原子的核外電子排布和元素周期表的銜接教學

2021-01-17 化學教育期刊

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大學化學與高中化學的銜接教學
——以原子結構知識為例

梁愛琴  宋祖偉  曲寶涵

(青島農業大學化學與藥學院  山東青島  266109)

通訊作者,宋祖偉,E-mail,szwlxy@qau.edu.cn 

高中的和大學的學習方法差異巨大,使學生難以快速適應大學無機化學的教學。以原子結構知識的學習為例,展開高中化學與大學化學的銜接教學研究,通過找準切入點、提出問題、初識基本知識、原理詳解、實例練習等環節,可以順利完成知識的銜接過渡,同時培養學生獨立思考和自主學習的能力。

無機化學是高等院校化學、化工、環境等相關專業大一新生所接觸的第一門基礎課,在化學課程體系中處於承前啟後的地位。近10年來,部分高校(尤其是國內非一流高校)無機化學課程的教學質量似乎呈下滑趨勢,其原因主要在於:(1)我國高等教育招生規模擴大,高考改革不斷進行,「物質結構與性質」和「有機化學基礎」逐漸成為高中化學的2個「選修」模塊,大一新生的化學基礎必然存在較大差異,接受和理解新知識的能力也有所不同[1]。(2)高中與大學學習方法差異明顯。高中化學教學以教師為主體,教師安排學習計劃,對知識點進行反覆講解和集中練習,家長督促學習順利進行,導致學生依賴性強,高中的升學壓力也使得多數學生習慣這種學習方式。而大學課程信息量大並且課時有限,知識講解注重理解和系統性,很多學生感覺跟不上進度,學習吃力,甚至對學習失去信心[2]。(3)大一新生思想不夠成熟和穩定,自我約束能力不足。有的因離家、難以適應新環境而不知所措;有的因為被調劑到自己不喜歡的專業而厭學;有的因為沒有老師家長的管束而變得自由散漫,不能主動安排自己的學習生活;有的則感覺課程難學,與就業關係不大,從而失去學習興趣。上述種種狀況導致高中與大學學習前後脫節,嚴重影響課程的學習效果和教學質量。

為扭轉這種被動局面,提高無機化學的教學質量,高校教師紛紛查找原因,分析教材,改變教學方法,採用先進的教學手段,利用網絡教學平臺、微信、QQ群等溝通渠道傳授學習方法,轉變學習觀念,不斷進行和深化無機化學教學改革[3]。

原子結構知識具有微觀、抽象的特徵,並涉及物理、數學、統計學的複雜公式、方程、術語及「反常規」理論,學生往往感覺晦澀難懂,產生畏懼心理,從而導致整個物質結構部分學習的不暢,更會影響後續有機化學、分析化學、材料化學等課程的學習[4]。本文以原子結構知識為例闡述高中化學和大學無機化學的教學銜接[5],期待學生在知識上實現順利過渡,做好接受新知識、適應變化的心理準備,逐漸適應大學的學習規律和生活。

4基態多電子原子的核外電子排布和元素周期表的知識銜接教學


4.1


由氖原子的排布引發學生對基態多電子原子核外電子排布的思考。例如同一電子層包含不同亞層,亞層能量是否相等?電子如何在亞層排布?為什麼每個電子層最多排2n2個電子?這些問題可以在隨後老師講解能級和核外電子排布三原則等知識中尋找到答案。然後,以稀有氣體元素為例進行基態多電子原子核外電子排布練習,給出原子實的概念。進而擴展到按照原子序數順序排布的元素,確定價層電子的概念(基本是除去原子實後的排布,但第四到第六周期的ⅢA到ⅦA族元素例外),由此解決了為什麼第一周期為特短周期,第二、三周期為短周期,第四、五周期為長周期,第六周期為特長周期的問題。再由價層電子排布確定出該元素在周期表中的位置和氧化數等性質。此時即完成了學生與核外電子排布和元素周期表知識的第1次深刻接觸。


在初識原理的基礎上,再通過列舉實例來體現原理的應用,例如「寫出47號元素的基態原子排布式,並說明其在周期表中的位置」。

在36號稀有氣體氪原子實1s2 2s2 2p63s2 3p6 3d10 4s2 4p6的基礎上,可以書寫出47號元素的基態原子排布式為[Kr]4d105s1。這一書寫過程中所遵循的能量最低原理、泡利不相容原理和洪特規則,教師應逐一指出和重點說明。除去原子實[Kr],該元素價層電子為4d10 5s1,所以是ds區元素;由於還包含次外層電子,所以是副族元素;價層電子個數確定族數,而元素次外層電子排滿,最外層只是1個電子,所以為ⅠB族元素;由最大的主量子數n=5,或者依據徐光憲的法則[n + 0.7l],價層電子能級取整數為5,都可以確定這是第五周期的元素。由以上信息可知該元素為銀,是一種貴金屬。

再舉一例說明重要知識點的應用:寫出33號元素的基態原子排布式,說明其在周期表中的位置,並用量子數表示價層電子的運動狀態。

33號元素的基態原子排布式可在18號稀有氣體氬原子實1s2 2s2 2p63s2 3p6的基礎上書寫出:[Ar]3d10 4s2 4p3。由於含有最外層的p電子,所以次外層不是價電子層,該元素價層電子為4s2 4p3,所以是p區元素;由於價電子只處於最外層,所以屬於主族元素;價層電子個數為5,所以為ⅤA族元素;由最大的主量子數n=4,或者依據徐光憲的法則[n + 0.7l],價層電子能級取整數為4,可以確定這是第四周期的元素。由以上信息可知該元素為砷,是氮族元素。用量子數表示價層電子4s2 4p3的運動狀態時,4s2表示為(4,0,0,±1/2),4p3的電子排布則體現出洪特規則的具體應用,3個電子應採取自旋平行的方式,分別佔據不同的p軌道,3個電子的量子數表示為(4,1,0,+1/2),(4,1,+1,+1/2),(4,1,-1,+1/2)或者(4,1,0,-1/2),(4,1,+1,-1/2),(4,1,-1,-1/2)。

通過這2個元素的具體排布和在周期表中的位置確認,完成學生與核外電子排布和元素周期表知識的第2次接觸。教師還可以任意指定某元素在周期表中的位置,如第四周期ⅥB的元素,要求學生寫出價電子構型、用量子數表示價電子運動狀態,以鞏固這部分知識,同時使學生透徹地了解到「核外電子結構必然決定周期表的外在表現形式」。


關於元素周期律知識的學習,可在高中化學知識的基礎上由學生自行學習並加以鞏固。由於元素核外電子的周期性排布,使得元素原子的核電荷數、原子半徑、第一電離能、第一電子親合能、電負性都呈現出周期性規律,因此要求學生能夠找到同一周期、同一族變化的規律性,並對違反規律的現象做出合理解釋。例如第二周期元素的第一電離能從左往右總體趨勢是逐漸增大的,但是鈹元素和氮元素卻比其後面一個元素的第一電離能大,其原因就是由於電子排布分別是2s2全滿和2p3半滿的穩定結構。再如由於鑭系收縮,導致鑭系之後第六周期元素鉿(Hf)、鉭(Ta)、鎢(W)分別和第五周期同族元素鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)的原子半徑相似,導致其性質相似,難以分離。


【引用本文】

梁愛琴, 宋祖偉, 曲寶涵. 大學化學與高中化學的銜接教學——以原子結構知識為例[J]. 化學教育(中英文), 2018, 39(2): 23-26 


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