Интегрированный урок (химия + информатика) "Валентные состояния атома углерода"

Образовательная – вызвать объективную необходимость изучения нового материала, способствовать овладению знаниями по теме “Валентные состояния атома углерода, познакомить учащихся с понятием гибридизация и валентными состояниями атома углерода, научить определять по структурной формуле вещества гибридное состояние и форму атома углерода.

Развивающая – формировать умение устанавливать причинно-следственные связи, систематизировать материал, делать выводы по теме; способствовать развитию мышления, познавательных и общетрудовых умений.

Воспитательная – формировать добросовестное отношение к учебному труду, положительной мотивации к учению, коммуникативных умений; убеждать в необходимости привлечения средств науки химии к пониманию и описанию процессов, идущих в окружающем мире.

Методы: репродуктивный, частично-поисковый, исследовательский.

Форма организации занятий: словесный (лекция), наглядный, проблемное изложение, работа с книгой, фронтальный опрос, самостоятельная работа.

Средства обучения:

• учебно-материальные: химические реактивы, материальные принадлежности для химических опытов, компьютер, проектор, книги, ТСО;
• дидактико-методические: химический язык, химический эксперимент, дидактический материал;
• психолого-педагогические: познавательные задания (вопросы, тесты, алгоритмы).

Форма организации работы в классе: индивидуальная, фронтальная.

1. Организационный этап – 1 мин.
2. Актуализация знаний – 5 мин.
3. Постановка цели и задач урока – 5 мин.
4. Изучение нового материала. Усвоение новых знаний и способов действий – 23 мин.
5. Закрепление изученного материала. Первичная проверка понимания – 3 мин.
6. Рефлексия и подведение итогов– 4 мин.
7. Домашнее задание – 2 мин.

На этапе актуализации знаний ученики вспоминают типы химической связи, признаки ковалентной связи (направленность и насыщаемость), кратность ковалентных связей, - связь и -связь, теорию строения органических веществ и то, что углерод в органических соединениях четырехвалентен.

Атом углерода – основа всех органических соединений, поэтому его электронное строение представляет особый интерес при изучении органической химии.

1. К доске выходит ученик и по положению в ПСХЭ Д. И. Менделеева дает характеристику строения атома углерода. (На доске представлена схема строения атома углерода). Атом углерода состоит из положительно заряженного ядра (заряд равен +6) и шести электронов, которые расположены на двух различных энергетических уровнях. Первый ближайший к ядру уровень занимают два спаренных 1 s 2 – электрона (неподеленная электронная пара). Эти электроны не принимают участия в образовании химических связей. Остальные четыре электрона (2s 2 и 2р 2 ) находятся на втором энергетическом уровне.
2. Учитель отмечает, что углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен, а главное, что ковалентные связи образуют неспаренные электроны. Обращает особое внимание на подуровни 2s 2 и 2р 2 , на которых число неспаренных электронов не согласуется с четырехвалентностью атома углерода.
3. Как же выйти из этого противоречия?

Цель: Выяснить, почему и как изменяется расположение электронных облаков в атоме углерода.

1. Учитель: четырехвалентность атома углерода можно объяснить тем, что при образовании химической связи атом углерода (как и другой любой атом становится возбужденным – С*) (слайд 2). Такой переход приводит к появлению на внешнем уровне четырех неспаренных электронов (один 2s- и три 2 p -электрона). Поэтому для возбужденного состояния атома углерода можно записать такую конфигурацию электронов: 1 s 2 2 s 1 2p 3 . Поглощенная энергия (при возбуждении атома углерода) затем с избытком компенсируется при образовании четырех химических связей. Как вы считаете, энергетические состояния этих электронов одинаковы?
2. Ученики: поскольку это разные подуровни, то они должны отличаться энергиями.
3. Учитель: на самом деле в симметрично построенных молекулах, таких как CH4 и CCI4 и др., четыре химические связи атома углерода с другими атомами практически одинаковы. Чтобы объяснить это противоречие, физиками было введено понятие о гибридизации (смешении) электронных орбиталей (слайд 3). Согласно этой гипотезе, электроны находятся не на “чистых” s - и р-орбиталях, а на усредненных, обладающих одинаковой энергией. Такие орбитали называют гибридными. При смешении одной 2 s- и трех 2р-орбиталей образуются четыре одинаковые sp 3 -гибридные орбитали (слайды 4, 5).Их формы отличаются от форм исходных 2 s - и 2р-орбиталей, один из “лепестков” этой орбитали значительно вытянут в одну сторону от ядра. Все они строго ориентированы в пространстве под углом 109 о 28', образуя геометрическую фигуру – тетраэдр.
4. Ученикам предложено построить молекулу метана и этана.
5. Учитель: при образовании молекулы этана одна из четырех sp 3 -гибридных орбиталей первого углеродного атома перекрывается с такой же орбиталью второго атома углерода с образованием углерод – углеродной связи. Остальные гибридные орбитали при перекрывании с 1s-орбиталями атомов водорода образуют шесть -связей C – H . (слайд 6). Состояние углеродного атома с sp 3 -гибридными орбиталями характерно для соединений с одинарной связью – алканов (слайд 7). Для простого соединения sp 3 -гибридное состояние атома углерода характерно для алмаза (слайд 8). Для атома углерода возможны три типа гибридизации, три валентных состояния атома углерода – sp 3 , sp 2 и sp. Два новых состояния, чем отличаются от первого?
6. Ученик: участвуют не все р-орбитали.
7. Учитель: на слайде 9 показана схема образования трех валентных состояний атома углерода. При “смешении” одной 2s- и двух 2р-орбиталей образуются три одинаковые sp 2 -гибридные орбитали (слайд 10). Они расположены в одной плоскости под углом 120 о друг к другу (слайд 11). Третий р-электрон, не вступая в гибридизацию и сохраняя форму своей орбитали неизменной, располагается в плоскости, перпендикулярной плоскости гибридных орбиталей (слайд 12). Этот тип гобридизации характерен для соединений с двойной связью – алкенов (например этилена) (слайд 13). В молекуле этилена H2 C = CH2 атом углерода находится в состоянии sp 2 -гибридизации. В этом случае одна углерод – углеродная связь ( -связь) образована перекрыванием двух sp 2 -гибридных орбиталей (по одной от каждого углеродного атома), а другая – перекрыванием двух негибридизованных 2р-орбиталей в плоскости, перпендикулярной плоскости - связи. Так возникает качественно новая связь – -связь. А как же возникает тройная связь?
8. Ученик: в sp-гибридизации должны перекрываться только 2s- и одна 2р-орбиталь.
9. Учитель: на слайде 14 дано объяснение третьего валентного состояния атома углерода. Схема образования двух одинаковых sp-гибридных орбиталей представлена на слайде 15. На слайдах 16 и 17 хорошо видны две 2р-орбитали, не участвующие в гибридизации. Эти негибридизованные орбитали расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. sp -Гибридизация характерна для углеводородов с тройной связью – алкинов (например ацетилена). В молекуле ацетилена H – C C – H атом углерода находится в состоянии sp -гибридизации. Одна связь между углеродными атомами образована перекрыванием двух sp -гибридных орбиталей (по одной от каждого углеродного атома). В этом случае образуется обычная -связь. Две остальные sp-гибридные орбитали образуют с 1s-орбиталями двух водородных атомов две -связи C – H, расположенные друг относительно друга под углом 180 o . Оставшиеся у каждого углеродного атома еще по две негибридизованные 2р-орбитали перекрываются в двух взаимно перпендикулярных областях, образуя две -связи (слайды 18, 19).
10. На протяжении прохождения нового материала учащиеся составляют конспект в тетрадях с опорой на презентацию учителя (тема, понятие гибридизации, валентные состояния атома углерода).

1. Собрать шаростержневые молекулы метана, этилена и ацетилена.
2. Показать валентные углы.
3. Назвать тип гибридизации для каждой связи.
4. Какой тип гибридизации не существует и почему? (слайд 20)
5. Определите тип гибридизации каждого атома углерода в молекулах веществ (слайд 21)

Учащимся заданы вопросы (слайд 22):