（研究性学习研究报告）高一化学必修二元素周期律

元素周期律的探究性学习
[摘要]：教育的关键在于教会学生如何学
( http: / / www.21cnjy.com )习，化学学科的研究性学习，通过启发式教学激发和调动学生思维的主动性和积极性，可以使学生在获得知识的同时激发思维潜力。探索性学习不一定非要探索未知，重要的是引导学生重新实践前人探索的路程，通过自己动手排列元素周期表，体会其中的艰难险阻，巩固旧知识的同时学到了知识以外的东西。
[关键词]：元素周期律
思维培养
研究性学习
化学教学
[正文]：
素质教育的核心在于立足知识，提高能力，特别
( http: / / www.21cnjy.com )是思维能力。中学是学生思维能力和思维品质形成的关键阶段，科学的指导、细致的引导、热情的督导是良性思维品质形成的有益促进。
教育的关键不仅仅在于传道授业解惑，更重要的
( http: / / www.21cnjy.com )是教会学生如何学习，如何探索求知，尤其在自然科学科目上，开展研究性学习是必要的，可以培养学生在积极的主动探索中求知，获得知识的同时激发思维潜力。在研究性学习中，启发式教学是以活跃学生思维为标志的一种教学指导思想，通过启发式教学可以激发和调动学生思维的主动性和积极性。当然，现在中学生学习的知识面是建立在前人积累的知识基础上，不可能漫无边际的探索，探索性学习不一定非要探索未知，重复人类已知的科学是正常的，重要的是引导学生重新实践前人探索的路程，体会其中的艰难险阻，学到知识及知识内涵的东西。
研究时间：2001年9月~2002年3月
研究对象：高一（3）（8）班
编制设制：高一四班54人，每5人一小组，共11组；高一五班46人，
每5人一小组，共9组。
研究途径：
常规教学
研究性学习课
小组讨论活动
研究方法：观察、调查、征询、指导（集体与个体结合），比较，帮助，讨论，矫正，定人定点定项，及时交流反馈。
研究措施：
创造积极参与的氛围，培养逻辑思维和求实精神。
2、
课堂教学以知识点为载体，着重思维培养，集体中交流、总结。
3、
研究性学习课灵活运用，验证、设计、改进相结合，实验思路、实验
装置、实验现象描述等方面处处促使创新。
4、
实验家庭化、微型化，创新求异。
5、
专题讲座、专项训练，多形式多渠道强化。
6、
师生共同交流，总结经验与教训并组织学生讨论，具体写成个人的
小结文章。
研究过程：（1）先由老师引导，收集资料，引用故事、典故进行讲述，在讲述中唤起学生的兴趣，启发，将启发灌输其中，让学生渐入佳境。
（2）提出问题，让每位学生多方面收集资料，自行设计方案，具体绘图，列出所需药品、仪器。
（3）方案在各小组进行答辩讨论，由小组审议后上交班级，小组之间再予交换议论方案（包括安全因素），由老师审查设计方案的安全性。
（4）以小组为单位具体组织实验，作实验记录，讨论得出结论，在原有基础上改进，写出各组的论文，包括设计后的反思。
[教师引导1]：指导学生阅读高一教材107—108页内容。然后讲述故事。
元素周期表的故事
1867年，彼得堡大学聘请青年化学家德·伊·门捷列夫来校担任普通化学教授。为了不辜负这种荣誉，这位三十三岁的教授决定尽自己的力量做好工作，
经过精心准备，他的讲课轰动
( http: / / www.21cnjy.com )一时，极为成功，为了更好的教学，他开始编写一本内容丰富的新著作《化学原理》。他手头的资料形形色色，卓卓有余，可是，门捷列夫对于这门自己早已十分熟悉的科学，觉得自己钻进这座科学丛林越深，却越糊涂，化学科学真好象是一座没路的森林。
那时候，化学家所知道的元素一共有63种
( http: / / www.21cnjy.com )，每一种都要与其他物质化合而成几十、几百、甚至几千种化合物，色彩、软硬、轻重、气味……都没有完全相似的。科学家对它们已经研究得很细了，可是这样枝枝节节的讲得越多，听的人对于化学的认识可能反而越少，难道组成世界的这些材料当真是漫无秩序，极其偶然的凑在一起吗？可是门捷列夫却不愿意盲目的在这座迷宫里漫步，他坚决的寻找元素间的规律，深信元素虽然有种类的不同，可元素与元素之间一定隐藏着某种统一性。
其实用不着多高的智慧才能看出存在于
( http: / / www.21cnjy.com )某些元素间的极大相似性，双胞胎元素、三胞胎元素，化学家早就发现了，例如F、Cl、Br、I等卤族元素的性质就很相似，Mg、Ca、Sr、Ba等碱土金属元素也是相似的。门捷列夫却肯定这种现象决不会是偶然的，一定有某种内在的联系存在于一切元素中间，知道了这一点后，就可以把元素像士兵一样排列成队。
那么，到底是什么时候样的基本性质是关键的特征呢？
颜色吗？比如P有白磷、红磷、黄磷，
( http: / / www.21cnjy.com )那P本来的颜色究竟是白的，还是红的、黄的呢？比如I2，固体时是深棕色，有金属似的光泽，可是一加热，同一份I2就变成了紫色蒸汽。又如黄金，如果打成极薄的箔，就变成蓝绿色，透明得像云母一样。
所以，颜色不可能。那么密度呢？一种物质只要稍
( http: / / www.21cnjy.com )微加热，密度就起变化，相对的轻起来——更不确定了。同样的，元素的导热性、导电性、磁性及许多别种性质都不合用。
就像每个人有个特殊的脸作为
( http: / / www.21cnjy.com )他的标记一样，每种元素也应该有一种更根本的特征作为它的标记，这标记应该无论该元素如何反应，具有了什么样的性质，也不会失掉它。
有这样的标记吗？
是的，有，所有的化学家都
( http: / / www.21cnjy.com )知道它，可是很少有人重视它，它就是原子量。每一种元素都有它自己独有的原子量，那是一定的，决不会变的，无论在什么条件下也不改变，它是元素的“身份证”。这个结论是门捷列夫通过仔细比较后得出的，但是，怎样利用它来总结规律呢？
为了不迷路，门捷列夫用厚纸板切成63个
( http: / / www.21cnjy.com )方形卡片，在每一张卡片上写下元素名称、重要性质及原子量，然后玩起这副纸牌来，反复比较、排列，变换位置，寻找所有元素共同遵守的统一法则。1869年春季快来时，门捷列夫通过深入研究，发表了自己的学术报告。
元素们像士兵列队一样，排列在一起，它们
( http: / / www.21cnjy.com )的性质，每隔七种元素就会周期性的重复出现一次，类似的元素总要鱼贯的排成一个小队或形成一族。例如，原子量为7的轻金属元素Li是H之后第2号元素，原子量为23的Na是H之后第9号元素，Na和Li一样，都是金属，都很轻，都那么活泼、易燃，都容易和别的元素结合。原子量为40的K，是第16号元素，也是轻而易燃的金属，此后，每经过一种有规则的周期，就有一种碱金属自动排列到这一族来，先是铷（85．5）后是铯（133）。锂最轻，最安静，Na呢比Li活泼，K更活泼些，而行尾最重的铯，比谁都活泼，在空气里是一秒钟也不能呆。一切元素都可分成类似的多少有亲缘关系的组或族，每一族里的元素，都按严格的顺序逐渐衍变，随着原子量的递增而渐变。
乍一看，这好象很简单，按原子量大小依次排下去，周期律自动就出现了，这么简单的事，怎么除了门捷列夫以外，别的化学家就谁也想不到去试一试呢？
事实上，这件事别人也尝试过，出现过
( http: / / www.21cnjy.com )“三素组”“六元素表”“八音律”，但并没有这么简单。就好象得到了一件重要文件，可惜其密码却有误一样。门捷列夫按原子量排列元素，但他不知有几种元素的原子量没有测准确，受当时研究条件所限，错误是免不了的，可是那些错误多年以后才查出来，门捷列夫当时无从知晓。这样，一些元素带着假的“身份证”站在牌阵里，并没有站到应该站的位置上，这样，因为这些扰乱者的干扰，队伍被打乱了，而且，那时候，门捷列夫还无法知道自然界中还有什么样的元素没被查出来。看，这元素的队伍中，不仅有假身份证的携带者，而且还有些家伙在排队之前偷偷离开了队伍，一切都乱套了。
这时候，门捷列夫凭着自己的智慧，果断的站
( http: / / www.21cnjy.com )出来维持秩序了。例如，5号元素硼和13号元素铝的下面是31号元素钛，看起来有规律，但是钛与硼和铝的性质都不相似，它和隔壁的碳族好象更象一家人，于是，门捷列夫决定把钛从31号位置上移开，留下一个空格给未知的另一种元素，他把它取名叫做“埃卡铝”，意为“类铝”，他甚至预言了这种未知元素的原子量、形状、性质。当时，大多数科学家都不相信门捷列夫的判断，纷纷批评他。事实上，预言陆续应验了。
1875年，法国化学家列科克发现了新
( http: / / www.21cnjy.com )元素镓，这种元素的性质很像已知的铝。门捷列夫知道后，给巴黎科学院写了封快信：“镓就是我预言过的‘埃卡铝’，它的原子量接近68，密度在5．9上下。”这些都为列科克的实验一一证实。
斯堪的纳维亚半岛上有两位研究家找到了一种新元素，可是很快发现，这是门捷列夫预言过的21号“埃卡硼”。
最辉煌的胜利出现在1885年，德国人温
( http: / / www.21cnjy.com )克勒发现了又一种新元素锗。早在十五年前，门捷列夫在1870年预言，碳硅一族将要出现一种新元素，同C和Si十分相似，并且是一种深灰色的金属。十五年后，温克勒发现的锗，果真如此。
门捷列夫预言：原子量大约72。
十五年后，温克勒用实验证实确实是72或73。
门捷列夫说它的密度应该在5．5左右。
温克勒证实是5．47。
门捷列夫说新元素的氧化物会很熔化，密度将是4．7。
十五年后，温克勒证实：确实如此。
门捷列夫说，新元素的氯化物密度大约1．9。
温克勒说：太准了，密度准确的说是1．887。
可是，也有遗憾。当时，人们在太
( http: / / www.21cnjy.com )阳里发现了一种神秘的元素氦，可门捷列夫不怎么相信，没有给它留位置，当氦的哑谜被完全戳穿的那一天，门捷列夫是活到了那个时候的，那一天他觉得很震惊，但实际上，正是那一天，他获得了最伟大的科学胜利。
因为紧接着，英国科学家瑞利和拉姆塞发现
( http: / / www.21cnjy.com )了空气中的新元素氩，拉姆塞又从空气中查出了氦以外的三种新元素：氖、氪、氙。这些新元素都类似，都非常不活泼，正好凑在一起组成了新的一族，十分合适的插进了周期表，彻底的证明了周期律的正确性。
1898年，居里夫妇发现了新元素钋，五个月
( http: / / www.21cnjy.com )后，又发现了新元素镭，在钋和镭之后科学家又发现了几种稀有元素，到此为止，从H到U，92个房间里，88个房间住满了，只有四个房间空着，它们是43号、61号、85号、87号。这四个房间的主人到哪儿去了呢？失踪了吗？
随着人们对放射现象的深入研究
( http: / / www.21cnjy.com )，逐渐弄清楚了原子的内部结构，原子核由质子和中子构成，电子在核处高速运动，其中举足轻重的是质子，它决定着元素的种类，并以射击队线的形式释放能量。例如，镭是放射性元素，裂变后会变成铝和氦。镭的原子核中有88个质子，裂变后裂变成四块，大的碎片含82个质子，正好是铅；那三块小的呢？88减去82，剩6个质子，而那三块小碎片大小一样，各分了2个质子，正好是氦！看，原子的核衰变，不过是一种特殊的减法罢了。这启示了人们，那么能不能制造特殊的加法呢？
向一个原子核里加一个质子，谈何容易？！
1934年，居里夫人的女儿伊纶在巴黎找
( http: / / www.21cnjy.com )到了原子进行加法的办法。她们发现，钋（84号）衰变时，以极高的速度射出它的碎片——氦原子核，她们用这氦核作炮弹，去向金属铝开火，奇迹出现了，铝变成了磷，算算，正好，13+2=15。不久，美国物理学家劳伦斯发明了“原子大炮”——回旋加速器，将某些原子核作炮弹，加速袭击别的原子核，为人工制造新元素创造了有利条件。
1937年，劳伦斯：42（钼）+1（氘）=43（锝）；
1939年，法国佩雷：89（锕）—2（氦）=87（钫）；
1940年，西格雷：83（铋）+2（氦）=85（砹）；
1945年，美国马林斯基：铀裂变产物中分离出61号元素钷；
1940年，美国麦克米伦：铀裂变产物中发现了93号元素镎，有力说明了铀不是周期表上的终点。
后来，人们又在探索中前进，发现了94号
( http: / / www.21cnjy.com )钚（可造原子弹），95号镅，96号锔（纪念局里夫人），97号锫，98号锎，99号锿（纪念爱因斯坦），100号镄（两者均在原子核反应后的裂片中发现），101号钔（纪念门捷列夫），102号锘（纪念诺贝尔研究所），103号铹（纪念劳伦斯）……
1964年，1967年，苏联、美国科学家
( http: / / www.21cnjy.com )分别发现了104号和105号、106号元素，各执已见用自己的方式来命名新元素，争论不休，长时间没有得到统一。1976年，苏联科学家宣布人工制造出了107号元素。
世界上到底有多少种化学元素？人们会不会无休止
( http: / / www.21cnjy.com )的制造下去？100号镄以后，人们新合成的几种元素寿命越来越短，照此推理下去，108号以后人工合成新元素的希望越发渺茫。可是，很多科学家研究了元素周期表以后，推算出108号元素以后，可能会出现几种长命的新元素，甚至预言了114号元素的一些性质，说它类似铅。
1976年，美国科学家宣布他们在独居
( http: / / www.21cnjy.com )石中发现了四种新元素：116号、124号、126号和127号。这还有待验证，如果属实，人们对化学元素的认识又将前进一大步。最近三十年发现的元素的详细情况见教材109页。
[教师引导2]：元素周期表最好以立体思维的对待，横向、纵向比较，不要片面
的看待。
三个短周期：一、二、三
横向
三个长周期：四、五、六
一个未完成周期：七
七个主族：IA——VIIA
七个副族：IIIB——IB
纵向
VIII族
0族
[设问]：从上面的平面叙述来看，周期与主族的序数与具体的元素有什么关联？
[学生]：周期序数
=
电子层数
主族序数
=
最外层电子数
[设问]：横向、纵向分别来看，各种元素的原子结构有什么变化规律？
原子的半径有什么变化规律？
失电子、得电子的能力有什么变化规律？
可能的化合价有什么变化规律？
[学生发言、相互补充]：
最外层电子数由于1个逐渐增加到8个
横向
原子半径逐渐减小，但0族元素的原子半径突然增大
失电子能力减弱，得电子能力增强
最高正价
=
最外层电子数
最外层电子数相同
纵向
原子半径逐渐增大
失电子能力增强，得电子能力减弱
最高正价相同
[一位学生发言]：电子排布相同的离子，核电荷数越大，离子半径越小。比如：
rNa
>
rMg
>
rAl
[设问]：金属、非金属在哪个方向更集中？金属性、非金属性横向、纵向上有什么变化规律？
[学生发言、相互补充]：
横向：金属性减弱，非金属性增强
纵向：金属性增强，非金属性减弱
[设问]：相应的，性质上有什么表现？
[学生发言、相互补充]：
横向
与酸反应越来越不剧烈；气态氢化物的稳定性越来越稳定
最高价氧化物的水化物的碱性越来越弱；酸性越来越强
纵向
与酸反应越来越剧烈；气态氢化物的稳定性越来越不稳定
最高价氧化物的水化物的碱性越来越强，酸性越来越弱
[学生提问]：
置换反应能不能用于说明金属性、非金属性强弱？
[学生小组讨论]：
金属活动性顺序表中，前面的金属可以把后面的金属从其盐中置换出来。
例如：Fe
+
CuSO4
===
FeSO4
+
Cu
这个反应只说明Fe的还原性比Cu强。确实Fe的金属性比Cu金属性强，但不
都是如此。K、Ca、Na三种金属太活泼，不能把后面的金属从其盐溶液中置换
出来。
非金属类似：
例如：Cl2
+
2NaBr
===
2NaCl
+
Br2
这个反应只说明Cl2的氧化性比Br2强。确实Cl2的非金属性比Br2非金属性强，
但也不是非金属都如此。
[学生提问]：
那么单质的氧化性强弱能不能用于说明金属性、非金属性强弱？
那么离子的还原性强弱能不能用于说明金属性、非金属性强弱？
[教师并不给出答案，而是指导学生查找资料，寻找答案，有争议再讨论]
[教师引导3]：
设想去外星球做了一次科学考察，采集了十种元素单质样品。设计实验进行验证后，得到下列结果：
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
熔点
-150
550
160
210
-50
370
450
300
260
250
与水反应
√
√
√
√
与酸反应
√
√
√
√
√
√
与O2反应
√
√
√
√
√
√
√
√
不反应
√
√
相对原子质量
1.0
8.0
15.6
17.1
23.8
31.8
20.0
29.6
3.9
18.0
相对位置填入下表：
[鼓舞学生]：你也试着来做一回门捷列夫，创建自己的元素周期表。
[学生习作]：（1）
A
I
B
D
C
J
G
H
F
E
（2）
A
I
B
C
D
J
G
E
H
F
（3）
A
I
B
C
D
J
G
E
H
F
（4）
B
J
I
A
G
D
C
E
F
H
（5）
A
B
I
D
C
J
G
E
H
F
（6）
I
B
A
C
D
J
G
E
H
F
（7）
A
I
B
C
D
G
J
H
E
F
（8）
A
I
B
C
D
J
G
E
H
F
（9）
A
I
B
C
D
J
G
E
H
F
（10）
A
B
I
C
D
G
E
J
H
F
（11）
A
I
B
C
D
J
G
E
H
F
（12）
A
E
D
I
B
J
C
G
H
F
[学生讨论结果]：
首先，门捷列夫在排列元素周期表时，抓住了关键：相对原子量逐渐增大。由已知表中来看，相对原子量由大到小：
A→I→B→C→D→J→G→E→H→F
其次，化学性质相似的元素会排成一个纵队，成为一族。由表中来看，化学性质相似的有：
A与E
B、F、G、H
I、C
D、J
最后，综合分析：
（1）E的相对原子量在H、B之间，因此E在A下方合适；
（2）B、F、G、H这组，F的相对原子量最大，略大于H，所以F在B的下方，
在H之后；
（3）F、G相比，G的相对原子量比F小，两者的熔点差小，所以G可能在
F之上；
（4）I与C相似，相对原子量C又小于D，大于I，所以C在D之前，I之下；
（5）D与J相似，相对原子量B（6）相对原子量J[学生争论]：
（1）在排列元素位置时，考不考虑熔点高低？
（2）化学性质相似的元素，只有同族元素吗？
[小组讨论结果]：
元素的单质的熔点，金属与非金属的熔点变
( http: / / www.21cnjy.com )化是不同的，从上到下，同族金属元素的单质的熔点降低，例如碱金属族，但同族非金属元素的单质的熔点则会升高，例如卤族。这道例题中没有告诉A→J各元素是金属还是非金属，因此本题中熔点的高低变化对判断没有帮助。
化学性质相似的元素，不止同族元素，左右相
( http: / / www.21cnjy.com )邻的元素性质也应当是相似的，例如Na、Mg、Al就是例子。因此，化学性质相似的元素，在考虑相对原子量的前提下，可以上、下排列，也可左右排列。
[学生评价]：
表：考虑了相对原子量大小顺序，但部分元素没有遵循性质相似、位置邻近的规律；
表：考虑了相对原子量大小顺序，也考虑到了性质相似、位置邻近，但如果把F移到H的下方会更合理；
表：考虑了相对原子量大小顺序，也遵循了性质相似、位置邻近的规律，F、H的位置还可以变化，F在H之后也是可以的；
表：考虑到了性质相似、位置邻近，但没有考虑到相对原子量大小顺序，不合理，需全面改进；
表：考虑了相对原子量大小顺序，也遵循了性质相似、位置邻近的规律，BGHF这一纵队如果与IC纵队颠倒前后顺序会更合适；
表：考虑了相对原子量大小顺序，也遵循了性质相似、位置邻近的规律，如果把J与H位置移开使之不在同族，再将A的位置上移，就完全合理了；
表：考虑了相对原子量大小顺序，也大致遵循了性质相似、位置邻近的规律，但J的相对原子量比G小，应在G之前；
表：考虑了相对原子量大小顺序，但完全没有遵循性质相似、位置邻近的规律，各方面都解释不通；
表：考虑了相对原子量大小顺序，也考虑了性质相似的元素排在同族，合理；
表：相对原子量大小顺序和性质相似都考虑到了，与（7）非常相似；
表：考虑了相对原子量大小顺序，也考虑了性质相似，实际上相当于（7）的变形，但都是合理的；
表：性质相似考虑到了，但相对原子量大小顺序排布上还有不合理处，D、J与I、C应交换位置并下移，E应下移到与H同横队。
[学生小结]：
元素性质随着相对原子量的递增而呈周
( http: / / www.21cnjy.com )期性变化是元素周期律的关键，通过自己动手排列元素，再一次体会到了在元素周期表中，从上到下，从左到右，相对原子量逐渐增大的规律，此外，性质相似的元素应该同族或是相邻，有相似性的同时也有递变性。
[教师点拨评价]：
同学们在操作中真切体会到了门捷列夫在
( http: / / www.21cnjy.com )排布元素周期表时遇到的困难，过大家的共同努力，抓住主要忽略次要，排除干扰，再三讨论，最终排列出了自己的“元素周期表”，这是令人可喜的。相信通过这一次具体操作，同学们会对元素周期律的规律性有了更深的体会。下一步请同学们自己设计具体的可行的实验方案来验证元素周期律，我们将组织同学们在实验室动手实践验证。
[研究结果分析]：
学生是教学活动中的主体，要充分发挥学生
( http: / / www.21cnjy.com )主体作用，就必须从培养学生学习兴趣入手，兴趣是最好的老师。当学生的兴趣被真正调动起来后，学生的创造潜力是巨大的，想像力丰富，勇于探索。
在研究课题设置上，排除以往的
( http: / / www.21cnjy.com )习惯性思维，答案唯一正确、绝对，设置开放性课题的优点在于，没有绝对的、唯一的答案，合理的都是正确的，这给学生留下了很大的探讨余地。
设计方案后，学生还根据自己的体会和同学的建议、意见，对原有方案又进行了一番改进，增进同学之谊的同时，强化了团体意识。
学生共同评论：9号方案一次性合格，其余方案，探讨后稍加改进，还是合理的，没有绝对正确的答案。
学生共同反思：重视主要因素的同时，不能忽视次要因素，并需要排除干扰信息的干扰。
[研究后的反思]：
1、漫无边际的探索是徒劳无
( http: / / www.21cnjy.com )功的，探索性学习不一定非要探索未知，重复人类已知的科学是正常的，重要的是引导学生重新实践前人探索的路程，体会其中的艰难险阻，学到知识及知识内涵的东西。
2、学生为主体，教师为主导，主导作用应适度发挥，适当启智导学，因此老师应该在解放心灵的同时，宏观调控氛围。
3、作为主导的老师，不单是讲授知识，更重要
( http: / / www.21cnjy.com )的是教会学生思维，本节主要培养了学生的想象思维、立体思维、分析思维、逻辑思维、归纳思维等方面的思维能力，让学生自己引导自己发掘自己的智力潜力。
4、以教材为主，适当收集相关的资料信息，用故事、典故、趣闻、新闻……
设置情境，让学生在兴趣之中全身心投入，取得最好效果。
5、实际证明，集体讨论有利于培养团队精神，有利于增进友谊，这个氛围是良性的，但教师应控制调节现场气氛，防止纪律失控。
实验中应该让学生感受到师生并进，共同探索，互
( http: / / www.21cnjy.com )相启发，互相帮助，教师是他们的引导者和合作者。鼓励学生多想、多问、多说、多争、多做，讲道理摆事实举例子。
[参考资料]：
1、《元素的故事》<苏>依·尼查叶夫
2、《给教育者的建议》<苏>苏霍姆林斯基
3、《教育心理学》高等教育出版社
三长
三短
一缺
七正
七副
0和Ⅷ
3+
2+
+