基于“項目式學(xué)習(xí)”的“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”全模塊教學(xué)案例

陳思明

一、項目的選擇與教學(xué)目標(biāo)的確定

高三復(fù)習(xí)課教學(xué)中對知識的整合以及形成解決問題的認(rèn)識模型至關(guān)重要。在新能源的社會背景之下，磷酸鐵鋰電池因不含貴金屬元素，且具有耐高溫、循環(huán)次數(shù)高、安全性高、來源廣泛、價格便宜等優(yōu)勢而備受關(guān)注。本文以“磷酸鐵鋰電池的材料”為載體，從不同維度分析其結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)良性能，突出認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)角度在解決前沿問題中的價值。基于以上分析，確定如下教學(xué)目標(biāo)。

（1）通過分析磷酸鐵鋰電池的宏觀性質(zhì)，探析各組成部分的微觀結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)觀念。

（2）通過探析磷酸鐵鋰電池微觀結(jié)構(gòu)，復(fù)習(xí)原子結(jié)構(gòu)元素性質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)與分子的性質(zhì)、晶體相關(guān)基礎(chǔ)知識，建立結(jié)構(gòu)化認(rèn)知模型。

（3）通過探析磷酸鐵鋰電池微觀結(jié)構(gòu)，感受化學(xué)在人類發(fā)展過程中作出的巨大貢獻(xiàn)，增強社會責(zé)任感。

二、項目的實施

創(chuàng)設(shè)情境：認(rèn)識磷酸鐵鋰電池。

教師展示材料和圖片：工信部發(fā)布的第10批《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》其中近八成車型搭載磷酸鐵鋰電池。這種電池具有能量密度高、安全性能好、原材料來源廣泛等優(yōu)點。磷酸鐵鋰電池由正極材料（LiFePO4）、負(fù)極材料（石墨）、電解質(zhì)（LiPF5、溶劑）以及隔膜等部分構(gòu)成。

學(xué)生閱讀材料，從宏觀上了解磷酸鐵鋰電池的組成。

學(xué)生疑惑：磷酸鐵鋰電池為什么具有良好的性能？它是如何工作的呢？

教師過渡：物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)，我們下面從結(jié)構(gòu)入手找出答案。

（設(shè)計意圖：以磷酸鐵鋰電池為切入口，感受電池為社會發(fā)展作出的貢獻(xiàn)，激發(fā)學(xué)生的求知欲，引出復(fù)習(xí)任務(wù)。）

[▲]任務(wù)1：認(rèn)識正極材料——鋰離子供體

師：磷酸鐵鋰電池在充電過程中有一部分Fe2+被氧化為Fe3+，正極材料LiFePO4發(fā)生如下電極反應(yīng)：LiFePO4-xe-=Li1-xFePO4+xLi+。Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+時失去了哪個電子？請用價電子排布圖加以說明。同學(xué)們可以從微觀角度分析和理解這一變化。

生：基態(tài)Fe2+的價電子排布式為：3d6，電子排布圖為 [3d][↑↓][↑][↑][↑][↑];基態(tài)Fe3+的價電子排布式為：3d5，電子排布圖為 [3d][↑][↑][↑][↑][↑]，F(xiàn)e2+轉(zhuǎn)化為Fe3+時失去的是3d軌道上的一個電子，使3d軌道成為半充滿的結(jié)構(gòu)。

教師總結(jié)：多電子原子的電子填充順序一般符合構(gòu)造原理，電子填充次序為1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p。同學(xué)們應(yīng)當(dāng)熟練掌握1～36號元素基態(tài)原子的核外電子排布，基態(tài)原子核外電子排布應(yīng)遵循能量最低原理、泡利原理和洪特規(guī)則，尤其要注意Cr、Cu等元素基態(tài)原子的核外電子排布特殊性。

師：科學(xué)家青睞鋰電池的重要原因是鋰的密度較低。鋰是一種活潑金屬，試從原子結(jié)構(gòu)角度分析Li、Na和Li、Be、B的第一電離能差異的原因。參考數(shù)據(jù)：I1/（kJ·mol-1）Li520 Be900 B801 Na496 Mg738 Al578。

生：Na與Li同主族，Na的電子層數(shù)更多，原子半徑更大，故第一電離能更小;Li、Be和B為同周期元素，同周期元素從左至右，第一電離能呈現(xiàn)增大的趨勢;但由于基態(tài)Be原子的s能級軌道處于全充滿狀態(tài)，能量更低更穩(wěn)定，故其第一電離能大于B的。

教師總結(jié)：Li～Ne和Na～Ar的第一電離能曲線呈現(xiàn)鋸齒狀變化的原因與基態(tài)原子的核外電子排布有關(guān)，提示我們要透過現(xiàn)象看到結(jié)構(gòu)上的本質(zhì)特征。

師：磷酸根的空間構(gòu)型如何判斷，試總結(jié)利用VSEPR模型預(yù)測AXn型簡單分子或離子空間構(gòu)型的一般方法。

學(xué)生活動：完成利用VSEPR模型預(yù)測AXn型簡單分子或離子空間構(gòu)型的方法建模，如圖1所示。

學(xué)生活動：利用以上方法填充表格（“VP”為中心原子價層電子對數(shù)，“BP”為中心原子成σ鍵電子對數(shù)，“LP”為中心原子孤電子對數(shù)）

師：LiFePO4的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（a）所示。晶胞中O原子圍繞Fe原子和P原子分別形成正八面體和正四面體。它們通過共頂點或共棱形成空間鏈狀結(jié)構(gòu)。如何確定每個晶胞中含有LiFePO4的單元數(shù)？電池充電時，LiFePO4脫出部分Li+，形成Li1-xFePO4，結(jié)構(gòu)示意圖如（b）圖所示，如何確定x的值？

學(xué)生討論和匯報：根據(jù)（a）圖，圓球為Li+，位于頂點的Li+有8個，位于棱上的Li+有4個，位于面心的Li+有4個，晶胞中共含有Li+的個數(shù)為8×+4×+4×=4，所以每個晶胞中含有LiFePO4的單元數(shù)為4。由（b）圖與（a）圖相比可知，（b）圖中少了2個Li+，一個是棱上的，一個是面心上的，所以（b）圖中物質(zhì)含Li+的個數(shù)為8×+3×+3×=，=，x=。

（設(shè)計意圖：通過認(rèn)識磷酸鐵鋰電池的正極材料，從原子結(jié)構(gòu)、原子團(tuán)結(jié)構(gòu)到晶體結(jié)構(gòu)，認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層級逐漸提高，以此為素材復(fù)習(xí)原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，包括電子排布式、電離能等重要概念、AXn型分子或離子空間結(jié)構(gòu)的判斷、晶體均攤法等重要方法。）

[▲]任務(wù)2：認(rèn)識負(fù)極材料——鋰離子受體

師：充電時，Li+從正極脫出，經(jīng)電解液嵌入負(fù)極，形成“石墨層間化合物（LixC6）”。某LixC6的平面結(jié)構(gòu)如圖3所示，如何確定x的值？若每個六元環(huán)都對應(yīng)一個Li+，化學(xué)式又該如何確定？

生：每個Li+給每層提供，每層上下均有Li+，故圖中Li+相當(dāng)于每層單獨占有，每個Li+周圍單獨占有6個C原子，Li+與C原子之比為1∶6，故LixC中x=1;若每個六元環(huán)都對應(yīng)一個Li+，六元環(huán)上碳原子為3個環(huán)共用，C原子給每個環(huán)的貢獻(xiàn)為，則Li與C原子的數(shù)目之比為1∶2，則化學(xué)式為LiC2。

教師追問：結(jié)合圖4所示的結(jié)構(gòu)參數(shù)討論，為什么磷酸鐵鋰電池具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性？

學(xué)生討論并匯報觀點。充電完成后，磷酸鐵的體積比磷酸鐵鋰僅減少6.81%，而充電過程中負(fù)極材料體積輕微膨脹，二者互補，起到了調(diào)節(jié)體積變化、支撐電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。因此，磷酸鐵鋰電池在充放電循環(huán)過程中表現(xiàn)出了不俗的循環(huán)穩(wěn)定性，具有可觀的循環(huán)壽命。

（設(shè)計意圖：通過認(rèn)識磷酸鐵鋰電池的負(fù)極材料，加深對石墨這一典型混合型晶體的認(rèn)識，明確范德華力與共價鍵的區(qū)別，同時復(fù)習(xí)復(fù)雜晶體化學(xué)式的確定。利用真實晶胞參數(shù)等數(shù)據(jù)，解釋磷酸鐵鋰電池具有良好循環(huán)穩(wěn)定性的特征。）

[▲]任務(wù)3：認(rèn)識電解液——鋰離子導(dǎo)體

師：LiPF6是一種離子液體，是目前鋰電池電解液中使用最廣泛的鋰鹽。[PF6]-中P原子與F形成配位鍵，提問配位鍵的形成條件。

生：配位鍵的形成是電子對的給予與接受，成鍵原子一方能提供孤電子對，如分子NH3、H2O、CO等，離子Cl-、OH-、CN-、SCN-等;成鍵原子另一方能提供空軌道，如H+、Al3+、B、過渡金屬的原子或離子等。

教師追問：若不考慮空間構(gòu)型，請用示意圖表示[PF6]-的結(jié)構(gòu)。

學(xué)生活動：畫出[PF6]-的結(jié)構(gòu)，學(xué)生代表板書。

師：碳酸二甲酯起到調(diào)節(jié)電解液黏度的作用。在該分子中，碳原子采用何種雜化方式？1mol DMC分子中含有的σ鍵碳氧π鍵的數(shù)目是多少？

生：碳酸二甲酯分子中甲基碳原子為sp3雜化，酯基碳原子為sp2雜化，1mol碳酸二甲酯中含有σ鍵11 mol，含有碳氧π鍵1mol。

教師總結(jié)：有機(jī)物中碳原子的雜化方式。

師：碳酸二甲酯的沸點約為90℃，與其相對分子質(zhì)量接近的正丁酸的沸點約為162℃，原因可能是什么？

生：正丁酸分子間存在氫鍵，分子間作用力大，沸點較高，而碳酸二甲酯分子間不能形成氫鍵。

教師總結(jié)：氫鍵對物質(zhì)物理性質(zhì)的影響：

X—H……Y （X、Y=N、O、F）

（1）若某物質(zhì)可形成分子間氫鍵，一般表現(xiàn)為熔、沸點升高。

（2）若某物質(zhì)可與水形成氫鍵，一般表現(xiàn)為溶解度增大。

（設(shè)計意圖：通過認(rèn)識電解液材料，認(rèn)識LiPF6這一離子液體，拓寬對離子晶體的認(rèn)識，復(fù)習(xí)配位鍵和配位化合物、氫鍵等重要概念，對有機(jī)物中碳原子的雜化方式進(jìn)行建模。）

三、教學(xué)反思

本節(jié)課是“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”全模塊復(fù)習(xí)案例，注重基礎(chǔ)知識、基本概念、基本技能的結(jié)構(gòu)化。讓學(xué)生在牢固掌握理論知識的基礎(chǔ)上，鍛煉綜合學(xué)科能力。

1.創(chuàng)設(shè)真實情境，增強學(xué)習(xí)體驗感。本節(jié)課以“磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)素材”為背景，相對教材抽象化和理想化的情境，真實而貼近生活的真實情境更能拉近教師與學(xué)生思維和情感的距離，更易于達(dá)到學(xué)生認(rèn)知的最近發(fā)展區(qū)，從而使其產(chǎn)生認(rèn)知上的共鳴。

2.全模塊復(fù)習(xí)有利于從學(xué)科整體視角構(gòu)建認(rèn)知。整個項目從原子結(jié)構(gòu)到分子結(jié)構(gòu)再到晶體結(jié)構(gòu)，層級維度由低到高，認(rèn)知難度由簡單到復(fù)雜，在推進(jìn)過程中，將本模塊的核心知識和方法以及重要的學(xué)科觀念進(jìn)行整體的構(gòu)建和整合，有利于學(xué)生從一定高度把握學(xué)科。

（作者單位：南京師范大學(xué)附屬揚子中學(xué)）

編輯：趙文靜