单元教学设计9分子结构与性质-高中化学单元教学设计

>> 160 单元教学设计 9  分子结构与性质  ★ 一、单元教学主题确定 《普通高中化学课程标准（2017 年版 2020 年修订）》明确提出“结构决定性质” 是化学学科的核心观念，是“宏观辨识与微观探析”核心素养的具体表现形式。选 择性必修 2《物质结构与性质》模块作为中学化学物质结构理论体系的核心，全面阐 释了中学阶段物质结构理论的知识框架。该模块的主要功能是促进学生物质结构微 观认识能力的形成与发展，帮助学生形成“结构微粒”—“微粒间的相互作用”— “微粒的空间分布”—“结构与性质的关系”这一认识物质结构的一般程序。围绕“结 构决定性质”这一学科大概念，依据课标关于选择性必修模块“微粒间的相互作用 与物质的性质”的主题内容要求，结合教材关于选修阶段“分子结构与性质”的教 学内容，抽提出“分子的组成与结构决定物质性质”这一学科次级大概念，该次级 大概念指向化学学科的研究对象与基本问题，凸显了化学学科的本质与特征。 将“分子的组成与结构决定物质性质”这一学科次级大概念下涵盖的“微粒间 的相互作用决定分子的性质”“微粒在空间的分布决定分子的性质”等核心概念及其 下属的概念群，包括“共价键”“分子间作用力”“解释、预测分子的空间构型”“分 子的空间构型”，划分为一个单元的整体教学复习，符合课标要求，顺应学生发展 “宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”化学学科核心素养的需要。 “结构决定性质，性质反映结构”这一化学核心观念，在有机化学的研究和学习 中有着特殊的意义。《物质结构与性质》模块的学习为有机化学的学习奠定了坚实的 理论基础，同时种类繁多的有机化合物也为“分子结构与性质”的概念复习提供了 丰富的事实依据。以有机化合物为载体，复习“分子结构与性质”可以深化学生对 　单元教学设计 9  分子结构与性质　 161 << 物质结构理论的认识，使学生在具体应用中建构分子结构与物质性质的关系，同时 为学生掌握有机化学的相关内容打开了新的认识视角。  ★ 二、单元教学内容分析 （一）在教材中的地位和作用 “分子结构与性质”位于人教版教材选择性必修 2《物质结构与性质》的第二章， 包括“共价键”“分子的空间结构”“分子结构与物质的性质”等核心概念。教材以 “分子组成—分子结构—分子性质”为线索，从微观到宏观对知识点进行编排，引导 学生对物质组成、结构、性质及其变化进行更加深入的研究，形成了一个完整的知 识体系。 微粒间的相互作用包括多种相互作用力，如化学键和分子间作用力等，化学键 的性质突出反映了物质结构对物质性质的决定作用，而共价键的本质和特征是微粒 间的相互作用中较为重要的一种类型，是共价晶体中的主要相互作用，也决定了绝 大多数分子晶体的结构与化学性质。通过单元整体教学复习，学生不仅能了解现代 价键理论，还能解释和预测常见分子的空间结构，认识分子间作用力，在分子水平 建构物质结构与性质的关系，为掌握物质变化的规律奠定基础。 “分子结构与性质”不仅有效衔接了教材中的“原子结构与性质”“晶体结构与 性质”，还对有机化学的复习具有特殊的指导意义。基于共价键的饱和性、共价键的 极性、不同基团间的相互影响等结构视角，解释并预测不同种类的有机物可能发生 的化学反应，能够有效帮助学生建构结构与反应类型、结构与物质性质的关系。通 过认识分子中原子或原子团在空间的分布情况不同而形成的立体异构现象，以及由 此导致的分子在某些性质上的差异，学生可以认识到分子的空间结构对分子性质的 影响。 （二）在教学中的地位和作用 化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的科 学，人教版选择性必修 2《物质结构与性质》从原子、分子、晶体三个不同的层面构 >> 162 　高中化学单元教学设计　 建认识物质结构的视角，探索构成物质的奥秘，揭示“结构决定性质，性质决定转 化及应用”的学科本质特征。“分子结构与性质”单元，基于分子的形成，从分子的 结构微粒及其相互作用，到这些微粒间的相互作用对分子空间构型的影响，再到分 子的结构微粒、微粒间的相互作用、分子的空间构型三者对分子性质的影响，进行 整体教学复习，使学生能够在分子水平上，从分子结构的视角认识物质的性质，进 一步形成“结构决定性质”的基本化学观念，提升“宏观辨识与微观探析”“证据推 理与模型认知”化学学科核心素养，还有助于学生理解物质变化的本质，为后续专 业化发展奠定基础。  ★ 三、单元教学学情分析 （一）学生已有知识与能力 1. 知识层面 在初中和高中必修阶段，学生对原子结构有了初步认识，知道共价键及其分类； 了解了一些分子的空间结构；知道了同一物质在不同溶剂中的溶解性不同；知道了 化学反应的热效应与化学键的断裂与形成有关。 通过选择性必修２第一章“原子结构与性质”的单元复习，学生掌握了能级、 ｓ能级和ｐ能级的电子云轮廓图、前 36 号元素基态原子的核外电子排布式和轨道表 示式、元素的电离能、电负性及变化规律，为认识化学键的本质、研究分子结构、 理解“结构决定性质”奠定了基础。 在新授课阶段，通过对“分子结构与性质”的学习，学生能说出共价键的类型、 特征与区别；能利用键参数解释物质的某些性质；能利用价层电子对互斥模型和杂 化轨道理论预测和解释某些简单的共价分子的空间结构；能利用电负性判断共价键 的极性，能根据共价分子的结构特点说明简单分子的某些性质；能说明分子间作用 力（含氢键）对物质熔沸点的影响，能根据键的极性和分子结构特点来判断分子的 极性，并据此对分子的一些典型性质做出相应的解释。 通过新授课《有机化学基础》的学习，学生能描述甲烷、乙烯、乙炔的分子结 构特征，能判断有机化合物分子中碳原子的饱和程度、键的类型，分析键的极性； 　单元教学设计 9  分子结构与性质　 163 << 能依据有机化合物分子的结构特征分析简单有机化合物的某些化学性质；能够列举 各类有机化合物的典型代表物的主要物理性质；能举例说明立体异构现象。 2. 能力层面 高三年级的学生，思维活跃，求知欲强，已经具备了一定的分析问题和解决问 题的能力，逻辑思维能力和空间想象能力较高二年级时有了进一步的发展，记忆水 平和感知能力也有了进一步的提升，这些能力为“分子结构与性质”的单元整体教 学复习奠定了良好的基础。 （二）学生学习障碍点 由于“分子结构与性质”这一单元的概念零散、知识点繁杂，加上新授课距离 一轮复习时间久远，因此学生头脑中关于这部分内容的印象是模糊的、是散点式的， 是碎片化的，是没有逻辑性和结构化的。如何通过合适的学习情境和学习任务，将 头脑中凌乱的知识理清楚，将知识的逻辑关系理顺，将知识结构化，应用分子结构 模型分析和解决物质性质的问题，进而建构从分子层次认识物质结构与性质的关系， 成为学生学习的障碍点。 （三）学生学习发展点 高三学生已经完成了高中化学所有新授课的学习，这为一轮复习的顺利进行提 供了丰富的感性知识和复习素材，学生头脑中可以链接的内容是丰富的、多点的， 这些为本单元的复习奠定了基础，是学生学习的发展点。本单元的复习，旨在让学 生将头脑中模糊的、零散的、碎片的知识结构化、逻辑化、系统化，最终在分子水 平上，从分子结构的视角认识物质的性质，基于分子的组成与结构，构建分子结构 分析物质性质的理论模型，进一步形成“分子的基本结构决定物质的性质”的基本 观念，发展化学学科核心素养。  ★ 四、本单元的概念层级 第 9 单元的概念层级如图 9-1 所示。 >> 164 　高中化学单元教学设计　 图 9-1　第 9 单元的概念层级图  ★ 五、单元教学目标设计 1. 通过分析典型物质的分子结构与性质，复习共价键的本质、特征、类型， 能利用键参数解释物质的某些性质；能运用杂化轨道理论解释简单共价分子和 离子的空间结构，能运用价层电子对互斥模型预测简单微粒的空间结构；能依 据键的极性和分子的空间构型判断分子的极性，并据此对分子的一些典型性质 及应用做出解释，了解分子的手性，知道范德华力和氢键是常见的分子间作用力， 能说明二者对物质熔点、沸点等性质的影响。 2. 通过对分子结构与性质相关内容的复习与回顾，进一步形成“分子的组 成与结构决定物质性质”的化学学科基本观念，学会应用分子结构分析物质性 质的理论模型解决实际问题。 3. 基于众多事实，感受分子结构的多样性；通过对不同理论模型的分析， 体会各种模型的适用范围和局限性；通过分析分子结构预测物质性质，感受“结 　单元教学设计 9  分子结构与性质　 165 << 构决定性质”的化学核心观念；通过预测和解释物质的性质，体会物质结构理 论的学习对元素化合物和有机化学部分学习的指导意义。  ★ 六、单元教学评价目标设计 1. 通过基于典型有机物中共价键的成键类型、成键特点、键的极性视角， 分析物质可能具备的化学性质，诊断并发展学生对微粒间的相互作用力决定物 质性质的认识水平。 2. 通过解释和预测某些分子的空间结构，诊断并发展学生运用 VSEPR 模 型和杂化轨道理论解决问题的能力和水平。 3. 通过基于共价键的极性和分子的空间结构视角，分析分子的极性、手性 等与物质性质的关系，诊断并发展学生认识“分子结构决定物质性质”的能力 和水平。 4. 通过解释和预测某些有机物的物理性质，诊断并发展学生对分子间作用 力（范德华力和氢键）对物质性质影响的认识水平。  ★ 七、单元整体教学框架 第 9 单元的整体教学框架如图 9-2 所示。 >> 166 　高中化学单元教学设计　 图 9-2　第 9 单元的整体教学框架图  ★ 八、单元整体教学流程 （一）第 1课时：微粒间的相互作用决定分子的性质 【板块一】（分子内原子间）共价键对分子性质的影响。 【教学情境】不同类别的有机物具有不同的化学性质，通常与共价键是否饱和、 共价键的极性有着密切的关系。若有机物分子中有不饱和键，在加成反应中反应活 　单元教学设计 9  分子结构与性质　 167 << 性较强，但苯及其同系物的性质大不相同。共价键是否具有极性及极性的强弱程度 对有机化合物的性质有着重要的影响，但键的极性受分子中临近基团或外界环境的 影响，因此其强弱程度可能会发生变化。 【任务 1】乙烯和乙炔都能与溴发生加成反应，请写出反应的化学方程式，并说 明在反应中乙烯、乙炔断裂什么类型的共价键，为什么该类型的共价键更易断裂？ 【学生活动】独立书写、小组交流。乙烯和乙炔与溴发生加成反应时，断裂的是 C‖C、C ≡ C 中的 π 键，相较于 σ 键的头碰头重叠，π 键是肩并肩重叠，重叠 程度小，键能低，在反应中更易断裂，发生加成反应。 【任务 2】试从共价键的角度解释苯在化学反应中不易发生加成反应的原因。 【学生活动】小组交流、汇报。苯分子中存在由 6 个碳原子各提供一个 2p 电子 形成的离域大 π 键，该大 π 键与烯烃和炔烃中 π 键不同，在化学反应中不易断裂， 使苯分子结构稳定，较难发生加成反应。 【任务 3】列举溴乙烷能发生的化学反应，指出反应过程中溴乙烷分子中的哪些 化学键发生了断裂并分析断键的原因。你还能举出其他类似的例子吗？ 【学生活动】小组交流、汇报。溴乙烷能发生取代反应生成乙醇，能发生消去反 应生成乙烯，反应中主要断裂 C—Br 键。这是因为 C—Br 键是典型的极性共价键， 在化学反应中表现出较强的活性。除了卤代烃，醇、酚类物质中的 O—H 键、C—O 键，醛、酮类物质中的 C=O 键、羧酸类物质中的 C=O 键、O—H 键、C—O 键都 是极性较强的共价键，在化学反应中，这些共价键的活性高，易断裂。 【任务 4】以乙醛为例，试从结构的角度分析下列事实：分子内含有 α-H 的醛在 一定条件下可发生加成反应，生成 β- 羟基醛，该产物易失水，得到 α-β- 不饱和 醛。这类反应称为羟醛缩合反应，是增长碳链的常用方法。 【学生活动】独立思考、小组交流。 CH CHO + C H CHO CH C HOH C H CHO CH C H = C HCHO + H O3 3 3 2 3 2 α α α → →催化剂 催化剂 β β ∆ 在乙醛分子中醛基邻位碳原子上的氢原子（α-H）受 C=O 吸电子基的影响， 具有一定的活性，可与另一个乙醛分子中的醛基发生加成反应，得到 β- 羟基醛， 该产物中 C—O 键极性较强，可与分子中的 α-H 发生消去反应最终得到 α-β- 不 饱和醛。 【任务 5】已知萃取剂 P O O O OH 和 PO O OH HO 均能与 In3+ 形 >> 168 　高中化学单元教学设计　 成配合物，但前者的配位能力更强，可将 In3+ 从 InCl3 溶液中萃取出来，请从结构的 角度推测可能的原因。 【学生活动】独立思考、小组交流汇报。对比两种配体发现，前者分子中烃基的 数目多于后者，烃基的推电子作用使与 P 原子相连的氧原子的电子云密度增大，更 容易给出孤对电子，因此配位能力更强。 【设计意图】基于共价键的饱和性和极性视角，分析不同类别的有机物表现出的 化学性质，帮助学生建构微粒间的相互作用决定分子化学性质的分析模型。 【板块二】分子间作用力对分子性质的影响。 【教学情境】不同类别的有机化合物表现出不同的物理性质，这种差异与分子间 作用力也有着密切的关系。通常，同一类别的有机物的物理性质呈现出相似性和递 变性。 【任务 6】请从结构的角度分析烷烃随碳原子数的增加，熔、沸点逐渐升高的 原因。 【学生活动】独立思考、小组交流汇报。烷烃是一类组成和结构相似的有机化合 物，熔沸点受范德华力的影响，随碳原子数的增加，相对分子质量逐渐增大，范德 华力逐渐增强，因此熔、沸点逐渐升高。 【任务 7】甲醇与乙烷、乙烯的相对分子质量相近，但甲醇的沸点要高得多，乙 醇也有类似表现，请从结构的角度分析可能的原因。 【学生活动】独立思考、小组交流汇报。甲醇虽然与乙烷、乙烯的相对分子质量 相近，但甲醇分子中的 O—H 键的极性较强，使甲醇分子间可以形成氢键，分子间 氢键的存在使甲醇的沸点明显升高。乙醇与甲醇类似。 【任务 8】试比较邻羟基苯甲酸和对羟基苯甲酸的沸点，并从氢键的角度加以 解释。 【学生活动】独立思考、小组交流汇报。邻羟基苯甲酸和对羟基苯甲酸相比，前 者能形成分子内氢键，后者形成分子间氢键，因而前者的沸点低于后者。 【设计意图】基于范德华力和氢键的视角，分析常见有机物的某些物理性质，帮 助学生建构分子间作用力决定分子某些物理性质的分析模型。 （二）第2课时：微粒在空间的分布决定分子的性质 【板块一】预测、解释分子的空间结构。 【教学情境】不同的分子具有不同的空间结构。烷烃分子中的碳链呈折线，乙烯 分子为平面形，乙炔为直线形，苯分子中所有原子共平面。 　单元教学设计 9  分子结构与性质　 169 << 【任务 1】请利用杂化轨道理论，解释甲烷、乙烯、乙炔、苯分子的空间结构。 独立思考、小组交流。甲烷中的碳原子为 sp3 杂化，分子为正四面体形，键 角 109°28′。乙烯分子中两个碳原子均为 sp2 杂化，分子中所有原子共平面，由于 C=C 与 C—H 键的斥力比 C—H 键与 C—H 键的斥力大，所以分子中 H—C—H 键 角比 H—C—C 键角略小。乙炔分子中两个碳原子均为 sp 杂化，分子中所有原子在 一条直线上，键角为 180°。苯分子中所有碳原子均为 sp2 杂化，分子中所有原子共平 面，键角为 120°。 【任务 2】请预测甲醛分子的空间结构，并指出分子中碳原子的杂化类型。 独立思考、小组汇报。应用 VSEPR 模型分析甲醛分子：3+1/2（4-1×1-3×1） =3，所以甲醛分子的空间结构为平面三角形。 【任务 3】苯乙烯分子中最多有几个原子共平面？最多几个原子共直线？ 【学生活动】独立思考、小组汇报。苯乙烯分子中，苯基和乙烯基中的碳原子均 为 sp2 杂化，结构中的所有原子均可共平面，所以最多有 16 个原子共平面，共直线 的最多有 4 个原子。 【设计意图】通过解释、预测简单有机物分子的空间结构，复习 VSEPR 模型和 杂化轨道理论，感受不同理论在实际应用中的适用性和局限性。 【板块二】分子的空间结构对分子性质的影响。 【教学情境】 （1）同分异构现象是有机物种类繁多的原因之一。有机物分子中的原子或原子 团的连接顺序相同，但原子或原子团在空间排布情况不同就会造成立体异构现象， 顺反异构和手性异构（对映异构）是有机物中常见的两种立体异构。 （2）烃类物质、酯类物质都难溶于水，易溶于苯、乙醚等有机溶剂。 （3）含有两种或两种以上配位体的配合物，若配体在空间的排列方式不同，就 能形成不同几何构型的配合物。 【任务 4】与顺式脂肪酸相比，反式脂肪酸更加稳定，能够在高温和氧气存在的 情况下保持稳定性，试从结构的角度解释原因。 【学生活动】独立思考、小组汇报。从结构上来看，顺式脂肪酸中两个长长的烃 基位于 C=C 的同侧，空间位阻比较大，分子呈曲线形，而反式脂肪酸分子中两个烃 基位于 C=C 的两侧，空间位阻小，能量更低，分子更稳定。 【任务 5】止痛药布洛芬是 D- 异构体和 L- 异构体的外消旋混合物，起止痛效果 的是L-布洛芬，但人体内可以将D型转化为L型，指出布洛芬分子中的手性碳原子。 布洛芬的结构式如图 9-3 所示。 >> 170 　高中化学单元教学设计　 OH O 图 9-3　布洛芬的结构式 【学生活动】独立完成。 【任务 6】从结构的角度分析烃类、酯类物质难溶于水易溶于有机溶剂的原因。 【学生活动】独立思考、小组汇报。可用“相似相溶”原理解释。烃类、酯类物 质多为极性较小的分子，而水分子是典型的极性分子，因此烃类、酯类物质不易溶 于水，更易溶于苯、四氯化碳等非极性溶剂。 【任务 7】从结构的角度分析，饱和一元醇随碳原子数的增加在水中溶解性的变 化规律。 【学生活动】独立思考、小组汇报。饱和一元醇可以看作水分子中的一个 H 被烷 基取代后的产物。当烷基较小时，醇分子与水分子形成氢键使醇与水互溶；随分子 中烷基所含碳原子数增多，醇的物理性质逐渐接近烷烃，在水中的溶解度逐渐减小， 甚至不溶。 【任务 8】甘氨酸铜中，与铜配位的四个原子共平面，顺式甘氨酸铜能溶于水， 反式甘氨酸铜难溶于水。请从结构的角度解释可能的原因。顺式甘氨酸铜与反式甘 氨酸铜的结构式如图 9-4 所示。 O O Cu Cu CH 2 CH 2 NH 2 NH 2 C C C CH 2 C H 2 C H 2 N H 2 NO O O O O O 图 9-4　顺式甘氨酸铜与反式甘氨酸铜的结构式 【学生活动】独立思考、小组汇报。顺式甘氨酸铜分子极性大，反式甘氨酸铜分 子极性较小。 【设计意图】通过分析原子或原子团在空间的分布不同所形成的顺反异构和手性 异构现象，了解互为立体异构关系的物质表现的不同性质，建构微粒在空间的分布 决定分子性质的分析模型。 　单元教学设计 9  分子结构与性质　 171 <<  ★ 九、教学反思 本案例围绕“结构决定性质”这一学科大概念，抽提出“分子的组成与结构决 定分子性质”这一次级学科大概念，结合课标要求和教材内容，将“微粒间的相互 作用决定分子的性质”和“微粒在空间的分布决定分子的性质”核心概念确定为课 时教学主题，每一课时均由 2 个板块构成，通过若干教学任务驱动依次展开。教学 中以有机化合物为载体，通过创设合适的教学情境，分析常见有机物的性质及变化 规律，帮助学生梳理微粒间的相互作用力—共价键和分子间作用力，微粒在空间的 分布情况—应用理论模型解释和预测分子的空间结构，并基于以上两个视角分析分 子的性质，建构“分子的组成与结构决定分子性质”的认知模型，帮助学生在真实 的问题情境中应用模型分析解决实际问题，既紧扣化学学科核心观念，又有利于发 展学生“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。