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视频课题：人教版化学选修3第一章 第二节《电离能及其变化规律》-陕西
教学设计、课堂实录及教案：人教版化学选修3第一章 第二节《电离能及其变化规律》-陕西省咸阳市实验中学
教版选修3《物质结构与性质》第一章第二节原子结构与元素的性质
《电离能及其变化规律》教学设计
陕西省咸阳市实验中学葛秋萍
一、教材分析
学生通过对必修2相关知识的学习，已经能够从原子结构的角度出发，结合元素周期律和元素周期表的相关知识对原子得失电子的难易进行定性地判断。但是，在实际生产、生活和科学研究中，仅有定性的判断是远远不够的。本节教材引入“电离能”这一描述元素性质的物理量，旨在从定量的角度来说明原子得失电子能力的强弱。教材通过对电离能定义的描述，电离能变化规律及其本质的讨论，引导学生在必修2对元素周期律学习的基础之上建立起新的“位(元素在周期表中的位置)—构(原子结构)—性(元素性质)”三者之间的关系。
高中化学新课程标准对本节内容的要求是：能说出元素电离能的涵义，能应用元素电离能解释或说明元素的某些性质。普通高中新课程教师用书中提出本课题的教学目标是：了解元素电离能的定义，知道同种元素逐级能及同一周期、同一主族元素第一电离能的变化规律，知道元素电离能和原子核外电子排布的关系，能够应用元素电离能说明原子或离子失去电子的难易，解释某些元素的主要化合价，理解电子是分层排布的。
二、教学过程
本节课的教学设计以培养学生的核心素养这一新的教学理念为指导，基于图表分析设置多个层层递进问题引导学生有效展开学习活动，充分运用问题教学法，以问题情景为起点（提出问题），问题探究为中心（探究问题），问题解决为终点（解决问题），以问题为主线引领整个教学过程，引导学生运用图表分析、探究、解决教师提出的问题，进而完成对“电离能及其变化规律”的知识学习与建构。
环节一：提出问题（问题情景为起点）
[PPT投影]科学史话：在布瓦博德朗发现元素镓之前，门捷列夫准确预言在锌与砷之间存在类铝元素和类硅元素。
[提问]在19世纪科技水平并不发达的时代，门捷列夫就能准确预言，让人非常钦佩。你知道门捷列夫成功预言的依据是什么吗？
[学生齐答]元素周期律。
[师]今天，就让我们每位同学也来当一次门捷列夫，依据必修2所学元素周期律的相关知识来完成下列推测。
2
[投影]合理推测：结合元素周期律，比较下列元素原子的失电子能力。 LiBe、BeMg、 LiMg
[生]思考、回答上述问题。在解决问题的过程中进而发现新问题：利用必修2所学元素周期律的相关知识已无法比较出锂和镁的失电子能力大小。
[师]看来，利用必修课本中元素周期律的相关知识已无法比较出锂和镁失电子能力的大小，为了解决这个问题，今天，我们一起来学习“电离能”这一从定量的角度去描述原子失电子能力大小的物理量。
环节二：探究问题（问题探究为中心） [师]下面，我们首先来认识什么是电离能。
[投影]请同学们认真阅读课本第17页：2.电离能 第一自然段的内容，准确把握关键字、词、句的含义，明确电离能的概念、意义及分类。
[生]在教师引导下，学生通过自主阅读课本内容，完成电离能的定义、意义及其分类等知识的学习。
[师]引导学生透彻分析电离能的定义、意义和分类。
[板书]1、定义：基态气态原子或离子失去一个电子所需要的最低能量，符号：I，单位：kJ/mol
2、意义：衡量气态原子或离子失去电子的难易程度 3、分类：I1、I2、I3„„
[过渡]I1、I2、I3等逐级电离能的大小关系如何，有没有变化规律可循呢?下面我们一起来探究同一元素逐级电离能的变化规律。
[投影](1)同一元素逐级电离能变化规律的探究
下表中的每列数据从左到右代表Na﹑Mg﹑Al逐级失去电子的电离能。
I1 I2 I3 I4 Na 496 4562 6912 9543 Mg 738 1451 7733 10540 Al
578
1817
2745
11575
[小组合作探究活动]结合表中数据，以小组为单位，讨论、解决下述两个问题。 ①同一元素逐级电离能大小关系有怎样的变化规律？
②以钠元素为例，试着从原子结构的角度去解释其逐级电离能的变化趋势。[师]对如何读取表格中相关数据信息进行示范教学。
[生]在教师引导下进行表格数据的分析，小组讨论解决上述两个问题。 [生1]同一元素逐级电离能逐渐增大。
[生2]因为随着电子的逐个失去，阳离子所带的正电荷数越来越大、半径越来越小，对核外电子的吸引能力越来越强，再要失去一个电子需克服的电性引力也越来越大，消耗的能量也越来越多。因此原子的逐级电离能越来越大。
[过渡]在实际应用中，若不特殊说明，一般指的是第一电离能，下面我们共同来探究同周期主族元素第一电离能的变化规律。
[投影](2)同周期主族元素第一电离能变化规律的探究
[展示]下表为第三周期元素第一电离能的数值，请同学们结合上述数据，分别以元素的原子序数、第一电离能为横、纵坐标，绘出第三周期元素第一电离能的变化趋势图。
第三周期元素第一电离能(kJ·mo1 -1 )的数值
元素 Na Mg Al Si P S Cl Ar I 1 (kJ·mo1 -1 )
496
738
577
786
1012
999
1256
1520
[生]独立绘制第一电离能的变化趋势图。
[提示]①建立合理的坐标系；②用描点法在坐标系中找出关键点；③用线段顺次连接各点。
[小组合作探究活动]根据所绘出的第三周期元素第一电离能的变化趋势图，以小组为单位，思考、讨论下列问题：
①该周期中第一电离能最大和最小的各是哪种元素？分析该周期元素第一电离能有何变化趋势？你能从原子结构的角度去解释吗？
②该变化趋势中，你发现反常现象了吗？可能的原因是什么？ ③预测第2周期元素从左到右第一电离能的变化趋势及反常现象。 [师]接下来，我们先来讨论第一个问题。
4
[提示]原子结构主要指的是核外电子排布（尤其是最外层电子排布）、核电荷数、原子半径等。（板书在影响因素处）
[生3]第三周期中第一电离能最大的元素是Ar，最小的是Na。碱金属元素核外电子排布为ns1，同周期中（除稀有气体外）原子半径最大，易失去一个电子，形成稳定结构，因此第一电离能在同周期中最小。稀有气体最外层电子排布为ns2np6，已达稳定结构，难以失电子，因此第一电离能在同周期中最大。
该周期元素的第一电离能，从左到右递变的总趋势是依次增大，原因是同周期元素从左到右，核电荷数增多，而能层数不变，原子半径逐渐减小，原子核对核外电子的吸引力逐渐增大，原子失电子能力逐渐减小，第一电离能有逐渐增大的趋势。
[生4]Al的第一电离能反而比Mg小，S的第一电离能反而比P小。
[师]对问题②中反常数据原因的分析进行引导。可能的原因要从哪个角度分析呢?（原子结构）。请同学们先写出镁、铝的价层电子排布式，再回顾洪特规则的特殊情况。有了以上知识的支撑，我们再来分析原因。
[生]写出Mg和Al 的电子排布式（1s22s22p63s2，O的核外电子排布式1s22s22p63s23p1）；回答洪特规则特例的内容（当原子核外的电子排布在能量相等的轨道上形成全空﹑半满或全满的结构时，原子的能量较低，元素的第一电离能也较大）。
[生]在教师引导下，针对Mg和Al的电子排布式，结合洪特规则，学生梳理出Mg 第一电离能大于Al的原因：Mg的外围电子结构为3s2
，失去的是相对稳定的已充满的3s上的电子，需要提供更多的能量；Al的外围电子结构为3s2
3p1
，失去的是能量比3s高的 3p轨道上的电子，成为3s2
全充满的稳定结构。
[小组合作探究活动]学生分析第一电离能P大于S的原因。
[生]P的外围电子结构为3s23p3，失去的是相对稳定的半充满的3p上的电子，需要提供更多的能量；S的外围电子结构为3s23p4，易失去3p上的电子成为3p3半充满的稳定结构。
[师]接下来我们来分析问题③：预测第2周期元素从左到右第一电离能的变化趋势及反常现象。
[生]第一组：Be和B；第二组：N和O。
[归纳展示]当原子核外电子排布在能量相等的原子轨道上形成全空（p0、d0、f0）、半满（p3、d5、f7）和全满（p6、d10、f14）结构时，原子能量最低。该元素具有较大的第一电离能。如：I 1 (P )>I 1 (S)
I 1 (N )>I 1 (O) ns2np3ns2np4
[过渡]同周期主族元素的第一电离能搞明白了，同主族元素的第一电能又有什么变化规律呢?让我们一起来探究同主族元素第一电离能的变化规律。
[投影](3)同主族元素第一电离能变化规律的探究
[小组合作探究活动]以IA 族和第ⅦA 族元素为例，结合图像总结同主族元素第一电离能变化规律？试着从原子结构的角度解释其本质原因。
[生]在教师引导下，学生结合图像，分析、思考并解决上述问题：同主族元素从上到下，随核电荷数增大，原子半径逐渐增大，原子核对核外电子的吸引力逐渐减小，原子失电子能力逐渐增大，第一电离能逐渐减小。
[说明]不仅仅是第IA和VIIA元素的第一电离能存在着这样的变化规律，其他主族元素也遵循着这个规律。所有的规律明白了，让我们再回到刚开始上课提出的问题中，用我们所学知识来解决这个问题。
环节三：解决问题（问题解决为终点） [问题解决一]回归问题情景：
结合下图，判断 Li 和 Mg 失电子能力强的元素是？
[投影](1)电离能的应用之一：比较原子失电子能力 [问题解决二]
Na、Mg、X 三种元素的逐级电离能数据
6
元素 I 1 (kJ·mo1 -1 ) I 2 (kJ·mo1 -1 ) I 3 (kJ·mo1 -1 ) Na 496 4562 6912 Mg 738 1451 7733 X
899
1757
14840
①从表中数据你能解释 Na2＋
、Mg3＋
为什么不易形成吗？你能从原子结构的角度解释原因吗？
②能否判断 X 元素位于周期表中哪一主族？
[师生活动]学生分析处理表格数据，讨论、解决上述相关问题，教师进行总结归纳。 [投影](2)电离能的应用之二：判断元素的化合价
[过渡]根据刚才所学知识，我们对下列X、Y、Z三种元素的化合价进行合理推断。 [学以致用]你能判断出下列元素的化合价吗？
X、Y、Z 三种元素的逐级电离能数据
元素 I 1 (kJ·mo1 -1 ) I 2 (kJ·mo1 -1 )
I 3 (kJ·mo1 -1 ) I 4 (kJ·mo1 -1 ) X 502 1020 6900 9500 Y 580 1800 2700 11600 Z
420
3500
4400
5900
[生]分析处理表格数据，解决问题：X——+2价，Y——+3价，Z——+1价。 [展示]下表中的每列数据从左到右代表X﹑Y﹑Z逐级失去所有电子的电离能。
表2X﹑Y﹑Z逐级失去所有电子的电离能
I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 I11 I12 I13 X 578 1817 2745 11575 14842 18376 23293 27465 31853 38473 42647 201266 222316 Y 738 1451 7733 10540 13630 17995 21703 25661 31653 35458 169988 189368 Z
496
4562
6912
9543
13354
16610
20114
25496
28932
141362
159076
①判断 X﹑Y﹑Z 分别代表哪种元素？第一电离能与金属的活泼性有什么联系? ②指出最高价氧化物对应水化合碱性强弱顺序关系? ③电离能的突变现象与电子的分层排布有什么关系? [投影](3)电离能证明核外电子是分层排布的
[过渡]高中所学电离能与初中学的金属活动性相同吗?
[过渡]电离能能很好地解释金属的活泼性，是否也能合理地解释初中学的金属活动性呢?
[投影]⑷电离能与金属活动性的比较 [师]让我们来看一组数据吧。
[问题解决四]已知钠的第一电离能为 496kJ·mol -1，钙的第一电离能和第二电离能分别为 590 kJ·mol -1、1145 kJ·mol-1，为什么在金属活动性顺序表中钙排在钠的前面？
[提出问题]由数据可知，电离能与金属活动性顺序出现了不一致，这是为什么呢?请同学们集体大声朗读下列内容，要求：不要读的越来越快，在读的过程中仔细体会二者的不同之处。
[生]在教师引导下，学生通过大声朗读所给材料，解决上述问题。 [追根求源]金属的活动性顺序与电离能的大小顺序为什么不一致?
你知道吗?金属活动性按K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、(H)、Cu、Hg、Ag、Pt、Au的顺序减弱。该顺序表示从左到右，在水溶液中金属单质中的原子失去电子越来越难。电离能指金属原子在气态时失去电子成为气态阳离子的能力，它是金属原子在气态时活泼性的量度。
由于金属活动性顺序与电离能所对应的条件不同，所以二者不可能完全一致。例如，碱金属Li、Na、K、Rb、Cs的第一电离能分别为520 kJ·mol -1、496 kJ·mol-1、419kJ·mol-1、403kJ·mol-1、376kJ·mol-1，由此可知，气态锂原子最不易失去电子。但在溶液中锂原子却表现出异常的活泼性，其主要原因是锂原子形成水合离子时放出520 kJ·mol -1的能量，而钠形成水合离子时放出的能量为405kJ·mol-1。又如，钠的第一电离能为496 kJ·mol-1，钙的第一电离能和第二电离能分别为590kJ·mol-1、1145kJ·mol-1，表明气态钠原子比气态钙原子更易失去电子，更加活泼。但是，由于Ca2+形成水合离子时放出的能量(1653kJ·mol-1)远比Na+形成水合离子时放出的能量多，所以在水溶液里钙原子比钠原子更容易失去电子，即在金属活泼性顺序中钙排在钠的前面。由此可以看出，我们用某种规律分析问题时一定要注意具体条件。
[师]过渡元素的第一电离能变化不太规则，随元素原子序数的增加第一电离能从左到右略有增加。这是因为对这些元素的原子来说，增加的电子大部分排在(n-1)d或(n-2)f轨道上，原子核对外层电子的有效吸引作用变化不大。
[总结]今天，我们一起学习了电离能的概念，分析了主族元素电离能的变化规律，体会到原子结构决定了电离能的变化规律，即核外电子排布的周期性变化决定了电离能的周期性变化，在此基础上，学习了电离能的应用。总之，第一电离能的周期性递变规律与原子半径
8
和核外电子排布的周期性变化密切相关。整个学习过程按照提出问题、探究问题、解决问题的思路来完成。
[投影]
[过渡]今天的知识都学懂了吗?口说无凭，能解决问题才是硬道理，让我来检验一下大家的学习情况吧。
环节五：反馈训练
[投影]1、已知X、Y是主族元素，I为电离能，单位是KJ/mol。根据下表所列数据判断 错误的是 ( D )
元素 I1 I2 I3 I4 X 500 4600 6900 9500 Y
580
1800
2700
11600
A.元素X的常见化合价是+1价 B.元素Y是ⅢA族的元素
C.元素X与氯形成化合物时，化学式可能是XCl D.若元素Y处于第3周期，它可与冷水剧烈反应 2、现有四种元素的基态原子的电子排布式如下： ①1s2
2s2
2p6
3s2
3p4
②1s2
2s2
2p6
3s2
3p3
③1s2
2s2
2p3
④1s2
2s2
2p5
则下列有关比较中正确的是（ A ） A．第一电离能：④＞③＞②＞① B．原子半径：④＞③＞②＞① C．最高正化合价：④＞③=②＞① D．非金属性：④＞③＞②＞①
[引出问题]N和S的非金属性强弱关系怎样比较呢?这就得通过我们下一节课要学习的电负性来解决。
9
环节六：布置作业
[师]为了更好深入地学习下一节的内容，请同学们课后完成预习作业，具体要求如下： 方式：上网查阅相关资料。
内容：完成课本第20页：科学探究第2题。 要求：用相关的化学反应方程式来表示。 三、板书设计
电离能及其变化规律
1、定义：基态气态原子或离子失去一个电子所需要的最低能量，符号：I，单位：kJ/mol 2、意义：衡量气态原子或离子失去电子的难易程度 3、分类：I1、I2、I3„„ 4、变化规律
5、影响因素：有效核电荷数、原子半径、电子层结构 6、应用 四、教学总结
本节课是在教师引领下，学生基于图表分析展开知识建构，采用问题教学法作为主要教学策略。首先创设问题情境引领学生回顾元素周期律，运用周期律去解决问题，进而产生矛盾冲突，激发学生进一步求知的欲望，从而引入本节课的主题。接着，采用教师引导、学生自主归纳、思考总结的方式完成“电离能”相关概念的学习。然后，在教师引导下，以学生为主体，基于图表分析展开三组问题的探究，从而完成对“电离能及其变化规律”这一重难点的突破。随后，采用任务驱动的方式，引导学生解决三个问题，进而完成对“电离能的应用”的知识学习。最后，设置了两道习题来检测学生的学习情况，并提出下节课要解决的问题。整节课的教学，在教师引导下，学生充分运用了图表这一学习工具，开展对“电离能及其变化规律”的知识建构，与此同时使培养了学生观察图表、提取与加工信息、归纳和整理等多种的综合应用能力，有效地提升了学生的科学探究能力，为学生的终身发展奠定良好的基础。
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
