第三单元　人类对原子结构的认识教学设计与反思

教育实习教案

课题:

原子核外电子排布

课时安排：1课时

课标要求：知道化学是在分子层次上认识物质和合成新物质的一门科学；了解物质的组成、结构和性质的关系。认识实验、假说、模型、比较、分类等科学方法对研究和学习化学的重要作用。

知识与技能：

(1)

知道原子结构模型演变的过程及其主要成就；

(2)

了解氢、氧、镁常见元素原子的核外电子分层排布情况；

过程与方法：

三维目标

（1）通过氢、氧、氦为例，认识原子结构与物质发生化学变化的关系，并在解决实际问题的过程中强化对这种关系的认识。

情感、态度与价值观：

（1）

从原子结构学说的发展，体验科学探究的过程与方法；

（2）

了解科学家探索原子结构的艰辛，体会科学思维对创造性工作的重要性。

教学重点：原子核外电子排布规律

教学难点：原子核外电子排布规律

教学辅助手段：多媒体演示、板书

教学过程：

【导入】

坐地日行八万里，巡天遥看一千河。人类从未停止对大自然的探索的热情和信心，从2500多年人类就开始追问大自然是是由什么构成的。

今天，答案找到了。

可你知道吗，这个探索的故事始于错误、争执，也充满抱负、启示。这个故事带来了我们人类有史以来最令人兴奋的想象、最神奇的构思。

因为大自然非常的有趣，它并不想直接告诉我们答案，而是把它当一个礼物送给我们，有着自己的包装。

让我们跟随前辈们的脚步，踏进这神奇的旅程。感谢并分享他们带来的研究成果。

1、古代原子论是哲学臆测的产物

古希腊哲学家虽有敏锐的观察力，但不能像现代科学家一样通过实验来验证自己提出的假设。

古代原子论是哲学臆测的产物，不是科学理论。是一种朴素的原子学说。

在此后的十几个世纪的岁月里，由于封建统治和神学桎梏，生产力发展缓慢，科学也停滞不前，原子论没有得到进展。

二、近代原子论是由假说发展而成的科学理论

1

道尔顿：

从15 世纪下半叶开始, 近代自然科学开始发展。到了17 世纪, 欧洲处于由封建社会向资本主义过渡的大变革中, 在生产实践的推动下, 近代的实验科学开始发展起来。

在古代朴素的原子论的启示下, 英国化学家道尔顿(John Dalton,1766—1844)在解释气体的性质以及化学上的倍比定律和定比定律时, 提出了各种元素都是由许多原子所构成的假说。

道尔顿的原子论使当时的一些化学定律得到了统一的解释, 成为物质结构理论的基础, 也导致了元素周期表的发现。

科学的发展充满了艰辛：

一直到19世纪末，原子的观念已经为大多数科学家所熟悉；但也仅仅是熟悉，并没有普遍被接受。波尔兹曼成功的解释了一些问题, 用原子论对蒸汽行为规律的预测达到了令人吃惊的精确程度。他们认为这些微粒非常之小，以至用最好的显微镜也无法看到因此，对这些微粒的研究完全是在浪费时间这些微粒仅仅是假设的数学模型 声称所假设的微粒是真实的，被认为是冒昧的、甚至是亵渎科学。波尔兹曼的批评者批评道：把上帝创造的世间奇迹，贬低为是一系列无生命的小微粒的杂乱碰撞，这是亵渎

三、

电子的发现打破了

“原子不可再分”

的神话

汤姆生：

1869 年, 希托夫根据它在磁场和电场中运动时偏转的现象, 判明这种射线是由带负电的粒子组成的。

斯东尼于1891 年首次称这种粒子为

“电子”

。

第一个用实验证实电子的存在、

说明电子是基本粒子的是J. J. 汤姆孙他从1886 年起研究真空放电, 经过11 年的努力, 于1897 年

4 月30 日向英国皇家学会报告了实验结果。他测定了电子的速率及其荷质比, 明确地指出它们是带负电荷的带电粒子, 其荷质比至少超过氢离子的荷质比1000 倍。

但是, 电子是否比原子更基本呢? 带着这个问题, 汤姆孙进行了一系列的实验。他分别在真空管中充入不同的稀薄气体, 又用不同材料的阴极重复实验, 电子的荷质比都不改变。据此, 他断言电子是一切原子中的基本组成部分之一。这一断言无疑是向传统观念挑战的宣言。原子不可再分的神话至此已支离破碎。

“这种物质是构成一切化学元素的材料。”这个结论影响深远，在很多年后他又回忆说：“开始只有很少人相信存在比原子更小的物体。一位物理学家在听了1897年在皇家学会的演讲之后很久，还对我说他认为我在“愚弄他们”。

(实际上，他并不擅长实验操作。他的一位助手在回忆中说：“他的手指很笨拙，我觉得没有必要鼓励他去操作仪器。”)

新问题：理性告诉我们质量在哪里，正电荷在哪里？

它们又是如何在原子中分布的? 但是对单个电子的直接感知永远是超出人类感官的能力之外的。

好在, 人类洞察自然的本领与手段并不限于直接感觉。

恩格斯曾指出:“只要自然科学在思维着, 它的发展形式就是假说”

。人类对原子结构的认识就是借助于假说(模型)的力量而逐渐成熟的。

于1904年发表论文，题“论原子的构造：关于沿一圆周等距分布的一些粒子的稳定性和振荡周期的研究”。

四、

近代的原子有核模型

卢瑟福来自新西兰的一个偏远地区在农场长大。卢瑟福是个痴迷的实验型科学家,他热爱科学技术、巧妙的组合。但他也有丰富的直觉。

2

射线可以穿透过固体物质，丝毫不受阻碍，这是新时代的一个真实的奇迹

卢瑟福迷恋放射性。各种各样的问题困扰着他。卢瑟福从···到卡文迪什，不管再英国还是在加拿大，不管结婚前还是结婚后，不管是和汤姆生还是索迪，一直以放射性研究为载体，

1909 ，曼彻斯特大学，与他的助手汉斯盖革、马斯登一起，制订了一系列的实验来探查放射性的秘密。

镭是一种能放射出异常强烈射线的放射源，

卢瑟福命名该射线为---阿尔法射线

镭放射出这些粒子，就象是永远打不完子弹的机枪

在实验过程中，得独坐在黑暗中，计数那些磷光屏幕上微小的，几乎是无形的闪烁点。这非常的繁琐。

几个星期过去了，研究小组没有发现任何异常情况,阿尔法粒子似乎能穿透过金箔.犹如其不存在似的。

卢瑟福的建议确实是愚蠢透了,他们眼睛疲劳的都快近视.

但紧随其后的一个消息改变了世界。

1909年的一个下午盖格闯入卢瑟福办公室带来了惊人的消息，非常，非常偶然的一个阿尔法粒子的确被金箔反弹回去了，盖格计算了，大概每8000个粒子中会有一个如此

卢瑟福知道这消息后浮想联翩,他后来说，这就象是向一张薄纸开枪子弹居然被反弹了回来. 他花了一年多的时间去充分理解为什么阿尔法粒子会有如此实验现象. 这将是第一次向人类展示原子的内部结构。

人们刚刚才勉强接受原子的客观存在。但现在，卢瑟福知道的这个微观世界，直径约是千万分之一毫米的微观世界里还有其自身的内部结构。

原子内部不象我们所熟悉的地球上常见的物体因此卢瑟福将其看做天体的一部分他将原子比作一个微型的太阳系电子是带负电荷的小微粒围绕着一个非常小的但肯定存在的微粒运转这个微粒称之为原子核。

卢瑟福推断原子内部几乎是空的

如果你对全人类身体的所有原子的空白空间抽走的话

则六十亿人的总体积大概会缩小成一个苹果那么大

几乎同时，这种结构会让人觉得有两个问题

一个是原子核究竟是什么？

另一个更大的问题，核外电子运动问题。按照那个时代的可靠的科学知识和实践经验电子会逐渐失去能量。速度变的越来越小而盘旋着坠向原子核在很短的时间内。但它又是客观的存在于大自然的任何一个角落，它几乎是空的，但又是保持着没有任何迹象显示我会缩小成一粒盐那么大。

老一代为之奋斗终身的理论在这里失效，不管是哪个问题，都需要更有创新才气的科学家来提出新的假设并实验验证。他们才不会象前几代科学家那样被已知的科学定律束缚想象力。

花开两朵，各表一枝

核外电子运动问题

玻尔：

他的思维无拘无束并做好了抛弃人的直觉和普通常识的准备，来寻找新的解释. 这是天才的跨越，他开始寻找有关原子结构的线索。

3

不是寻找物质而是借助神秘的、奇妙的光的性质。由于，原子和光有着明显的联系，大多数物体被加热时会发光，而且像他们的签名一样，各不相同。

玻尔伟大的洞察力意识到：借助光谱，我们可以了解原子的内部结构

抛弃常规想法而是取代为一种整个科学界都无法接受的新思维---量子跃迁

整个科学界中最复杂的概念之一

为了验证自己的新理论玻尔用它来作一个预测。它能解释氢原子神秘的光谱吗？

经过数月周密的计算他最终得到了结果，他的预测是惊人的精确，从没有过的精确。

看来光谱可以解释原子的结构了。但在解释多电子原子时，遇到了困难。

但玻尔的新模式是，以一个单一的有重大争议的假设为基础的，在科学史上从没有过类似的先例。当一个物理学家宣称跃迁的理论是胡言乱语时玻尔回答说，

"是的，你完全正确！但这不代表跃迁就不存在，只是因为你无法想象他们而已。

接下来的20年玻尔们和爱因斯坦们相互争辩、攻击中，理论得到了发展。

1927年，确立了量子力学模型。

任何原子都是由相同的简单成分构成。但为什么在我们看来会有着如此大的不同外表呢

为什么会有这么丰富多样的色彩、质地和化学性质呢？

例如，黄金和汞是两种完全不同的元素，黄金是固体，汞是液体，黄金化学性质稳定，汞有剧毒

但他们的差异只是一个电子

每个金原子拥有79个电子。而汞原子是80个，为什么一个小小的电子会导致如此巨大的不同呢？

原子结构示意图分析

常见几种元素分布分析

想想看，把两个原子放在一起，首先是谁和谁的交接？

1897年到1927年，科学改变了我们对世界的看法，也改变了我们对科学本身的看法。

是不是终止了呢？

【情景设计】展示一根粉笔

【师】如果使用合适的工具，把粉笔不断地切割，最终将留下细小的微粒。该微粒还能否被切割呢？

【生】不能被切割

【师】该微粒即具有不可切割性。这就是2000多年前人类所思考的问题之一。其中古希腊的哲学家德谟克利特就把这种具有不可切割性的微粒称为原子。他曾提出：物质是由不可分割的微粒（即原子）构成的。

【师】其实原子大家都非常熟悉了。原子真的就是不能再分割了吗？现代意义上的原子又是什么呢？

【展示PPT图】晶体硅及用隧道扫描显微镜观测到的硅晶体表面

【师】事实上直到今天即使借助扫描隧道显微镜也无法观察到原子的内部结构，所以在人们认识原子结构的过程中，实验和假设以及模型起了很大的作用。

【引入新课】

人们对原子的认识和探索已经历了2500多年漫长的历史，那么，你们想不想知道：从古希腊到现代，科学家是怎样探索原子结构的？原子结构模型的演变经历了哪几个阶段？各阶段对原子结构的认识各有什么样的特点？

【教师引导】欲了解这些内容，请同学们首先自学教材内容26-27页。

【结合课件交流讨论】（师生一起）

（此时须注意进行课堂调控，以关注学生的学习兴趣及情感体验，控制时间在两分钟内）

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（一）原子结构模型的演变

【学生阅读教材，试着总结】

⒈古希腊哲学家德谟克利特的古代原子学说。

⒉道尔顿的近代原子学说。19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代原子学说，他认为物质由原子组成,原子不能被创造，也不能被毁灭，在化学变化中是不可再分割的实心球体。

【分析】这种观点换作现在更有趣的说法，在化学反应中原子既不会产生，也不会被消灭，他们只是被分开，再重新组合，你鼻尖上的某个碳原子可能正是亿万年前恐龙尾巴上的呢。

⒊汤姆生的“葡萄干面包式”原子结构模型。1897年，英国科学家汤姆生根据阴极射线实验发现了电子,认识到原子是由更小的微粒构成。于是他提出原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了正电荷，从而形成了中性的原子。

⒋卢瑟福的带核原子结构模型。1911年，英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射现象认识到原子核带正电,并提出了原子结构的核式结构学说(原子是由原子核和核外电子构成)。

⒌玻尔的轨道原子结构模型。1913年丹麦物理学家玻尔提出，原子核外，电子在一系列稳定的轨道上运动。 【问】从原子结构模型的演变我们得到的启迪是什么？

（自由回答）

（二）原子核外电子排布

【师】通过对原子结构模型的探索，现在人们已经知道，原子是由原子核和核外电子构成。

【PPT展示：几种原子的核外电子排布】

【设问】从这几种原子的核外电子排布图，你能看出：核外电子的排布有何特征？比如：它们是挤在一起的吗？

【学生分析得出】核外电子是分层排布的

【师]】玻尔的轨道原子结构模型已经告诉我们了电子在一系列稳定的轨道上运动。所以核外电子是分层排布的。为了形象地表示原子的结构，人们就创造了“原子结构示意图”这种特殊的图形。

【简要介绍前18种元素的原子结构示意图】

【质疑设问】从稀有气体的核外电子排布，结合其化学活动性，你发现了什么？

【分析】像氦、氖、氩这些稀有气体元素，它们最外层都是8个电子（氦是2个）。人们认为最外层电子具有8个（只有一个电子层时有两个电子）的结构，属于稳定结构。化学上，结构决定性质，因而稀有气体元素由于核外电子排布达到稳定结构，很难与其他物质发生反应。

【问】氧、镁原子核外电子排布都没有达到稳定结构，它们是如何发生化学反应形成氧化镁的？

【学生活动】自由讨论课本28页得交流与讨论，完成课本29页的问题解决。

【教师活动】作适当的补充。

【整理归纳】

⒈原子核外电子是 排布的

⒉金属元素的原子最外层一般 个电子，在化学反应中易 电子形成与稀有气体原子电子层排布相同的阳离子（稳定结构）。

⒊非金属元素的原子最外层一般 个电子，在化学反应中易 电子形成与稀有气体原子电子层排布相同的阴离子（稳定结构）。

⒋化学反应中，原子核不发生变化，但原子的 发生变化，元素的化学性质主要决定于原子结构中的 。

一、原子结构模型的演变

[阅读讨论] 1.阅读课本p26-27 2.讨论a.原子结构模型演变

b.科学探索的精神、严谨科学态度

实验在科学探究中重要性

3.讲授内容：体验科学探究对艰难过程

[科学探究] 1. 在原子结构模型的演变中，是什么让汤姆生、卢瑟福、玻尔等人否定前人的假说，提出自己的假

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说？

汤姆生

卢瑟福

葡萄干面包式

含核模型

不能解释ɑ粒子散射时不能解释氢原子光存在问题

不能解释电子存在

的现象

谱

科学的发展离子不开社会的进步，没有社会的进步，不可能造就出玻尔等伟大的科学家，没有ɑ粒子散射实验，不会有卢瑟福的含核模型诞生，没有氢原子光谱的实验，不会有玻尔的行星轨道式原子模型的诞生。

2. 近代原子结构模型的演变

模型

道尔顿

汤姆生

卢瑟福

玻尔

量子力学

1803 1904 1911 1913 1926 年代

元素化合时的质近代科学实依据

发现电子

ɑ粒子散射

氢原子光谱

量比例关系

验

主要原子是不可再分葡萄干面包行星轨道式含核模型

量子力学

内容

的实心小球

式

原子模型

3. 原子结构模型的演变过程给我们的启迪

(1) 化学认识发展过程中的继承、积累、突破和革命。

(2) 实验方法是科学研究的一种重要方法，实验手段的不断进步是化学科学的关键

(3) 科学研究、科学发现是无止境的。

二、核外电子排布

[阅读课本]：常见原子的核外电子排布

1. [拓展研究]核外电子排布规律：(1) 核外电子总是尽先排布在能量较低的电子层，然后由里向外，排布在能量逐步升高的电子层

(2) 原子核外各电子层最多容纳2n2个电子（表示电子层数）。

(3) 原子最外野电子数目不能超过8个（第一层不能超过2个）

(4) 次外层电子数目不能超过18个(第一层为次外层时不能超过2个)，倒数第三层电子数目不能超过32个。

2．1-18号元素原子核外电子排布示意图

[迁移拓展] 活泼金属易失去电子形成稳定阳离子，活泼非金属易得到电子形成稳定阴离子

(1) 原子：核电荷数=核外电子数，如Na、Ca、Al、F、Cl、S等示意图。

(2) 阳离子：核电荷数>核外电子数，如Na+、Ca2+、Al3+等示意图。

(3) 阴离子：核电荷数<核外电子数，如F-、Cl-、S2-等示意图。

[问题解决] (1)内容见课本、同学交流讨论

(2)知识拓展元素化合价得失电子数目的关系

①金属元素一般为正化合价，失去电子的数目即为化合价的数值，如Na、K失去最外层1个电子均为＋1价，Mg、Ca失去最外层2个电子均为＋2价，Al失去最外层3个电子均为＋3价。

②非金属元素既可以为正化合价也可以为负化合价，活泼非金属元素的最低负化合价的数值即为得到电子的数目。如：F、Cl易得到1个电子，最低化合价均为-1价；O、S易得到2个电子，最低体例价均为-2价。

[小结]

1.原子结构模型的演变

2.化合价与核外电子排布

[练习]在1991年前后，物理学家卢瑟福把一束变速运动的ɑ粒子（质量为氢原子的4倍，带2个单位正电荷），射向一片极薄的金箔。他惊奇地发现，过去一直认为原子是“实心球”，而四这种“实心球”紧密排列而成的金箔，竟能让大多数ɑ粒子畅通无阻地通过，就像金箔不在那儿似的，但也有极少数ɑ粒子发生偏转，被笔直地弹回。根椐以上实验能得出关于金箔中金原子结构的一些结论。

6 模型

主要内容

道尔顿

原子是不要再分的实心小球

试写出其中的三点：

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