第三单元 人类对原子结构的认识（教学设计） 化学苏教版2019必修第一册

该高中化学教学设计聚焦原子核构成、核素同位素、核外电子排布规律及化合价与电子排布关系，通过切割苹果想象、德谟克利特与惠施物质可分性观点对比，搭建从古代哲学到近代科学史的学习支架，引导学生梳理原子结构认识历程。 以科学史为主线（道尔顿到电子云模型）培养科学思维，通过原子结构示意图绘制、同位素应用分析落实科学探究与实践，结合氢弹材料等实例渗透科学态度与责任，帮助学生构建微观认知体系，为教师提供重难点突破的阶梯式教学方案。

第三单元 人类对原子结构的认识 一、知识目标 1.掌握原子核的构成，明确在原子中核电荷数质子数核外电子数，理解质量数质子数中子数，能进行有关质量数、质子数、中子数、核外电子数的计算。 2.了解核素、同位素的概念，知道同种元素的原子质子数相同但中子数不一定相同。 3.掌握核外电子排布规律，知道电子按能量高低分层排布，每层最多容纳电子数为个，能用原子（离子）结构示意图表示号元素的核外电子排布，理解微粒的核电荷数与电子数的关系。 4.理解元素的化合价、化学性质与原子核外电子排布的关系，知道活泼金属与活泼非金属反应时电子得失情况及化合价的变化。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观物质的性质和变化出发，深入探究原子的微观结构，理解原子结构与元素性质之间的内在联系。 2.证据推理与模型认知：通过对原子结构相关实验证据的分析，建立原子结构的模型，如道尔顿模型、汤姆生模型、卢瑟福模型等，理解人类对原子结构认识的发展历程。 3.科学探究与创新意识：了解科学家对原子结构的探索过程，体会科学探究的艰辛与乐趣，培养创新思维和探究精神。 一、教学重点 原子核的构成、核素与同位素的概念、核外电子排布规律、元素化合价与核外电子排布的关系。 二、教学难点 对核素、同位素概念的理解，以及运用核外电子排布规律分析元素的化学性质和化合价。 本节教学内容出自苏教版2019必修第一册专题2第三单元《人类对原子结构的认识》。本单元内容在高中化学知识体系中占据着重要地位，它是学生深入理解物质结构和性质的基础，对于后续化学知识的学习具有承上启下的关键作用。 本单元围绕人类对原子结构的认识历程展开，详细介绍了原子核的构成、核外电子排布规律以及元素的化合价等核心内容。教材首先通过回顾人类认识原子结构的漫长历程，让学生了解科学家们是如何逐步揭开原子结构的神秘面纱，培养学生的科学思维和探究精神。接着深入讲解原子的构成，包括原子核、质子、中子和电子等，明确了核电荷数、质子数、核外电子数之间的关系，以及质量数的概念。同时，引入核素和同位素的概念，拓宽了学生对原子的认识。在核外电子排布规律部分，介绍了电子分层排布的特点和规律，以及如何用原子结构示意图表示核外电子排布，这有助于学生理解元素的化学性质与原子结构的内在联系。最后，探讨了元素的化合价与核外电子排布的关系，进一步加深学生对化学变化本质的理解。 教学对象是初高中阶段的学生，处于知识和思维的快速发展时期。在初中化学的学习中，学生已经对原子的概念有了初步的了解，但对原子的内部结构和核外电子排布等知识的认识还比较模糊和肤浅。在思维方式上，学生正从形象思维向抽象思维过渡，需要通过具体的实例和直观的模型来帮助他们理解抽象的化学概念。 由于学生已经具备了一定的化学基础知识，对化学实验和科学探究有一定的兴趣，因此在教学过程中可以充分利用这些优势，引导学生积极参与课堂讨论和实验探究，激发他们的学习热情。同时，要考虑到学生之间的个体差异，对于学习能力较强的学生，可以提供一些拓展性的学习内容，满足他们的学习需求；对于学习有困难的学生，要给予更多的关注和指导，帮助他们克服学习障碍。此外，在教学中要注重与初中化学知识的衔接，逐步引导学生构建完整的化学知识体系，培养学生的化学学科核心素养。 教学环节一 新课导入 【引导学生想象】同学们，现在请大家闭上眼睛，发挥你们的想象力。假如有一把超级锋利的刀，我们用它来切割一个苹果，一刀、两刀、三刀……不停地切下去，最后会得到什么呢？（给学生一些时间进行想象，然后让几位学生分享自己的想法） 【介绍古代哲学观点】大家的想法都很有创意。早在公元前460年，古希腊哲学家德谟克利特就思考过类似的问题。他指出，物质是由不可分割的微粒构成的。原子这个词就源自希腊语单词“atomos”，由“a - ”（无）和“tomos”（切割）组成，意为“不可分割”。德谟克利特认为物质并非是连续的，而是由无数个微小的、不可分割的粒子——原子构成的。就好像一场无尽的舞会，只有在舞者（原子）不断旋转、碰撞中，才能形成美妙的舞蹈（物质）。 【对比不同观点】而在战国时期，我国古代先贤惠施说过：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”他认为物质是无限可分的。 【提出问题】那么，物质到底是由不可分割的原子构成，还是可以无限分割下去呢？人类对原子结构的认识又是怎样一步步发展的呢？带着这些疑问，让我们一起走进今天的学习——人类对原子结构的认识。 设计意图 激发学生兴趣：通过引导学生想象切割苹果的过程，激发学生的好奇心和想象力，使学生积极参与到课堂讨论中来，提高他们的学习兴趣。 联系历史文化：介绍德谟克利特和惠施关于物质构成的不同观点，将化学知识与古代哲学思想相联系，让学生了解到人类对物质结构的思考由来已久，增加知识的趣味性和文化底蕴。 引发思考，导入新课：提出关于物质是否可分以及人类对原子结构认识的问题，引发学生的思考，自然地过渡到本节课的主题，让学生明确学习方向，带着问题去探索新知识，提高学习的主动性和积极性。 教学环节二 原子核的构成 活动一 人类认识原子结构的历程 【引入】人类探索自然界奥秘的一个重要方面是研究物质的微观结构。古希腊哲学家德谟克利特（Democritus）曾经在公元前460年指出，物质是由不可分割的微粒构成的，原子便是源自希腊语单词“atomos”，由“a - ”(无)和“tomos”(切割)组成，意为“不可分割”。而我国战国时期古代先贤惠施说过：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”他认为物质是无限可分的。那原子到底能不能再分呢？接下来我们一起了解人类认识原子结构的历程。 【问题】请同学们阅读教材相关内容，梳理不同时期科学家对原子结构的认识及提出的模型。 【学生思考】1. 19世纪初英国科学家道尔顿（J. Dalton）提出了原子学说，他认为物质由原子组成，原子不能被创造，也不能被毁灭，它们在化学变化中不可再分割，提出了实心球式模型。 1. 1897年，英国物理学家汤姆生在研究阴极射线时，发现了电子，并提出了原子的“葡萄干布丁”模型，即电子均匀嵌入原子球的模型。 1. 1911年，英国物理学家卢瑟福（E. Rutherford）用α粒子轰击金箔，推测原子存在一个中心的“核”，称为原子核，提出了“有核模型”或“行星模型”。 1. 1913年，玻尔发现电子只能采取围绕原子核的一定的轨道运行，能级最低的轨道最靠近核心，电子能够在这些轨道之间跃迁，提出了新的原子结构模型。 1. 20世纪末和21世纪初，电子云模型出现，电子云是用小黑点疏密来表示空间各电子出现概率大小的一种图形，表示电子在核外空间某处出现的机会，不代表电子的运动轨迹，小黑点的疏密表示出现机会的多少，密则机会大，疏则机会小。 【讲解】评价、强调：从道尔顿的实心球式模型到近代量子力学电子云式模型，人类对原子结构的认识是一个不断发展和深化的过程。每一个新模型的提出都是基于新的实验事实和研究成果，这也体现了科学研究的不断进步和探索精神。 设计意图 通过介绍不同时期科学家对原子结构的认识，让学生了解科学发展的历程，培养学生的科学思维和探索精神，同时为后续学习原子的构成等知识奠定基础。 【对应训练1】下列关于原子结构模型的说法中，正确的是（ ） A. 道尔顿的原子学说认为原子是可以再分的 B. 汤姆生的“葡萄干布丁”模型认为原子内部是均匀的 C. 卢瑟福的“有核模型”认为电子在原子核内运动 D. 玻尔的原子模型认为电子只能在特定的轨道上运动 【答案】D 【解析】道尔顿的原子学说认为原子不能被创造，也不能被毁灭，它们在化学变化中不可再分割，A选项错误；汤姆生的“葡萄干布丁”模型认为电子均匀嵌入原子球，并非原子内部均匀，B选项错误；卢瑟福的“有核模型”认为电子在原子核外高速运动，C选项错误；玻尔的原子模型认为电子只能采取围绕原子核的一定的轨道运行，D选项正确。 【对应训练2】在人类对原子结构的认识历程中，不同的模型依次出现的顺序是（ ） ①道尔顿实心球式模型 ②汤姆生葡萄干面包式原子模型 ③卢瑟福行星运转式原子模型 ④玻尔轨道式原子模型 ⑤近代量子力学电子云式模型 A. ①②③④⑤ B. ⑤④③②① C. ②①③④⑤ D. ①③②④⑤ 【答案】A 【解析】人类对原子结构的认识是不断发展的，按照时间顺序依次为道尔顿实心球式模型、汤姆生葡萄干面包式原子模型、卢瑟福行星运转式原子模型、玻尔轨道式原子模型、近代量子力学电子云式模型，所以答案选A。 活动二 原子的构成 【引入】通过前面的学习，我们了解了人类认识原子结构的历程，知道原子并不是不可再分的。那么原子到底是由哪些部分构成的呢？ 【问题】请同学们阅读教材相关内容，思考原子是由哪些微粒构成的，以及这些微粒之间有什么关系。 【学生思考】1. 原子由原子核和核外电子构成，原子核由质子和中子构成。 1. 在原子中，核电荷数 = 质子数 = 核外电子数，质子带正电，电子带负电，中子不带电。 1. 质量数：将核内所有质子和中子的相对质量取近似整数值相加所得数值，质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)，电子的质量很小，原子的质量主要集中在原子核上。 【讲解】评价、强调：我们用符号(_Z^A X)来表示原子，其中(A)表示质量数，(Z)表示质子数。相对原子质量≈质子数 + 中子数，质量数是原子的近似相对原子质量。 设计意图 让学生明确原子的构成及各微粒之间的关系，为后续学习核素、同位素等概念打下基础，培养学生的归纳总结能力。 【对应训练1】已知某原子的质量数为(A)，质子数为(Z)，则该原子的中子数为（ ） A. (A - Z) B. (A + Z) C. (Z - A) D. (Z) 【答案】A 【解析】根据质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N)，可得中子数(N = A - Z)，所以答案选A。 【对应训练2】某微粒用(_Z^A R^{n +})表示，下列关于该微粒的叙述中正确的是（ ） A. 所含质子数( = A - n) B. 所含中子数( = A - Z) C. 所含电子数( = Z + n) D. 质量数( = Z + A) 【答案】B 【解析】质子数为(Z)，A选项错误；中子数(N = A - Z)，B选项正确；阳离子的核外电子数( = Z - n)，C选项错误；质量数为(A)，D选项错误。 活动三 核素和同位素 【引入】我们已经知道了原子的构成，那是不是所有同种元素的原子都完全一样呢？接下来我们学习核素和同位素的概念。 【问题】请同学们阅读教材相关内容，思考什么是核素，什么是同位素，并举例说明。 【学生思考】1. 核素：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子，一种核素就是一种原子，如氢元素有三种原子：氕、氘、氚，它们各为一种核素。 1. 同位素：质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素，如碳元素有三种同位素(_6^{12}C)、(_6^{13}C)、(_6^{14}C)。 【讲解】评价、强调：同位素的化学性质几乎相同，但物理性质可能有所不同。同时，不同的同位素在生活和科研中有不同的用途，如氘和氚是制造氢弹的材料，铀 - 235是制造原子弹的材料和核反应堆的燃料，碳 - 12作为相对原子质量及阿伏加德罗常数的标准，碳 - 14在考古学中测定生物死亡年代。 设计意图 让学生理解核素和同位素的概念，区分两者的不同，了解同位素在实际生活中的应用，拓宽学生的知识面。 【对应训练1】下列关于核素和同位素的说法中，正确的是（ ） A. 核素就是同位素 B. 同位素是指质子数相同而中子数不同的微粒 C. 互为同位素的原子化学性质几乎相同 D. 质子数相同的微粒一定是同位素 【答案】C 【解析】核素是具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子，同位素是质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子，A选项错误；同位素是指原子，不是微粒，B选项错误；互为同位素的原子质子数相同，最外层电子数相同，化学性质几乎相同，C选项正确；质子数相同的微粒不一定是同位素，如(H_2O)和(NH_3)质子数相同，但不是同位素，D选项错误。 【对应训练2】下列各组微粒中，互为同位素的是（ ） A. ({14}N)和({14}C) B. ({16}O)和({18}O) C. (H_2O)和(D_2O) D. (O_2)和(O_3) 【答案】B 【解析】同位素是质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子。({14}N)和({14}C)质子数不同，A选项错误；({16}O)和({18}O)质子数相同，中子数不同，互为同位素，B选项正确；(H_2O)和(D_2O)是化合物，不是原子，C选项错误；(O_2)和(O_3)是单质，互为同素异形体，D选项错误。 教学环节三 核外电子排布规律 活动一 核外电子分层排布 【引入】我们已经知道原子是由原子核和核外电子构成的，那么核外电子是如何分布的呢？接下来我们学习核外电子的分层排布。 【问题】请同学们阅读教材相关内容，思考核外电子是如何分层排布的，以及各电子层最多能容纳多少个电子。 【学生思考】1. 电子按能量高低在核外分层排布，电子层越高，电子的能量越高，电子层由内到外依次为(K)、(L)、(M)、(N)、(O)、(P)、(Q)层，能量关系为(E(K)＜E(L)＜E(M)＜E(N)＜E(O)＜E(P)＜E(Q))。 1. 每层最多容纳电子数为(2n^2)个，如(K)层最多容纳(2)个电子，(L)层最多容纳(8)个电子，(M)层最多容纳(18)个电子等。 【讲解】评价、强调：核外电子总是先排布在能量较低的电子层，然后再依次排布在能量较高的电子层。 设计意图 让学生了解核外电子分层排布的规律，为后续学习原子结构示意图和元素的化学性质等知识做好铺垫。 【对应训练1】某元素原子的核外电子层排布为(K)层(2)个，(L)层(8)个，(M)层(5)个，则该元素原子的最外层电子数为（ ） A. (2) B. (5) C. (8) D. (15) 【答案】B 【解析】原子的最外层是离原子核最远的电子层，该元素原子(M)层为最外层，有(5)个电子，所以答案选B。 【对应训练2】下列关于核外电子分层排布的说法中，错误的是（ ） A. 电子总是先排布在能量较低的电子层 B. (N)层最多能容纳的电子数为(32)个 C. 各电子层最多容纳的电子数为(2n)个 D. 电子层越高，电子的能量越高 【答案】C 【解析】各电子层最多容纳的电子数为(2n^2)个，C选项错误；电子总是先排布在能量较低的电子层，A选项正确；(N)层(n = 4)，最多能容纳的电子数为(2^2 = 32)个，B选项正确；电子层越高，电子的能量越高，D选项正确。 活动二 原子结构示意图 【引入】为了更直观地表示原子的核外电子排布，人们常用原子结构示意图来表示。那么原子结构示意图是如何绘制的呢？它又有什么意义呢？ 【问题】请同学们阅读教材相关内容，学习原子结构示意图的绘制方法，并绘制氧原子和镁原子的结构示意图。 【学生思考】1. 原子结构示意图中，圆圈表示原子核并标明核电荷数，圆圈外的每一段弧线代表不同的电子层，数字代表该电子层中的电子数。 1. 氧原子的质子数为(8)，核外电子排布为(K)层(2)个，(L)层(6)个；镁原子的质子数为(12)，核外电子排布为(K)层(2)个，(L)层(8)个，(M)层(2)个。 【学生绘制】画出氧原子和镁原子的结构示意图。 【讲解】评价、强调：原子结构示意图中质子数等于核外电子数，而离子结构示意图中质子数与核外电子数不相等。阴离子的核外电子数＝质子数 + 电荷数，阳离子的核外电子数＝质子数 - 电荷数。 设计意图 让学生掌握原子结构示意图的绘制方法，理解其含义，能够区分原子结构示意图和离子结构示意图，培养学生的绘图能力和分析能力。 【对应训练1】下列原子结构示意图中，正确的是（ ） 【答案】C 【解析】A选项中(L)层最多容纳(8)个电子，该图(L)层画了(10)个电子，错误；B选项中(M)层作为最外层最多容纳(8)个电子，该图(M)层画了(9)个电子，错误；D选项中(K)层最多容纳(2)个电子，该图(K)层画了(1)个电子，还应再排(1)个，错误；C选项正确。 【对应训练2】某粒子的结构示意图为 ，则该粒子可能是（ ） A. 原子 B. 阳离子 C. 阴离子 D. 以上都有可能 【答案】D 【解析】当质子数等于核外电子数时，该粒子为原子；当质子数大于核外电子数时，该粒子为阳离子；当质子数小于核外电子数时，该粒子为阴离子，所以该粒子以上三种情况都有可能，答案选D。 活动三 元素的化合价 【引入】我们知道元素在形成化合物时会表现出一定的化合价，那么元素的化合价与原子核外电子排布有什么关系呢？接下来我们一起探究。 【问题】请同学们阅读教材相关内容，分析(Na)、(Mg)分别与(O_2)、(Cl_2)反应生成氧化物和氯化物的过程，思考元素的化合价与原子得失电子的关系。 【学生思考】1. (Na)原子最外层有(1)个电子，与(O_2)、(Cl_2)反应时容易失去(1)个电子，形成(Na^+)，在化合物中显( + 1)价；(Mg)原子最外层有(2)个电子，与(O_2)、(Cl_2)反应时容易失去(2)个电子，形成(Mg^{2 +})，在化合物中显( + 2)价。 1. (O)原子最外层有(6)个电子，与(Na)、(Mg)反应时容易得到(2)个电子，形成(O^{2 -})，在化合物中显(-2)价；(Cl)原子最外层有(7)个电子，与(Na)、(Mg)反应时容易得到(1)个电子，形成(Cl^ -)，在化合物中显(-1)价。 【讲解】评价、强调：在活泼金属单质与活泼非金属单质的反应中，金属元素的原子失去电子，形成阳离子，在生成的化合物中呈现正化合价；非金属元素的原子得到电子，形成阴离子，在生成的化合物中呈现负化合价。活泼金属原子的最外层电子数较少，与活泼非金属反应时容易失去电子，形成稳定的电子层结构；活泼非金属原子的最外层电子数较多，与活泼金属反应时容易得到电子，形成稳定的电子层结构。 设计意图 让学生理解元素的化合价与原子核外电子排布的关系，培养学生的分析推理能力，加深对元素化学性质的理解。 【对应训练1】某元素原子的最外层电子数为(2)，则该元素在化合物中（ ） A. 一定 第三单元 人类对原子结构的认识 一、原子核的构成 （一）人类认识原子结构的历程 1.道尔顿实心球式模型 2.汤姆生葡萄干面包式原子模型 3.卢瑟福行星运转式原子模型 4.玻尔轨道式原子模型 5.近代量子力学电子云式模型 （二）原子的构成 原子 · 原子核 · 质子（带正电） · 中子（不带电） · 电子（带负电） 核电荷数 = 质子数 = 核外电子数 质量数(A)＝质子数(Z)＋中子数(N) （三）核素 定义：具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子 （四）同位素 定义：质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子 二、核外电子排布规律 （一）核外电子分层排布 1.电子层越高，电子的能量越高 2.每层最多容纳电子数：2n²个 （二）原子结构示意图 表示原子的核外电子排布 （三）元素的化合价 活泼金属失电子呈正价，活泼非金属得电子呈负价 1.判断正误 (1)原子呈电中性是因为中子不带电。(　) (2)质子数和中子数决定原子的质量。(　) (3)原子的质量数就是原子的相对原子质量。(　) (4)微粒中的质子数与核外电子数一定相等。(　) (5)某氯原子中子数是 18，则其质量数是 35，核外电子数是 17。(　) 1. A 元素的原子最外层电子数是 a，次外层电子数是 b；B 元素的原子 M 层电子数是 a－b，L 层电子数是 a＋b，则 A、B 两元素形成化合物的化学式最可能表示为(　　) A．B₃A₂ B．BA₂ C．A₃B₂ D．AB₂ 1. 下列说法不正确的是(　　) A．某微粒核外电子排布为 2、8、8 结构，则该微粒不一定是氩原子 B．最外层电子达到稳定结构的微粒只能是稀有气体的原子 C．F⁻、Na⁺、Al³⁺是与氖原子具有相同电子层结构的离子 D．某元素原子的最外层只有 2 个电子，则该元素可能是金属元素 在本次教学中，通过回顾人类认识原子结构的历程，逐步引导学生了解原子的构成、核素、同位素等概念，以及核外电子的排布规律。从学生的课堂反应来看，大部分学生对原子结构的发展历程表现出了浓厚的兴趣，这有助于激发他们的学习热情。 然而，在教学过程中也发现了一些问题。例如，部分学生对质量数、质子数、中子数和核外电子数之间的计算关系理解不够透彻，在做相关练习题时出现了较多错误。在讲解原子结构示意图和元素化合价的关系时，部分学生难以将抽象的概念与实际的化学反应联系起来。 针对这些问题，在今后的教学中，我会加强对重点和难点知识的讲解，多举一些实际例子帮助学生理解。同时，增加课堂互动环节，及时了解学生的学习情况，调整教学节奏和方法，以提高教学效果。 2 学科网（北京）股份有限公司 $