《人類對原子結(jié)構(gòu),認(rèn)識》高中化學(xué)教案

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一、學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.通過原子布局模型蛻變的學(xué)習(xí)，了解原子布局模型蛻變的歷史，了解科學(xué)家探索原子布局的艱苦過程。熟悉測驗(yàn)、假說、模型等科學(xué)方法對化學(xué)研究的作用。體驗(yàn)科學(xué)測驗(yàn)、科學(xué)思維對創(chuàng)造性工作的重要作用。

2.了解鈉、鎂、氯等常見元素原子的核外電子排布處境，知道它們在化學(xué)回響過程中通過得失電子使最外層達(dá)成8電子穩(wěn)定布局的事實(shí)。通過氧化鎂的形成了解鎂與氧氣回響的本質(zhì)。了解化合價(jià)與最外層電子的關(guān)系。

3.知道化學(xué)科學(xué)的主要研究對象，了解化學(xué)學(xué)科進(jìn)展的趨勢。

二、重點(diǎn)、難點(diǎn)

重點(diǎn)：原子布局模型的進(jìn)展蛻變

鎂和氧氣發(fā)生化學(xué)回響的本質(zhì)

難點(diǎn)：鎂和氧氣發(fā)生化學(xué)的本質(zhì)

三、設(shè)計(jì)思路

本課設(shè)計(jì)先讓學(xué)生描繪自己的原子布局模型，繼而追隨科學(xué)家的腳步，通過交流議論，逐步探討各種原子布局模型存在的問題，并提出提升觀法，讓學(xué)生主動參與人類探索原子布局的根本歷程，同時(shí)也可體會科學(xué)探索過程的艱苦曲折。通過鎂和氧氣形成氧化鎂的微觀本質(zhì)的透露，初步熟悉化學(xué)家眼中的微觀物質(zhì)世界。

四、教學(xué)過程

[導(dǎo)入]觀看視頻：掃描隧道顯微鏡下的一粒沙子。今天我們還將進(jìn)入更加微觀的層次，了解人類對于原子布局的熟悉。你認(rèn)為我們可以通過什么樣的方法去熟悉原子的內(nèi)部布局呢？

直接法和間接法，直接法努力的方向是查看技術(shù)的提高和查看工具的提升，而間接法那么憑借精良的測驗(yàn)和大膽的假設(shè)。事實(shí)上直到今天即使借助掃描隧道顯微鏡也無法查看到原子的內(nèi)部布局，所以在人們熟悉原子布局的過程中，測驗(yàn)和假設(shè)以及模型起了很大的作用。

一、中國古代物質(zhì)觀

[提出問題]我們通常接觸的物體，總是可以被分割的（折斷粉筆）。但是我們能不能無限地這樣分割下去呢？

[介紹]《中庸》提出：“語小，天下莫能破焉”?；菔┑娜艘舱f道“其小無內(nèi)，謂之小一”。墨家那么提出：“端，體之無序最前者也?！?/p>

在英文里，如今被譯成“原子”的Atom一詞，源于希臘語，它的字面上的意思是indivisible“不成分割”。第一個(gè)把Atom介紹到我國的是嚴(yán)復(fù)翻譯的《穆勒名學(xué)》，他將其譯為“莫破”。

二、西方原子鼻祖

[介紹]德謨克利特認(rèn)為就像用一塊塊磚頭砌墻一樣，物質(zhì)是由不成分割的原子構(gòu)成。

道爾頓在《化學(xué)哲學(xué)的新體系》一書中指出：“化學(xué)的分解和化合所能做到的，充其量只是使原子彼此分開和再結(jié)合起來。正如我們不成在太陽系中放進(jìn)一顆新的行星或殲滅一顆現(xiàn)存的行星一樣，我們不成能創(chuàng)造出或殲滅一個(gè)氫原子?！边@種觀點(diǎn)換作現(xiàn)在更好玩的說法，在化學(xué)回響中原子既不會產(chǎn)生，也不會被殲滅，他們只是被分開，再重新組合，你鼻尖上的某個(gè)碳原子可能正是億萬年前恐龍尾巴上的呢。書中他系統(tǒng)地闡述了其原子學(xué)說。

道爾頓的原子學(xué)說是建立在大量測驗(yàn)事實(shí)根基上的，告成地解釋了化學(xué)定律。當(dāng)然我們現(xiàn)在知道受當(dāng)時(shí)的科學(xué)進(jìn)展水平限制，這個(gè)理論仍有一些不完善的地方。

三、湯姆生模型

[介紹]到了19世紀(jì)末，由于電的察覺，化學(xué)家們有條件去研究物質(zhì)在通電條件下的性質(zhì)了。他們察覺將一些氣體裝在密封的玻璃管中，再抽氣使之對比稀疏，然后通上高壓電，會有一束射線從玻璃管的陰極通過氣體到達(dá)陽極，人們稱之為陰極射線。這種射線是什么呢？英國科學(xué)家湯姆生做了一系列測驗(yàn)：他察覺在電場或磁場的作用下該射線會發(fā)生偏轉(zhuǎn)（這就是現(xiàn)在我們家里電視機(jī)中的電子管的工作原理）；他通過研究電場和磁場對該射線的作用，察覺這種射線帶負(fù)電，并測出了其電荷與質(zhì)量之比，這個(gè)比值很大；Thomson又使用了不同的電極材料、在玻璃管中充入不同的氣體，察覺所得射線的電荷與質(zhì)量之比都一樣。

[提出問題]這些電子是那兒來的呢？為什么不管什么電極材料、什么氣體所得到的射線都一樣呢？其電荷與質(zhì)量之比很大又說明什么？

這樣湯姆生提出了葡萄干面包模型，面包代表平勻分布的正電荷，電子那么像葡萄干一樣嵌于其中。

四、盧瑟福模型

[介紹]幾乎是在湯姆生測驗(yàn)的同時(shí)，居里夫人以及英國科學(xué)家盧瑟福等人開頭了對放射現(xiàn)象的研究。這其中對原子布局的熟悉付出最大的是盧瑟福的α粒子散射測驗(yàn)。α粒子帶兩個(gè)單位正電荷，相對質(zhì)量為4（現(xiàn)在我們知道它是氦原子核）。盧瑟福將一束α粒子射向一張分外薄的金箔，又將涂有硫化鋅的屏幕放在其周邊，α粒子撞在屏幕會產(chǎn)生熒光，通過查看各個(gè)方向的熒光，盧瑟福察覺大多數(shù)α粒子穿過了金箔，方向幾乎沒有任何變化；但有一些α粒子在穿過后面向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，還有大約0.1％的α粒子甚至以不同角度被彈向金箔的前面。

[提出問題]假設(shè)按照湯姆生的葡萄干面包模型，會這樣嗎？那該如何解釋測驗(yàn)現(xiàn)象呢？1.為什么會被彈回來？理應(yīng)是由于同種電荷間的斥力。2.為什么只有0.1%？只有少數(shù)α粒子靠近了正電荷，也就是說原子內(nèi)的正電荷不成能平勻分布，它占據(jù)的空間必然很小，原子理應(yīng)有一個(gè)帶正電的核。3.α粒子被彈回來了，核卻沒有被彈出，可見金原子的原子核的質(zhì)量確定很大。

盧瑟福的結(jié)論：原子內(nèi)大片面是空的，所以大多數(shù)α粒子得以穿過金箔。原子全體的正電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在一個(gè)很小的區(qū)域，即原子核。

盧瑟福的原子模型很像行星圍圍著太陽，因此當(dāng)時(shí)年僅27歲的盧瑟福就和他的行星模型一起載入了化學(xué)史。

五、波爾模型

[介紹]根據(jù)經(jīng)典的電磁場理論，電子繞核運(yùn)動時(shí)會不斷產(chǎn)生電磁波，從而輻射出能量，離核越來越近，最終落在原子核上。行星模型不能穩(wěn)定存在？

波爾研究了氫原子的光譜，看著這些不連續(xù)的譜線，也就是特定的能量，他受到啟發(fā)，意識到這是由電子的運(yùn)動產(chǎn)生的，電子遠(yuǎn)離或者靠近原子核時(shí)理應(yīng)是騰躍式變化，也就是說，電子只能在一些特定的不連續(xù)的軌道上運(yùn)動。舉個(gè)例子，你從樓梯上扔硬幣，它只能落在某個(gè)臺階上，而不會停留在兩個(gè)臺階之間。

波爾認(rèn)為在能量最低的軌道，電子運(yùn)動可以看成是在“平地”上的狀態(tài)，這時(shí)不會釋放能量。一旦電子獲得了特定的能量，它就獲得了動力，向上“攀登”一個(gè)或幾個(gè)臺階，到達(dá)一個(gè)新的軌道。當(dāng)然，假設(shè)沒有了能量的補(bǔ)充，它又將從那個(gè)能量較高的軌道上掉落下來，回到較低的軌道上。同時(shí)釋放出相應(yīng)能量，對應(yīng)于其光譜線。而從其次個(gè)臺階下來，或者從第三個(gè)臺階下來放出的能量不同，也就對應(yīng)著一根根不同的譜線。波爾將量子理論引入原子布局，掃清了原子穩(wěn)定性的問題。

六、布局抉擇性質(zhì)

[提出問題]研究原子布局是為了更好地理解元素的性質(zhì)，解釋化學(xué)回響的原理。譬如說，鈉能與氯氣強(qiáng)烈回響，生成白色的氯化鈉顆粒。為什么鈉能在氯氣中燃燒？該如何解釋該回響的原理呢？我們首先從微觀的角度來看這個(gè)回響。這個(gè)回響是如何舉行的呢？每個(gè)鈉原子一共有多少電子？為什么每個(gè)鈉原子失去一個(gè)電子？每個(gè)氯原子一共有多少電子？為什么每個(gè)氯原子得到一個(gè)電子？（核外電子分層排布）（8電子穩(wěn)定布局）元素的化合價(jià)和什么有關(guān)？現(xiàn)在我們知道了化學(xué)回響中元素化合價(jià)的變化與電子轉(zhuǎn)移有關(guān)。大家有沒有留神原子得失電子后體積的變化？原子得電子變?yōu)殛庪x子后體積變大，原子失電子變成陽離子后體積變小。為什么加入回響的鈉原子和氯原子個(gè)數(shù)比是1∶1？

那么，如何解釋鎂和氧氣的回響呢？鎂與氯氣回響，生成的產(chǎn)物氯化鎂化學(xué)式理應(yīng)是怎樣的？為什么是1∶2？

七、神秘的夸克

[介紹]其實(shí)，人類對于原子布局的熟悉仍在進(jìn)展。后來，又有科學(xué)家提出電子等微觀粒子就像光一樣，既是一種粒子，又有波的性質(zhì)，電子等微觀粒子具有波粒二象性，電子在核外運(yùn)動像是一團(tuán)帶負(fù)電的云霧。

而原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子又分別由夸克構(gòu)成。可夸克和電子就是根本粒子嗎？它們會不會也是由其它更根本的粒子組成呢？

為進(jìn)一步探求原子的內(nèi)部布局，現(xiàn)在的科學(xué)家們又在使用著什么樣的手段呢