КОЖЕВНИКОВ Дмитрий Николаевич Создание и использование комплекса моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы

8 6. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева (15часов) 10Распределение электронов в атомах элементов первых четырех периодов. Группы и подгруппы химических элементов. Изображение электронов и их расположение в электронных оболочках. Влияние электронного строения атомов на химические свойства веществ Химическая связь. (9 - 10часов) 6Электроотрицательности атомов химических элементов. Полярная и неполярная связь. Ионная связь. Степень окисления. Взаимодействие хлора, йода с металлами. Демонстрация электроотрицательности атомов химических элементов. 9 Повторение 8-го класса3Обобщение знаний по курсу 8-го класса. Демонстрация расположения электронов в оболочках. 9 1.Электролити-ческая диссо-циация (12 ч.) 10Электролитическая диссоциация веществ с ионной и полярной ковалентной связью. Демонстрация и изображение процессов. 9 2.Подгруппа кислорода (7ч.) 4Строение атомов подгруппы кислорода. Понятие аллотропии. Взаимодействие серы с водородом и кислородом. Серная кислота. Изображение строения электронных оболочек. 9 3.Производство серной кислоты (7ч.) 1Строение молекулы серной кислоты.Электронное строение молекулы. Различие в связях S=O и S-OH Подгруппа Азота ( часов) 4Положение химических элементов подгруппы в П.С.Х.Э.* Строение их атомов. Аммиак. Образование аммония. Влияние симметрии распределения электронов в молекуле на ее химические свойства. Обзор содержания курса химии 8-11 классов КлассКласс N, Тема, (общее количество часов) - Кол - во у у ро- ков Изучаемые объекты, явления, п п роцессы Проблемы моделирования

9 5. Подгруппа углерода (7ч.) 3Положение химических элементов подгруппы в П.С.Х.Э.* Строение их атомов. Аллотропия углерода. Оксиды углерода. Симметрия распределения электронов в атоме и молекулах. 9 6.Общие свойства металлов (3ч.) 2Положение химических элементов подгруппы в П.С.Х.Э.* Строение их атомов. Влияние положения электронов в атоме на химические свойства вещества. 9 7.Металлы главных подгрупп 1и 3 группы (4-6ч.) 1-2Взаимодействие кальция с водой. Реакции на концентрации ионов кальция и бария. Демонстрация электронного строения ионов Обобщение знаний по курсу неорганической химии (4ч.) 2Периодический закон. Строение вещества. Демонстрация электронного строения различных атомов и веществ. 10 Повторение Периодического закона и П.С.Х.Э. Д.И. Менделеева в свете учения о строении атома. Атомарное строение вещества. Электронное строение атома. Строение электронных оболочек. Влияние распределения электронов в атоме на химические свойства вещества. 10 Теория химического строения органических соединений. Электронная природа химических связей (15ч.). 10Порядок соединения и взаимного влияния атомов в молекуле. Изомерия. Распределение электронов в атомах элементов малых периодов. Форма и структура электронных оболочек. Причина образования различных видов связей. Образование валентных углов. Обзор содержания курса химии 8-11 классов КлассКласс N, Тема, (общее количество часов) - Кол - во у у ро- ков Изучаемые объекты, явления, п п роцессы Проблемы моделирования

10 2. Предельные углеводороды (7ч.) 5Характер химических связей и гомологический ряд метана. Пространственное строение предельных углеводородов. Изомеризация. Взаимные влияния атомов в молекулах галогенопроиз- водных углеводородах. Пространственное строение молекулярных оболочек. Объяснение причин образования определённых валентных углов в молекулах. Изготовление моделей молекул, отражающих электронное строение Непредельные углеводороды (7-9 ч.) 7Этилен. Двойная связь. Гомологический ряд этанола. Ацетилен. Тройная связь. Гомологический ряд ацетилена. Моделирование процессов: горения (окисления), присоединения водорода и галогенов, полимеризации Ароматические углеводороды (4-5ч.) 3Электронное строение молекулы бензола. Химические реакции замещения и присоединения. Планарное строение молекул (образование электронами параллельных плоскостей) Спирты и фенолы (6- 7ч.) 3Строение предельных одноатомных спиртов. Функциональная группа, ее электронное строение. Строение фенолов. Наглядные модели, иллюстрирующие электронное строение молекул спиртов, фенолов. 10 ПовторениеСтроение и свойства органических веществ, изученных классов. Электронное строение молекул органических веществ. Обзор содержания курса химии 8-11 классов КлассКласс N, Тема, (общее количество часов) - Кол - во у у ро- ков Изучаемые объекты, явления, п п роцессы Проблемы моделирования

Амины (5ч.)1Молекула аммиака.Электронное строение молекулы Обобщение знаний по курсу органической химии (2ч.) Общие закономерности образования связей, их особенности и отличия. Электронное строение молекул органических веществ. 11 Основы Общей химии. 2. Периодический закон и П.С.Х.Э. Д. И. Менделеева на основе учения о строении атомов (4ч.) 4Строение электронных оболочек атомов элементов малых периодов. Особенности строения атомов химических элементов больших периодов. Периодическое изменение валентности и размеров атомов. Оксиды и водородные соединения. Изображение электронных оболочек атомов элементов малых и больших периодов. Строение электронных оболочек сложных атомов. Влияние электронного строения атомов на химические свойства веществ Строение вещества (7ч.) 4Химические связи: ионные, ковалентные, металлические и водородные. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи. Характеристики химических связей: длина, энергия. Пространственное строение молекулярных веществ. Демонстрация образования электронных оболочек химических соединений с различными видами связей. Влияние электронного строения на химические свойства веществ Металлы (8ч.)2Положение металлов в П.С.Х.Э. Д.И. Менделеева. Особенности электронного строения их атомов. Особенности строения электронных оболочек металлов. Особенности металлической связи Неметаллы (8ч.)6Строение простых веществ (неметаллов, водородные соединения неметаллов, оксиды, кислоты) Строение электронных оболочек соединений с различными видами химических связей. Обзор содержания курса химии 8-11 классов КлассКласс N, Тема, (общее количество часов) - Кол - во у у ро- ков Изучаемые объекты, явления, п п роцессы Проблемы моделирования

Классификация моделей МатериальныеИдеальные СтатическиеДинамические Раздаточные Демонстрационные По виду По способу применения По типу представления информации По степени коммуникативности ПассивныеИнтерактивные Функциональные Структурные По характеру взаимодействия сторон оригинала

Виды моделей МатериальныеИдеальные Объемные: Скелетные; Шаро- стержневые; Масштабные Стюарта – Бриглеба; Орбиталь- ные разборные. Плоские: Аппликации; Фишечные; Магнитные; Фланеле- граф (липучки). Мысленные (образные): Резерфорда - Бора; Электронных пар Гилеспи; Квантово- механическая. Символи- ческие (знаковые): Электронных пар (стрелки); Структурные схемы; Графические схемы. МОДЕЛИ

Формирование комплекса моделей Объект, явление Отбор информации для обучения Популяризация сведений об объекте Ученический эксперимент Демонстрационный химический эксперимент Научные данные, теоретические обоснования Естественно-научный эксперимент Модельный эксперимент Дидактический образ-модель Разделение по доминантным признакам. Проектирование моделей

Педагогико-эргономические требования к проектированию моделей Адаптивность (приспособленность) Информативность (содержание) Доступность (популярность) Совместимость (преемственность) Комплементарность (дополнительность) Инструментальность (технологичность) Интерактивность (взаимодействие) Научность (достоверность) Проектирование моделей

Примеры кольцегранных моделей

Возможности комплекса с включением кольцегранных моделей при формировании понятия устойчивости электронных оболочек Введение и повторение: информация о наличии в атоме частиц, имеющих разные заряды, массы и размеры: модели Томсона и Резерфорда-Бора. Межпредметные связи с физикой. Разделение электронов в атоме по оболочкам: электронные схемы. Устойчивость электронных оболочек, определяющих вид Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Демонстрация объединения электронов в атомные оболочки с помощью кольцегранных моделей. Взаимодействие электронов в оболочке: орбитальные модели, модели Гиллеспи. Проверка устойчивости оболочек проведением модельного эксперимента. Присущие электрону свойства: отрица- тельный заряд и «спин»: «+» и «–». Разные модели электрона: шарик, точка, кольцо, орбиталь.

Кадр из обучающей программы «Глобус атома», часть 1

Кадр из обучающей программы «Глобус атома», часть 2

Кольцегранная модель атома: кадр демонстрационной ознакомительной программы « GENETICS»

Состав комплекса моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы Скелетные и шаростержневые МасштабныеКольцегранныеОрбитальные Исторические Модели электрона; электронные схемы Электронны х пар Гиллеспи Квантово-механические представления и основы спектроскопии Основы квантовой химии Набор моделей атомов со стержнями для составления моделей молекул Набор для составления объёмных моделей молекул (по Стюарту – Бриглебу) Набор для моделирования строения атомов и молекул «Кольцегранник» Набор орбитальных моделей Пособия на печатной основеЭкранные средства ВидеозаписиКомпьютерные программы Таблицы Материальные модели Схемы, плоские аппликации Наборы средств модельной наглядности

Изменения в содержании Способы и средства достижения результата Достигаемый результат Изменения содержания обучения и ожидаемые результаты 1. Связать движение электрона в виде точки в планетарной модели атома с движением распределенного отрицательного заряда по замкнутому контуру в электронной оболочке атома. 1. Изображение электрона в атоме гибким кольцом (или замкнутым контуром), размер которого определяет размер атома. Используются кольца разного цвета, двуцветные, магнитные, кольца с символическим обозначением направления движения, фрагменты колец. 1. За счёт совмещения корпускулярно- волновых свойств электрона в одной модели избегаем множественного переопределения электрона, то в виде точки, или маленького шара, то в виде орбитали или электронного облака. 2. Дать определение спин электрона (присущего электрону свойства внутреннего вращения), связав его с движением заряда электрона внутри атома по замкнутому контуру, сообщающее электрону магнитный момент в атоме. 2. Изобразить спин в виде вектора, приложенного к центру кольца, изображающего электрон, перпендикулярно его плоскости. Направление вектора определяется в зависимости от направления движения заряда по кольцу по правилу буравчика. 2. Наглядное и простое обозначение свойства внутреннего вращения электрона – спин избавляет от противоречия между наличием движущейся заряженной частицы в атоме и отсутствием излучения, которым должно сопровождаться её движение. 3. Открывается новая возможность рассмотрения взаимодействия электронов внутри атомной оболочки (в виде упрощенных моделей электрона в виде кольцевых магнитов или замкнутых контуров с током). 3.Использовать для моделирования оболочек магнитные кольца, или кольца двух цветов (красного и синего), или же двуцветные кольца (красно – синие), обозначающие магнитные свойства модели электрона, аналогично кольцевому магниту. 3. Наглядная демонстрация образования в атоме устойчивых оболочек («электронных поверхностей» вокруг ядра атома), а также возможность проведения модельного эксперимента проверки их устойчивости. Объясняются ранее постулируемые свойства устойчивости оболочек.

Изменения в содержании Способы и средства достижения результата Достигаемый результат Изменения содержания обучения и ожидаемые результаты 4. Рассмотрение стремления оболочек к завершенной форме как следствия взаимодействия электронов в оболочке с учетом их свойств «спин» и стремления к образованию наиболее правильных симметричных форм. 4. Построение кольцегранных моделей электронных оболочек из моделей электронов в виде колец с учётом чередования их свойства спин, обозначаемого цветом колец. Модельный эксперимент выявления наиболее устойчивых оболочек в атоме. 4. Возможность показа как устойчивых (завершенных), так и незавершенных оболочек. Демонстрация зависимости свойств элементов от вида его электронной оболочки. Объяснение понятия периодичности на примере заполнения электронных слоёв в атоме. 5. Моделирование процессов образования ионов из нейтральных атомов, определяемое взаимодействием электронов в атомных оболочках. 5.Составление объёмных моделей ионов из плоских колец (моделей электронов) 5. Объяснение и модельная демонстрация процессов образования ионов с завершенными оболочками из нейтральных атомов, имеющих незавершенные оболочки. 6. Пространственное моделирование электронных поверхностей молекул с различными видами связей. 6.Проведение фронтальных работ построения моделей молекул в виде модельных экспериментов. 6. Демонстрация и объяснение образования ковалентных полярных и неполярных связей. Изучение особенностей их электронного строения.

Примерное тематическое планирование содержания раздела «Строение вещества. Химическая связь» Содержание вопроса Методические приёмы и организационные формы обучения Использование комплекса и его компонентов 1Исторические модели строения атома Рассказ и демонстрация сложного строения атома, его ядра и электронных оболочек. Таблица 1. «Исторические модели строения атома». Разные модели атома. 2Состав и важнейшие характеристики атома. Устойчивые электронные оболочки. Модельный эксперимент по проверке устойчивости электронных оболочек, проводимый с помощью раздаточного набора «Кольцегранник». Компьютерный урок с использованием демонстрационных или обучающих программ. Таблица 2. «Строение атома». Раздаточный набор «Кольцегранник». Обучающая компьютерная программа «Глобус атома» часть 1. 3Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева; Изучение общего вида периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Демонстрация фрагмента фильма, посвященного строению вещества. Компьютерный урок. Видеофильм «Путешествие в Наномир». Компьютерная обучающая программа «Глобус атома» часть 2. Кольцегранные модели. 4Строение и свойства элементов первого и второго периодов Рассказ и демонстрация моделей.Таблица 3. «Электронные оболочки атомов». Кольцегранные и орбитальные модели. 5Галогены. Строение атомов элементов 7А группы Фронтальная работа по моделированию электронной оболочки галогенов Лабораторная работа 1е, 2. Раздаточный набор «Кольцегранник»

Содержание вопроса Методические приёмы и организационные формы обучения Использование комплекса и его компонентов 6Ионная связь, её образование. Заряды ионов. Понятие степени окисления. Составление кольцегранных моделей ионов с использованием уже собранных моделей галогенов. Использование таблицы 7. «Ионная связь». Раздаточный набор «Кольцегранник» 7Неполярные и полярные ковалентные связи. Простые и сложные вещества. Фронтальные работы по моделированию процессов образования химических связей (H 2, HCl, Cl 2 ). Использование таблицы 8. «Ковалентная связь». Раздаточный набор «Кольцегранник». 8Углерод. Строение атома и проявление валентности. Строение молекулы метана. Рассказ. Проведение фронтальных работ по моделированию метана. Таблица 4. «Модели строения веществ». Кольцегранные, орбитальные и масштабные модели. 9Вода. Электронное строение молекулы H 2 O. Геометрия молекул. Демонстрации. Проведение фронтальных работ по моделированию молекул воды. Ответы на вопросы. Таблица 4. «Модели строения веществ». Раздаточный набор «Кольцегранник». 10Одноатомные спирты.Лабораторная работа 11. Изготовление моделей метилового и этилового спиртов: CH 3 OH, C 2 H 5 OH Кольцегранные и масштабные модели. Набор «Кольцегранник». 11Подгруппа кислорода. Аллотропия серы и кислорода. Рассказ и обращение к таблице периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Кольцегранные и орбитальные модели. Раздаточный набор «Кольцегранник». Примерное тематическое планирование содержания раздела «Строение вещества. Химическая связь»

Содержание вопроса Методические приёмы и организационные формы обучения Использование комплекса и его компонентов Примерное тематическое планирование содержания раздела «Строение вещества. Химическая связь» 12Неорганические кислотыРассказ о кислотах, сопровождаемый демонстрацией. Для закрепления материала проведение практической работы. Практическая работа 8. «Строение молекулы серной кислоты (H 2 SO 4 )». Раздаточный набор «Кольцегранник» 13Виды ковалентных связей.Демонстрации и рассказ. Проведение практической работы: «Построение моделей кислорода (O 2 ) и углекислого газа (CO 2 )» Таблица 8. «Ковалентная связь». Масштабные и кольцегранные модели. 14Предельные и непредельные углеводороды. Алкены, алкины. Демонстрация и построение графических схем и моделей этилена, ацетилена (C 2 H 2 ). Лабораторная работа 14. «Построение модели ацетилена (C 2 H 2 )». 15Ароматические углеводороды. Строение молекул. Практическая работа 12: Моделирование молекулы бензола (C 6 H 6 ). Скелетные, кольцегранные и масштабные модели.

Оценка информативности компонентов комплекса Информационные блоки (фрагменты информации) Электрон- ные схемы Скелетны е модели Масштаб- ные модел и Кольцегра н- ные модели Орбиталь- ные модел и 1. Модельное представление электрона и его свойств Взаимодействие электронов в оболочке атома; Образование электронных оболочек; Проверка устойчивости электронных оболочек; Распределение электронов в атоме по оболочкам; Окислительно- восстановительные свойства элементов; Степень окисления и валентность; Изучение разных видов ковалентных связей; Направленность связей в молекулах Средний балл

Оценка компонентов комплекса по показателю освоенности (подготовленности учителя к использованию) Информационные блоки (фрагменты информации) Электрон- ные схем ы Скелетны е модели Масштаб- ные модел и Кольцегран - ные модели Орбиталь- ные модел и 1. Модельное представление электрона и его свойств Взаимодействие электронов в оболочке атома; Образование электронных оболочек; Проверка устойчивости электронных оболочек; Распределение электронов в атоме по оболочкам; Окислительно-восстанови- тельные свойства элементов; Степень окисления и валентность; Изучение разных видов ковалентных связей; Направленность связей в молекулах Средний балл

Оценочный профиль педагогической эффективности компонентов комплекса Показатели качества Средняя оценка в баллах Электрон- ные схемы Скелетны е модели Масштаб- ные модели Кольцегран- ные модели Орбиталь- ные модели Информативност ь Доступность Затраты времени Освоенность Средний общий балл

Педагогическая эффективность комплекса Информационные блоки (фрагменты информации) Показатели Информатив- ность Доступность восприятия Затраты времени Освоенность 1. Модельное представление электрона и его свойств Взаимодействие электронов в оболочке атома; Образование электронных оболочек; Проверка устойчивости электронных оболочек; Распределение электронов в атоме по оболочкам; Окислительно-восстанови- тельные свойства элементов; Степень окисления и валентность; Изучение разных видов ковалентных связей; Направленность связей в молекулах Средний балл