2.2.1 分子空间结构的理论分析教学设计

skybamboo · 发表于 5 小时前

第二章微粒间相互作用与物质性质
第2节　共价键与分子的空间构型
第1课时　分子空间结构的理论分析

在化学必修阶段的学习中，学生对分子的空间结构有了一定的感性认识，在学习了原子轨道和
共价键的内容后对于如何认识分子的空间结构有了一定的理论基础。为了进一步解释分子空间结构的成因，教材在第1节“共价键模型”的基础上，引入了鲍林的杂化轨道理论，该理论较好地解释
了简单分子的空间结构的的成因；但是杂化轨道理论对未知分子空间结构的预测性不强。为了更深入地认识分子的空间结构，教材继续介绍了价电对互斥理论，以此预测简单分子或离子的空间结构。
本节教材按用由简单到复余的思路选取代表物，例如，杂化轨道理论部分从对甲烷分子的分析人手到对乙烯、乙炔和苯分子的分析，逐渐实现“单中心杂化→两个中心杂化→多个中心杂化”的阶梯式发展，使学生的认识逐步提升。

宏观辨识与微观探析：
理解杂化轨道理论的主要内容，掌握三种主要的杂化类型。
证据推理与模型认知：
能用杂化轨道理论解释或预测某些分子(如CH4、BF3、BeCl2、NH3、C2H2、C2H4、C6H6、CCl4等分子)或离子的空间结构。
理解价电子对互斥理论和等电子原理，能根据有关理论、原理判断简单分子或离子的空间结构。　　

杂化轨道理论、价电子对互斥理论

课件素材、学案、轨道模型等

【知识回顾】根据学案回顾有关原子轨道价电子排布以及共价键知识
【联想质疑】通常，不同的分子具有不同的空间结构。例如，甲烷分子呈正四面体形，氨分子呈三角锥形，乙烯分子呈平面结构。那么，这些分子为什么具有不同的空间结构呢？分子的空间结构对物质的性质会带来怎样的影响？
【投影】

【交流研讨】教材P45页相关内容，结合碳原子的价电子排布，交流研讨甲烷分子的正四面体形结构是怎样形成的呢？
【投影】

【板书】一.分子空间结构的理论分析
【讲述】美国化学家鲍林提出的轨道杂化理论很好的解释了甲烷分子的空间结构。请同学们阅读教材P46页，了解杂化轨道理论的内容，以及对甲烷分子结构的解释。
【投影】

【阅读探究】学生阅读教材内容
【板书】1.杂化轨道理论
【讲述】原子内部能量相近的原子轨道，重新组合杂化形成新的原子轨道成为杂化轨道，杂化轨道不仅改变了原有s和p轨道的空间取向，而且使它在与其他原子的原子轨道成键时重叠的程度更大，形成的共价键更牢固。常见的杂化轨道类型有sp杂化、sp2杂化、sp3杂化。
【投影】

【讲述】由1个s轨道和3个p轨道的杂化称为sp3杂化，所形成的四个杂化轨道称为sp3杂化轨道。每两个sp3杂化轨道的夹角为109°28′。所形成的四个杂化轨道能量相同，碳原子自旋状态相同。
【投影】

【讲述】四个H原子分别以4个s轨道与C原子上的四个sp3杂化轨道相互重叠后，就形成了四个性质、能量和键角都完全相同的S-SP3σ键，形成一个正四面体构型的分子。
【投影】

【讲述】一个s轨道和二个p轨道杂化,产生三个等同的sp2杂化轨道, sp2杂化轨道间夹角120°，呈平面三角形。
【投影】

【讲述】乙烯分子中两个碳原子个以一个sp2杂化轨道重叠形成一个σ键，同时以p轨道重叠形成一个Π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σ键。
【投影】

【讲述】一个s轨道和一个p轨道杂化,产生两个等同的sp杂化轨道, sp杂化轨道间夹角180°，呈直线形。
【投影】

【讲述】乙炔分子中两个碳原子的sp杂化轨道沿各自对称轴形成sp-sp 键，另两个sp杂化轨道分别与两个氢原子的1s轨道重叠形成两个sp-s键，每个原子的两个p轨道分别从侧面相互重叠，形成两个相互垂直的P-P键，形成乙炔分子。
【投影】

【联想质疑】通过化学必修课程的学习，你已知道苯分子（C6H6)的结构简式为）。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？
【投影】

【自主探究】学生阅读教材相关内容，了解用杂化轨道理论解释苯分子的空间结构
【讲述】苯分子中碳原子的杂化方式为sp2，每个碳原子的两个杂化轨道分别与临近的两个碳原子的杂化轨道形成6个C-Cσ键，组成正六边形环。每个碳原子的另一个杂化轨道与氢原子的1s轨道形成Π键，每个碳原子剩余的未杂化的P轨道肩并肩形成大Π键。
【投影】

【讲述】苯分子中6个碳原子和6个氢原子在同一平面内，整个分子呈平面正六边形，键角皆为120°。
【投影】

【交流研讨】氮原子的价电子排布为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σ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N-H键的键角应约为90°。但是，实验测得的氯分子中N-H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。
【投影】

【讲述】氮原子的2s和2p轨道发生sp3杂化形成sp3杂化轨道，轨道间夹角为109°28′。氮原子与三个氢原子形成三个σ键，在另外一个sp3杂化轨道中，含有一个未成键的孤电子对，它对成键电子对的排斥作用较强，使三个N—H键的空间分布发生变化，键角减小为107.3°，所以NH3为三角锥形。
【投影】

【总结】美国化学家鲍林一生获得过两次诺贝尔奖。他在关于化学键本质的研究及其在物质结构中的应用方面作出过重大贡献，杂化轨道理论较好地解释了简单分子的空间结构的的成因。
【投影】

【引入】但是杂化轨道理论对未知分子空间结构的预测性不强。科学家们通过归纳总结提出了价电对互斥理论，该理论能比较简便地定性预测分子的空间结构。
【板书】2.价电子对互斥理论
【讲述】价电子对互斥理论的基本观点是：分子中的中心原子的价电子对——成键电子对（bp)和孤电子对（Ip)由于相互排斥作用，处于不同的空间取向且尽可能趋向于彼此远离。两个原子间的成键电子不论是单键还是多重键，都看作一个空间取向，即成键电子对等于σ键的数目，一对价电子对有一个空间取向。常见的价电子对数目和空间取向如下。
【投影】

【讲述】当中心原子无孤电子对时，即价电子对全是成键电子对，则价电子对的空间结构即为分子或离子的空间结构。如当价电子对为2、3、4、5、6时，分子的空间结构分别为直线形、三角形、四面体形、三角双锥形和八面体形。
【投影】

【方法指导】中心原子上的孤电子对数，可以通过写出该分子或离子的电子式来确定，也可以利用如下公式来计算：
【投影】

【讲述】例如，H2O的中心原子为O原子，其价电子数为6，H原子的未成对电子数为1，可知：

【投影】

【活动探究】请用价电子对互斥理论预测甲烷、乙烯、乙醇和乙酸的空间结构，并用棍棒、球等搭建它们的分子模型，或利用计算机软件绘制分子的模型。
【投影】

【思考】NH3、CH4两分子中，N、C原子都采用sp3杂化，为什么NH3分子的空间结构是三角锥形，CH4分子是正四面体形？
【讲述】形成的4个sp3杂化轨道中，NH3分子中只有三个轨道中的未成对电子与H原子的1s电子成键。另1个轨道中有一对未成键的孤电子对不参与成键，但对成键电子对有较强的排斥作用，使三个N—H键角变小，成为三角锥形。而CH4分子中4个杂化轨道都分别与4个H原子形成共价键，轨道夹角＝共价键键角＝109°28′，为正四面体形。
【讲述】当价电子对包含孤电子对且成键电子对中也有多重键时，由于它们之间的斥力不同，会对分子的空间结构产生影响。通常，多重键、成键电子对与孤电子对的斥力大小顺序可定性地表示为：
【投影】

【讲述】化学通式相同且价电子总数相等的分子或离子具有相同的空间结构和相同的化学键类型等结构特征，这是等电子原理的基本观点。
【投影】

【归纳总结】完成学案“常见分子的VSEPR模型和空间结构”
【课堂小结】

轨道杂化理论和价电子对互斥理论都是解释或推测分子空间结构的知识，本节课和到一起学习，课堂容量较大，主要时对理论的理解和认识，需要增加习题课进行加深理解和巩固。

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[鲁科版] 2.2.1 分子空间结构的理论分析 教学设计

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