Dla nauczyciela

Scenariusz zajęć

Autor: Andrzej J. Kałka, Krzysztof Błaszczak

Przedmiot: chemia

Temat: Jaka jest konfiguracja elektronowa atomu tlenu i co z tego wynika?

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

Podstawa programowa:

Poziom podstawowy

Wymagania ogólne

II. Rozumowanie i zastosowanie nabytej wiedzy do rozwiązywania problemów. Uczeń:

4) wskazuje na związek między właściwościami substancji a ich budową chemiczną.

Wymagania szczegółowe

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

Wymagania ogólne

II. Rozumowanie i zastosowanie nabytej wiedzy do rozwiązywania problemów. Uczeń:

4) wskazuje na związek między właściwościami substancji a ich budową chemiczną;

Wymagania szczegółowe

II. Budowa atomu. Uczeń:

2) interpretuje wartości liczb kwantowych; opisuje stan elektronu w atomie za pomocą liczb kwantowych; stosuje pojęcia: powłoka, podpowłoka, stan orbitalny, spin elektronu;

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:

  • definiuje pojęcia: powłoka, podpowłoka, orbital, spin elektronu, rodnik;

  • pisze konfigurację elektronową atomu tlenu z wykorzystaniem zapisu pełnego, skróconego i klatkowego;

  • określa związek pomiędzy budową atomu tlenu a jego właściwościami fizycznymi i chemicznymi;

  • schematycznie kreśli diagram energetyczny orbitali atomowych tlenu (reguła Hunda, zakaz Pauliego)

  • dostrzega związek pomiędzy efektem antywiążącym (liczbą elektronów zlokalizowanych na orbitalach antywiążacych) a stabilnością danego związku chemicznego;

  • oblicza rząd wiązania pomiędzy wybranymi atomami i wyciąga na jego podstawie wnioski dotyczące stabilności rozważanej struktury;

  • wnioskuje o wybranych właściwościach fizycznych i chemicznych drobin na podstawie ich konfiguracji elektronowej (stopnie utlenienia, reaktywność, własności paramagnetyczne).

Strategie nauczania:

  • asocjacyjna.

Metody i techniki nauczania:

  • dyskusja dydaktyczna;

  • analiza materiału źródłowego;

  • film edukacyjny;

  • logiczna gałąź;

  • ćwiczenia uczniowskie;

  • technika bateria.

Formy pracy:

  • praca indywidualna;

  • praca w parach;

  • praca zbiorowa.

Środki dydaktyczne:

  • komputery z głośnikami, słuchawkami i dostępem do Internetu;

  • zasoby multimedialne zawarte w e‑materiale;

  • rzutnik multimedialny;

  • tablica interaktywna/tablica i kreda/pisak.

Przed lekcją

Nauczyciel przed lekcją prosi uczniów o powtórzenie wiadomości dotyczących zagadnień związanych 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 zadaje uczniom pytanie jako myśl przewodnią: jaki związek mają obserwowane wartości makroskopowe z elementami mikroświata oraz mechaniką kwantową? Odniesienie do przykładu zamieszczonego w e‑materiałach w sekcji „wprowadzenie”.

  2. Rozpoznawanie wiedzy wyjściowej uczniów. Nauczyciel zadaje uczniom pytanie: Jakie stopnie utlenienia może przyjmować tlen i czym to jest uzasadnione?

  3. Ustalenie celów lekcji. Nauczyciel podaje temat zajęć i wspólnie z uczniami ustala cele lekcji, które uczniowie zapisują na kartkach i gromadzą w portfolio. Podanie tematu: „Od szczegółu do ogółu, czyli co wynika z konfiguracji elektronowej tlenu”.

Faza realizacyjna:

  1. Omawianie tematu rozpoczyna się od „odnalezienia” tlenu w układzie okresowym pierwiastków. Na podstawie okresu i grupy wyciągane są pierwsze wnioski (dostępne powłoki, elektrony oraz elektrony walencyjne). Chętna/wybrana osoba zapisuje na tablicy konfigurację elektronową atomu tlenu.

  2. Uczniowie zapoznają się z treściami w e‑materiale dotyczącymi diagramu energetycznego. Następnie chętna osoba kreśli na tablicy diagram energetyczny orbitali atomowych tlenu, „obsadzany” elektronami. W tym miejscu warto przypomnieć podstawowe zasady kwantowo‑mechaniczne lokowania elektronów na orbitalach (reguła Hunda, zakaz Pauliego). Poprzez analizę ww. diagramu, wnioskuje się na temat trwałych stopni utlenienia, które wynikają wprost z konfiguracji elektronowej. Można w tym miejscu rozważyć też właściwości red‑ox (atomu) tlenu oraz to, czy jest on stabilny w formie atomowej.

  3. Płynnym przejściem może być podanie informacji o innych typowych stopniach utlenienia tlenu i/lub analiza konfiguracji elektronowej jego cząsteczki dwuatomowej (dwie możliwe drogi co do kolejności rozważań). Ostatecznie na tablicy powinien zostać stworzony diagram energetyczny orbitali molekularnych ditlenu, obsadzony elektronami. Uwaga uczniów powinna zostać skierowana na dwa niesprawowane elektrony. W tym miejscu pomocny może być film zamieszczony w materiałach multimedialnych, dołączony do treści niniejszego tematu w e‑materiale.

  4. Kolejnym wątkiem powinno być poszukiwanie przyczyny występowania tlenu na stopniu utlenienia innym niż -II. W tym celu można posłużyć się analizą kilku charakterystycznych przypadków (nadtlenki, ponadtlenki), stosując wzory elektronowe (kreskowo‑kropkowe) Lewisa lub – w wersji bardziej zaawansowanej – także diagramem energetycznym orbitali. Zaznaczyć można, iż tlen cząsteczkowy jest substancją względnie stabilną ze względu na uzyskanie ośmiu elektronów przez każdy z atomów (do zainicjowania spalania często potrzeba iskry). Osiem elektronów na powłoce walencyjne „chcą” osiągnąć także inne atomy połączone z tlenem (przykład chociażby nadtlenku wodoru).

  5. Omówienie związku tlenu z fluorem, gdzie tlen występuje na +II stopniu utlenienia. Powrót do fazy wstępnej i konfrontacja informacji podanej przez uczniów.

  6. Na zakończenie tematu, można przeprowadzić analizę rzędu wiązań dla tlenu cząsteczkowego, nadtlenków, ponadtlenków i hipotetycznego tworu anionu ditlenkowego. Analiza ta jest dość pouczająca, głównie ze względu na ukazanie praktyczności zastosowania teorii mikroskali do obserwowanych w makroskali tendencji (dlaczego obserwuje się aniony tlenkowe, a nie ditlenkowe).

  7. Uczniowie pracują w parach z częścią „Sprawdź się”. Wykonują zadania. Nauczyciel może wyświetlić treść poleceń na tablicy multimedialnej. Po każdym przeczytanym poleceniu nauczyciel daje uczniom określony czas na zastanowienie się, a następnie chętna osoba z danej pary udziela odpowiedzi/prezentuje rozwiązanie na tablicy. Pozostali uczniowie ustosunkowują się do niej, proponując ewentualnie swoje pomysły. Nauczyciel w razie potrzeby koryguje odpowiedzi, dopowiada istotne informacje, udziela uczniom informacji zwrotnej. Ćwiczenia, których uczniowie nie zdążą wykonać podczas lekcji, mogą być zlecone do wykonania w ramach pracy domowej.

Faza podsumowująca:

  1. Podsumowanie w formie utworzenia gałęzi logicznej (lub innej formy schematu) na tablicy wraz z uczniami (przepisanej do zeszytu w formie notatki uczniowskiej). Sugerowana tematyka powinna dotyczyć przede wszystkim możliwie prostego wypunktowania kluczowych własności w formie przyczyna → skutek (np. 6 elektronów na powłoce walencyjnej atomu tlenu → trwały stopień utlenienia -II; przyjęcie elektronów → właściwości utleniające). Wśród związków przyczynowo‑skutkowych powinny pojawić się także nowe pojęcia (rodnik, paramagnetyzm) oraz przypadki nietypowe (związki tlenu z fluorem).

  2. Uczniowie na planszy z narysowaną baterią i zaznaczonymi poziomami jej naładowania, np. co 5‑10%, zaznaczają cenkami, w jakim stopniu opanowali zagadnienia, które wynikają z zamierzonych do osiągnięcia celów lekcji. W przypadku, gdy bateria nie jest naładowana w 100%, zastanawiają się, w jaki sposób podnieść swój poziom posiadanej wiedzy.

Praca domowa:

  1. Uczniowie wykonują w e‑materiale w sekcji „Sprawdź się” pozostałe ćwiczenia, których nie zdążyli wykonać na lekcji.

  2. Nauczyciel może także zlecić przejrzenie zbiorów zadań (lub arkuszy maturalnych z lat ubiegłych) i wyszukanie przynajmniej jednego zadania, poświęconemu tematyce konfiguracji elektronowych związków (lub atomu) tlenu.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania multimedium:

Film edukacyjny może zostać wykorzystany jako podsumowanie dla uczniów. Uczniowie nieobecni na lekcji mogą wykorzystać film jako zasób informacji uzupełniających ich luki kompetencyjne.

Materiały pomocnicze:

Nauczyciel przygotowuje arkusz papieru ze schematem baterii i skalą oraz cenki dla uczniów.

Sprawdź się