《共价键 第1课时》示范公开课教学设计【化学人教版高中选择性必修2(新课标)】

共价键
第1课时
◆教学目标
1. 从原子轨道重叠的视角认识共价键的本质，知道共价键具有饱和性和方向性，能用模型、图像、符号等正确表征H2、Cl2、HCl等简单分子中原子轨道的重叠方式。

2. 知道σ键和π键的区别和特征，能说明C2H6、C2H4、C2H2等分子的成键类型。

◆教学重难点
1.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σ键和π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。

【分享交流】
微观粒子包含哪些种类？
它们分别组成了哪些物质？你能各举出一些例子么？
这些微粒在形成物质的过程中，形成了怎样的化学键？
我们常说形成共价键时“电子成对”，电子是带负电的，两个负电的东西为何会主动靠近？这其中的本质是什么？
【思考讨论】
写出H2、Cl2、HCl的电子式，通过电子式分析为何它们是稳定的物质？
你认为是否存在H3、H2Cl、Cl3这样的物质？说出你判断的理由。

第IV A族的元素与H能形成CH4、SiH4等；
第V A族的元素与H能形成NH3、PH3等；
第VIA族的元素与H能形成H2O、H2S等；
第VIIA族的元素与H能形成HF、HCl等；
从中你发现了怎样的规律？用自己的语言总结。

你能从价电子结构的角度解释原因么？
二、讲授新课
一、共价键
共价键是原子间通过共用电子对所形成的相互作用。

两原子之间每共用一对电子，彼此的电子数增加1个。

因此：
第IV A族元素的原子价电子为4个，要达到8电子结构，需要共用4对电子；
第V A族元素的原子价电子为5个，要达到8电子结构，需要共用3对电子；
第VIA族元素的原子价电子为6个，要达到8电子结构，需要共用2对电子；
第VIIA族元素的原子价电子为7个，要达到8电子结构，需要共用1对电子；
原子通过共用一定数量的电子对即可达到稳定结构，共价键的数量也由此确定，不会一直增加下去。

我们把共价键的这种性质称为饱和性。

1.从原子轨道视角看共价键的本质
我们学过原子轨道，如何用原子轨道的概念来进一步理解共价键呢？
用原子轨道描述氢原子形成氢分子的过程如图2-1所示。

【提问】（1）两个H原子相互靠近的过程中，微观上发生了怎么样的变化呢？
【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 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。

小结：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】（2）除了s和s轨道，s和p、p和p轨道是否也可以通过轨道重叠形成共价键？【讲解】HCl中的共价键是由H的1s轨道和Cl的2p轨道形成，形成过程如图所示：
【提问】（3）除了s和s轨道，s和p、p和p轨道是否也可以通过轨道重叠形成共价键？【讲解】Cl2中的共价键是由两个Cl的2p轨道形成，形成过程如图所示：
2. 共价键的类型
依据共价键的对称性，我们将共价键分为σ键和π键。

H2中的共价键称为σ键。

σ键的特征：轴对称
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像不变。

依照σ键的定义，判断下面两种原子轨道重叠形成的共价键是否为σ键？
p轨道和p轨道除了能像Cl2中那样重叠外，还能按照下面的方式重叠：
这种重叠方式得到的电子云形状与σ键有明显差别：电子云由两块组成，它们互为镜像。

具备这样镜面对称特征的共价键称为π键。

思考：π键围绕成键的两原子核的连线旋转时电子云图像是否改变？
请利用老师提供给大家的原子轨道模型，自己动手体会：
1.原子轨道重叠过程
2.原子轨道重叠后，所形成共价键的对称性
运用模型回答下列问题：
1.s轨道和s轨道之间可以形成π键么？为什么？
2.s轨道和p轨道之间可以形成π键么？为什么？
小结：
σ键是由两个原子的轨道“头碰头”重叠形成的；这两个原子轨道可以是2个s轨道，可以是2个p轨道，可以是1个s、一个p轨道。

它们都能形成具有轴对称性的电子云。

π键是由两个原子的轨道“肩并肩”重叠形成的。

这两个原子轨道只能是2个p轨道（不考虑更复杂的d、f轨道）。

这种重叠形成具有镜面对称性的电子云。

σ键和π键由于原子轨道靠近重叠的方式不同，使得两种类型的共价键强度不同。

一般来说，“头碰头”这种重叠方式使得轨道重叠程度更大，形成对应的共价键时体系放出更多的能量，使分子更加稳定。

故一般我们说σ键比π键牢固，或π键比σ键容易断裂。

【提问】（1）两个原子之间形成共价单键时，你认为会形成σ键还是π键，还是二者都有可能？说明你的理由。

【讲解】一般来说，共价单键是σ键。

原因如下：
1.在之前的讨论中，依据σ键的对称知，s、p轨道任意的组合都可以形成σ键，而π键仅可以由2条p轨道形成，即形成σ键对轨道类型无要求。

2.形成σ键放出的能量要比形成π键放出的能量更多，故形成σ键时分子的整体能量更低，这是能量最低原理在分子层面的体现。

【提问】（2）两个原子之间形成共价双键时，你认为会形成1个σ键1个π键，还是2个π
键，还是2个σ键？说明你的理由。

【讲解】一般来说，共价双键是1个σ键和1个π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σ键时要求轨道“头碰头”形成，形成π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σ键，另外一组p轨道只能选择肩并肩的方式形成π键。

虽然两组p轨道可以同时肩并肩形成2个π键，但π键的能量效应不如σ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σ键+1个π键
【提问】（3）请你仿照思考（1）和（2）的讨论方法，从N原子的价电子构型出发，分析N2中共价键的成键情况，N和N之间是单键、双键还是叁键？原子轨道的重叠情况是怎样的？有几个σ键，有几个π键？
【讲解】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2p x、2p y、2p z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σ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π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。

绿色表示的两个p轨道头碰头形成σ键；
红色和蓝色表示的两组p轨道分别肩并肩形成π键。

图中添加了π键的对称镜面帮助理解轨道重叠的情况。

【提问】（4）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。

【提问】（5）观察乙烷、乙烯和乙炔的分子结构，他们的分子中的共价键分别由几个σ键和几个π键构成？
【讲解】乙烷分子中共有7个σ键；
乙烯分子中共有5个σ键，1个π键；
乙炔分子中共有3个σ键，2个π键。

【提问】（6）钠和氯通过得失电子同样是形成电子对，为什么这对电子不被钠原子和氯原子
共用形成共价键而形成离子键呢？你能从元素电负性的差别来理解么？完成下列表格，与同学交流你的结论。

【讲解】当元素的电负性相差很大，化学反应形成的电子对不会被共用，形成的是离子键；而共价键是元素的电负性相差不大的原子之间形成的化学键。

三、课堂小结
1.共价键的定义：原子间通过共用电子对所形成的相互作用。

2. 共价键的本质：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。

3.共价键的类型：
①依据共价键的对称性，我们将共价键分为σ键和π键。

σ键的电子云具有轴对称性，π键电子云具有镜面对称性。

②从轨道重叠的方式来看，σ键是头碰头，π键电子云是肩并肩。

一般来说，“头碰头”这种重叠方式使得轨道重叠程度更大，形成对应的共价键时体系放出更多的能量，使分子更加稳定。

故一般我们说σ键比π键牢固，或π键比σ键容易断裂。

③按共用电子对数目，可分为单键、双键和三键。

一般规律是：共价单键是σ键；而共价双键中有一个σ键，另一个是π键；共价三键由一个σ键和两个π键构成。

4.离子键与共价键的定性判断：当元素的电负性相差很大，化学反应形成的电子对不会被共用，形成的是离子键；而共价键是元素的电负性相差不大的原子之间形成的化学键。