Scenariusz zajęć

Autor: Andrzej J. Kałka, Krzysztof Błaszczak

Przedmiot: Chemia

Temat: Budowa cząsteczki ozonu.

Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony; uczniowie III etapu edukacyjnego – kształcenie w zakresie podstawowym i rozszerzonym

Podstawa programowa:

Poziom podstawowy

II. Budowa atomu a układ okresowy pierwiastków. Uczeń:

1) stosuje pojęcia: powłoka, podpowłoka; pisze konfiguracje elektronowe atomów pierwiastków do Z=20 i jonów o podanym ładunku, uwzględniając przynależność elektronów do podpowłok (zapisy konfiguracji: pełne, skrócone);

3) wskazuje związek między budową elektronową atomu a położeniem pierwiastka w układzie okresowym i jego właściwościami fizycznymi (np. promieniem atomowym, energią jonizacji) i chemicznymi.

Poziom rozszerzony

II. Budowa atomu. Uczeń:

3) stosuje zasady rozmieszczania elektronów na orbitalach (zakaz Pauliego i regułę Hunda) w atomach pierwiastków wieloelektronowych;

4) pisze konfiguracje elektronowe atomów pierwiastków do Z=38 oraz ich jonów o podanym ładunku, uwzględniając przynależność elektronów do podpowłok (zapisy konfiguracji: pełne, skrócone i schematy klatkowe);

5) określa przynależność pierwiastków do bloków konfiguracyjnych: s, p i d układu okresowego na podstawie konfiguracji elektronowej; wskazuje związek między budową elektronową atomu a położeniem pierwiastka w układzie okresowym i jego właściwościami fizycznymi (np. promieniem atomowym, energią jonizacji) i chemicznymi.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

• kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji;

• kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii;

• kompetencje cyfrowe;

• kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne

Uczeń:

• pisze konfiguracje elektronowe atomów i jonów z wykorzystaniem zapisu pełnego, skróconego i klatkowego;

• pisze wzór sumaryczny ozonu oraz określa ozon jako występującą w przyrodzie naturalną odmianę alotropową tlenu;

• rysuje wzory elektronowe (kropkowo‑kreskowe) Lewisa dla kilkuatomowych związków nieorganicznych;

• schematycznie kreśli diagram energetyczny orbitali atomowych oraz orbitali molekularnych prostych cząsteczek, a następnie lokuje elektrony na orbitalach według odpowiednich zasad kwantowo‑mechanicznych (reguła Hunda, zakaz Pauliego);

• ilustruje na diagramie schemat powstawania orbitali molekularnych jako kombinacji orbitali atomowych; określa ich typ (wiążące, niewiążące, antywiążące) i symetrię (σsigma, πpi);

• stosuje teorię hybrydyzacji do konstrukcji diagramu energetycznego orbitali;

• schematycznie rysuje kształty przestrzenne orbitali atomowych i molekularnych (przed i po hybrydyzacji);

• dostrzega i wskazuje różnice pomiędzy opisem elektronów zdelokalizowanych poprzez orbitale molekularne w formie zdelokalizowanej oraz zlokalizowanej;

• wnioskuje o wybranych właściwościach fizycznych i chemicznych drobin na podstawie ich struktury i konfiguracji elektronowej (reaktywność, własności paramagnetyczne i diamagnetyczne, moment dipolowy);

• definiuje elektryczny moment dipolowy i określa jakościowo jego wartość (zerowa‑niezerowa/większa‑mniejsza) dla wybranych prostych cząsteczek chemicznych;

• interpretuje schematyczny zapis wiązań niecałkowitego rzędu, zaznaczonych linią przerywaną;

• opisuje zjawisko mezomerii (rezonansu) struktur elektronowych oraz jego następstwa;

• przewiduje kierunek przebiegu reakcji na podstawie wartości potencjałów standardowych półogniw – powtórzenie, wykorzystanie, i utrwalenie wiedzy uprzednio posiadanej, która stanowi przedmiot osobnych jednostek lekcyjnych, jednakże nie jest bezpośrednio rozwijana w ramach realizowanego tematu.

Strategie nauczania:

• asocjacyjna.

Metody i techniki nauczania:

• dyskusja dydaktyczna;

• analiza materiału źródłowego;

• ćwiczenia uczniowskie;

• logiczna gałąź;

• technika zdań podsumowujących.

Formy pracy:

• praca zbiorowa;

• praca w grupach;

• praca w parach;

• praca indywidualna.

Środki dydaktyczne:

• komputer z głośnikami, słuchawkami i dostępem do internetu;

• zasoby multimedialne (modele 3D) zawarte w e‑materiale;

• rzutnik multimedialny;

• tablica interaktywna/tablica i kreda, mazak.

Przed lekcją:

Zadaniem uczniów jest powtórzenie wiadomości dotyczących zagadnień, które są związane z zapisem konfiguracji elektronowych, konstrukcją diagramów energetycznych orbitali atomowych i molekularnych oraz podstawowych zasad lokowania elektronów na orbitalach. Przygotowanie to ma charakter indywidualny.

Przebieg zajęć:

Faza wstępna:

1. Zaciekawienie i dyskusja. Nauczyciel wykorzystuje informacje zawarte we wprowadzeniu e‑materiału. Rozpoczęcie zajęć od postawienia problemu i krótkiej burzy mózgów przeprowadzonej w klasie:

2. Rozpoznawanie wiedzy wyjściowej uczniów. Nauczyciel zadaje uczniom pytania: Czy tlen posiada odmiany alotropowe? Ile atomów tlenu buduje cząsteczkę ozonu?

3. Ustalenie celów lekcji. Nauczyciel podaje temat zajęć i wspólnie z uczniami ustala cele lekcji, które uczniowie zapisują w portfolio.

Faza realizacyjna:

1. Na drodze dyskusji z uczniami należy ustalić, że cząsteczkę ozonu budują trzy atomy tlenu. Uczniowie otrzymują zadanie przedstawić możliwe sposoby połączenia trzech atomów tlenu, poprzez struktury elektronowe Lewisa (praca w parach). Analizują treści w e‑materiale oraz wykonują polecenie 1 i 2. Chętne osoby przedstawiają na forum klasy swoje pomysły. Być może przynajmniej jeden z uczniów przedstawi strukturę cykliczną. W przeciwnym wypadku, nauczyciel może zasugerować cykliczne połączenie wszystkich atomów. Wywiązać powinna się dyskusja, która ze struktur jest poprawna.

2. Po „wyborze” formy łańcuchowej, uczniowie wspólnie z nauczycielem zastanawiają się, co wynika ze wzoru Lewisa dla cząsteczki ozonu. Uczniowie wykonują polecenie 3 w e‑materiale w zakładce „Przeczytaj”. Chętna osoba proponuje swoją odpowiedź na forum klasy, pozostali zaś weryfikują poprawność wypowiedzi kolegi/koleżanki. Należy tu zwrócić uwagę na wyraźny podział struktury na dwa fragmenty – cząsteczki ditlenu ${\text{O}}_2$ oraz dołączonego do niej wiązaniem koordynacyjnym atomu tlenu. Poruszona powinna zostać kwestia oddania nadmiarowego atomu tlenu, skutkująca bardzo silnymi właściwościami utleniającymi ozonu (w zależności od dostępnego czasu, można przywołać podane w sekcji „Przeczytaj” wartości tablicowe potencjałów red‑ox).
   W kolejnym punkcie obrać można dwie drogi:

• wprowadzić pojęcie ładunków formalnych i wyznaczyć je dla cząsteczki ozonu, a następnie wywnioskować na ich podstawie o niezerowym elektrycznym momencie dipolowym cząsteczki.

• przejść „od razu” do przewidywania kształtu cząsteczki przy użyciu teorii VSEPR.

5. Rozważając wraz z uczniami kształt cząsteczki ozonu, sugeruje się, by poruszyć temat „ściśnięcia” kąta pomiędzy wiązaniami tlen‑tlen przez wolną parę elektronową.

6. Uzyskane przewidywania teoretyczne należy porównać z doświadczalnie wyznaczonymi wartościami. Podczas analizy, uczniowie powinni zwrócić uwagę na równe długości wiązań tlen‑tlen, które teoretycznie powinny posiadać inny rząd. W formie dyskusji, należy poszukać przyczyn takiej niezgodności.

7. Uczniowie wykonują polecenie 5 w e‑materiale w zakładce „Przeczytaj”. Chętna osoba proponuje swoją odpowiedź na forum klasy, pozostali weryfikują poprawność wypowiedzi kolegi. Wprowadzone powinno zostać pojęcie rezonansu, bądź mezomerii struktur elektronowych (dwie równoważne struktury elektronowe, które przechodzą jedna w drugą) oraz pojęcie momentu dipolowego.

8. W drugim wypadku, określić można kierunek (i zwrot) wektora dla „rzeczywistej” cząsteczki ozonu (symetryczne skoncentrowanie ładunku ujemnego na skrajnych atomach tlenu). Do uzyskania pełnego opisu budowy cząsteczki ozonu pozostaje jeszcze wykreślenie diagramu energetycznego orbitali molekularnych, co stworzyć powinien raczej nauczyciel wraz z uczniami, ze względu na nowość sytuacji (zwykle diagramy kreśli się dla związków w pełni symetrycznych lub dwuatomowych). Rozważyć w tym miejscu można zarówno strukturę elektronową, która wynika ze wzoru Lewisa (lokalizacja wszystkich orbitali), jak i strukturę uwzględniającą delokalizację elektronów, które znajdują się na orbitalach typu 2p. Koniecznie określić należy liczbę niesparowanych elektronów dla cząsteczki ozonu i stwierdzić, co liczba ta za sobą pociąga (właściwości diamagnetyczne). Na tym etapie wykorzystane powinny zostać dołączone do niniejszych materiałów interaktywne modele 3D, przedstawiające geometryczną budowę cząsteczki ozonu oraz strukturę jej orbitali molekularnych oraz tworzących je orbitali atomowych.

9. Nauczyciel, w zależności od potencjału intelektualnego uczniów, z którymi pracuje, powinien dobrać odpowiednią „porcję” danych do przeanalizowania przez uczniów, z wykorzystaniem (w małych grupach) komputerowych modeli 3D. Najcenniejszymi treściami zawartymi w modelach są parametry geometryczne – zaznaczony moment dipolowy, a przede wszystkich przestrzenne wizualizacje orbitali atomowych i molekularnych (szczególnie zdelokalizowanych orbitali typu p). Ogłoszone mogą zostać mini‑konkursy na to, kto będzie w stanie przypisać wszystkie orbitale atomowe do orbitali molekularnych, które tworzą, czy określenie „po kształcie” orbitalu, czy odpowiada on wolnej parze elektronowe, czy może wiązaniu. Sugerowane polecenia dołączone zostały w sekcji „Animacja”.

Faza podsumowująca:

1. Podsumowanie w formie utworzenia gałęzi logicznej (lub innej formy schematu) na tablicy wraz z uczniami. Sugerowana tematyka powinna dotyczyć przede wszystkim możliwie prostego wypunktowania kluczowych spostrzeżeń i związków przyczynowo‑skutkowych dotyczących budowy cząsteczki OIndeks dolny 3₃ i jej następstw, np. równe długości wiązań ↔ struktury rezonansowe ↔ delokalizacja elektronów; lub: brak niesparowanych elektronów → własności diamagnetyczne ↔ brak przyciągania przez magnes.

2. Jako podsumowanie lekcji, nauczyciel może wykorzystać zdania do uzupełnienia, które uczniowie zamieszczają w swoim portfolio:

• Przypomniałem/łam sobie, że...

• Co było dla mnie łatwe...

• Czego się nauczyłam/nauczyłem...

• Co sprawiało mi trudność...

Praca domowa:

Uczniowie wykonują ćwiczenia w e‑materiale – „Sprawdź się” (dla ambitnych – zadania o większym stopniu trudności).

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania multimedium:

Trójwymiarowe modele obrazujące budowę cząsteczki ozonu mogą stanowić cenną pomoc naukową dla zrozumienia pewnych treści. O ile parametry geometryczne (długości wiązań i kąty pomiędzy nimi) są rozumiane niejako intuicyjnie, o tyle orbitalny opis kwantowo‑mechaniczny budowy cząsteczek jest w pełni abstrakcyjny. Poprzez możliwość interaktywnej manipulacji w trójprzestrzeni (obracania, przybliżania) cząsteczką ozonu, Uczniowie mogą „obejrzeć wygląd” orbitali atomowych, prześledzić proces ich hybrydyzacji oraz wzajemnego nakładania, skutkującego wytworzeniem wiązań chemicznych. Samodzielna możliwość przeanalizowania wszystkich schematów dodatkowo powinna zapewnić lepsze zrozumienie i „urzeczywistnienie” omawianych treści natury abstrakcyjnej. Ambitni uczniowie mogą także poszerzyć swoją wiedzę o ponadprogramowe informacje, obserwując wyniki realnych obliczeń chemii teoretycznej.
Ze względu na utrudniony dostęp do obliczonych kształtów orbitali dla cząsteczek wieloatomowych oraz trudność w ich zobrazowaniu w 2D, dołączone do materiałów wizualizacje stanowią cenny źródło dodatkowych możliwości edukacyjnych.

Materiały pomocnicze:

Polecenia podsumowujące (nauczyciel przed lekcją zapisuje je na niewielkich kartkach):

• Wyjaśnij pojęcia: diamagnetyk, delokalizacja, moment dipolowy.