Цели урока:
- Образовательные:
- обобщение, систематизация знаний учащихся о сущности периодического закона Д.И.Менделеева, причинах периодическогоизменения свойств химических элементов в свете теории строения атома.
- Развивающие:
- развитие умений учащихся планировать и проводить эксперименты исследовательского характера, излагать теоретический материал, аргументировать выдвинутые идеи, делать выводы, применять, систематизировать и обобщать знания, устанавливать причинно-следственные связи.
- Воспитательные: формирование научного мировоззрения учащихся.
Оборудование:
- Таблица: «Периодическое изменение свойств элементов» (Приложение 1)
- Химические реактивы для выполнения лабораторных опытов: гидроксид алюминия, гидроксид хрома (III), растворы соляной кислоты, азотной кислоты, гидроксида калия, гидроксида натрия.
ХОД УРОКА
Учитель: Периодический закон и периодическая система химических элементов пережили уже два этапа в их понимании и развитии. На первом этапе – химическом – внимание концентрировалось на периодическом изменении свойств элементов, на втором – электронном – внимание сосредоточено на зависимости свойств элементов от электронного строения атомов. Цель нашего урока – систематизировать и обобщить знания о связи периодического закона с теорией строения атома, на основе периодического закона подтвердить наиболее общие законы развития природы.
Сообщение учащегося: Причины периодичности.
Приложение 1, слайд № 1
Периодическая зависимость – повторяемость свойств через определенный период. Период – ряд элементов с одинаковым числом энергетических (квантовых) уровней, расположенных в порядке возрастания зарядов атомных ядер.
В III периоде атомы элементов имеют 3
энергетических уровня. От элемента к элементу на
единицу возрастает заряд ядра и число электронов
на внешнем электронном слое, атомные радиусы
сокращаются, т. к. происходит их стягивание в
результате притяжения к ядру большего
количества электронов. Натрий и магний – это
s-элементы, в их атомах заполняется s-подуровень,
от алюминия до аргона – p-элементы, т. к. в их
атомах заполняется p-подуровень. С накоплением
электронов в наружном электронном слое и
сокращением атомного радиуса связано ослабление
металлических свойств и нарастание
неметаллических свойств. Восстановительные
свойства ослабляются, окислительные
усиливаются.
В периодах растет высшая степень окисления в
соединениях, она определяется числом электронов
наружного слоя.
Характер оксидов и гидроксидов изменяется от
основных через амфотерные к кислотным, гидроксид
натрия – сильное основание, щелочь, гидроксид
алюминия – амфотерный гидроксид, хлорная
кислота – самая сильная кислота.
Валентность в гидридах металлов увеличивается,
в летучих водородных соединениях неметаллов
падает. Эти закономерности повторяются в каждом
периоде.
В главных подгруппах располагаются элементы
сходные, но неодинаковые, с ростом заряда ядра
атомные радиусы увеличиваются, т. к. растет число
электронных слоев в атомах, усиливается свойство
отдавать электроны, растут металлические
свойства.
Т. о. главная причина периодичности связана с
периодическим изменением числа электронов в
наружном слое атома. Количественные изменения,
постоянно накапливаясь, приводят к качественным
изменениям – возникновению новых свойств.
Современная формулировка периодического закона:
свойства химических элементов и их соединений
находятся в периодической зависимости от
зарядов атомных ядер, числа валентных
электронов, строения внешних электронных слоев
атомов химических элементов. Химический элемент
– совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
Важнейшие свойства химических элементов – металличность и неметалличность. Подтвердим зависимость свойств химических элементов от строения атома.
Учащиеся выполняют задание № 1 экспериментально-теоретической программы урока
Опишите строение атома определенного химического элемента по плану: схема строения атома, электронная формула, электронно-графическая формула, принадлежность к металлам или неметаллам, определенному семейству, число валентных электронов.
1 вариант 2 вариант
элемент № 11 (Na) элемент № 15 (P)
Составьте уравнения реакций, подтверждающих химические свойства простого вещества, оксида и гидроксида соответствующего элемента, укажите химический характер проявляемых свойств.
Выводы учащихся:
Натрий – s – элемент, типичный металл, т. к. на внешнем электронном слое атома содержит один электрон. Натрий – одновалентен, высшая степень окисления равна +1. При горении среди других продуктов сгорания образует оксид Nа2О. При растворении в воде образует щелочь, сильное основание, это доказывается малиновой окраской индикатора фенолфталеина. Главное свойство оснований – взаимодействие с кислотами. Таким образом, соединения натрия, как типичного металла, проявляют основные свойства.
Фосфор – р – элемент, неметалл, т. к. на внешнем слое атома содержит 5 электронов. Фосфор пятивалентен, высшая степень окисления равна +5. При горении образует высший оксид Р2О5, при растворении оксида в воде образуется фосфорная кислота Н3РО4 – кислота средней силы. Наличие кислоты в растворе доказывается красной окраской лакмуса. Главное свойство кислот – взаимодействие с основаниями.
Таким образом, соединения фосфора, как неметалла, проявляют кислотные свойства.
Учитель: Естественная система химических элементов включает элементы не только с ярко выраженными металлическими и неметаллическими свойствами. Деление элементов на металлы и неметаллы относительно, несовершенно.Приведите доказательства этого положения.
Учащиеся приводят примеры металлических
признаков физических свойств графита, кремния,
йода, металлического водорода, молекулярной
кристаллической решетки и химической инертности
инертных газов, амфотерности соединений многих
металлов.
Учитель: Деление элементов на металлы и
неметаллы применимо больше к простым веществам,
которые, в зависимости от условий могут
проявлять как металлические, так и
неметаллические свойства. Металличность и
неметалличность простых веществ – это функция
условий существования химического элемента. Для
соединения металлов и неметаллов в единую
систему связующим мостиком являются амфотерные
соединения. Выявим причины амфотерности на
основе строения атомов элементов.
Учащиеся выполняют задание № 2 экспериментально-теоретической программы урока
а) Опишите строение атома химического элемента по плану: схема строения атома, электронная формула, электронно-графическая формула, принадлежность к металлам или неметаллам, определенному семейству,число валентных электронов
1 Вариант 2 Вариант
элемент №13 (AL) элемент №24 (Cr)
б) Вам выданы следующие вещества:
1 Вариант 2 Вариант
Гидроксид алюминия Гидроксид хрома (III)
На основе строения атома указанного элемента определите химический характер соединения, подтвердите свойства экспериментально, составьте молекулярные и ионные уравнения реакций. Укажите, какие свойства проявляет соединение в каждой реакции, каковы признаки реакций? Выявите главную причину проявляемых соединением свойств.
Выводы учащихся: гидроксиды алюминия и хрома (III) амфотерны, амфотерность обусловлена промежуточным числом валентных электронов и проявляемой промежуточной степенью окисления алюминия и хрома +3.
Учитель: Все разнообразие химических элементов связано единой идеей строения атома. Периодический закон в настоящее время является важнейшим инструментом познания, определяет развитие атомной физики, химии, геологии, астрономии, атомной и ядерной техники, химической технологии, металлургии, медицины и других отраслей знания. Выделяют несколько важнейших функций периодического закона.
Сообщение учащегося. Функции периодического закона.
Приложение 1, слайд № 3.
Объясняющая функция закона заключается в
способности объяснить те или иные явления. При
составлении таблицы Менделеев трижды
сознательно нарушил принцип ее построения,
отраженный в периодическом законе. Он переставил
элементы местами так, что элемент с большей
массой опережает элемент с меньшей массой, но при
такой расстановке все они попадают в группы
сходных по свойствам элементов. Открытие
строения атома оправдало данные перестановки.
Элементы оказались в системе расставлены
правильно на основе зарядов атомных ядер.
Перестановки Менделеева можно объяснить
явлением изотопии. Развивающая функция закона
проявляется в том, что закон может дать толчок
развитию других направлений науки.
Периодический закон способствовал развитию
теории строения атома, что дало самому закону
более глубокое научное обоснование.
Обобщающая функция проявляется в способности
соединить отдельные факты в строгую систему
взаимосвязанных явлений.
Прогностическая функция заключается в
способности предсказывать свойства и явления.
Сообщение учащегося. Прогностическая функция периодического закона.
У 10-ти элементов Менделеев изменил принятые в то время относительные атомные массы и соответственно изменил их валентность, у 10-ти других атомные массы подправил, 8 элементов разместил в системе вопреки принятым представлениям. Все эти новшества были восприняты ученым миром как неслыханная дерзость. Но твердо убежденный в естественности своей системы, Менделеев решается на невиданный в истории химии шаг. Свойства предсказанных им экабора, экаалюминия и экасилиция он описывает с удивительной точностью и предлагает даже методы их открытия.
Открытие Л.Буабодраном галлия, Л.Нильсоном
скандия, К.Винклером германия подтвердило
прогностические возможности периодического
закона.
В 1884 г. Николай Александрович Морозов,
заключенный царским правительством за
революционную деятельность пожизненно в
Шлиссельбургскую крепость, начинает от тоски
тюремной жизни изучать химию. Он знакомится с
системой Менделеева и ставит перед собой вопрос:
нет ли периодической зависимости среди
углеводородов? Морозов составляет свою таблицу и
приходит к неожиданному выводу: все
углеводороды, как и все элементы периодической
системы, в той или иной степени активны, но среди
элементов нет химически инертных, подобно
предельным углеводородам. Возникает вопрос: а
что, если инертные элементы существуют в природе,
но пока не открыты? И Морозов предсказывает, что
эти элементы следует искать в воздухе, т. к.
скорее всего это газы.
Можно представить себе торжество Морозова, когда
он, находясь в заключении, узнал из газет, что
английский ученый У. Рамзай открыл, и именно в
воздухе, инертный газ аргон. Вскоре последовало
открытие и других инертных газов.
Так на основе периодической системы Морозову
удалось предсказать то, что не удалось сделать в
полной мере даже самому Менделееву.
Сообщение учащегося. Искусственное получение элементов
К 1937 г. общее число открытых элементов достигло 88. Самым тяжелым из них был уран – № 92. Значит, в периодической системе оставались еще 4 "окна" с номерами 43, 61, 85, 87. Все попытки найти их в природе заканчивались неудачей. Этим окнам суждено было заполниться в период с 1937 по 40-й годы, и получены они были при помощи ядерных реакций. Самым первым был искусственно получен элемент № 43 путем обстрела изотопов молибдена ядрами атомов дейтерия (дейтерий – изотоп водорода).
Ядра атомов молибдена и дейтерия сливаются,
образую ядро с зарядом 43, массой 99. Этот элемент
был назван в честь торжества техники технецием.
Искусственным путем было открыто значительное
число химических элементов.
. Ядерные реакции еще раз доказывают взаимосвязь
всех элементов, объединенных в периодическую
систему.
Сообщение учащегося. «Меченые атомы»
"Меченые атомы" – радиоактивные изотопы –
разновидности атомов одного и того же
химического элемента, отличающиеся массой.
Спонтанно делясь, они постоянно сигнализируют о
себе, и их распад можно зафиксировать
регистрационными приборами; меченые атомы
широко применяют в сельском хозяйстве, медицине,
в научных исследованиях. Так, например, было
обнаружено, какую природу имеет кислород,
выделяющийся при фотосинтезе.
Для испытаний растения поливали водой, содержащей изотоп кислорода-18, а углекислый газ содержал обычный распространенный легкий изотоп кислорода - 16. Выделяющийся при фотосинтезе кислород содержал только изотопы - 18, значит, он имеет "водное" происхождение, и этот факт сыграл определенную роль при раскрытии фотосинтетических процессов.
Учитель: Периодический закон, основанный на теории строения атома, объяснил множество явлений природы, подтвердил философские категории.
Учитель предлагает учащимся воспользоваться справочниками, словарями, ознакомиться с философскими категориями: «причина и следствие», «единичное, особенное, общее», « содержание и форма», ответить на вопросы:
1. Что помогают осознать категории общего и
особенного? Чем обусловлена общность всех
химических элементов? Чем обусловлена
особенность отдельных групп элементов и
единичность (индивидуальность) каждого из
химических элементов?
2. Что выражает бесконечная цепь причин и
следствий? Какова главная причина
периодического изменения свойств элементов?
Каковы следствия увеличения числа валентных
электронов в атомах элементов одного периода и
увеличения атомных радиусов элементов главных
подгрупп?
Учащиеся отвечают на вопросы.
Сообщение учащегося. Содержание и форма.
Любой предмет состоит из отдельных элементов и процессов, которые в совокупности составляют содержание предмета. У содержания имеется форма, форма и содержание не существуют друг без друга. В процессе развития содержание играет ведущую роль, его изменение ведет к изменению формы. Если периодический закон – это содержание, то его формой является графическое изображение – периодическая система. Существует около пятисот вариантов периодической системы (например, короткая и длинная), но содержание одно – периодическая зависимость свойств от зарядов атомных ядер элементов. В п. с. 7 периодов и 8 групп. По форме период – горизонтальный ряд элементов, начинающийся щелочным металлом и заканчивающийся инертным элементом, а по содержанию период – это ряд элементов с одинаковым числом энергетических уровней. По форме группа – это вертикальная колонка элементов, а по содержанию – это ряд элементов, имеющих одинаковую максимальную степень окисления. По форме каждый элемент имеет свое место, свою клетку в периодической системе, а по содержанию каждый элемент можно отнести к s-, p-, d- или f семействам.
Учитель: Закон – объективная, всеобщая, необходимая и существенная связь явлений и предметов, которая характеризуется устойчивостью и повторяемостью. Периодический закон, связывающий химические элементы, – один из общих законов природы. Он выполняется везде, где имеются химические элементы и их соединения, но он действует только в рамках совокупности химических элементов, не распространяясь на другие явления природы. Вы знаете, что есть и другие законы – наиболее общие законы развития природы. Периодический закон подтверждает эти законы.
Сообщение учащегося: Закон единства и
борьбы противоположностей утверждает, что
борьба противоположностей – источник движения и
развития материального мира. Этот закон
проявляется в строении атома, как единстве двух
противоположностей (положительно заряженного
ядра и отрицательно заряженных электронов), в
металлических и неметаллических свойствах
отдельных элементов, которые могут
взаимодействовать с образованием соединений, в
основном и кислотном характере соединений
металлов или неметаллов, во внутренней
противоречивости амфотерных соединений, в
неделимости друг от друга процессов окисления и
восстановления.
Ярким примером элемента с внутренне
противоречивостью является водород, который
проявляет свойства металла и неметалла,
восстановителя и окислителя.
Подобно щелочным металлам, атом водорода
содержит на внешнем и единственном электронном
слое один электрон, легко сбрасывает его в
химических реакциях с неметаллами и при этом
проявляет свойства восстановителя.
Однако водород может проявлять и окислительные
свойства, взаимодействуя с щелочными металлами,
превращая их в гидриды. При этом атом водорода
принимает один электрон до завершения внешнего
слоя. В данной реакции водород вдет себя как
типичный неметалл.
Сообщение учащегося: Закон перехода количественных изменений в качественные характеризует процесс обновления материального мира, говорит о его скачкообразном развитии. Под скачком понимается переход от одного качества к другому. Скачки условно делят на медленные (многостадийные) и мгновенные (одностадийные). Переход от элемента к элементу в периоде с ростом заряда ядра атома – это незначительные мгновенные скачки образования нового качества, т. е. новых свойств. Изменение свойств элементов от типичных металлов к типичным неметаллам в периоде – это результат медленного многостадийного скачка. Переход от галогенов к инертному газу – это большой мгновенный скачок, связанный с завершением наружного электронного слоя, также большим мгновенным скачком является переход от инертного элемента к щелочному металлу, он связан с возникновением нового слоя. Таким образом, количественные изменения в отдельных атомах и системе элементов постоянно ведут к качественно новым свойствам.
Сообщение учащегося: Закон отрицания отрицания выражает всеобщую закономерность развития материального мира от простого к сложному и предполагает связь, преемственность в развитии. Наиболее ярко она выражена при переходе от периода к периоду. Например, калий повторяет свойства натрия, но в то же время атом калия имеет на один электронный слой больше и является более реакционноспособным. Следовательно, развитие идет как бы по спирали, с каждым витком повторяя предыдущие этапы развития, но на более высоком уровне.
Приложение 1, слайд № 2
Учитель: Открытие и развитие
периодического закона на основе теории строения
атома подтвердило познаваемость мира, доказало
его материальность, единство и противоречивость.
Химические элементы – ступени развития
вещества. Основой их единства и взаимосвязи
служит сходство элементарных частиц, входящих в
состав атомов. Каждый элемент, будучи частью
целого, занимает свое место в периодической
системе. В природе имеет место не беспорядочное
скопление качественно разнородных веществ: все
они находятся друг с другом в закономерных
взаимосвязях и построены из атомов
ограниченного числа элементов. Величайшая
заслуга Д.И.Менделеева в том, что он не
остановился на разделении элементов по группам,
а объединил отдельные группы элементов в единую
систему.
Нельзя не согласиться с ярким высказыванием А.Е.
Ферсмана: «Будут, конечно, появляться и умирать
новые теории; блестящие обобщения и новые
представления будут сменять устаревшие понятия;
величайшие открытия и эксперименты будут далеко
превосходить все прошлое и открывать
невероятные по новизне и широте горизонты – все
это будет приходить и уходить, но периодический
закон Менделеева будет всегда жить, развиваться,
уточняться и руководить исканиями».
Литература:
1. Смирнова Т.В. Формирование научного
мировоззрения учащихся при изучении химии. М.
Просвещение, 1984;
2. Агафошин И.П. Периодический закон и
периодическая система химических элементов
Д.И.Менделеева. М.Просвещение. 1982;
3. Габриелян О.С., Лысова Г.Г., Введенская А.Г.
Настольная книга учителя химии. 11 класс. Часть I.
М. Дрофа. 2003.
4. Аспицкая А.Ф. Роль химии в формировании
мировоззрения учащихся. Химия (ИД «Первое
сентября») 2011 № 3.