1、第2节 共价键与分子的空间结构第1课时一、教学目标1.知道常见分子的空间结构，结合实例了解杂化轨道理论的要点和类型（sp3、sp2、sp），从微观角度理解中心原子的杂化类型对分子空间结构的影响。2.通过杂化轨道理论的学习，掌握中心原子杂化轨道类型判断的方法，建立分子空间结构分析的思维模型，能运用杂化轨道理论解释典型分子的空间结构。二、教学重难点应用杂化轨道理论解释分子的空间结构三、教学准备教师准备：多媒体课件、科学家鲍林的相关资料四、教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图环节一创设问题情境，引入新课【讲述】经研究证实研究证实，甲烷(CH4)分子中的四个CH键的键长相同，键角均为10928，从
2、而形成非常规则的正四面体形结构。【提问】请你根据所学习理论知识解释其结构，在解释过程中你有什么困惑吗？组织学生讨论，从碳原子价电子排布为2s2sp2入手，分析其与氢原子的成键情况，并联想原子轨道的空间分布情况来推测甲烷分子的空间结构，与甲烷分子为正四面体结构不符，产生认知冲突。倾听、思考问题交流、讨论由学生熟悉的甲烷分子空间结构入手结合电子配对理论解释其结构时提出疑问，设置驱动性问题，激发学生的学习兴趣。环节二新课讲解活动一、认识杂化轨道理论【过渡】那么甲烷分子的正四面体形结构是怎样形成的呢？【讲述】美国化学家鲍林提出的杂化轨道理论很好地解释了甲烷分子的空间结构。他认为，在甲烷分子的形成过程中
3、，碳原子中原来能量相近的2s轨道与三个2p轨道将重新组合形成新的、能量相同的原子轨道。在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化。原子轨道组合杂化后形成的一组新的原子轨道叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。倾听、理解记忆联系相关化学史，引出鲍林的杂化轨道理论，并引申：当已有理论无法解释一些实验事实时科学家们会继续完善原有理论或创设新理论来解释这些事实，从而促进科学的发展。【设问】1.原子轨道是如何杂化的？【讲解】我们一起来看一下甲烷分子的具体形成过程：碳原子的2s轨道中1个电子吸收能量跃迁到2p空轨道上，这个过程称为激发，但此时各个轨道的能量并不完
4、全相同，于是1个2s轨道和3个2p轨道发生混杂，形成能量相等、成分相同的4个sp3杂化轨道（其中每个杂化轨道中s成分占，p成分占）。4个sp3杂化轨道上的电子相互排斥，使4个杂化轨道指向空间距离最远的正四面体的4个顶点，碳原子以4个sp3杂化轨道分别与4个氢原子的1s轨道重叠，形成4个CH 键，从而形成CH4分子。由于4个CH 键完全相同，所以形成的CH4分子的空间结构为正四面体形，键角是10928。倾听、理解记忆通过对甲烷分子的讲解使学生体会杂化轨道的形成过程。【讲述】根据刚刚分析的碳原子和氢原子形成甲烷分子时，碳原子的杂化过程，请同学们归纳一下杂化轨道理论的要点。【提问】轨道杂化的条件是什
5、么？轨道杂化后在数目、空间位置等方面是否发生变化？轨道杂化的结果是什么？思考、讨论通过阶梯式的问题总结杂化轨道理论的实质和核心。通过杂化轨道理论的学习既让学生赞叹化学家的智慧与贡献，让学生认识到随着科学的不断进步可能会出现新的理论，并激励学生以此励志，为之奋斗。师生共同总结：2.杂化的条件：发生轨道杂化的一定是中心原子，比如甲烷分子的中心原子、碳原子发生sp3杂化，而结合的氢原子不发生杂化；一定是在外界条件的影响下，也就是氢原子与碳原子要成键的条件下才会发生杂化；能量相近的原子轨道才能发生杂化，比如碳原子的2s和2p轨道，另外杂化前后的变与不变，杂化前的1个2s轨道和3个2p轨道，杂化后是4个
6、sp3杂化轨道。3.轨道杂化的前后的变与不变：杂化前的1个2s轨道和3个2p轨道，杂化后是4个sp3杂化轨道，杂化前后都是4个原子轨道，数目不变，但杂化后轨道的成分、能量和形状还有方向都发生了变化。4.轨道杂化的结果：杂化后的原子轨道成见更有利于轨道间的重叠，而使其在空间取得最大夹角分布。活动二、用杂化轨道理论解释分子的空间结构【过渡】有几个原子轨道参与杂化，杂化后就生成几个轨道。s轨道与p轨道的杂化除sp3杂化外，还有其他情况。【设问】请你尝试解释BF3的结构形成的原因【讲解】形成BF3时，B原子的2s轨道和2个2p轨道会发生混杂，混杂后得到3个新的能量相同、方向不同的轨道，各指向平面三角形
7、的3个顶角，夹角120。当B跟3个F结合时，B原子的3个sp2杂化轨道分别与3个F原子的2p轨道重叠，形成3个BF 键，因此呈平面三角形的空间结构。思考、理解使学生了解除了sp3杂化外，还存在其他形式的杂化，如sp杂化、sp2杂化等。由BF3、BeCl2等分子的单中心杂化向乙烯分子、乙炔分子的两中心杂化的转变，组织学生自主分析，体会杂化的多样性和复杂性。【提问】请结合BF3分子的形成，分析乙烯分子的成键情况。【讲解】形成乙烯分子时，碳原子中的一个2s和两个2p轨道，发生sp2杂化，形成三个形状能量完全相同的sp2杂化轨道，夹角为120，呈平面三角形，还有一个未参与杂化的p轨道，垂直于平面，各含
8、有一个未成对的电子。两个碳原子各以一个sp2杂化轨道重叠形成一个键，同时以p轨道重叠形成一个键；每个碳原子都以另外两个sp2杂化轨道分别与两个氢原子的1s轨道重叠形成两个键。需要注意的是先杂化后成键是思维上的顺序，而不是时间上的顺序。在真实形成乙烯分子时，是在氢原子的影响下，碳原子才会发生杂化，杂化和成键在时间上是没有先后顺序的。在教师引导下思考回答【提问】请同学尝试解释BeCl2的结构形成的原因。思考讨论，回答问题师生共同总结：形成BeCl2时，Be原子的2s轨道和1个2p轨道会发生混杂，混杂后得到2个新的能量相同、方向不同的轨道，各指向直线段的2个顶点，夹角180。当Be原子跟2个Cl原子
9、结合时，Be原子以2个sp杂化轨道分别与2个Cl原子的3p轨道重叠，形成2个BeCl 键，因此呈直线形的空间结构。【提问】已知乙炔是直线型分子，键角为180，分子中含有碳碳三键，那么乙炔分子的中心原子碳原子采用什么杂化呢？它的杂化轨道用于形成什么化学键，怎么理解它存在碳碳三键？请结合BeCl2分子的形成分析。思考讨论，回答问题组织学生自主分析：当碳原子与两个氢原子形成乙炔分子的时候，碳原子的一个2s电子受外界影响跃迁到2p空轨道，使得碳原子具有4个未成的电子。碳原子中的一个2s和一个2p轨道，发生sp杂化，形成两个形状能量完全相同的sp杂化轨道，夹角为180，呈直线形，还有两个未参加杂化的p轨
10、道互相垂直，各含有一个未成对的电子。在形成乙炔分子的过程中，两个碳原子以一个sp杂化轨道与一个氢原子的1s原子轨道重叠的方式，形成了一个CH 键，同时又各自以另一个sp杂化轨道形成一个CC 键。除此之外，两个碳原子又通过各自的两个未参加杂化的p轨道重叠形成了两个p键，因此乙炔的三个键中有一个键和两个p键呈直线型。师生共同总结：常见的杂化轨道类型有sp、sp2和sp3杂化，夹角分别为180、120和10928，空间结构为直线型、平面三角形和正四面体型。活动三、认识苯分子、氨分子的杂化类型与空间结构【提问】苯分子中究竟存在怎样的化学键？从结构简式来看，苯分子好像具有双键，苯应当具有类似于乙烯的化学
11、性质，能使酸性KMnO4溶液褪色或使溴的四氯化碳溶液褪色，但实验事实并非如此。那么，苯为什么不能使酸性KMnO4溶液或溴的四氯化碳溶液褪色呢？苯分子中究竟存在怎样的化学键呢？阅读教材相关内容，了解用杂化轨道理论解释苯分子的空间结构。从甲烷的单中心杂化乙烯和乙炔的两中心杂化苯的多中心杂化，采取阶梯式递进的方式讲解，易于学生接受。由苯的性质特点提出对其结构的质疑，引导学生从苯分子的空间结构出发推测其成键情况，渗透了“结构决定性质”这一科学思想。师生共同总结：苯分子中碳原子的杂化类型：根据杂化轨道理论，形成苯分子时每个碳原子中一个2s轨道和两个2p轨道发生了sp2杂化，由此形成的三个sp2杂化轨道在
12、同一平面内，每个sp杂化轨道上有一个未成对电子。苯分子中碳原子的成键过程：每个碳原子的两个sp2杂化轨道分别与邻近的两个碳原子的sp2杂化轨道重叠形成键，于是六个碳原子组成一个正六边形的碳环，每个碳原子的另一个sp2杂化轨道分别与一个氢原子的1s轨道重叠形成键。每个碳原子还有一个与碳环平面垂直的未参与杂化的2p轨道，这六个轨道相互平行且各有一个未成对电子，以“肩并肩”的方式相互重叠，从而形成属于六个碳原子的p键，形象地称为大p键。苯分子的空间结构：在苯分子中，六个碳原子和六个氢原子都在同一平面内，整个分子呈平面正六边形，键角皆为120。【提问】氨分子中究竟存在怎样的化学键？氮原子的价电子排布为
13、2s22p3，三个2p轨道中各有一个未成对电子，可分别与一个氢原子的1s电子形成一个键。如果真是如此，那么三个2p轨道相互垂直，所形成的氨分子中NH键的键角应约为90。但是，实验测得的氨分子中NH键的键角为107.3。试解释其键角不是90的原因，并与同学们交流讨论。交流、讨论以“从原子轨道角度分析出的键角与氨分子实际结构中的键角的矛盾”作为入手点，引导学生讨论得出结论，认识孤对电子对的存在对氨分子的空间结构的影响。并以H2O为例，组织学生自主分析其成键情况。师生共同总结：氨分子中氮原子的杂化类型：氮原子的一个2s轨道和三个2p轨道发生sp3杂化，形成四个sp3杂化轨道，轨道间夹角为10928。
14、氨分子的成键类型：形成的四个sp3杂化轨道中，有三个轨道各含有一个未成对电子，可分别与一个氢原子的1s电子形成一个键。氨分子的空间结构：有一个sp3杂化轨道中，含有一对未成键的孤电子对，不能再与氢原子形成键，它对成键电子对的排斥作用较强，使三个NH键的空间取向发生变化，键角减小为107.3，所以NH3为三角锥形。【提问】请模仿NH3的中心原子N的杂化和成键过程，尝试用杂化轨道理论来解释H2O的空间结构。交流、讨论师生共同总结：在形成H2O时，O的1个2s轨道和3个2p轨道发生了sp3杂化，形成了4个sp3杂化轨道，它们在空间的分布呈正四面体形。其中2个sp3杂化轨道与2个H的1s轨道重叠形成2
15、个OH 键；另两个sp3杂化轨道中已各有两个电子，不能再与H的1s轨道重叠。由于H2O中存在2对孤对电子，它们对成键电子对的排斥作用较强，所以H2O呈V形，键角为105。环节三随堂练习PPT展示答题通过习题巩固本节所学知识环节四拓展延伸PPT展示化学家：莱纳斯鲍林观看通过对鲍林的介绍，让学生体会科学家的杰出成就，培养崇尚科学的精神。环节五课堂小结展示PPT 23页。倾听并理解帮助学生梳理本节知识，便于学生记忆。五、板书设计第2节 共价键与分子的空间结构第1课时一、杂化轨道理论定义：在外界条件影响下，原子内部能量相近的原子轨道重新组合形成新的原子轨道的过程叫做原子轨道的杂化。要点：l 中心原子 外界条件 能量相近的轨道l 杂化前后的变与不变变：轨道的成分、能量、形状、方向不变：原子轨道数目l 成键时更有利于轨道间的重叠，满足最小排斥，最大夹角分布二、杂化轨道类型杂化类型spsp2sp3轨道组成一个ns和一个np一个ns和两个np一个ns和三个np杂化轨道数2个sp3个sp24个sp3轨道夹角18012010928轨道示意图分子空间结构直线形平面三角形正四面体形 10 / 10
