实验活动8 搭建球棍模型认识有机化合物分子（教学设计）化学人教版必修第二册

实验活动8 搭建球棍模型认识有机化合物分子 一、知识目标 1.加深对有机化合物碳原子成键特点的认识，能准确描述甲烷()、乙烷()、乙烯()、乙炔()等常见烃的分子结构特点。 2.初步掌握使用球棍模型研究有机化合物分子结构的方法，能独立搭建简单烃分子的球棍模型。 3.能根据搭建的模型归纳碳原子的成键特征，区分不同烃分子中的化学键类型，能利用模型分析简单有机化合物的同分异构现象。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从微观层面认识有机化合物分子的空间结构，建立碳原子成键特点与分子空间结构的关联，提升从微观角度认识物质结构的能力。 2.证据推理与模型认知：通过模型搭建探究分子结构的过程，建立模型研究有机结构的认知思路，体会模型法在化学研究中的重要作用，发展证据推理与模型认知素养。 3.科学探究与创新意识：通过分组实验搭建模型、合作探究问题，提升实验探究与合作交流能力，能主动探究含个碳原子的烃的可能结构，培养创新探究意识。 一、教学重点 1.加深对有机化合物分子结构的认识，掌握使用球棍模型研究物质结构的方法。 二、教学难点 1.利用球棍模型理解结构式与分子空间结构的关系，掌握使用模型探究有机结构的方法。 本实验是学生学习完烃的基础结构知识后的实践探究活动，既承接了前文所学的碳原子成键特点、常见烃的结构等理论知识，又为后续学习同分异构体、烃的衍生物结构等内容打下认知基础，是落实“模型认知”化学核心素养的重要载体。本实验活动要求学生通过动手操作，加深对有机化合物分子结构的认识，初步掌握模型研究物质结构的科学方法。教材采用阶梯式任务设计，从搭建最简单的甲烷模型，到对比搭建乙烷、乙烯、乙炔，最后通过问题讨论深化认知，符合学生从简单到复杂的认知规律，突出对学生科学探究能力与空间思维的培养，突出了实验探究在有机化学学习中的作用。 学生已经在第七章前几节学习了碳原子的成键特点、常见烃的分子式与结构式，具备了搭建模型的理论基础，且刚接触有机化学，对动手探究类实验活动有较高的参与兴趣。但学生此前接触的多是平面书写的结构式，对有机分子的真实空间结构缺乏直观认知，整体空间想象能力不足：比如多数学生仅从平面结构式判断，会误认为二氯甲烷存在两种同分异构体，对碳原子成键的多样性、不同键型对分子空间结构的影响也缺乏深入理解。此外，学生对“模型法”这种化学研究的常用方法还没有形成系统认知，本实验恰好可以将抽象的空间结构具体化，帮助学生打通平面结构式与真实空间结构的联系，完善对有机化合物结构的认知。 教学环节一 新课导入 【学生活动展示】昨天老师给大家布置了一个课前小任务：用手边的橡皮泥、牙签，搭建一个你熟悉的简单有机物分子模型，相信很多同学都完成了自己的创作。现在哪位同学愿意上台展示你的作品，给大家说一说你做的是什么分子，搭建的时候你是怎么把原子连接起来的呢？（预留1-2分钟，邀请2-3位学生上台展示分享，对学生的作品给予肯定和鼓励） 【播放视频】展示自己的创作 【问题驱动引课】非常感谢几位同学的分享，大家做得都很棒！我们都知道，目前人类发现和合成的有机化合物已经超过了一亿种，种类远远多于无机化合物，大家有没有想过，有机物为什么能有这么多的种类呢？其实这个问题的答案，就藏在碳原子的成键特点里。 我们一起来思考两个核心问题： ①碳原子要达到8电子稳定结构，需要形成几个共价键？ ②碳原子之间、碳原子和其他原子成键时，都有哪些不同的连接方式呢？ 我们肉眼无法直接观察到微观的分子结构，科学家研究微观结构时，常用“模型建构”的方法，把看不见摸不着的抽象结构变得直观可感。今天我们就通过动手搭建球棍模型，一起认识有机化合物的分子结构特点，探究有机物种类繁多的奥秘。 【设计意图】 1.激发兴趣，提升参与度：通过课前动手搭建、课上展示分享的活动，给学生提供了展示自我的机会，能充分调动学生的积极性，让抽象的微观分子结构转变为学生亲手创作的实物，将复杂知识变得具体有趣，快速吸引学生进入课堂情境。 2.引发探究欲望：从“有机化合物种类远多于无机物”这个学生已知的事实出发，抛出核心问题，引发学生的好奇心和探究欲，自然过渡到本节课对碳原子成键特点、有机分子结构的探究，契合本课“问题驱动”的教学思路。 3.贴合教学目标：本节课的重点难点都是让学生掌握用模型研究物质结构的方法，导入环节就通过学生的自主动手活动，提前渗透了模型研究的方法，让学生直观感知模型在微观结构研究中的作用，为后续分组实验探究活动做好了铺垫。 教学环节二 有机化合物分子结构的特点 任务1：请同学们复习有机化合物分子结构的特点 【引入】我们已经知道，目前人类发现和合成的有机化合物已经超过几千万种，远远多于无机物，为什么有机化合物种类这么丰富呢？核心原因和碳原子的成键特点有关。我们来思考第一个问题：碳原子要达到8电子稳定结构，需要形成几个共价键？碳原子之间又有哪些不同的连接方式呢？ 【交互课件】有机化合物分子结构的特点 【问题】请同学们结合之前学习的知识，分组讨论2分钟，回答两个问题： 1.碳原子的价电子数是多少？要达到稳定结构需要形成几个共价键？ 2.碳原子之间成键时，有哪些成键类型和连接形式？ 【学生思考】（小组代表发言） 1.碳原子原子序数为，原子核外最外层有个价电子，所以需要形成个共价键才能达到8电子稳定结构。 2.碳原子之间可以共用1对、2对、3对电子，分别形成单键、双键、三键；而且碳原子不仅能和氢、氧等其他原子成键，碳原子之间还可以连接成长链，也能连成环状。 。 【讲解】非常好，我们一起来整理有机化合物分子结构的核心特点： 1.碳原子含有个价电子，可跟其他原子形成个共价键； 2.碳原子之间的成键类型：可以通过一对、两对或三对共用电子对结合，分别形成碳碳单键、碳碳双键、碳碳三键； 3.碳原子的骨架特点：碳原子之间既可以形成链状（包括直链，也可以带支链），还可以形成环状结构；需要注意，碳链不是直线形，实际为锯齿状。 【教师追问】：我们认识有机物结构，常用的分子模型有哪两种？它们各有什么特点？ 【学生思考】：学生回答：有空间填充模型和球棍模型！空间填充模型最能反映分子的真实结构，球棍模型可以清楚看到原子的连接和键的类型 【总结讲解】 一、有机化合物分子结构的特点 1.复习有机化合物分子结构的特点 ⑴碳原子含有4个价电子，可跟其它原子形成4个共价键 ⑵碳原子之间可以通过一对、两对或三对共用电子对相结合 ⑶碳原子之间还可以形成链状（直链或支链）或环状结构 ⑷链状：不是直线，锯齿状 2.有机化合物的分子模型: ①空间填充模型 ②球棍模型 【设计意图】通过问题驱动回顾旧知，梳理有机物结构的核心规律，为后续动手搭建模型打好理论基础，同时引发学生探究兴趣，明确本节课的研究任务，符合从已知到未知的认知规律。 教学环节三 搭建球棍模型 任务1：请同学们分组实验搭建球棍模型。 【引入】球棍模型是我们研究有机物结构非常重要的工具，今天我们就通过动手搭建球棍模型，直观深入地认识有机化合物的结构。 【情景引入】 我们已经明确了碳原子的成键规则，接下来请大家利用桌上的球棍模型套件（若没有套件可使用提前准备的橡皮泥、牙签：橡皮泥捏成不同大小的球代表原子，牙签代表共价键），我们一步步探究几种常见烃的结构。 【实验用品】 分子结构模型（或橡皮泥、黏土、泡沫塑料、牙签等代用品）。 任务2：请同学们填写下表，并搭建甲烷分子的球棍模型 。 【师生活动】 【教师布置任务】请同学们填写甲烷结构表格，再搭建甲烷的球棍模型，时间3分钟。 【学生活动】填写表格，动手搭建：甲烷分子式，结构特点为：正四面体空间结构，碳原子位于中心，个氢原子位于个顶点；个是极性键，键长相等；个键角相等，为，完成模型搭建。 【教师评价】：请小组代表展示模型，强调：注意不要将甲烷错搭为平面正方形结构，我们后续会通过实验验证甲烷的空间结构。 【总结讲解】 二、搭建球棍模型 1. 填写下表，并搭建甲烷分子的球棍模型。 甲烷 分子式 结构式 CH4 结构特点 ①正四面体空间结构，碳原子位于中心，4个氢原子位于4个顶点。 ②4个C-H是极性键，键长相等。 ③4个C-H之间的夹角（键角）相等，都是109°28′。 任务3：请同学们填写下表，并搭建乙烷、乙烯和乙炔分子的球棍模型，比较三者的空间结构。 【师生活动】 【教师布置任务】：请各组完成下表，分别搭建乙烷、乙烯、乙炔的球棍模型，对比三者空间结构的差异，时间5分钟。 【学生活动】：分组填写、搭建，完成后交流：乙烷分子式，结构式​ ，为立体结构，含1个碳碳单键、6个键，所有氢原子位置等价； 乙烯分子式，结构式 ，含1个碳碳双键，为平面结构，所有原子共平面，键角约，4个氢原子位置等价； 乙炔分子式，结构式，含1个碳碳三键，为直线形结构，所有原子共线，键角，2个氢原子位置等价。 【教师总结】：大家通过搭建已经直观感受到：碳碳键的类型直接决定分子的空间结构，碳碳单键可以旋转，对应立体结构；双键、三键不能旋转，对应平面、直线形结构，这个直观认知对我们后续学习有机化学非常重要。 【总结讲解】 二、搭建球棍模型 2. 填写下表，并搭建乙烷、乙烯和乙炔分子的球棍模型，比较三者的空间结构。 乙烷  乙烯  乙炔 分子式 结构式 分子式 结构式 分子式 结构式 C2H6 C2H4 C2H2 H—C≡C—H 结构特点 结构特点 结构特点 ①立体结构 ②1个分子内有1个C-C（非极性键）和6个C-H（极性键） ③6个氢原子的位置相同 ①平面结构 键角：120° ②1个分子内有1个C=C（非极性键）和4个C-H（极性键） ③4个氢原子的位置相同 ①直线结构 键角：180° ②1个分子内有1个C≡C（非极性键）和2个C-H（极性键） ③2个氢原子的位置相同 任务4：请同学们分组讨论下列问题。 【师生活动】 【教师布置任务】：我们已经完成了四种烃的模型搭建，接下来分组讨论8分钟，探究三个问题： 1.通过以上搭建，归纳碳原子的成键特征和不同碳键的类型； 2.根据二氯甲烷的结构式推测它是否有同分异构体，动手搭建模型验证，说说结构式和分子空间结构的关系； 3.分子中含有4个碳原子的烃可能有多少种不同结构？动手搭建探究。 【学生讨论展示】：1.碳原子成键特征：最外层4个电子，一定形成4个共价键，可以和碳原子、其他非金属原子成键；键的类型：单键含1个键，双键含1个键1个键，三键含1个键2个键。 2.如果甲烷是平面正方形，二氯甲烷会有2种同分异构体（两个氯邻位、对位）；但我们搭建出甲烷是正四面体，任意两个氢被氯取代后结构都相同，所以二氯甲烷只有一种，没有同分异构体。说明结构式只能表示原子的连接顺序，不能反映分子真实的空间结构，必须通过空间模型才能认识真实结构。 3.我们搭建出的4个碳的烃有：烷烃（正丁烷、异丁烷）；烯烃（1-丁烯、2-丁烯、2-甲基丙烯）；炔烃（1-丁炔、2-丁炔）；环烷烃（环丁烷、甲基环丙烷）；二烯烃（1,3-丁二烯）；还有烯炔，种类很多。 【教师总结点评】：非常好，大家通过动手探究自己得出了结论：正是因为碳原子成键方式、连接方式多样，才造就了有机物种类的多样性；而模型方法可以把微观不可见的分子结构直观化，是我们研究物质结构的重要方法。 【总结讲解】 二、搭建球棍模型 3. 问题和讨论 ⑴通过以上有机物分子球棍模型的搭建，归纳碳原子的成键特征和各类烃分子中的化学键类型 。 碳原子结构 最外层有4个电子，可形成4个共价键 成键原子 碳原子可与碳原子、其他非金属原子成键 成键形式 (1)单键：都是σ键； (2)双键：一个σ键，一个π键； (3)三键：一个σ键，两个π键 ⑵根据二氯甲烷的结构式推测其是否有同分异构体，并通过搭建球棍模型进行验证，体会结构式与分子空间结构之间的关系。 二氯甲烷可看作是甲烷中的2个氢原子被2个氯原子所代替的产物，与甲烷的结构相似，故其不存在同分异构体。 ⑶分子中含有4个碳原子的烃可能有多少种结构？ 【设计意图】通过分组实验、动手搭建、问题驱动的方式，让学生自主建构有机结构的核心认知，落实本节课的教学目标，突破“用模型研究物质结构”这一重难点，培养学生动手探究和合作讨论的能力。 一、有机化合物分子结构特点 1.碳原子成键特点 ⑴1个碳原子可形成4个共价键 ⑵碳碳之间可形成单键、双键、三键 ⑶可形成链状或环状结构 2.常见分子模型 空间填充模型：最能反映真实结构 球棍模型：用于探究空间结构 二、搭建球棍模型实验探究 1.典型分子搭建 甲烷（正四面体） 乙烷（立体结构） 乙烯（平面结构） 乙炔（直线结构） 2.问题讨论结论 ⑴归纳碳原子成键特征与化学键类型 ⑵验证二氯甲烷无同分异构体 ⑶探究含4个碳原子烃的多种结构 1．某期刊封面上有一个有机物的球棍模型，如图所示，图中“棍”代表单键、双键或三键。不同颜色的球表示氢、碳、氧原子，其中绿球代表（   ） A．氮原子 B．氢原子 C．氧原子 D．碳原子 【答案】D 【解析】由图可知，绿球周围最多可连接四个“棍”，且“棍”可代表单键、双键或三键，因此可判断绿球所代表的是碳原子，D符合题意。 答案选D。 2．有K、M、N三种烃，其球棍模型如图所示，下列说法错误的是 A．K和N结构相似，互为同系物 B．除去K中混有的M，可通入酸性溶液 C．M能与溴水发生加成反应使其褪色 D．等质量三种烃完全燃烧，消耗最多的是K 【答案】B 【解析】A．K和N分别为甲烷和乙烷，二者都属于烷烃，结构相似，且分子组成上相差1个“CH2”，二者互为同系物，A正确； B．除去K(CH4)中混有的M(CH2=CH2)，若通入酸性溶液，M(CH2=CH2)被氧化生成的CO2混在K(CH4)中，从而引入了新的杂质，B错误； C．M为乙烯，CH2=CH2分子中含有碳碳双键，能与溴水发生加成反应使其褪色，C正确； D．三种烃的最简式分别为CH4、CH2、CH3，CH4中含H量最高，则等质量三种烃完全燃烧，消耗最多的是K(CH4)，D正确； 故选B。 3．某化学小组搭建了以下球棍模型，其中表示乙醇分子的是 A．B．C． D． 【答案】D 【解析】A．表示丙烷，结构简式为，故A错误； B．表示乙烯，结构简式为，故B错误； C．表示乙酸，结构简式为，故C错误； D．表示乙醇，结构简式为，故D正确； 故选D。 6．两种常见烃①②的球棍模型如图所示，下列叙述错误的是 A．庚烷与①互为同系物 B．可以用酸性高锰酸钾溶液将二者区分开 C．可以用溴水除去①中混有的②杂质 D．等质量的①②充分燃烧时，②消耗的更多 【答案】D 【分析】由题中球棍模型可知，①为乙烷，②为乙烯，据此作答。 【解析】A．①为乙烷，与庚烷互为同系物，A项正确； B．乙烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，而乙烯含有碳碳双键，可以被酸性高锰酸钾溶液氧化断键，从而使酸性高锰酸钾溶液褪色，B项正确； C．乙烷不能与溴水反应，但乙烯可以与溴水发生加成反应生成油状液体，因此可以用溴水除去乙烷中的乙烯，C项正确； D．烃在足量的氧气中充分燃烧的化学方程为，假设质量都为1g，则乙烷的物质的量为，由以上可知，消耗消耗的量为，乙烯的物质的量为，消耗消耗的量为，所以消耗的量最多的是①乙烷，D项错误； 故选D。 本节课是实验探究课，以学生分组动手搭建模型为核心，通过问题驱动引导学生自主探究，落实了碳原子成键特点、有机物空间结构的核心知识，学生参与度高，能直观体会模型法在化学研究中的作用，突破了有机物空间结构理解的难点。但教学中发现，部分空间想象能力较弱的学生，仍对结构式与真实空间结构的差异理解不到位，部分小组搭建进度慢，探究4个碳原子烃的结构环节不够充分。后续教学可提前优化分组搭配，课前布置预习任务，预留充足探究时间，补充动画演示辅助学生理解空间结构，提升教学效果。 / 学科网（北京）股份有限公司 $