì)發(fā)展作出的貢獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生的求知欲，引出復(fù)習(xí)任務(wù)。）

[▲]任務(wù)1：認(rèn)識(shí)正極材料——鋰離子供體

師：磷酸鐵鋰電池在充電過(guò)程中有一部分Fe2+被氧化為Fe3+，正極材料LiFePO4發(fā)生如下電極反應(yīng)：LiFePO4-xe-=Li1-xFePO4+xLi+。Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+時(shí)失去了哪個(gè)電子？請(qǐng)用價(jià)電子排布圖加以說(shuō)明。同學(xué)們可以從微觀角度分析和理解這一變化。

生：基態(tài)Fe2+的價(jià)電子排布式為：3d6，電子排布圖為 [3d][↑↓][↑][↑][↑][↑];基態(tài)Fe3+的價(jià)電子排布式為：3d5，電子排布圖為 [3d][↑][↑][↑][↑][↑]，F(xiàn)e2+轉(zhuǎn)化為Fe3+時(shí)失去的是3d軌道上的一個(gè)電子，使3d軌道成為半充滿的結(jié)構(gòu)。

教師總結(jié)：多電子原子的電子填充順序一般符合構(gòu)造原理，電子填充次序?yàn)?s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p。同學(xué)們應(yīng)當(dāng)熟練掌握1～36號(hào)元素基態(tài)原子的核外電子排布，基態(tài)原子核外電子排布應(yīng)遵循能量最低原理、泡利原理和洪特規(guī)則，尤其要注意Cr、Cu等元素基態(tài)原子的核外電子排布特殊性。

師：科學(xué)家青睞鋰電池的重要原因是鋰的密度較低。鋰是一種活潑金屬，試從原子結(jié)構(gòu)角度分析Li、Na和Li、Be、B的第一電離能差異的原因。參考數(shù)據(jù)：I1/（kJ·mol-1）Li520 Be900 B801 Na496 Mg738 Al578。

生：Na與Li同主族，Na的電子層數(shù)更多，原子半徑更大，故第一電離能更小;Li、Be和B為同周期元素，同周期元素從左至右，第一電離能呈現(xiàn)增大的趨勢(shì);但由于基態(tài)Be原子的s能級(jí)軌道處于全充滿狀態(tài)，能量更低更穩(wěn)定，故其第一電離能大于B的。

教師總結(jié)：Li～Ne和Na～Ar的第一電離能曲線呈現(xiàn)鋸齒狀變化的原因與基態(tài)原子的核外電子排布有關(guān)，提示我們要透過(guò)現(xiàn)象看到結(jié)構(gòu)上的本質(zhì)特征。

師：磷酸根的空間構(gòu)型如何判斷，試總結(jié)利用VSEPR模型預(yù)測(cè)AXn型簡(jiǎn)單分子或離子空間構(gòu)型的一般方法。

學(xué)生活動(dòng)：完成利用VSEPR模型預(yù)測(cè)AXn型簡(jiǎn)單分子或離子空間構(gòu)型的方法建模，如圖1所示。

學(xué)生活動(dòng)：利用以上方法填充表格（“VP”為中心原子價(jià)層電子對(duì)數(shù)，“BP”為中心原子成σ鍵電子對(duì)數(shù)，“LP”為中心原子孤電子對(duì)數(shù)）

師：LiFePO4的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（a）所示。晶胞中O原子圍繞Fe原子和P原子分別形成正八面體和正四面體。它們通過(guò)共頂點(diǎn)或共棱形成空間鏈狀結(jié)構(gòu)。如何確定每個(gè)晶胞中含有LiFePO4的單元數(shù)？電池充電時(shí)，LiFePO4脫出部分Li+，形成Li1-xFePO4，結(jié)構(gòu)示意圖如（b）圖所示，如何確定x的值？

學(xué)生討論和匯報(bào)：根據(jù)（a）圖，圓球?yàn)長(zhǎng)i+，位于頂點(diǎn)的Li+有8個(gè)，位于棱上的Li+有4個(gè)，位于面心的Li+有4個(gè)，晶胞中共含有Li+的個(gè)數(shù)為8×+4×+4×=4，所以每個(gè)晶胞中含有LiFePO4的單元數(shù)為4。由（b）圖與（a）圖相比可知，（b）圖中少了2個(gè)Li+，一個(gè)是棱上的，一個(gè)是面心上的，所以（b）圖中物質(zhì)含Li+的個(gè)數(shù)為8×+3×+3×=，=，x=。

（設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)認(rèn)識(shí)磷酸鐵鋰電池的正極材料，從原子結(jié)構(gòu)、原子團(tuán)結(jié)構(gòu)到晶體結(jié)構(gòu)，認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層級(jí)逐漸提高，以此為素材復(fù)習(xí)原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，包括電子排布式、電離能等重要概念、AXn型分子或離子空間結(jié)構(gòu)的判斷、晶體均攤法等重要方法。）

[▲]任務(wù)2：認(rèn)識(shí)負(fù)極材料——鋰離子受體

師：充電時(shí)，Li+從正極脫出，經(jīng)電解液嵌入負(fù)極，形成“石墨層間化合物（LixC6）”。某LixC6的平面結(jié)構(gòu)如圖3所示，如何確定x的值？若每個(gè)六元環(huán)都對(duì)應(yīng)一個(gè)Li+，化學(xué)式又該如何確定？

生：每個(gè)Li+給每層提供，每層上下均有Li+，故圖中Li+相當(dāng)于每層單獨(dú)占有，每個(gè)Li+周?chē)鷨为?dú)占有6個(gè)C原子，Li+與C原子之比為1∶6，故LixC中x=1;若每個(gè)六元環(huán)都對(duì)應(yīng)一個(gè)Li+，六元環(huán)上碳原子為3個(gè)環(huán)共用，C原子給每個(gè)環(huán)的貢獻(xiàn)為，則Li與C原子的數(shù)目之比為1∶2，則化學(xué)式為L(zhǎng)iC2。

教師追問(wèn)：結(jié)合圖4所示的結(jié)構(gòu)參數(shù)討論，為什么磷酸鐵鋰電池具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性？

學(xué)生討論并匯報(bào)觀點(diǎn)。充電完成后，磷酸鐵的體積比磷酸鐵鋰僅減少6.81%，而充電過(guò)程中負(fù)極材料體積輕微膨脹，二者互補(bǔ)，起到了調(diào)節(jié)體積變化、支撐電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。因此，磷酸鐵鋰電池在充放電循環(huán)過(guò)程中表現(xiàn)出了不俗的循環(huán)穩(wěn)定性，具有可觀的循環(huán)壽命。

（設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)認(rèn)識(shí)磷酸鐵鋰電池的負(fù)極材料，加深對(duì)石墨這一典型混合型晶體的認(rèn)識(shí)，明確范德華力與共價(jià)鍵的區(qū)別，同時(shí)復(fù)習(xí)復(fù)雜晶體化學(xué)式的確定。利用真實(shí)晶胞參數(shù)等數(shù)據(jù)，解釋磷酸鐵鋰電池具有良好循環(huán)穩(wěn)定性的特征。）

[▲]任務(wù)3：認(rèn)識(shí)電解液——鋰離子導(dǎo)體

師：LiPF6是一種離子液體，是目前鋰電池電解液中使用最廣泛的鋰鹽。[PF6]-中P原子與F形成配位鍵，提問(wèn)配位鍵的形成條件。

生：配位鍵的形成是電子對(duì)的給予與接受，成鍵原子一方能提供孤電子對(duì)，如分子NH3、H2O、CO等，離子Cl-、OH-、CN-、SCN-等;成鍵原子另一方能提供空軌道，如H+、Al3+、B、過(guò)渡金屬的原子或離子等。

教師追問(wèn)：若不考慮空間構(gòu)型，請(qǐng)用示意圖表示[PF6]-的結(jié)構(gòu)。

學(xué)生活動(dòng)：畫(huà)出[PF6]-的結(jié)構(gòu)，學(xué)生代表板書(shū)。

師：碳酸二甲酯起到調(diào)節(jié)電解液黏度的作用。在該分子中，碳原子采用何種雜化方式？1mol DMC分子中含有的σ鍵碳氧π鍵的數(shù)目是多少？

生：碳酸二甲酯分子中甲基碳原子為sp3雜化，酯基碳原子為sp2雜化，1mol碳酸二甲酯中含有σ鍵11 mol，含有碳氧π鍵1mol。

教師總結(jié)：有機(jī)物中碳原子的雜化方式。

師：碳酸二甲酯的沸點(diǎn)約為90℃，與其相對(duì)分子質(zhì)量接近的正丁酸的沸點(diǎn)約為162℃，原因可能是什么？

生：正丁酸分子間存在氫鍵，分子間作用力大，沸點(diǎn)較高，而碳酸二甲酯分子間不能形成氫鍵。

教師總結(jié)：氫鍵對(duì)物質(zhì)物理性質(zhì)的影響：

X—H……Y （X、Y=N、O、F）

（1）若某物質(zhì)可形成分子間氫鍵，一般表現(xiàn)為熔、沸點(diǎn)升高。

（2）若某物質(zhì)可與水形成氫鍵，一般表現(xiàn)為溶解度增大。

（設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)認(rèn)識(shí)電解液材料，認(rèn)識(shí)LiPF6這一離子液體，拓寬對(duì)離子晶體的認(rèn)識(shí)，復(fù)習(xí)配位鍵和配位化合物、氫鍵等重要概念，對(duì)有機(jī)物中碳原子的雜化方式進(jìn)行建模。）

三、教學(xué)反思

本節(jié)課是“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”全模塊復(fù)習(xí)案例，注重基礎(chǔ)知識(shí)、基本概念、基本技能的結(jié)構(gòu)化。讓學(xué)生在牢固掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，鍛煉綜合學(xué)科能力。

1.創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)感。本節(jié)課以“磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)素材”為背景，相對(duì)教材抽象化和理想化的情境，真實(shí)而貼近生活的真實(shí)情境更能拉近教師與學(xué)生思維和情感的距離，更易于達(dá)到學(xué)生認(rèn)知的最近發(fā)展區(qū)，從而使其產(chǎn)生認(rèn)知上的共鳴。

2.全模塊復(fù)習(xí)有利于從學(xué)科整體視角構(gòu)建認(rèn)知。整個(gè)項(xiàng)目從原子結(jié)構(gòu)到分子結(jié)構(gòu)再到晶體結(jié)構(gòu)，層級(jí)維度由低到高，認(rèn)知難度由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，在推進(jìn)過(guò)程中，將本模塊的核心知識(shí)和方法以及重要的學(xué)科觀念進(jìn)行整體的構(gòu)建和整合，有利于學(xué)生從一定高度把握學(xué)科。

（作者單位：南京師范大學(xué)附屬揚(yáng)子中學(xué)）

編輯：趙文靜