1、第一节 共价键模型第1课时 教学目标1.通过氢分子中共价键的形成过程分析，能举例说明共价键本质、形成条件、表示方法，诊断并发展学生证据推理和模型认知的学科素养。2.通过共价键模型的深度剖析(轨道重叠方向、泡利不相容原理)，知道共价键的方向性、饱和性含义，并能解释简单分子中各元素原子的个数比。3.通过分析氮气分子中原子轨道重叠方式，能说出键、键含义，并能判断常见分子的共价键类型、氮气分子异常稳定的原因，诊断并发展学生宏观辨识与微观探析的学科核心素养水平。4.通过“用共价键模型不能解释氧分子的顺磁性”的事实分析，意识到共价键模型的局限性，养成实事求是的科学态度和敢于创新的科学精神。 教学重难点1.
2、从原子轨道重叠的视角认识共价键的本质。2.从原子轨道重叠方式的不同理解键和键的区别和特征。 教学过程一、新课导入假如发生了大灾难，人类全部的科学知识只能概括为一句话传诸后世，那么这句话应该是“万物皆原子构成”。 1965年诺贝尔奖得主，理查德费曼在之前的学习中，我们已经了解了：宏观物质是由微观粒子组成的。【联想质疑】你已经知道，氢气在氧气和氯气中燃烧分别生成水(H2O)和氯化氢(HCl)。在这两种化合物的分子内部，原子之间都是通过共用电子形成了共价键。那么，你是否产生过这样的疑问：氢原子为什么能分别与氧原子和氯原子结合形成稳定的分子？氢原子与氯原子结合成氯化氢分子时原子个数比为1：1，而氢原子
3、与氧原子结合成水分子时原子个数比却为2：1，这又是为什么？共价键究竟是怎样形成的？共价键具有哪些特征？共价键能分成哪些类型？二、讲授新课【思考讨论】写出HCl、H2O、N2的电子式。这些分子中共用电子对是怎样运动的？为什么H与C1、O结合时原子个数比不相同？为什么N2分子很稳定？通过今天学习，我们将揭开这些疑问。1.构建共价键模型共价键的形成【提问】1.写出基态H原子轨道表示式。2.尝试画出下列情况中，两个H原子逐渐靠近时原子之间作用的强弱与原子之间距离关系图、电子运动状态的变化情况：(1)两个H原子中基态电子自旋状态相同；(2)两个H原子中基态电子自旋状态不同。【展示】(1)两个核外电子自旋
4、状态相同的氢原子靠近的动画(2)两个核外电子自旋状态不同的氢原子靠近的动画【结论】1.依据泡利不相容原理，一个轨道上只能容纳两个电子且自旋状态不同。2.微粒之间吸引作用越强，排斥作用越弱，体系能量越低，原子之间的作用越牢固；反之体系能量越高，原子之间作用越不牢固；微粒之间作用力与微粒之间距离有关。【讲解】当两个氢原子相距很远时，它们之间的相互作用可以忽略不计，体系的能量等于两个氢原子的能量之和（选为0做参照）；随着两个氢原子逐渐接近，它们的原子轨道会相互重叠，使电子在核间区域出现的概率增大，原子核对两个电子都产生吸引作用，使体系的能量逐渐下降。实验和理论计算均表明，当两个氢原子的核间距为74
5、pm时体系能量最低，两个氢原子各提供一个电子以自旋状态不同的方式相互配对形成氢分子。如果两个氢原子进一步接近，原子核以及电子之间的排斥作用又将导致体系的能量上升。若以1 mol计，形成氢分子后，整个体系的能量相对于孤立氢原子的能量下降了436 kJ，体系处于稳定状态。【讲解】我们将原子间通过共用电子形成的化学键称为共价键。由于电子在两个原子核之间出现的概率增大，使得它们同时受到两个原子核的吸引从而导致体系能量降低，这就是共价键的本质。【提问】结合两个H原子相互靠近时体系能量变化图，总结共价键模型的基本内容。(1)含有自旋状态不同的未成对电子的两个原子靠近到一定程度时，两个原子轨道发生重叠形成新
6、轨道，两个未成对电子配对填入新轨道，体系能量下降，当体系能量最低时即形成稳定的共价键。(2)只有自旋状态不同的两个电子才能配对形成共价键。(3)共价键本质是共用电子对在两核间出现频率增大，对两个原子核之间的吸引作用增强，形成了强烈的相互作用。(4)电负性相同或差值小的两个非金属原子之间容易形成共价键。(5)通常用一条短线表示由一对共用电子所形成的共价键。如NN、H-Cl、H-O-H；以此类推，“=”表示原子间共用两对电子所形成的共价键（共价双键），“”表示原子间共用三对电子所形成的共价键（共价三键）。【小结】共价键的形成概念原子间通过共用电子形成的化学键本质高概率地出现在两个原子核之间的电子与
7、两个原子核之间的电性作用形成元素通常电负性相同或差值小的非金属元素原子形成共价键表示用一条短线表示一对共用电子所形成的共价键，如HH用“=”表示原子间共用两对电子所形成的共价键，如O=O用“”表示原子间共用三对电子所形成的共价键，如NN2.剖析共价键模型共价键的特征【提问】(1)画出H、Cl原子未成对电子的原子轨道形状，并分析两个原子轨道有最大程度重叠时的方向。(2)分析O、Cl原子未成对电子数目，思考它们分别还能与几个电子配对？尝试解释1个氧原子可以与2个氢原子形成共价键，而1个Cl原子却只能与1个H原子形成共价键的事实。【讲解】(1)两个原子形成共价键时，重叠程度越大，形成的共价键越稳定，
8、体系能量越低。除s轨道外，其他原子轨道都有一定的空间取向，共价键尽可能沿着电子出现概率最大的方向形成，这就是共价键的方向性。如HCl分子中，H原子轨道沿着Cl原子3p轨道的坐标轴方向才有最大的重叠程度。(2)依据泡利不相容原理，两个原子轨道相互重叠形成新轨道只能容纳2个自旋状态不同的电子，O、Cl、H原子未成对电子电子数分别为2、1、1，故1个O原子可以与2个H原子形成两个共价键，1个Cl原子只能与1个H原子形成共价键。这种每个原子能形成共价键总数或以单键连接的原子数目是一定的特征称为共价键的饱和性。【展示】s和s轨道，s和p、p和p轨道通过轨道重叠形成共价键示意图：【小结】共价键的特征：特征
9、概念作用饱和性每个原子所能形成的共价键的总数或以单键连接的原子数且是一定的共价键的饱和性决定分子的组成方向性共价键将尽可能沿着电子出现概率最大的方向形成，这就是共价键的方向性。共价键的方向性决定分子的空间构型3.共价键的类型键和键【交流研讨】通过“人工固氮”将空气中的氮气转化为含氮化合物用于生产化肥或其他化工产品是人类突破的重要课题。解决这个课题的难点在于氮分子中的共价三键使构成氮分子的两个氮原子紧紧地结合在一起，由此氮气的性质非常稳定。请从轨道重叠的角度解释氮分子中的共价三键是如何形成的。【讲解】氮原子的价电子排布是2s22p3。根据洪特规则，氮原子中处于2p轨道的三个电子实际上分别占据2p
10、x、2py、2pz三个原子轨道，是三个未成对电子。当形成氮分子的两个氮原子相互接近时，一个氮原子2pz轨道与另一个氮原子的2pz轨道重叠形成一个共价键，同时它们的2px和2py轨道也会分别两两重叠形成两个共价键，这样形成的共价键称为共价三键；也就是说，氮分子中的氮原子之间是以共价三键结合的。仔细分析氮分子中共价三键的三个共价键，可以发现它们并不是完全等同的。当两个氮原子的2pz轨道以“头碰头”的方式相互重叠时，相互平行的2px和2py轨道只能分别以“肩并肩”的方式重叠。【讲解】人们将原子轨道以“头碰头”方式相互重叠导致电子在核间出现的概率增大而形成的共价键称为键。除了氮分子中存在键外，HCl、
11、Cl2、H2中的共价键也都是键。人们将原子轨道以“肩并肩”方式相互重叠导致电子在核间出现的概率增大而形成的共价键称为键，如上述分析中2px、2py轨道分别重叠所形成的共价键都是键。这样，氮分子的NN中有一个键、两个键。展示：N原子的价电子排布是2s22p3。根据洪特规则，氮原子中处于2p轨道的三个电子实际上分别占据2px、2py、2pz三个原子轨道，是三个未成对电子。当形成N2的两个氮原子相互接近时，一个N原子p轨道与另一个N原子伸展方向相同轨道重叠形成一个键，同时它们的另外两组p轨道也会分别两两重叠形成两个键，因此N2中的N原子之间是以共价三键结合的。图中红、蓝、绿表示互相垂直的3条p轨道。
12、绿色表示的两个p轨道头碰头形成键；红色和蓝色表示的两组p轨道分别肩并肩形成键。图中添加了键的对称镜面帮助理解轨道重叠的情况。【讲解】键和键的类型、形成过程及特征(1) 键的类型及形成过程：ss 键sp 键pp 键键的特征：以形成化学键的两原子核的连线为轴做旋转操作，共价键的电子云的图形不变，这种特征称为轴对称。以形成键的两个原子核的连线为轴，任意一个原子可以绕轴旋转，并不会破坏键。形成键的原子轨道的重叠程度较大，故键具有较强的稳定性。(2) 键类型及形成过程：pp 键等键的特征镜面对称：每个键的电子云由两块组成，它们互为镜像，这种特征称为镜面对称。强度小：形成键时，原子轨道重叠程度比键的小，通
13、常情况下，键没有键牢固。不能旋转：以形成键的两个原子核的连线为轴，任意一个原子不能单独旋转，若单独旋转则会破坏键，如以pypy 键为例，若旋转其中一个成键原子，则两个原子的py轨道不再平行，也就破坏了形成的键。4.共价键的类型极性键和非极性键【讲解】由于每个原子的电负性不同，成键电子对可能发生偏移，据此将共价键分为极性键和非极性键。若形成共价键的两个原子相同(电负性相同)，则共用电子对不发生偏移，这种共价键称为非极性键；若形成共价键的两个原子不同(电负性不同)，则共用电子对发生偏移，这种共价键称为极性键，电负性差异越大，形成的共价键极性越强。5.实践应用【提问】两个原子之间形成共价双键时，你认
14、为会形成1个键和1个键，还是2个键，还是2个键？说明你的理由。【讲解】一般来说，共价双键是1个键和1个键。原因如下：(1)原子轨道在空间伸展方向是有确定取向的，如p能级的3条简并轨道分别分布在x、y、z轴方向上。(2)形成键时要求轨道“头碰头”形成，形成键时要求轨道“肩并肩”形成。通过对两原子靠近时轨道重叠情况的分析，我们可以看出，当一组p轨道头碰头形成键，另外一组p轨道只能选择肩并肩的方式形成键。虽然两组p轨道可以同时肩并肩形成2个键，但键的能量效应不如键，故在满足能量最低和轨道伸展方向的条件下，共价双键中是1个键和1个键依据结构判断分子中存在共价键类型思路：原子之间形成单键共价键为键；原子
15、之间形成双键共价键为1个键，1个键；原子之间形成三键共价键为1个键，2个键。【提问】你能从分子结构的角度谈一谈为何N2非常稳定么？人工固氮是将氮气转化为含氮化合物的过程。从分子结构的角度谈一谈，在这一过程中，为什么往往需要用高温、高压、催化剂这样剧烈的条件？【讲解】N2分子中是共价叁键，两氮原子相互作用非常强烈，故N2非常稳定。人工固氮的主要途径之一让N2与H2反应生成NH3，在这一反应过程中，N2分子中的共价叁键需要全部断开，故需要很强烈的条件。【思考】下列问题：(1)按照共价键模型，画出O2分子中共价键原子轨道重叠的示意图、指出其共价键类型，并思考氧分子中是否存在未成对电子。(2)实验证明
16、O2具有顺磁性(即分子中含有未成对电子)，对此你有何想法？【讲解】依据共价键模型分析，O2分子中应存在一个键，一个键，均属于非极性键，分子中不存在未成对电子；但实验测定发现，O2分子中存在未成对电子，说明共价键模型并不能解释所有的结构或性质，共价键模型有局限性，需要修正或建立新的模型。【思考】水分子中是否存在键、键？分子中的三个原子是否处于一条直线上？为什么？【讲解】水分子中氧原子有两个2p轨道上各有1个未成对电子，两个轨道在空间处于相互垂直的关系，而H原子轨道是球形的，只有沿着O原子2p轨道的坐标轴方向重叠时，形成共价键最稳定，故三个原子不在一条直线上，详细内容将在本章第2节继续学习。三、课
17、堂小结1.原子之间形成共价键的分析思路是什么？共价键分析思路：基态原子中未成对电子数目未成对电子的原子轨道空间取向原子轨道发生最大程度重叠时的角度共价键的类型、共价键数目、原子在空间相对位置等解释分子的结构或性质。2.如何依据分子结构式判断共价键类型？键、键判断思路：原子之间形成单键只有键。原子之间形成双键共价键为1个键，1个键原子之间形成三键共价键为1个键，2个键。四、课堂练习1. 原子间形成分子时，决定各原子相互结合的数量关系的是( )A. 共价键的方向性 B. 共价键的饱和性C. 共价键原子的大小 D. 共价键的稳定性【答案】B【解析】共价键的特征：具有方向性和饱和性，方向性决定原子以共价键结合形成分子的构型，而饱和性决定原子相互结合的数量，故B正确。2. 下列分子中，既含有键，又含有键的是( )A. CH4 B. HCl C. CH2=CH2 D. F2【答案】C【解析】A.CH4中有4个CH键，都是键，故A错误；B.HCl中有一个HCl键，是键，故B错误；C.CH2=CH2中存在双键，双键中有一个键和一个键，CH键都是键，故C正确；D.F2中有一个FF键，是键，故D错误。 11 / 11
