元素周期表的应用 教学设计 高一上学期化学沪科版（2020）必修第一册

教学设计

课程基本信息学科化学年级高一学期春季课题《元素周期表的应用》教科书书名：《必修第一册》教材出版社：上海科学技术出版社教学目标1．进一步体会“元素位置-元素性质”间的关系，能够认识到周期表中位置靠近的元素性质是相近的。2．通过分析和处理数据初步形成用归纳、演绎等方法解决问题的能力，并感受科学家在化学研究中所运用的“发现问题——理论预测——实验验证——应用实践”的科学方法，提高逻辑推理的核心素养。3．通过了解科学家勇于探索的事迹，体验科学家严谨求实的科学态度和思辨求真的科学精神，体会元素周期律（表）在预测未知元素及其化合物性质以及在科学研究过程中的重要作用，认识化学与技术、社会、环境的相互关系。教学重难点教学重点：应用元素周期表（律）预测元素及其化合物的性质应用元素周期表（律）寻找并优化某些特定性质的材料。

教学难点：应用元素周期表及元素周期律从毒性、安全性、热稳定性、绿色环保等角度优化制冷剂。

2．在预测元素及其化合物和寻找并优化某些特定性质的材料的过程中，进一步体会“元素位置-元素性质”间的相互关系。教学过程环节一：课堂引入【PPT展示】手机、电脑、智能机器人照片。【教师讲解】手机、电脑、智能机器人等高科技电子产品改变着我们的生活方式，提高了我们的生活质量，给我们的生活增添了不少乐趣。你知道这些电子设备的核心元件是什么吗？【问题链追问】1．这些电子设备的核心元件是什么吗？2．如此功能强大的芯片，其主要组成元素是什么呢？3．硅为何可以用来制作芯片？它具有哪些特殊性质呢？4．硅之所以可以作芯片，源自于它作为半导体材料的特殊性质。什么是半导体材料呢？设计意图：以学生熟悉并感兴趣的高科技电子产品创设情境，设置环环相扣的问题链激发学生的求知欲望，同时在拓展视野中对半导体材料的概念普及为后续内容学习作铺垫。环节二：应用一：预测元素及其化合物的性质【PPT展示】第一个锗基晶体管和晶体锗的图片【教师讲解】硅是重要的半导体材料。然而，最早发现的半导体材料是锗。世界上第一个晶体管和第一块集成电路的材料也是锗。【问题链追问】1．锗是何时被发现的？2．它具有怎样的性质呢？3．门捷列夫在编制第一张元素周期表时有没有预测出它的性质呢？【教师讲解】答案是肯定的，1869年，门捷列夫在编制第一张元素周期表时就预料到有原子量位于65-75之间的类硅的存在。直到1887年温科勒发现了锗，门捷列夫拿出十几年前预言的类硅的性质一一对照，竟然完全吻和。【PPT展示】从仅含63种元素的第一张元素周期表到含有118种元素的现行元素周期表的演变过程动画。设计意图：讲述学生熟悉的门捷列夫对类硅这一半导体材料的单质及其化合物的性质预测与温科勒对锗单质及其化合物测定结果高度吻合的事实，让学生深入体会元素周期表在预测元素及其化合物性质方面的应用价值，并在这个过程中培养严谨、求实的科学精神。环节三：应用二：寻找某些特定性质的材料——半导体材料【问题链设置】1．元素金属性和非金属性的周期性变化规律如何？2．金属通常是电的良导体，非金属通常是电的不良导体。那导电性介于导体和绝缘体之间的半导体通常在周期表中的哪个位置容易找到呢？3．半导体材料就只有硅和锗吗？【教师讲解】根据元素周期律，同周期，从左到右，元素金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。同主族，从上到下，元素金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。我们可以很快在周期表中找到半导体材料可能出现的区域——金属与非金属的分界线附近。事实是否如此呢？我们刚才提到的Si和Ge毫无悬念的落在这个区域内。第一代半导体材料主要是“元素半导体”。包括硅基和锗基半导体材料。20世纪50年代，市场上主要是锗基半导体。但由于锗基半导体耐高温、抗辐射性能差，到20世纪60年代末，耐高温、抗辐射性能好的硅基半导体逐渐取代了它的地位。这类半导体主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中。例如在手机、电脑的集成电路板、硅光伏等产业中都得到了广泛应用。然而，第一代半导体材料在高压下性能受限。20世纪90年代，移动通讯的快速发展促使研究者研发新的半导体材料，第二代半导体材料应运而生。第二代半导体材料是“化合物半导体”。化合物半导体是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等为代表。主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件（LED）等材料。但因其材料资源稀缺，价格昂贵，且具有毒性，能污染环境，具有一定的局限性。进入21世纪以来，智能手机、新能源汽车、机器人等新兴电子技术迅速发展。材料的性能限制已不能满足科学技术的需要，这就呼唤新材料出现来替代。第三代半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表。具有更宽的禁带宽度，更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和率和更高的耐辐射性，广泛应用于高压、高频、高温领域，包括射频通信、雷达、卫星、汽车电子等。设计意图：通过从金属性、非金属性的周期性变化规律出发，大体判断在周期表中寻找半导体材料的思路。再通过对半导体材料研发进程的讲解，体会人们对物质日益提升的需求与研究者们不断研发新材料，改善产品性能之间的相互促进关系，同时感受元素周期表和元素周期律在材料研发的过程中的指导作用。环节三：应用二：寻找某些特定性质的材料——制冷剂【PPT展示】冰箱、空调的照片【教师讲解】空调、冰箱等早已是家庭必备电器。炎热的夏天，它们的制冷作用就凸显出来了。制冷剂的优劣不仅直接影响我们对上述电器的使用感受，可能还会潜藏某些安全隐患。因此，理想制冷剂的研发至关重要。接下来让我们依照元素周期表，遵循元素周期律，一起来寻找一款理想制冷剂吧！【问题链设置】1．制冷剂的工作原理是什么？2．常温时制冷剂通常是什么状态？3．从便于制冷的角度思考，制冷剂的沸点有什么特点？【教师讲解】制冷剂，又称冷媒，是各种热机中借以完成能量转化的媒介物质。在加压时，放热变成液体；当高压液体减压变成气体时，吸热制冷。综上所述，理想的制冷剂应具备气液两相容易转化的特点。【PPT展示】典型的一代制冷剂的沸点及危险性信息【教师讲解】从制冷剂优化的角度思考，理想的制冷剂还应具备安全、低毒的特点。【问题链设置】1．参考低毒农药的研发思路，在制冷剂中添加周期表中何种元素能够降低毒性？2．以甲烷类制冷剂的代表甲烷为例，从总结出的氢化物的易燃规律出发，在制冷剂中添加周期表中哪个位置的元素可以降低易燃性？【教师讲解】依照元素周期表，遵循元素周期律，参考低毒农药的研发思路：含As剧毒农药到含P、S、Cl、F低毒农药,我们可以得到这样的规律：引入元素周期表右上方的某些元素，能够减弱农药的毒性。循着这个思路，我们在制冷剂中添加了F、Cl原子，制冷剂毒性高的问题得以解决。以甲烷为例，总结一下氢化物的易燃规律：同周期从左到右，氢化物易燃性逐渐减弱；同主族从上到下，氢化物易燃性逐渐增强。要想降低氢化物的易燃性，应该添加周期表右上方的元素。制冷剂易燃性的问题得以解决【PPT展示】图片展示二代以氟利昂为代表的第二代制冷剂信息及氟利昂对臭氧层空洞的破坏原理。【问题链设置】1．氟利昂是如何破坏臭氧层的呢？2．分析氟利昂破坏臭氧层的机理，其本质原因是什么？3．从制冷剂优化的角度思考，理想的制冷剂还应具备哪些特点？4．以甲烷为例，总结一下气态氢化物的热稳定性规律，在制冷剂中添加周期表中哪个位置的元素可以提高其化学热稳定性？【教师讲解】伴随着毒性和易燃性等问题的解决，安全耐久的第二代制冷剂相继问世。其中以氟利昂最为知名。氟利昂的出现，也使得冰箱和空调真正走进寻常百姓家。然而，1970年以来，大气臭氧层浓度逐渐减少的问题开始受到世界各国科学家的关注。研究发现，臭氧层破坏的主要原因是人类大量使用氟利昂类物质导致。氟利昂破坏臭氧层的原理：在紫外辐射条件下，氟利昂中一个氯原子分解出来，结合了臭氧分子，生成了一氧化氯和氧气，一氧化氯会继续分解出氯原子继续结合臭氧分子。这样循环往复，臭氧层不断被消耗，失去了有效地保护地球生物免受太阳有害紫外线辐射的能力。分析氟利昂破坏臭氧层的机理，归根到底是源自氟利昂结构的不稳定性所致。从制冷剂优化的角度思考，理想的制冷剂还应具备化学性质稳定的特点。以甲烷为例，总结一下气态氢化物的热稳定性：同周期从左到右，氢化物热稳定性逐渐增强；同主族从上到下，氢化物热稳定性逐渐减弱。因此，增加元素周期表右上方的元素，能够提高气态氢化物的热稳定性。为此，研究者们增加了制冷剂中氟原子的个数，改良了制冷剂，开发出以保护臭氧层为原则的第三代制冷剂，这大大遏止了臭氧层空洞的变大速度。【PPT展示】图片展示三代制冷剂——氟利昂的替代品及其带来的新的环境问题——温室效应。【问题链追问】从制冷剂优化的角度思考，理想的制冷剂还应具备哪些特点？周期表在寻求特殊性质材料——制冷剂的过程中起到怎样的指导作用？除了在金属和非金属分界线处寻找半导体材料，在活泼非金属区域寻找新型制冷剂&高效杀虫剂，我们还可以依照周期表，寻找哪些特定性质的材料？【教师讲解】理想的制冷剂还应具备绿色、环保、可持续的特点。在制冷剂研发过程中，我们一步步将视线集中到了元素周期表的右上方，这就是周期表在寻求特殊材料过程中的指导作用。除在金属和非金属分界线处寻找半导体材料，在活泼非金属区域寻找新型制冷剂&高效杀虫剂，我们还通常会在过渡元素区域寻找高效催化剂、耐高温&耐腐蚀的金属材料。设计意图：从冰箱、空调等电器在夏天的制冷特征出发，从沸点、毒性、易燃性、化学稳定性、绿色环保等角度不断依照周期表、遵循元素周期律寻求制冷剂的优化思路。在此过程中，通过分析和处理数据初步形成用归纳、演绎等方法解决问题的能力，并感受科学家在化学研究中所运用的“发现问题——理论预测——实验验证——应用实践”的科学方法，提高逻辑推理的核心素养。体会元素周期律（表）在科学研究过程中的重要作用，认识化学与技术、社会、环境的相互关系。环节四：总结及展望【PPT展示】2023年诺贝尔化学奖者信息及其主要贡献图片【教师讲解】元素周期表是化学研究的重要工具，它提供了解释和预测元素性质的有效框架。通过深入研究不同元素的结构和特点，我们可以设计和创造新材料，可以更