Семинар "Тайны и пути познания вещества"

Разделы: Химия

(Заседание клуба эрудитов «Эврика»)

Цели:

  1. Развитие научно- творческого потенциала учащихся
  2. Повышение их познавательной активности
  3. Активизация навыков работы с дополнительной литературой
  4. Использование информационной технологии в приобретении знаний об окружающем мире
  5. Формирование навыков решения задач по химическим формулам.

Задачи:

  1. Обобщить основные сведенья об атомах – наименьших частицах элементов в химических соединениях.
  2. Уточнить современное определение атома – электронейтральной частицы и частицы, имеющей заряд, называемой атомным ионом
  3. Расширить понятия об электроне, как и о частице микромира, который живёт по особым законам квантовой механики - наукой о строении свойствах частиц с двойственной природой: они являются одновременно и частицами и волнами
  4. Получить представление о состоянии электрона в атоме как совокупности информации об энергии определённого электрона и пространстве, в котором он находится
  5. Закрепить и расширить понятие электронных орбиталей, их форме и энергии
  6. Рассмотреть электронные конфигурации атомов некоторых элементов
  7. Обобщить первоначальные понятия о способностях атомов к образованию химических связей в составе простых и сложных веществ
  8. Провести простейшие стехиометрические расчёты по химическим формулам веществ.

Оборудование: Компьютерный проектор, кодопроектор, набор прозрачных иллюстраций «Виды химических связей», карточки с заданиями для стехиометрических расчётов, таблицы.

Открытие семинара. Вступительное слово учителя:

Слайд 1 «Тайны и пути познания вещества»

Окружающий мир состоит из тел и веществ. Мир веществ- мир разнообразный, причудливый, сложный и таинственный.

Из чего состоят вещества? Почему вещества бывают разными? Почему одни вещества могут превращаться в другие? На решение этих вопросов наука потратила более 2000 лет.

На семинаре мы обобщим наши знания о веществах, из каких элементарных частиц образуются вещества в природе, в чём особенности этих частиц, какова их природа, в чём секрет образования химических связей простых и сложных веществ.

Итак, погружаемся в тайны и пути познания веществ.

Слайд 2 «Микрочастицы на фоне Вселенной» (анимация).

В одном мгновенье видеть вечность,
Огромный мир – в зерне песка,
В единой горсти – бесконечность,
И небо в чашечке цветка.

Ульям Блейк – английский поэт и художник (1757г.-1827г.) за две тысячи лет до Блейка Демокрит увидел во всём этом лишь атомы и пустоту. Но его взгляду открылось нисколько ни меньше того, что было нарисовано воображением поэта. Разглядев за каждой из окружающих нас вещей мириады мельчайших атомов, древнегреческий философ открыл тем самым практически бесконечное количество новых миров. Оказывается, что любая песчинка действительно целая Вселенная, так как включает в себя почти столько же мельчайших частиц, сколько звёзд содержится во всей Метагалактике.

Из этих частиц состоит и камень, одиноко лежащий на обочине дороги, и цветок, радующий нас своей естественной красотой, и облака, неторопливо плывущие по голубому небу. Так откуда же такое фантастическое разнообразие мира?

Сегодня наше естественное любопытство уже нельзя назвать бесплодным. Как говорил знаменитый французский физик Луи де Бройль только на основе удивления и любопытства человека основана современная наука.

На протяжении многих веков люди, удивляться и задавать вопросы, пытались представить разнообразие мира, в котором мы живём, как результат сочетания и взаимодействия неких первичных частиц или элементов. Как считал Демокрит, такими частицами являются атомы. Но каким образом из них можно «сконструировать» эти вещества, которые отличаются бесчисленным многообразием?

Существование в природе различных веществ и тел говорит о том, что частицы, из которых состоят, способны взаимодействовать друг с другом. В чём секрет взаимодействия частиц? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо было раскрыть секрет, скрытый внутри атома.

Это одна из наиболее интересных страниц истории науки. Прямым доказательством сложности строения атомов было открытие самопроизвольного распада атомов некоторых элементов, названное радиоактивностью в конце 19 и начале 20 столетия.

До открытия строения атома в середине XIX столетия был открыт Д. И. Менделеевым периодический закон и построена периодическая таблица – графическое изображение периодической системы химических элементов.

Открытия радиоактивности и периодического закона послужили главными предпосылками для открытия секрета строения атома.

Современная наука опирается на квантово-механическую модель атома.

Эта модель позволяет научно обосновать открытие Д. И. Менделеева, объяснить природу и механизм химических связей, в результате которых образуются в природе простые и сложные вещества.

Слайды 3 «Схема строения атома».

Атомы – электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Частица, состоящая из ядра и электронов и имеющая заряд, называется атомным ионом. Многочисленные эксперименты физиков начала XX века показали, что атом имеет сложное строение: состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны, причём заряд каждого электрона равен минус единице. Электрон обладает очень маленькой массой. Масса атома сосредоточена в ядре, в котором есть протоны, заряд каждого протона равен +1, масса его равна 1 и частицы нейтроны. Заряд каждого нейтрона равен 0 и масса нейтрона равна 1.

Число протонов и нейтронов определяют массу атома. Число электронов в атоме равно заряду ядра, поэтому атом является электронейтральной частицей. Определённые виды атомов в химии называют химическими элементами.

В периодической системе Д.И. Менделеева каждый химический элемент имеет свой порядковый номер или атомный номер, который обозначает заряд ядра атома данного химического элемента (число протонов в ядре) и число электронов, вращающихся вокруг ядра. Если массу атома выразить в основных единицах массы, в граммах или килограммах, то это будут очень маленькие числа, поэтому их массу выражают величиной, называемой относительной атомной массой, её условное обозначение- - Ar.

Слайд 4 «Схема строения атома кислорода»

Положение химического элемента в периодической системе определяет основные особенности строения его атома. Рассмотрим это на примере атома кислорода.

Слайд 5 «Состояние электронов в атоме»

В химических превращениях исходные вещества и продукты реакции имеют одинаковый атомный состав. Следовательно, в ходе химической реакции ядра атомов сохраняются, и в образовании новых химических связей продуктов реакции участвуют электроны, а точнее, электронные орбитали. Чтобы понять сущность образования химических связей между атомами, необходимо рассмотреть состояние электронов в атомах.

Электроны вращаются вокруг ядра. Под состоянием электрона в атоме понимают совокупность информации об энергии определенного электрона.

Слайд 6 «Электронные слои или энергетические уровни»

Электроны, вращаясь вокруг ядра атома, образуют в совокупности его электронную оболочку. Число электронов в оболочке атома равно числу протонов в ядре атома и определяется порядковым или атомным номером элемента в таблице Д.И.Менделеева. Электроны, движущиеся вблизи ядра, как бы загораживают (экранируют) ядро от других электронов, которые притягиваются к ядру слабее и движутся на большем удалении от него. Так образуются электронные слои в электронной оболочке атома. Каждый электронный слой состоит из электронов с близкими значениями энергии, поэтому электронные слои называют энергетическими уровнями. Число энергетических уровней равно номеру периода в таблице Д.И.Менделеева.

Слайды 7, 8 «Электронные орбитали»

Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. Формы орбиталей бывают:

  1. сферической (S - орбиталь) образует S – подуровень с S-электронами;
  2. орбиталь в форме вытянутой восьмерки (Р – орбиталь) образует Р – подуровень (начиная со второго уровня) на котором три направления ориентации с электронами Px, Py, Pz;
  3. d - орбиталь образует d – подуровень (начиная с третьего уровня) элементов четвертого периода, имеет пять направлений ориентации;

Слайды 9 «Строение энергетических уровней в многоэлектронных атомах»

Электроны – это микрочастицы, свойства которых описывает особый раздел физики – квантовая механика, которая стала основой для создания современной квантовомеханической модели. Электроны вращаются вокруг ядра и несут огромный запас энергии, которая изменяется при движении скачкообразно или волнами и измеряется в квантах.

Слайды 10, 11 «Спаренные электроны. Орбитальное квантовое число».

Главное квантовое число n связано со средним расстоянием электрона от ядра, то есть характеризует размер электронной орбитали, определяет энергетический уровень электрона в атоме. Электроны, имеющие одинаковое значение главного квантового числа, находятся на одном и том же энергетическом уровне. Главное квантовое число может принимать значение целых чисел: 1n, 2n, 3n, 4n и т.д.

Орбитальное квантовое число l определяет пространственную форму орбитали, принимает значения от 0 до (n-1), т.е. l = 0, 1, 2,3, …, (n-1). Различные значения орбитального квантового числа l = 0, 1, 2, 3 соответствуют различным формам орбиталей, которые обозначаются s-, p-, d-, f-орбитали.

На одной орбитали может быть не более двух электронов, вращающихся вокруг оси в противоположных направлениях (противоположные магнитные моменты).

Заполнение орбиталей электронами происходит по главному принципу минимума энергии, это значит, что электроны в первую очередь занимают наиболее энергетически выгодную орбиталь. На внешних энергетических уровнях заполняются только S – и P – орбитали.

Водород и гелий – элементы I периода, в атомах которых заполняется электронами s-орбиталь (s-подуровень), в атоме гелия первый электронный слой завершен –2S- электрона.

Элементы II периода на первом электронном слое имеют по 2 S-электрона, поэтому электроны заполняют s- и p-орбитали второго электронного слоя в соответствии с принципом наименьшей энергии (сначала s-, а затем p-) и правилами Паули и Хунда.

Атомы элементов III периода имеют завершённые первый и второй электронные слои, поэтому заполняется третий электронный слой, на котором электроны могут занимать 3s-, 3p- и 3d-подуровни.

Атомы элементов IV периода имеют особенности заполнения орбиталей. Начиная с двадцать первого элемента – Sc, заполняется третий уровень, d- подуровень.

Слайды 12 «Общие выводы»

Если S – и P- орбитали внешнего уровня содержат спаренные электроны, то уровень считается завершенным, атомы образуют энергитическиустойчивую стабильную систему. Такие атомы существуют в природе в свободном состоянии и не образуют химических связей – это элементы 8 группы главной подгруппы периодической системы Д.И.Менделеева: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон. Число электронов в атоме равно его атомному номеру Z (заряду ядра) только в электронейтральном атоме. Но если часть электронов из электронейтрального атома удалить или добавить в его электронную оболочку один или несколько электронов, то атом, конечно же, останется атомом того же самого элемента, только теперь станет заряженным – ионом

Слайд 13 «Образование простых и сложных веществ»

Атомы элементов с незавершенными энергетическими уровнями в результате образования химических связей существуют в природе в виде простых и сложных веществ.

Индивидуальная работа по карточкам «Строение атома. Периодический закон и периодическая система Д.И. Менделеева»

Найдите в периодической таблице химические элементы, которые удовлетворяли бы следующим требованиям:

Демонстрация кодоплёнок. Основные типы химических связей:

  1. Ковалентные: неполярные и полярные
  2. Ионные
  3. Металлические

В ходе образования химических связей атомы стремятся к завершению внешних энергетических уровней путем обобществления валентных электронов. За счет электростатических сил притяжения положительных ядер и отрицательных орбиталей образуются общие электронные плотности (общие электронные пары).

В зависимости от типа связи образуются структурные различные кристаллические решетки:

  1. Молекулярные
  2. Атомные
  3. Металлические
  4. Ионные
№ карточки Задание
2 Элемент А – самый активный неметалл III периода.
Элемент Б – имеет на внешнем, пятом электронном слое два электрона
3 Элемент А – самый неактивный металл I группы.
Элемент Б – имеет на внешнем, пятом электронном слое семь электронов
4 Элемент А – самый активный металл Ш периода.
Элемент Б – имеет на внешнем, четвертом электронном слое три электрона.
5 Элемент А и Б расположены в одном периоде.
Распределение электронов по слоям в атоме А можно записать так: 2; 8; 11; 2. В атоме Б на четыре электрона меньше
6 Элемент А – самый активный металл II группы.
Элемент Б – имеет на внешнем, втором электронном слое 5 электрона
7 Атом элемента А имеет на внешнем электронном слое три электрона.
В ядре атома элемента Б содержится пять протонов
8 Элемент А – самый активный металл II периода.
Элемент Б – имеет на внешнем, третьем электронном слое 3 электрона
9 Элемент А и Б расположены в одном периоде.
Распределение электронов по слоям в атоме А можно записать так: 2; 8; 18; 4. В атоме Б на четыре электрона меньше
10 Элемент А – самый неактивный неметалл III периода.
Элемент Б – имеет на внешнем, третьем электронном слое 7 электронов
11 Элемент А – самый активный неметалл II периода.
Элемент Б – имеет на внешнем, втором электронном слое 8 электронов
12 Элемент А содержит на 4 электрона больше чем титан.
13 Элемент А – самый активный неметалл VI группы.
Элемент Б расположен во втором периоде и имеет завершенный внешний электронный слой
14 Элемент А имеет один протон.
Распределение электронов по слоям в атоме Б можно записать так: 2; 8; 4
15 Элемент А имеет три протона.
Распределение электронов по слоям в атоме Б можно записать так: 2; 8; 18; 2

Групповая работа по карточкам. Простейшие стехиометрические расчёты по формулам:

Ar – относительная атомная масса (массовое число).
Ar (H) = 1; Ar (O) = 16; Ar(Mg) = 24.
Mr – относительная молекулярная масса вещества.
Mr (H2O) = 2*1+16 = 18;
Mr (H2SO4) = 2*1+32+4*16 = 98;
w% - массовая доля элемента в составе сложного вещества.
Mr (H2SO4) = 2+32+64 = 98.
w%(H) = 2/98 = 0,02 * 100% = 2%
w%(S) = 32/98 = 0,33 * 100% = 33%
w%(O) = 64/98 = 0,65 * 100% = 65%

Заключительное слово учителя.

Атомы – основные частицы, в природе, из которых образуются вещества. Сегодня мы кратко познакомились с историей открытия атома, с его строением (квантово-механическая модель), как связано строения атома с периодической системой Д.И. Менделеева, рассмотрели общие принципы образования химических связей. Таким образом, мы подошли к решению проблемы – в чем же заключаются тайны вещества и какие основные пути его познания.

Презентация.