基于“項目式學習”的“物質結構與性質”全模塊教學案例

陳思明

一、項目的選擇與教學目標的確定

高三復習課教學中對知識的整合以及形成解決問題的認識模型至關重要。在新能源的社會背景之下，磷酸鐵鋰電池因不含貴金屬元素，且具有耐高溫、循環次數高、安全性高、來源廣泛、價格便宜等優勢而備受關注。本文以“磷酸鐵鋰電池的材料”為載體，從不同維度分析其結構特征和優良性能，突出認識物質結構角度在解決前沿問題中的價值?；谝陨戏治?，確定如下教學目標。

（1）通過分析磷酸鐵鋰電池的宏觀性質，探析各組成部分的微觀結構，建立結構決定性質的化學觀念。

（2）通過探析磷酸鐵鋰電池微觀結構，復習原子結構元素性質、分子結構與分子的性質、晶體相關基礎知識，建立結構化認知模型。

（3）通過探析磷酸鐵鋰電池微觀結構，感受化學在人類發展過程中作出的巨大貢獻，增強社會責任感。

二、項目的實施

創設情境：認識磷酸鐵鋰電池。

教師展示材料和圖片：工信部發布的第10批《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》其中近八成車型搭載磷酸鐵鋰電池。這種電池具有能量密度高、安全性能好、原材料來源廣泛等優點。磷酸鐵鋰電池由正極材料（LiFePO4）、負極材料（石墨）、電解質（LiPF5、溶劑）以及隔膜等部分構成。

學生閱讀材料，從宏觀上了解磷酸鐵鋰電池的組成。

學生疑惑：磷酸鐵鋰電池為什么具有良好的性能？它是如何工作的呢？

教師過渡：物質結構決定物質的性質，我們下面從結構入手找出答案。

（設計意圖：以磷酸鐵鋰電池為切入口，感受電池為社會發展作出的貢獻，激發學生的求知欲，引出復習任務。）

[▲]任務1：認識正極材料——鋰離子供體

師：磷酸鐵鋰電池在充電過程中有一部分Fe2+被氧化為Fe3+，正極材料LiFePO4發生如下電極反應：LiFePO4-xe-=Li1-xFePO4+xLi+。Fe2+轉化為Fe3+時失去了哪個電子？請用價電子排布圖加以說明。同學們可以從微觀角度分析和理解這一變化。

生：基態Fe2+的價電子排布式為：3d6，電子排布圖為 [3d][↑↓][↑][↑][↑][↑];基態Fe3+的價電子排布式為：3d5，電子排布圖為 [3d][↑][↑][↑][↑][↑]，Fe2+轉化為Fe3+時失去的是3d軌道上的一個電子，使3d軌道成為半充滿的結構。

教師總結：多電子原子的電子填充順序一般符合構造原理，電子填充次序為1s→2s→2p→3s→3p→4s→3d→4p。同學們應當熟練掌握1～36號元素基態原子的核外電子排布，基態原子核外電子排布應遵循能量最低原理、泡利原理和洪特規則，尤其要注意Cr、Cu等元素基態原子的核外電子排布特殊性。

師：科學家青睞鋰電池的重要原因是鋰的密度較低。鋰是一種活潑金屬，試從原子結構角度分析Li、Na和Li、Be、B的第一電離能差異的原因。參考數據：I1/（kJ·mol-1）Li520 Be900 B801 Na496 Mg738 Al578。

生：Na與Li同主族，Na的電子層數更多，原子半徑更大，故第一電離能更小;Li、Be和B為同周期元素，同周期元素從左至右，第一電離能呈現增大的趨勢;但由于基態Be原子的s能級軌道處于全充滿狀態，能量更低更穩定，故其第一電離能大于B的。

教師總結：Li～Ne和Na～Ar的第一電離能曲線呈現鋸齒狀變化的原因與基態原子的核外電子排布有關，提示我們要透過現象看到結構上的本質特征。

師：磷酸根的空間構型如何判斷，試總結利用VSEPR模型預測AXn型簡單分子或離子空間構型的一般方法。

學生活動：完成利用VSEPR模型預測AXn型簡單分子或離子空間構型的方法建模，如圖1所示。

學生活動：利用以上方法填充表格（“VP”為中心原子價層電子對數，“BP”為中心原子成σ鍵電子對數，“LP”為中心原子孤電子對數）

師：LiFePO4的晶胞結構示意圖如圖2（a）所示。晶胞中O原子圍繞Fe原子和P原子分別形成正八面體和正四面體。它們通過共頂點或共棱形成空間鏈狀結構。如何確定每個晶胞中含有LiFePO4的單元數？電池充電時，LiFePO4脫出部分Li+，形成Li1-xFePO4，結構示意圖如（b）圖所示，如何確定x的值？

學生討論和匯報：根據（a）圖，圓球為Li+，位于頂點的Li+有8個，位于棱上的Li+有4個，位于面心的Li+有4個，晶胞中共含有Li+的個數為8×+4×+4×=4，所以每個晶胞中含有LiFePO4的單元數為4。由（b）圖與（a）圖相比可知，（b）圖中少了2個Li+，一個是棱上的，一個是面心上的，所以（b）圖中物質含Li+的個數為8×+3×+3×=，=，x=。

（設計意圖：通過認識磷酸鐵鋰電池的正極材料，從原子結構、原子團結構到晶體結構，認識物質結構的層級逐漸提高，以此為素材復習原子結構與性質，包括電子排布式、電離能等重要概念、AXn型分子或離子空間結構的判斷、晶體均攤法等重要方法。）

[▲]任務2：認識負極材料——鋰離子受體

師：充電時，Li+從正極脫出，經電解液嵌入負極，形成“石墨層間化合物（LixC6）”。某LixC6的平面結構如圖3所示，如何確定x的值？若每個六元環都對應一個Li+，化學式又該如何確定？

生：每個Li+給每層提供，每層上下均有Li+，故圖中Li+相當于每層單獨占有，每個Li+周圍單獨占有6個C原子，Li+與C原子之比為1∶6，故LixC中x=1;若每個六元環都對應一個Li+，六元環上碳原子為3個環共用，C原子給每個環的貢獻為，則Li與C原子的數目之比為1∶2，則化學式為LiC2。

教師追問：結合圖4所示的結構參數討論，為什么磷酸鐵鋰電池具有較好的循環穩定性？

學生討論并匯報觀點。充電完成后，磷酸鐵的體積比磷酸鐵鋰僅減少6.81%，而充電過程中負極材料體積輕微膨脹，二者互補，起到了調節體積變化、支撐電池內部結構的作用。因此，磷酸鐵鋰電池在充放電循環過程中表現出了不俗的循環穩定性，具有可觀的循環壽命。

（設計意圖：通過認識磷酸鐵鋰電池的負極材料，加深對石墨這一典型混合型晶體的認識，明確范德華力與共價鍵的區別，同時復習復雜晶體化學式的確定。利用真實晶胞參數等數據，解釋磷酸鐵鋰電池具有良好循環穩定性的特征。）

[▲]任務3：認識電解液——鋰離子導體

師：LiPF6是一種離子液體，是目前鋰電池電解液中使用最廣泛的鋰鹽。[PF6]-中P原子與F形成配位鍵，提問配位鍵的形成條件。

生：配位鍵的形成是電子對的給予與接受，成鍵原子一方能提供孤電子對，如分子NH3、H2O、CO等，離子Cl-、OH-、CN-、SCN-等;成鍵原子另一方能提供空軌道，如H+、Al3+、B、過渡金屬的原子或離子等。

教師追問：若不考慮空間構型，請用示意圖表示[PF6]-的結構。

學生活動：畫出[PF6]-的結構，學生代表板書。

師：碳酸二甲酯起到調節電解液黏度的作用。在該分子中，碳原子采用何種雜化方式？1mol DMC分子中含有的σ鍵碳氧π鍵的數目是多少？

生：碳酸二甲酯分子中甲基碳原子為sp3雜化，酯基碳原子為sp2雜化，1mol碳酸二甲酯中含有σ鍵11 mol，含有碳氧π鍵1mol。

教師總結：有機物中碳原子的雜化方式。

師：碳酸二甲酯的沸點約為90℃，與其相對分子質量接近的正丁酸的沸點約為162℃，原因可能是什么？

生：正丁酸分子間存在氫鍵，分子間作用力大，沸點較高，而碳酸二甲酯分子間不能形成氫鍵。

教師總結：氫鍵對物質物理性質的影響：

X—H……Y （X、Y=N、O、F）

（1）若某物質可形成分子間氫鍵，一般表現為熔、沸點升高。

（2）若某物質可與水形成氫鍵，一般表現為溶解度增大。

（設計意圖：通過認識電解液材料，認識LiPF6這一離子液體，拓寬對離子晶體的認識，復習配位鍵和配位化合物、氫鍵等重要概念，對有機物中碳原子的雜化方式進行建模。）

三、教學反思

本節課是“物質結構與性質”全模塊復習案例，注重基礎知識、基本概念、基本技能的結構化。讓學生在牢固掌握理論知識的基礎上，鍛煉綜合學科能力。

1.創設真實情境，增強學習體驗感。本節課以“磷酸鐵鋰電池的結構素材”為背景，相對教材抽象化和理想化的情境，真實而貼近生活的真實情境更能拉近教師與學生思維和情感的距離，更易于達到學生認知的最近發展區，從而使其產生認知上的共鳴。

2.全模塊復習有利于從學科整體視角構建認知。整個項目從原子結構到分子結構再到晶體結構，層級維度由低到高，認知難度由簡單到復雜，在推進過程中，將本模塊的核心知識和方法以及重要的學科觀念進行整體的構建和整合，有利于學生從一定高度把握學科。

（作者單位：南京師范大學附屬揚子中學）

編輯：趙文靜