高中化學“堿金屬元素”的項目式教學實踐

張錦程

一、項目主題內容分析

項目式學習（PBL）是以建構主義理論為指導，以小組協作的形式進行規劃和解決項目任務的學習方式。學生通過經歷事先精心設計的項目和一連串任務，在復雜及真實的學習環境中不斷進行探索和學習，從而獲得所需知識，解決項目過程中碰到的問題，實現有意義的學習。2019人教版必修一教材，把第四章第一節“原子結構與元素周期表”劃分為3個課時，其中最后一個課時為“原子結構與元素的性質”。新教材采用了預測的方法，引導學生發現堿金屬元素之間性質的相似性和遞變規律。“探秘堿金屬，‘預見119”項目創意新穎，緊貼學生實際，涉及到的知識規律性強。在教學中，筆者將項目拆分成“初探鈉和鉀”“再探堿金屬”“‘預見119”3個任務展開，在問題解決過程中借助“預測一觀察一解釋”的POE策略、從“位置一結構一性質”視角研究元素的性質，根據堿金屬元素性質的相似性和遞變性，讓學生預測未知元素的性質，設計專屬名片，體會科學與藝術的結合，感受化學學科魅力。

二、項目教學目標

1.通過預測鉀的化學性質，觀察鉀與氧氣、水反應的實驗，認識鈉與鉀性質的相似性和不同之處，培養“宏微結合”和“變化觀念”的核心素養；

2.通過預測鋰、銣、銫的化學性質，觀察堿金屬單質與氧氣、水反應的實驗，理解同主族元素性質的遞變規律及與原子結構的關系，發展“科學探究”與“證據推理”的核心素養；

3.能從位、構、性視角研究元素的性質，通過預測未知元素性質和為未知元素設計名片，體會“預測”這種方法在化學科學研究中的應用，發展“科學態度”與“創新意識”的核心素養。

三、教學流程

具體教學流程見表1。

四、項目實施過程及學生學習成果

[創設情境]鎵是化學史上第一個先從理論預言后在自然界中被發現驗證的元素。1871年，門捷列夫發現元素周期表中鋁元素下方有個間隙尚未被占據，他預測這種未知元素的相對原子量大約是68，密度為5.9g/cm3，性質與鋁相似，他的這一預測被法國化學家布瓦博德蘭證實。

[學生活動]2名學生分別扮演門捷列夫和布瓦博德蘭，表演元素鎵的發現過程中2人爭論的故事。

[問題引入]門捷列夫能夠根據元素的位置預測元素的性質，同學們想不想成為和門捷列夫一樣厲害的化學家、預言家呢？目前，俄羅斯和日本科學家正嘗試合成119號元素Uue，如何預測該元素的性質并為它設計一張專屬名片呢？

[學生觀點]根據元素周期表的編排規則，119號元素位于第8周期第ⅠA族。可以效仿門捷列夫，通過第ⅠA族中已經學過的金屬鈉的性質，預測119號元素的性質。

[過渡]鈉和119號元素都位于第ⅠA族，但鈉位于第3周期，119號元素位于第8周期，直接通過鈉的性質預測119號元素的性質是否合理呢？我們不妨先通過鈉的性質預測位于鈉下方的鉀的性質，再找到堿金屬元素性質的規律，從而預測119號元素的性質。

[任務1]初探鈉和鉀

[教師]回憶金屬鈉的化學性質，描述鈉與氧氣、水反應的實驗現象。

[學生]鈉在常溫下與氧氣反應生成氧化鈉，在加熱條件下生成過氧化鈉。鈉與水反應生成氫氧化鈉和氫氣。常溫下，銀白色的鈉表面很快變暗；加熱條件下，鈉先熔化，再劇烈燃燒，產生黃色火焰，生成淡黃色固體。鈉與水反應，鈉浮在水面上，熔成光亮的小球，四處游動，發出嘶嘶的響聲，滴入酚酞，溶液變紅。

[教師]如何從結構的角度解釋鈉具有的化學性質？

[學生]鈉原子的最外層電子數為1，容易失去電子形成鈉離子。

[教師]根據鉀的原子結構，你認為鉀會具有怎樣的性質？

[學生]鉀原子的最外層電子數也為1，也容易失去電子形成鉀離子，具有金屬性，具體表現在也能和氧氣反應，也能和水反應。

[教師]鉀的性質是否和預測的一樣呢？觀察實驗，描述實驗現象。

[演示實驗]鉀與氧氣反應、鉀與水反應。

[學生]鉀與氧氣反應，先熔化再劇烈燃燒，產生紫色火焰，生成黃色固體。鉀與水反應，鉀浮在水面上，熔成光亮的小球并劇烈燃燒，四處游動，發出爆炸聲，滴入酚酞，溶液變紅。

[教師]鉀與氧氣反應生成的黃色固體有過氧化鉀（K2O2）和超氧化鉀（KO2）。比較鈉和鉀與氧氣、水反應的實驗現象，你能得出什么結論？

[學生]鈉和鉀都能與氧氣和水反應，且鉀更活潑。

[過渡]鈉和鉀性質上有相似性和不同之處，這樣的規律是只存在于這2種元素之間還是所有的堿金屬元素之間呢？

[任務2]再探堿金屬

[教師]根據堿金屬元素的原子結構特點（見表2），預測鋰、銣、銫的化學性質。

[學生]鋰、銣、銫的最外層電子數都為1，容易失去電子形成+1價的離子，具有金屬性，具體表現為可以與氧氣和水反應。

[教師]事實和推測是否一致呢？觀看視頻，并嘗試總結堿金屬元素的化學性質。

[視頻]堿金屬單質與氧氣和水的反應。

[教師]鋰與氧氣反應只生成氧化鋰；鈉與氧氣反應，常溫下生成氧化鈉，加熱時生成過氧化鈉；鉀與氧氣反應，常溫下生成氧化鉀，加熱時生成過氧化鉀和超氧化鉀；銣和銫，除了生成氧化物、過氧化物、超氧化物以外，還會生成臭氧化物。你認為堿金屬單質與氧氣的反應有怎樣的規律？

[學生]堿金屬單質，從鋰到銫，與氧氣的反應越來越劇烈，生成物越來越復雜。

[教師]無論哪種堿金屬單質，與水反應都會生成對應的氫氧化物和氫氣，那么通過視頻，你發現堿金屬單質與水的反應又有怎樣的規律呢？

[學生]堿金屬單質，從鋰到銫與水的反應越來越劇烈。

[教師]將堿金屬單質與氧氣和水反應的規律總結成一句話，就是堿金屬元素，從鋰到銫，金屬性逐漸增強。結構決定性質。如何從結構的角度，解釋堿金屬元素性質的相似性與遞變性呢？

[學生]堿金屬元素原子的最外層電子數都為1，都容易失去電子形成+1價的離子，都表現金屬性，具有相似性。

[學生]堿金屬元素，從上到下，核電荷數依次增多，電子層數依次增大，原子半徑依次增大，原子核對最外層電子的引力依次減小，失去電子的能力依次增大，金屬性逐漸增強。

[教師]化學性質具有相似性和遞變性，物理性質呢？觀察表格（見表3），總結規律。

[學生]堿金屬元素，從鋰到銫，都為銀白色金屬（除了銫略帶金色光澤），都很柔軟，密度依次增大，鈉鉀反常，熔沸點依次降低。

[教師]鈉鉀合金的熔點低于純金屬鈉和鉀的熔點，因此鈉鉀合金常用作核反應堆的導熱劑。性質決定用途。堿金屬元素還被用作鋰電池、堿金屬蒸氣激光器、銣銫原子鐘等等。

[過渡]找到了堿金屬元素的相似性和遞變性，就可以預測119號元素的性質了。

[任務3]“預”見119

[教師]嘗試預測119號元素的性質，并為它設計一張專屬名片。

[學生]設計名片（如圖1所示）。

五、項目教學反思（略）

（收稿日期：2024-01-35）