元素周期律沙盘模型

作者:未知

  摘  要 利用彩色的有机玻璃管、亚克力板、LED灯、遥控器、音频播放器、直流电源和喷绘好的长式元素周期表,通过不同颜色的灯光和声音,把高中阶段常用的元素的性质一目了然地展示出来,实现理论知识趣味化、可视化,可以有效激发学生的学习兴趣,提高教学效率。
  关键词 元素周期律;沙盘模型;高中化学;第一电离能;原子半径;元素常见化合价
  中图分类号:G633.8    文献标识码:B
  文章编号:1671-489X(2019)23-0044-03
  1 思路来源
  沙盘,生活中比较常见的一种模型,如地理教学中的地形图沙盘模型;在军事题材的电影、电视作品中,常常看到指挥员们站在地形模型前研究作战方案;售楼处最常见的就是楼盘沙盘模型;而在城市规划展览馆中,常常能见到整座城市的规划沙盘……沙盘,就是用泥沙或其他材料堆制的模型,有利于观众理解和快速预览。
  《普通高中课程标准实验教科书 化学2 必修》第一章第二节“元素周期律”[1]和《普通高中课程标准实验教科书 化学 选修3 物质结构与性质》第一章第二节“原子结构与元素的性质”[2]中都提到了元素的性质随着原子序数的递增而呈现周期性的变化。如何直观地展示这些性质的递变规律?教材和相关课件中多用平面的变化或者数据进行表述。仅利用枯燥的数字变化,不利于学生对该知识点的掌握。
  受沙盘模型的启发,笔者将有关内容和沙盘模型结合,采用不同颜色的有机玻璃圆管、有机玻璃板、LED灯、直流电源、声音模块(音频播放器)以及色彩鲜艳的喷绘等组装元素周期律沙盘模型,用闪烁的灯光和优美的声音把相关性质变化展现出来。在学生中间展示,让学生动手操作和传阅,有效激发了学生的学习兴趣,增强了教学效果;特别是为爱好思考的学生提供了借鉴,在其心中埋下创新的种子。
  2 数据处理和制作方法
  数据处理  根据教材上的有关数据,把第一电离能、原子半径、元素常见化合价(正负)用合适的高度表示出来,用不同颜色的有机玻璃管分别表示,得到1号元素氢到18号元素氩的有关数据比例(见图1)。
  1)每种元素框内第一个柱形图用无色有机玻璃圆管,其高度表示对应原子的第一电离能大小。
  第一横行:1号氢元素131 mm;2号氦元素237 mm。
  第二横行:3号锂元素52 mm;4号铍元素90 mm;5号硼元素80 mm;6号碳元素108 mm;7号氮元素140 mm;8号氧元素131 mm;9号氟元素168 mm;10号氖元素208 mm。
  第三横行:11号钠元素49 mm;12号镁元素74 mm;13号铝元素58 mm;14号硅元素79 mm;15号磷元素101 mm;16号硫元素100 mm;17号氯元素125 mm;18号氩元素152 mm。
  2)每种元素框内第二个柱形图用蓝色有机玻璃圆管,其高度表示对应原子的半径大小。
  第一横行:1号氢元素37 mm;2号氦元素(无)。
  第二横行:3号锂元素152 mm;4号铍元素89 mm;5号硼元素82 mm;6号碳元素77 mm;7号氮元素75 mm;8号氧元素74 mm;9号氟元素71 mm;10号氖元素(无)。
  第三横行:11号钠元素186 mm;12号镁元素160 mm;13号铝元素143 mm;14号硅元素117 mm;15号磷元素110 mm;
  16号硫元素102 mm;17号氯元素99 mm;18号氩元素(无)。
  3)每种元素框内第三个柱形图用红色有机玻璃圆管,其高度表示对应原子的最高正化合价。
  第一横行:1号氢元素1 mm;2号氦元素(无)。
  第二横行:3号锂元素1 mm;4号铍元素2 mm;5号硼元素3 mm;6号碳元素4 mm;7号氮元素5 mm;8号氧元素
  (无);9号氟元素(无);10号氖元素(无)。
  第三横行:11号钠元素1 mm;12号镁元素2 mm;13号铝元素3 mm;14号硅元素4 mm;15号磷元素5 mm;16号硫元素6 mm;17号氯元素7 mm;18号氩元素(无)。
  4)每种元素框内第四个柱形图用绿色有机玻璃圆管,其高度表示对应原子的最低负化合价。
  第一横行:1号氢元素(无);2号氦元素(无)。
  第二横行:3号锂元素(无);4号铍元素(无);5号硼元素(无);6号碳元素(-)4 mm;7号氮元素(-)
  3 mm;8号氧元素(-)2 mm;9号氟元素(-)1 mm;10号氖元素(无)。
  第三横行:11号钠元素(无);12号镁元素(无);13号铝元素(无);14号硅元素(-)4 mm;15号磷元素(-)3 mm;16号硫元素(-)2 mm;17号氯元素(-)1 mm;18号氩元素(无)。
  以上提供的只是短周期的18种元素的性质,若继续提供相应数据,则可以展示全部的118种元素,供高校相关专业师生和科研工作者学习使用。
  制作方法  将喷绘好的元素周期表覆盖在事先准备好的5 mm厚的亚克力板上,根据LED灯的尺寸(本实验采用的LED灯直径为5 mm),在每种元素框内从上而下开四个圆孔;把LED灯从背面插入,背面LED灯的长脚(正极)和短脚(负极)分别朝向不同的方向,便于焊接(见图2);而在正面刚好露出头的LED灯上面,套上不同颜色的有机玻璃圆管(内径5 mm),然后用专用胶水固定。
  按照事先设计的线路图,短脚都与电源的负极连接起来(采用串联的方法),长脚部分表示第一电离能、原子半径、最高正化合价、最低负化合价的并联,并分别与四个遥控开关连接。这样既可以步进控制、单独控制,使得每一种性质单独展示(只亮一种颜色的LED灯),又可以总体进行控制,即同时展示四种性质(四种颜色的LED灯全亮)。
  所述的遥控开关还分别连接事先录制好元素性质介绍的音频播放器(见图3)。该模块音频可让班级普通话好的学生录音,可以是洪亮的男生声音,也可以是婉约的女生声音。可以定期更换本班不同学生录音,让学生有熟悉感,可大大提高学生的学习兴趣。
  使用方法  使用时,只需手拿遥控器,分别按压代表第一电离能、原子半径、最高正化合价、最低负化合价的A、B、C、D按钮就可以了(见图4)。这种模型便于远程遥控,便于在学生之间传阅,特别是声音和彩色光的应用,让学生印象深刻。
  3 研究意义
  这只是化学教学中的一个小改进,把枯燥的理论知识可视化呈现,把难记忆的知识用声音进行强化。实际上,化学中很多知识点都可以进行类似的改进,与现代科技相结合,把深奥的理论知识模型化,把教材中平面的图形立体化。教材中有数据表述的,如含有氢键和范德华力的一些氢化物的沸点也可同样展示。这样的改进不仅帮助学生加深了对相关理论知识的理解,还培养了学生的创新思维。
  4 改进设想
  以上改进是笔者通过网上购买的用品和器材进行的制作,无论是LED灯还是直流电源(电池),其电流电压都不太匹配,产品比较粗糙,浪费了大量的空間和时间。下一步可以利用3D打印,使模型更加小巧和紧凑,配置匹配的电源和LED灯以及声音模块,让控制按钮更加完美,成为一体机,这样更便于运输和携带,便于推广到各个学校和科技馆以及科研机构,以满足更多学生和科普爱好者学习使用。
  参考文献
  [1]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书 化学2 必修[M].北京:人民教育出版社,2017:14-18.
  [2]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书 化学 选修3) 物质结构与性质[M].北京:人民教育出版社,2018:16-21.
  [3]曹雨晴.元素周期律沙盘模型[J].发明与创新:中学生版,2018(7):21.
  作者:黄雯雯,邹城市看庄中学,中学二级教师(273502)。
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