促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的元素周期表教學(xué)

摘要：以“2011年日本福島核泄漏事件”為素材創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)計(jì)了3個(gè)活動(dòng)環(huán)節(jié)：從原子結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識(shí)碘元素的性質(zhì)，從原子結(jié)構(gòu)的角度尋找元素間的關(guān)系，以及從元素周期表的角度認(rèn)識(shí)銫元素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，由此拓展學(xué)生對(duì)元素性質(zhì)的認(rèn)識(shí)角度，促進(jìn)學(xué)生對(duì)元素和物質(zhì)的認(rèn)識(shí)從宏觀到微觀、從熟悉到陌生、從孤立到系統(tǒng)的提升。

關(guān)鍵詞：認(rèn)識(shí)發(fā)展；元素周期表；教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1008-0546（2023）11-0055-06" 中圖分類號(hào)：G632.41" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.11.012

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

本節(jié)課是蘇教版必修第一冊(cè)專題5微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)的多樣性第一單元“元素周期律和元素周期表”的第二課時(shí)。［1］在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》［2］（以下簡(jiǎn)稱“2020修訂版課標(biāo)”）必修課程主題3中關(guān)于元素周期表的要求為“知道元素周期表的結(jié)構(gòu)，以堿金屬和鹵族元素為例，了解同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律；體會(huì)元素周期律（表）在學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)與科學(xué)研究中的重要作用”“能用原子結(jié)構(gòu)解釋元素性質(zhì)及其遞變規(guī)律，并能結(jié)合實(shí)驗(yàn)及事實(shí)進(jìn)行說明”“能利用元素在元素周期表中的位置和原子結(jié)構(gòu)，分析、預(yù)測(cè)、比較元素及其化合物的性質(zhì)”。

研究者圍繞元素周期表教學(xué)設(shè)計(jì)的研究主要集中在以下幾類：（1）基于化學(xué)史的教學(xué)設(shè)計(jì)；［3，4］（2）聚焦于元素周期表結(jié)構(gòu)的教學(xué)實(shí)踐；［5～8］（3）基于模型建構(gòu)的單元復(fù)習(xí)課的教學(xué)研究；［9，10］（4）把元素周期律和元素周期表融合的教學(xué)實(shí)踐。［11］本節(jié)課借鑒已有研究，以“2011年日本福島核泄漏事件”為素材創(chuàng)設(shè)情境，選取兩種典型元素“碘”“銫”及其他26種元素（1～20號(hào)元素、鍺、砷、銻、溴、銣、鐵），進(jìn)行原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系（結(jié)構(gòu)→性質(zhì)）、原子結(jié)構(gòu)與元素在周期表中的位置的關(guān)系（結(jié)構(gòu)→位置），元素在周期表中的位置與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系（位置→性質(zhì)）的探究，發(fā)展學(xué)生對(duì)元素與物質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

二、學(xué)生已有知識(shí)和認(rèn)識(shí)需求

蘇教版教科書中關(guān)于元素周期表內(nèi)容的邏輯順序?yàn)椋涸雍说臉?gòu)成→原子核外電子排布→元素周期律→元素周期表→元素周期表的應(yīng)用。在元素周期表之前，學(xué)生已經(jīng)掌握了1-18號(hào)元素原子的構(gòu)成、原子核外電子排布運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和排布規(guī)律，了解元素周期律是元素原子核外電子排布隨著元素核電荷數(shù)的遞增發(fā)生周期性變化的必然結(jié)果，知道最外層電子數(shù)與化合價(jià)以及得失電子之間的關(guān)系。

為了了解學(xué)生關(guān)于元素周期表的認(rèn)識(shí)需求，課前采用問卷進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明學(xué)生對(duì)元素周期表感興趣的問題集中在以下方面：

（1）元素周期表的價(jià)值：為什么要學(xué)元素周期表，元素周期表有什么用？元素周期表對(duì)現(xiàn)實(shí)生活有什么意義？

（2）元素周期表的發(fā)現(xiàn)：門捷列夫是如何發(fā)現(xiàn)元素周期表的？元素間是否存在聯(lián)系，存在什么樣的聯(lián)系？

（3）元素周期表的結(jié)構(gòu)：元素周期表為什么要這么排？行、列之間有什么關(guān)系？元素周期表中的元素還能增加嗎？如果發(fā)現(xiàn)新元素，如何放進(jìn)去？為什么第一行只有氫和氦？

要解決以上問題，需要深入分析和挖掘元素周期表的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展過程，元素周期表在科學(xué)發(fā)展史上的價(jià)值，元素周期表的發(fā)現(xiàn)對(duì)人類認(rèn)識(shí)發(fā)展的意義以及元素周期表承載的教學(xué)功能。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)思想

元素周期表（律）是人類對(duì)于元素及物質(zhì)認(rèn)識(shí)不斷發(fā)展的結(jié)果，［9］它構(gòu)筑了元素自然分類的完整體系，［12］為未知元素的認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)提供了更多的預(yù)測(cè)參照指標(biāo)，對(duì)化學(xué)學(xué)科的發(fā)展具有里程碑的意義，為普通化學(xué)在近代的蓬勃發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。［13］元素周期表（律）的學(xué)科價(jià)值決定了它的教學(xué)價(jià)值。黃鳴春、王磊等認(rèn)為元素周期表（律）承載的教學(xué)價(jià)值在于：發(fā)展學(xué)生對(duì)于元素及物質(zhì)的認(rèn)識(shí)，而不是僅僅記住元素周期律或者元素周期表［9］。胡久華認(rèn)為原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，是認(rèn)識(shí)發(fā)展的關(guān)鍵。［13］

本節(jié)課以“2011年日本福島核泄漏事件”為素材創(chuàng)設(shè)情境，選取兩種典型元素“碘”“銫”承載認(rèn)識(shí)發(fā)展的任務(wù)，設(shè)計(jì)3個(gè)活動(dòng)環(huán)節(jié)：從原子結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識(shí)碘元素的性質(zhì)，從原子結(jié)構(gòu)的角度尋找元素間的關(guān)系，以及從周期表的角度認(rèn)識(shí)銫元素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，由此拓展學(xué)生對(duì)元素性質(zhì)的認(rèn)識(shí)角度，加深對(duì)“位-構(gòu)-性”三者關(guān)系的理解，促進(jìn)學(xué)生對(duì)元素和物質(zhì)的認(rèn)識(shí)從宏觀到微觀、從熟悉到陌生、從孤立到系統(tǒng)的提升。

四、教學(xué)目標(biāo)

（1）通過比較氯、溴、碘原子結(jié)構(gòu)的異同，預(yù)測(cè)氯、溴、碘的非金屬性強(qiáng)弱，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)證實(shí)或證否，發(fā)展學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

（2）通過分析28種元素的原子結(jié)構(gòu)，尋找元素間的關(guān)系，編排、認(rèn)識(shí)元素周期表，促進(jìn)學(xué)生對(duì)元素的認(rèn)識(shí)從孤立到系統(tǒng)的提升。

（3）通過對(duì)堿金屬和鹵族元素性質(zhì)的預(yù)測(cè)、驗(yàn)證活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)。

（4）通過對(duì)情景素材的討論和相關(guān)化學(xué)史的學(xué)習(xí)，理解元素周期表在不同領(lǐng)域的價(jià)值。

五、教學(xué)流程

見表1。

六、教學(xué)實(shí)錄

【情境引入】播放視頻：2011年3月11日日本福島核電站泄漏，釋放出大量放射性物質(zhì)碘-131、銫-137。

【教師】看完新聞，你最關(guān)心什么問題？

【學(xué)生】人的安全問題。

【教師】面對(duì)這樣重大的國(guó)際公共事件，我們希望每個(gè)人要能夠參與有依據(jù)的決策和采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)，保證個(gè)人、社會(huì)以及環(huán)境的健康和協(xié)調(diào)發(fā)展。［14］我們需要了解碘元素和銫元素相關(guān)的性質(zhì)。

環(huán)節(jié)1：結(jié)構(gòu)→性質(zhì)

【教師】這兩種元素，你更熟悉哪個(gè)？

【學(xué)生】碘。

【投影】碘原子的結(jié)構(gòu)示意圖（見圖1）。

【教師】看到這個(gè)結(jié)構(gòu)，你能獲取哪些信息？

【學(xué)生】碘原子的最外層是7個(gè)電子，容易得電子體現(xiàn)非金屬性；最高價(jià)為+7價(jià)，最低價(jià)為-1價(jià)。

【教師】我們前面有沒有學(xué)過性質(zhì)和它相似的元素？

【學(xué)生】氯

【投影】氯原子、溴原子的結(jié)構(gòu)示意圖（見圖2）。

【教師】氯原子、溴原子最外層都是7個(gè)電子，比較它們的結(jié)構(gòu)區(qū)別在哪里？相對(duì)氯原子、溴原子，碘原子的得電子能力是更強(qiáng)還是更弱？

【學(xué)生1】氯、溴、碘原子結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于電子層數(shù)不同。

【學(xué)生2】碘原子的電子層數(shù)最多，原子核對(duì)核外電子的吸引能力就越弱，導(dǎo)致碘原子得電子能力更弱。

【投影】推測(cè)：非金屬性強(qiáng)弱Clgt;Brgt;I。

【教師】這是我們的推測(cè)，這個(gè)推測(cè)是否正確，我們還需要尋求證據(jù)支撐我們的觀點(diǎn)。

【投影】探究氯、溴、碘的非金屬性強(qiáng)弱的一般思路（圖3）。

【教師】回顧非金屬性強(qiáng)弱的判斷標(biāo)準(zhǔn)，并思考如何根據(jù)這些判斷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證氯、溴、碘非金屬性的強(qiáng)弱？

【學(xué)生1】非金屬性強(qiáng)弱的判斷標(biāo)準(zhǔn)有：①單質(zhì)與氫氣化合的難易或氣態(tài)氫化物的熱穩(wěn)定性；②該元素最高價(jià)氧化物的水化物的酸性強(qiáng)弱；③單質(zhì)的氧化性強(qiáng)弱。

【學(xué)生2】根據(jù)第一條，可以比較 Cl2、Br2、I2分別與氫氣化合的反應(yīng)條件，HCl、HBr、HI 的熱穩(wěn)定性。

【學(xué)生3】根據(jù)第二條，可以比較 HClO4、HBrO4、 HIO4的酸性強(qiáng)弱。

【學(xué)生4】根據(jù)第三條，可以比較 Cl2、Br2、I2的氧化性強(qiáng)弱。

【教師】我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)比較 Cl2、Br2、I2的氧化性強(qiáng)弱？

【學(xué)生】利用置換反應(yīng)，氧化性強(qiáng)的單質(zhì)置換出氧化性弱的單質(zhì)，往NaI溶液中加入溴水，再加入淀粉溶液，如果溶液變藍(lán)，說明生成了碘單質(zhì)；同樣，可以往溴化鈉溶液中加入氯水，再加入四氯化碳，如果溶液分層且下層是橙色，說明生成了溴單質(zhì)。

【學(xué)生活動(dòng)】分組進(jìn)行以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，觀察并匯報(bào)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)1：往1mLNaBr溶液中加入適量新制氯水，再加入適量四氯化碳，振蕩，觀察現(xiàn)象；

實(shí)驗(yàn)2：往1mL KI 溶液中加入適量溴水，再加入幾滴淀粉溶液，振蕩，觀察現(xiàn)象。

【學(xué)生1】第1個(gè)實(shí)驗(yàn)中溶液分層，下層是橙色，說明氧化性：Cl2gt;Br2。

【學(xué)生2】第2個(gè)實(shí)驗(yàn)中溶液變藍(lán)，說明氧化性：Br2gt;I2。

【投影】

資料1：表2［15］

資料2：表3［15］

【教師】資料顯示，氯、溴、碘的單質(zhì)與氫氣化合越來越難，它們的氣態(tài)氫化物越來越不穩(wěn)定，也證明了氯、溴、碘的非金屬性在遞減。不僅僅是物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，氯、溴、碘單質(zhì)的部分物理性質(zhì)也呈現(xiàn)出一定的遞變規(guī)律。

【小結(jié)】碘元素性質(zhì)的認(rèn)識(shí)角度（見圖4）。

【教師】對(duì)于氯、溴、碘而言，原子的最外層電子數(shù)決定了原子容易得電子以及元素的主要化合價(jià)，決定了物質(zhì)性質(zhì)的相似性；電子層數(shù)決定了原子的得電子能力，決定了物質(zhì)性質(zhì)的遞變性。

【過渡】截至2019年，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)或合成的元素已經(jīng)有118種，其中絕大多數(shù)元素對(duì)我們而言幾乎是完全陌生的元素，那我們?nèi)绾沃浪鼈兊慕Y(jié)構(gòu)，從而了解它們的性質(zhì)呢？

環(huán)節(jié)2：結(jié)構(gòu)→位置

【學(xué)生活動(dòng)】分組探究：分析28種元素（1～20號(hào)元素、鍺、砷、銻、溴、碘、銣、銫、鐵）的原子結(jié)構(gòu)（例：圖5），按照發(fā)現(xiàn)的規(guī)律進(jìn)行排列，說出排列依據(jù)。

【學(xué)生交流成果】

【學(xué)生1】我們組的排列依據(jù)是：同一橫行，電子層數(shù)相等，最外層電子數(shù)依次增多；縱行，最外層電子數(shù)一樣，電子層數(shù)依次增多，我們的困惑是不知道把鐵放在哪里（見圖6）。

【學(xué)生2】我們組氦元素的位置和他們組不同，根據(jù)性質(zhì)相似，我們組把氦放在氖上面，我們組的問題也是不知道把鐵放在哪里。

【教師】我們花了幾分鐘時(shí)間摸索了28種元素的排布規(guī)律。接下來，讓我們一起了解在整個(gè)科學(xué)發(fā)展史上，科學(xué)家們是如何探索元素之間的關(guān)系的。

【播放視頻】元素周期表的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展（結(jié)合相關(guān)材料，自己錄制）。

視頻材料：

18世紀(jì)初，有很多科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一些元素之間存在某種神秘的關(guān)聯(lián)。

1829年，德貝萊納等發(fā)現(xiàn)鋰鈉鉀、鈣鍶鋇等化學(xué)性質(zhì)非常相似。1864年，紐蘭茲等把元素按照原子量大小的順序排列，發(fā)現(xiàn)從任意一種元素算起，每到第八種元素就和第一種元素的性質(zhì)相近。1869年，門捷列夫絕妙地把元素性質(zhì)和原子量結(jié)合起來，得出了所有元素的普遍知識(shí)，橫著看元素的原子量逐漸增加，豎著看元素的性質(zhì)相似，他還給表中留下4個(gè)空格，他認(rèn)為這是4種應(yīng)該存在但還沒發(fā)現(xiàn)的元素，這四種元素后來被一一發(fā)現(xiàn)或合成。1921年，波爾提出電子在原子核外排布規(guī)則，揭示了元素性質(zhì)的周期性變化是由原子的電子層結(jié)構(gòu)的周期性變化決定的。

元素的一切性質(zhì)（已經(jīng)知道的已經(jīng)超過100種）在周期表中都絕對(duì)有規(guī)律地變化著，元素周期表構(gòu)筑了元素自然分類的完整體系。［16］

【教師】從1829年到1869年門捷列夫的第一張?jiān)刂芷诒沓鰜?，這期間，科學(xué)家們尋找元素間的規(guī)律花了40年，而后其他的科學(xué)家就是在門捷列夫周期表的指導(dǎo)下逐漸完善，并最終形成了我們現(xiàn)在看到的這張?jiān)刂芷诒怼?/p>

【教師】介紹元素周期表的結(jié)構(gòu)：周期、族、過渡元素、鑭系、錒系。

【學(xué)生】找到鈉、氯、鐵在周期表中的位置，根據(jù)位置找元素，根據(jù)結(jié)構(gòu)找位置。

【教師】元素周期表是元素周期律的具體表現(xiàn)形式，小結(jié)金屬性、非金屬性在表中的遞變規(guī)律，介紹金屬與非金屬的分界線。

環(huán)節(jié)3：位置→性質(zhì)

【教師】元素在周期系統(tǒng)里的位置是元素的一種最重要的特征。［17］請(qǐng)?jiān)谠刂芷诒碇姓业戒C的位置，指出銫原子的結(jié)構(gòu)，推測(cè)銫元素可能的性質(zhì)。

【學(xué)生】銫位于第6周期第IA族，原子核外有6個(gè)電子層，最外層1個(gè)電子，容易失電子，體現(xiàn)金屬性，化合價(jià)為+1價(jià)，金屬性比鈉更強(qiáng)。

【教師】這是通過周期表的位置推測(cè)銫可能的性質(zhì)，還需要尋找證據(jù)支撐我們的推測(cè)。

探究鈉、鉀、銣、銫的金屬性強(qiáng)弱的一般思路（見圖7）。

【視頻】鈉、鉀、銣、銫分別與水的反應(yīng)。

【學(xué)生得出結(jié)論】金屬性：鈉lt;鉀lt;銣lt;銫

【教師】日本核泄漏事件已經(jīng)過去了10年，碘-131的衰變已經(jīng)完全，但是銫-137的危害還要持續(xù)20年。那么，銫-137為什么會(huì)被人體吸收呢？

【資料卡4】

鉀活躍在每一個(gè)細(xì)胞中，神經(jīng)與肌肉細(xì)胞的活動(dòng)都離不開它，所以人體會(huì)積極攝取鉀元素。銫原子的最外層電子數(shù)和鉀相同，人體會(huì)誤認(rèn)為銫就是鉀，加以吸收。［18］

【教師】看完資料卡，結(jié)合今天的學(xué)習(xí)，我們可以采取怎樣的措施保障人的安全？

【學(xué)生】我們可以補(bǔ)充鉀元素，這樣銫就不能進(jìn)入我們的身體。

【資料卡5】

要防止銫在體內(nèi)沉積，最好的辦法就是多攝入鉀。要是我們?nèi)梭w已經(jīng)攝入足夠的鉀，身體就會(huì)做出判斷“不需要更多的鉀了”，從而降低人體吸收銫的風(fēng)險(xiǎn)。［18］

【教師】元素周期表不僅僅可以幫助我們預(yù)測(cè)元素的性質(zhì)，還可以幫助科學(xué)家們尋找新的材料，新的催化劑，尋找稀有礦產(chǎn)。

【小結(jié)】通過今天的學(xué)習(xí)，對(duì)于了解陌生元素的性質(zhì)，你又有了什么新的角度？

【學(xué)生】通過元素在周期表中的位置，推測(cè)陌生元素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

【總結(jié)投影】構(gòu)建原子結(jié)構(gòu)、元素在周期表中的位置、元素性質(zhì)以及物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)模型（見圖8）。

七、教學(xué)反思

本節(jié)課以“日本核泄漏事件”這樣重大的國(guó)際公共事件為素材創(chuàng)設(shè)情境，從如何保護(hù)人的安全的需要出發(fā)，在了解碘、銫元素性質(zhì)的過程中，通過認(rèn)識(shí)模型的不斷建構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)元素及物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)發(fā)展，幫助學(xué)生理解為什么要學(xué)習(xí)元素周期表，元素周期表在不同領(lǐng)域的價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類面臨的與化學(xué)相關(guān)的社會(huì)問題，培養(yǎng)學(xué)生積極運(yùn)用所學(xué)知識(shí)參與社會(huì)公共事務(wù)的意識(shí)。在之后對(duì)學(xué)生的訪談中，學(xué)生都談到元素周期表反映了元素間的關(guān)系，體現(xiàn)了原子結(jié)構(gòu)的規(guī)律，說明在“位—構(gòu)—性”三要素中，學(xué)生理解了結(jié)構(gòu)的決定作用……當(dāng)然，學(xué)生的認(rèn)識(shí)方式不是通過一個(gè)具體化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)就能建立的，也不是通過一次學(xué)習(xí)活動(dòng)就能形成的，學(xué)生認(rèn)識(shí)方式的建立需要長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)活動(dòng)。［19］

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