高中化學(xué)“堿金屬元素”的項目式教學(xué)實踐

張錦程

一、項目主題內(nèi)容分析

項目式學(xué)習(xí)（PBL）是以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)，以小組協(xié)作的形式進行規(guī)劃和解決項目任務(wù)的學(xué)習(xí)方式。學(xué)生通過經(jīng)歷事先精心設(shè)計的項目和一連串任務(wù)，在復(fù)雜及真實的學(xué)習(xí)環(huán)境中不斷進行探索和學(xué)習(xí)，從而獲得所需知識，解決項目過程中碰到的問題，實現(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)。2019人教版必修一教材，把第四章第一節(jié)“原子結(jié)構(gòu)與元素周期表”劃分為3個課時，其中最后一個課時為“原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)”。新教材采用了預(yù)測的方法，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)堿金屬元素之間性質(zhì)的相似性和遞變規(guī)律?！疤矫貕A金屬，‘預(yù)見119”項目創(chuàng)意新穎，緊貼學(xué)生實際，涉及到的知識規(guī)律性強。在教學(xué)中，筆者將項目拆分成“初探鈉和鉀”“再探堿金屬”“‘預(yù)見119”3個任務(wù)展開，在問題解決過程中借助“預(yù)測一觀察一解釋”的POE策略、從“位置一結(jié)構(gòu)一性質(zhì)”視角研究元素的性質(zhì)，根據(jù)堿金屬元素性質(zhì)的相似性和遞變性，讓學(xué)生預(yù)測未知元素的性質(zhì)，設(shè)計專屬名片，體會科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合，感受化學(xué)學(xué)科魅力。

二、項目教學(xué)目標(biāo)

1.通過預(yù)測鉀的化學(xué)性質(zhì)，觀察鉀與氧氣、水反應(yīng)的實驗，認識鈉與鉀性質(zhì)的相似性和不同之處，培養(yǎng)“宏微結(jié)合”和“變化觀念”的核心素養(yǎng)；

2.通過預(yù)測鋰、銣、銫的化學(xué)性質(zhì)，觀察堿金屬單質(zhì)與氧氣、水反應(yīng)的實驗，理解同主族元素性質(zhì)的遞變規(guī)律及與原子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，發(fā)展“科學(xué)探究”與“證據(jù)推理”的核心素養(yǎng)；

3.能從位、構(gòu)、性視角研究元素的性質(zhì)，通過預(yù)測未知元素性質(zhì)和為未知元素設(shè)計名片，體會“預(yù)測”這種方法在化學(xué)科學(xué)研究中的應(yīng)用，發(fā)展“科學(xué)態(tài)度”與“創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。

三、教學(xué)流程

具體教學(xué)流程見表1。

四、項目實施過程及學(xué)生學(xué)習(xí)成果

[創(chuàng)設(shè)情境]鎵是化學(xué)史上第一個先從理論預(yù)言后在自然界中被發(fā)現(xiàn)驗證的元素。1871年，門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期表中鋁元素下方有個間隙尚未被占據(jù)，他預(yù)測這種未知元素的相對原子量大約是68，密度為5.9g/cm3，性質(zhì)與鋁相似，他的這一預(yù)測被法國化學(xué)家布瓦博德蘭證實。

[學(xué)生活動]2名學(xué)生分別扮演門捷列夫和布瓦博德蘭，表演元素鎵的發(fā)現(xiàn)過程中2人爭論的故事。

[問題引入]門捷列夫能夠根據(jù)元素的位置預(yù)測元素的性質(zhì)，同學(xué)們想不想成為和門捷列夫一樣厲害的化學(xué)家、預(yù)言家呢？目前，俄羅斯和日本科學(xué)家正嘗試合成119號元素Uue，如何預(yù)測該元素的性質(zhì)并為它設(shè)計一張專屬名片呢？

[學(xué)生觀點]根據(jù)元素周期表的編排規(guī)則，119號元素位于第8周期第ⅠA族?？梢孕Х麻T捷列夫，通過第ⅠA族中已經(jīng)學(xué)過的金屬鈉的性質(zhì)，預(yù)測119號元素的性質(zhì)。

[過渡]鈉和119號元素都位于第ⅠA族，但鈉位于第3周期，119號元素位于第8周期，直接通過鈉的性質(zhì)預(yù)測119號元素的性質(zhì)是否合理呢？我們不妨先通過鈉的性質(zhì)預(yù)測位于鈉下方的鉀的性質(zhì)，再找到堿金屬元素性質(zhì)的規(guī)律，從而預(yù)測119號元素的性質(zhì)。

[任務(wù)1]初探鈉和鉀

[教師]回憶金屬鈉的化學(xué)性質(zhì)，描述鈉與氧氣、水反應(yīng)的實驗現(xiàn)象。

[學(xué)生]鈉在常溫下與氧氣反應(yīng)生成氧化鈉，在加熱條件下生成過氧化鈉。鈉與水反應(yīng)生成氫氧化鈉和氫氣。常溫下，銀白色的鈉表面很快變暗；加熱條件下，鈉先熔化，再劇烈燃燒，產(chǎn)生黃色火焰，生成淡黃色固體。鈉與水反應(yīng)，鈉浮在水面上，熔成光亮的小球，四處游動，發(fā)出嘶嘶的響聲，滴入酚酞，溶液變紅。

[教師]如何從結(jié)構(gòu)的角度解釋鈉具有的化學(xué)性質(zhì)？

[學(xué)生]鈉原子的最外層電子數(shù)為1，容易失去電子形成鈉離子。

[教師]根據(jù)鉀的原子結(jié)構(gòu)，你認為鉀會具有怎樣的性質(zhì)？

[學(xué)生]鉀原子的最外層電子數(shù)也為1，也容易失去電子形成鉀離子，具有金屬性，具體表現(xiàn)在也能和氧氣反應(yīng)，也能和水反應(yīng)。

[教師]鉀的性質(zhì)是否和預(yù)測的一樣呢？觀察實驗，描述實驗現(xiàn)象。

[演示實驗]鉀與氧氣反應(yīng)、鉀與水反應(yīng)。

[學(xué)生]鉀與氧氣反應(yīng)，先熔化再劇烈燃燒，產(chǎn)生紫色火焰，生成黃色固體。鉀與水反應(yīng)，鉀浮在水面上，熔成光亮的小球并劇烈燃燒，四處游動，發(fā)出爆炸聲，滴入酚酞，溶液變紅。

[教師]鉀與氧氣反應(yīng)生成的黃色固體有過氧化鉀（K2O2）和超氧化鉀（KO2）。比較鈉和鉀與氧氣、水反應(yīng)的實驗現(xiàn)象，你能得出什么結(jié)論？

[學(xué)生]鈉和鉀都能與氧氣和水反應(yīng)，且鉀更活潑。

[過渡]鈉和鉀性質(zhì)上有相似性和不同之處，這樣的規(guī)律是只存在于這2種元素之間還是所有的堿金屬元素之間呢？

[任務(wù)2]再探堿金屬

[教師]根據(jù)堿金屬元素的原子結(jié)構(gòu)特點（見表2），預(yù)測鋰、銣、銫的化學(xué)性質(zhì)。

[學(xué)生]鋰、銣、銫的最外層電子數(shù)都為1，容易失去電子形成+1價的離子，具有金屬性，具體表現(xiàn)為可以與氧氣和水反應(yīng)。

[教師]事實和推測是否一致呢？觀看視頻，并嘗試總結(jié)堿金屬元素的化學(xué)性質(zhì)。

[視頻]堿金屬單質(zhì)與氧氣和水的反應(yīng)。

[教師]鋰與氧氣反應(yīng)只生成氧化鋰；鈉與氧氣反應(yīng)，常溫下生成氧化鈉，加熱時生成過氧化鈉；鉀與氧氣反應(yīng)，常溫下生成氧化鉀，加熱時生成過氧化鉀和超氧化鉀；銣和銫，除了生成氧化物、過氧化物、超氧化物以外，還會生成臭氧化物。你認為堿金屬單質(zhì)與氧氣的反應(yīng)有怎樣的規(guī)律？

[學(xué)生]堿金屬單質(zhì)，從鋰到銫，與氧氣的反應(yīng)越來越劇烈，生成物越來越復(fù)雜。

[教師]無論哪種堿金屬單質(zhì)，與水反應(yīng)都會生成對應(yīng)的氫氧化物和氫氣，那么通過視頻，你發(fā)現(xiàn)堿金屬單質(zhì)與水的反應(yīng)又有怎樣的規(guī)律呢？

[學(xué)生]堿金屬單質(zhì)，從鋰到銫與水的反應(yīng)越來越劇烈。

[教師]將堿金屬單質(zhì)與氧氣和水反應(yīng)的規(guī)律總結(jié)成一句話，就是堿金屬元素，從鋰到銫，金屬性逐漸增強。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。如何從結(jié)構(gòu)的角度，解釋堿金屬元素性質(zhì)的相似性與遞變性呢？

[學(xué)生]堿金屬元素原子的最外層電子數(shù)都為1，都容易失去電子形成+1價的離子，都表現(xiàn)金屬性，具有相似性。

[學(xué)生]堿金屬元素，從上到下，核電荷數(shù)依次增多，電子層數(shù)依次增大，原子半徑依次增大，原子核對最外層電子的引力依次減小，失去電子的能力依次增大，金屬性逐漸增強。

[教師]化學(xué)性質(zhì)具有相似性和遞變性，物理性質(zhì)呢？觀察表格（見表3），總結(jié)規(guī)律。

[學(xué)生]堿金屬元素，從鋰到銫，都為銀白色金屬（除了銫略帶金色光澤），都很柔軟，密度依次增大，鈉鉀反常，熔沸點依次降低。

[教師]鈉鉀合金的熔點低于純金屬鈉和鉀的熔點，因此鈉鉀合金常用作核反應(yīng)堆的導(dǎo)熱劑。性質(zhì)決定用途。堿金屬元素還被用作鋰電池、堿金屬蒸氣激光器、銣銫原子鐘等等。

[過渡]找到了堿金屬元素的相似性和遞變性，就可以預(yù)測119號元素的性質(zhì)了。

[任務(wù)3]“預(yù)”見119

[教師]嘗試預(yù)測119號元素的性質(zhì)，并為它設(shè)計一張專屬名片。

[學(xué)生]設(shè)計名片（如圖1所示）。

五、項目教學(xué)反思（略）

（收稿日期：2024-01-35）