教學設計

課程基本信息學科化學年級高一學期春季課題《元素周期表的應用》教科書書名：《必修第一冊》教材出版社：上海科學技術出版社教學目標1．進一步體會“元素位置-元素性質”間的關系，能夠認識到周期表中位置靠近的元素性質是相近的。2．通過分析和處理數據初步形成用歸納、演繹等方法解決問題的能力，并感受科學家在化學研究中所運用的“發現問題——理論預測——實驗驗證——應用實踐”的科學方法，提高邏輯推理的核心素養。3．通過了解科學家勇于探索的事跡，體驗科學家嚴謹求實的科學態度和思辨求真的科學精神，體會元素周期律（表）在預測未知元素及其化合物性質以及在科學研究過程中的重要作用，認識化學與技術、社會、環境的相互關系。教學重難點教學重點：應用元素周期表（律）預測元素及其化合物的性質應用元素周期表（律）尋找并優化某些特定性質的材料。

教學難點：應用元素周期表及元素周期律從毒性、安全性、熱穩定性、綠色環保等角度優化制冷劑。

2．在預測元素及其化合物和尋找并優化某些特定性質的材料的過程中，進一步體會“元素位置-元素性質”間的相互關系。教學過程環節一：課堂引入【PPT展示】手機、電腦、智能機器人照片。【教師講解】手機、電腦、智能機器人等高科技電子產品改變著我們的生活方式，提高了我們的生活質量，給我們的生活增添了不少樂趣。你知道這些電子設備的核心元件是什么嗎？【問題鏈追問】1．這些電子設備的核心元件是什么嗎？2．如此功能強大的芯片，其主要組成元素是什么呢？3．硅為何可以用來制作芯片？它具有哪些特殊性質呢？4．硅之所以可以作芯片，源自于它作為半導體材料的特殊性質。什么是半導體材料呢？設計意圖：以學生熟悉并感興趣的高科技電子產品創設情境，設置環環相扣的問題鏈激發學生的求知欲望，同時在拓展視野中對半導體材料的概念普及為后續內容學習作鋪墊。環節二：應用一：預測元素及其化合物的性質【PPT展示】第一個鍺基晶體管和晶體鍺的圖片【教師講解】硅是重要的半導體材料。然而，最早發現的半導體材料是鍺。世界上第一個晶體管和第一塊集成電路的材料也是鍺。【問題鏈追問】1．鍺是何時被發現的？2．它具有怎樣的性質呢？3．門捷列夫在編制第一張元素周期表時有沒有預測出它的性質呢？【教師講解】答案是肯定的，1869年，門捷列夫在編制第一張元素周期表時就預料到有原子量位于65-75之間的類硅的存在。直到1887年溫科勒發現了鍺，門捷列夫拿出十幾年前預言的類硅的性質一一對照，竟然完全吻和。【PPT展示】從僅含63種元素的第一張元素周期表到含有118種元素的現行元素周期表的演變過程動畫。設計意圖：講述學生熟悉的門捷列夫對類硅這一半導體材料的單質及其化合物的性質預測與溫科勒對鍺單質及其化合物測定結果高度吻合的事實，讓學生深入體會元素周期表在預測元素及其化合物性質方面的應用價值，并在這個過程中培養嚴謹、求實的科學精神。環節三：應用二：尋找某些特定性質的材料——半導體材料【問題鏈設置】1．元素金屬性和非金屬性的周期性變化規律如何？2．金屬通常是電的良導體，非金屬通常是電的不良導體。那導電性介于導體和絕緣體之間的半導體通常在周期表中的哪個位置容易找到呢？3．半導體材料就只有硅和鍺嗎？【教師講解】根據元素周期律，同周期，從左到右，元素金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強。同主族，從上到下，元素金屬性逐漸增強，非金屬性逐漸減弱。我們可以很快在周期表中找到半導體材料可能出現的區域——金屬與非金屬的分界線附近。事實是否如此呢？我們剛才提到的Si和Ge毫無懸念的落在這個區域內。第一代半導體材料主要是“元素半導體”。包括硅基和鍺基半導體材料。20世紀50年代，市場上主要是鍺基半導體。但由于鍺基半導體耐高溫、抗輻射性能差，到20世紀60年代末，耐高溫、抗輻射性能好的硅基半導體逐漸取代了它的地位。這類半導體主要應用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中。例如在手機、電腦的集成電路板、硅光伏等產業中都得到了廣泛應用。然而，第一代半導體材料在高壓下性能受限。20世紀90年代，移動通訊的快速發展促使研究者研發新的半導體材料，第二代半導體材料應運而生。第二代半導體材料是“化合物半導體”。化合物半導體是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等為代表。主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件（LED）等材料。但因其材料資源稀缺，價格昂貴，且具有毒性，能污染環境，具有一定的局限性。進入21世紀以來，智能手機、新能源汽車、機器人等新興電子技術迅速發展。材料的性能限制已不能滿足科學技術的需要，這就呼喚新材料出現來替代。第三代半導體材料以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表。具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和率和更高的耐輻射性，廣泛應用于高壓、高頻、高溫領域，包括射頻通信、雷達、衛星、汽車電子等。設計意圖：通過從金屬性、非金屬性的周期性變化規律出發，大體判斷在周期表中尋找半導體材料的思路。再通過對半導體材料研發進程的講解，體會人們對物質日益提升的需求與研究者們不斷研發新材料，改善產品性能之間的相互促進關系，同時感受元素周期表和元素周期律在材料研發的過程中的指導作用。環節三：應用二：尋找某些特定性質的材料——制冷劑【PPT展示】冰箱、空調的照片【教師講解】空調、冰箱等早已是家庭必備電器。炎熱的夏天，它們的制冷作用就凸顯出來了。制冷劑的優劣不僅直接影響我們對上述電器的使用感受，可能還會潛藏某些安全隱患。因此，理想制冷劑的研發至關重要。接下來讓我們依照元素周期表，遵循元素周期律，一起來尋找一款理想制冷劑吧！【問題鏈設置】1．制冷劑的工作原理是什么？2．常溫時制冷劑通常是什么狀態？3．從便于制冷的角度思考，制冷劑的沸點有什么特點？【教師講解】制冷劑，又稱冷媒，是各種熱機中借以完成能量轉化的媒介物質。在加壓時，放熱變成液體；當高壓液體減壓變成氣體時，吸熱制冷。綜上所述，理想的制冷劑應具備氣液兩相容易轉化的特點。【PPT展示】典型的一代制冷劑的沸點及危險性信息【教師講解】從制冷劑優化的角度思考，理想的制冷劑還應具備安全、低毒的特點。【問題鏈設置】1．參考低毒農藥的研發思路，在制冷劑中添加周期表中何種元素能夠降低毒性？2．以甲烷類制冷劑的代表甲烷為例，從總結出的氫化物的易燃規律出發，在制冷劑中添加周期表中哪個位置的元素可以降低易燃性？【教師講解】依照元素周期表，遵循元素周期律，參考低毒農藥的研發思路：含As劇毒農藥到含P、S、Cl、F低毒農藥,我們可以得到這樣的規律：引入元素周期表右上方的某些元素，能夠減弱農藥的毒性。循著這個思路，我們在制冷劑中添加了F、Cl原子，制冷劑毒性高的問題得以解決。以甲烷為例，總結一下氫化物的易燃規律：同周期從左到右，氫化物易燃性逐漸減弱；同主族從上到下，氫化物易燃性逐漸增強。要想降低氫化物的易燃性，應該添加周期表右上方的元素。制冷劑易燃性的問題得以解決【PPT展示】圖片展示二代以氟利昂為代表的第二代制冷劑信息及氟利昂對臭氧層空洞的破壞原理。【問題鏈設置】1．氟利昂是如何破壞臭氧層的呢？2．分析氟利昂破壞臭氧層的機理，其本質原因是什么？3．從制冷劑優化的角度思考，理想的制冷劑還應具備哪些特點？4．以甲烷為例，總結一下氣態氫化物的熱穩定性規律，在制冷劑中添加周期表中哪個位置的元素可以提高其化學熱穩定性？【教師講解】伴隨著毒性和易燃性等問題的解決，安全耐久的第二代制冷劑相繼問世。其中以氟利昂最為知名。氟利昂的出現，也使得冰箱和空調真正走進尋常百姓家。然而，1970年以來，大氣臭氧層濃度逐漸減少的問題開始受到世界各國科學家的關注。研究發現，臭氧層破壞的主要原因是人類大量使用氟利昂類物質導致。氟利昂破壞臭氧層的原理：在紫外輻射條件下，氟利昂中一個氯原子分解出來，結合了臭氧分子，生成了一氧化氯和氧氣，一氧化氯會繼續分解出氯原子繼續結合臭氧分子。這樣循環往復，臭氧層不斷被消耗，失去了有效地保護地球生物免受太陽有害紫外線輻射的能力。分析氟利昂破壞臭氧層的機理，歸根到底是源自氟利昂結構的不穩定性所致。從制冷劑優化的角度思考，理想的制冷劑還應具備化學性質穩定的特點。以甲烷為例，總結一下氣態氫化物的熱穩定性：同周期從左到右，氫化物熱穩定性逐漸增強；同主族從上到下，氫化物熱穩定性逐漸減弱。因此，增加元素周期表右上方的元素，能夠提高氣態氫化物的熱穩定性。為此，研究者們增加了制冷劑中氟原子的個數，改良了制冷劑，開發出以保護臭氧層為原則的第三代制冷劑，這大大遏止了臭氧層空洞的變大速度。【PPT展示】圖片展示三代制冷劑——氟利昂的替代品及其帶來的新的環境問題——溫室效應。【問題鏈追問】從制冷劑優化的角度思考，理想的制冷劑還應具備哪些特點？周期表在尋求特殊性質材料——制冷劑的過程中起到怎樣的指導作用？除了在金屬和非金屬分界線處尋找半導體材料，在活潑非金屬區域尋找新型制冷劑&高效殺蟲劑，我們還可以依照周期表，尋找哪些特定性質的材料？【教師講解】理想的制冷劑還應具備綠色、環保、可持續的特點。在制冷劑研發過程中，我們一步步將視線集中到了元素周期表的右上方，這就是周期表在尋求特殊材料過程中的指導作用。除在金屬和非金屬分界線處尋找半導體材料，在活潑非金屬區域尋找新型制冷劑&高效殺蟲劑，我們還通常會在過渡元素區域尋找高效催化劑、耐高溫&耐腐蝕的金屬材料。設計意圖：從冰箱、空調等電器在夏天的制冷特征出發，從沸點、毒性、易燃性、化學穩定性、綠色環保等角度不斷依照周期表、遵循元素周期律尋求制冷劑的優化思路。在此過程中，通過分析和處理數據初步形成用歸納、演繹等方法解決問題的能力，并感受科學家在化學研究中所運用的“發現問題——理論預測——實驗驗證——應用實踐”的科學方法，提高邏輯推理的核心素養。體會元素周期律（表）在科學研究過程中的重要作用，認識化學與技術、社會、環境的相互關系。環節四：總結及展望【PPT展示】2023年諾貝爾化學獎者信息及其主要貢獻圖片【教師講解】元素周期表是化學研究的重要工具，它提供了解釋和預測元素性質的有效框架。通過深入研究不同元素的結構和特點，我們可以設計和創造新材料，可以更