《共价键与分子的空间结构 第1课时》示范课教学设计【高中化学】

第二节共价键与分子的空间结构

第1课时

◆教学目标

1.知道常见分子的空间结构。

2.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。

3.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。

◆教学重难点

应用杂化轨道理论解释分子的空间结构。

◆教学过程

一、新课导入

【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？

二、讲授新课

【交流·研讨】研究证实，甲烷(CH4)分子中的四个C—H键的键角均为109°28’，从而形成非常规则的正四面体形结构。

原子之间若要形成共价键，它们的价电子中应当有未成对的电子。碳原子的价电子排布为2s22p2，也就是说，它只有两个未成对的2p电子。若碳原子与氢原子结合，则应形成CH2；即使碳原子的一个2s电子受外界条件影响跃迁到2p空轨道，使碳原子具有四个未成对电子，它与四个氢原子形成的分子也不应当具有规则的正四面体形结构。

那么，甲烷分子的正四面体形结构是怎样形成的呢？

杂化轨道理论简介

1.杂化轨道理论的提出：鲍林为了解决分子空间结构与价键理论的矛

盾，提出了杂化轨道理论。

2.杂化轨道的含义

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。重新组合后的新的原子轨

道，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。

3.杂化轨道理论要点

(1)原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道。

(2)杂化前后原子轨道数目不变(参加杂化的轨道数目等于形成的杂化轨道数目)，且杂化轨道的能量相同。

(3)杂化改变了原子轨道的形状、方向。杂化使原子的成键能力增加。杂化轨道在角度分布上比单纯的s或p轨道在某一方向上更集中，例如s轨道与p轨道杂化后形成的杂化轨道一头大一头小，如图，成键时根据最大重叠原理，使它的大头与其他原子轨道重叠，重叠程度更大，形成的共价键更牢固。

(4)为使相互间的排斥最小，杂化轨道在空间取最大夹角分布。同一组杂化轨道的伸展方向不同，但形状完全相同。

【归纳总结】杂化轨道理论四要点

(1)能量相近：原子在成键时，同一原子中能量相近的原子轨道可重新组合成杂化轨道。

(2)数目不变：形成的杂化轨道数与参与杂化的原子轨道数相等。

(3)成键能力增强：杂化改变原有轨道的形状和伸展方向，使原子形成的共价键更牢固。

(4)排斥力最小：杂化轨道为使相互间的排斥力最小，故在空间取最大夹角分布，不同的杂化轨道伸展方向不同。

4.杂化轨道的类型

【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。

(1)sp3杂化轨道——正四面体形

【讲解】当C与4个H形成CH4时，C的2s轨道和3个2p轨道会发生混杂，混杂后得到

4个新的能量相同、方向不同的轨道，各指向正四面体的4个顶角，夹角109°28′，称为sp3杂化轨道。

sp3杂化轨道是由1个s轨道和3个p轨道杂化而成，sp3杂化轨道间的夹角为109°28′，空间结构为正四面体形。

举例：CH4分子的形成过程

①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1

4

，p成分占

3

4

）。

①4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C—H σ键，从而形成CH4分子。由于4个C—H σ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109°28′，如图所示。

(2)sp2杂化轨道——平面三角形

sp2杂化轨道是由1个s轨道和2个p轨道杂化而成，sp2杂化轨道间的夹角为120°，空间结构为平面三角形。

举例：乙烯分子的形成过程：

形成乙烯分子时碳原子采用sp2杂化，三个sp2杂化轨道和一个未参与杂化的p轨道中各有一个未成对电子。两个碳原子各以一个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。

(3)sp杂化轨道

sp杂化轨道是由1个s轨道和1个p轨道杂化而成的。sp杂化轨道间的夹角是180°，呈直线形。

举例：乙炔分子的形成过程：

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 σ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 σ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 π键，形成乙炔分子。

【小结】

杂化类型sp sp2sp3

轨道组成一个n s和一个n p 一个n s和两个n p 一个n s和三个n p 轨道夹角180°120°109°28′

杂化轨道示意图

实例C2H2C2H4CH4

分子结构示意图

分子的空间结构直线形平面三角形正四面体形

【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？

【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杂化，每个碳原子的两个杂

化轨道分别与邻近的两个碳原子的杂化轨道形成6个C—C σ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。

【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°。