分子的空间结构(第二课时)杂化轨道理论教学设计高二下学期化学人教版(2019)选择性必修2

杂化轨道理论一、教学指导思想：二、教学内容分析：三、学生情况分析：四、教学目标设计：五、教学重点：用杂化轨道理论解释分子的空间结构六、教学难点：用杂化轨道理论解释多中心原子的空间结构七、教学方法：问题驱动法、实物模拟法、多媒体展示法八、教学过程：教学活动设计：【活动一】复习旧知发现问题【活动二】提出理论解决问题并用橡皮泥模拟甲烷分子的形成过程。【活动三】结合实例总结规律【活动四】学以致用巩固提升活动过程：分析多中心原子的分子的空间结构：乙烯、乙炔。教学流程概括：复习旧知发现问题复习旧知发现问题提出理论解决问题结合实例总结规律学以致用巩固提升具体教学流程：教学环节教师活动学生活动设计意图环节一：复习旧知发现问题[引入]展示甲烷、乙烯、乙炔的模型。为什么这些分子会呈现不同的空间结构？我们又如何来进行解释呢？那我们本节课就从最简单的含碳有机物甲烷出发，从微观层面对这些分子的空间结构进行逐个分析。[回顾]请同学们写出碳原子的价层电子排布式和轨道表达式，并运用价层电子对互斥理论预测甲烷的空间构型。[引导]含有未成对电子的原子轨道相互重叠时会形成共价键。根据共价键的饱和性，碳原子的价层电子中只有2个未成对电子，它应该能够和几个氢原子结合呢？[引导]甲烷分子呈正四面体型，它的键角应该为109°28′，而如果这两个相互垂直的2p轨道上的未成对电子与氢原子的未成对电子成键，所形成的碳氢键之间的夹角应该为多少度呢？[讲述]按照之前学习的价键理论，无法解释甲烷分子是键角为109°28′的CH4分子。为了解决这一矛盾，化学家鲍林提出了杂化轨道理论。[化学史]介绍化学家鲍林的成就。[回答]含碳有机物的名称。[书写]碳原子价层电子排布式和轨道表达式，计算甲烷的价层电子对数。[回答]2个。[回答]90°。[产生认知冲突][体会化学家鲍林的科学精神与社会责任感]通过引导学生发现运用已学价键理论无法解释甲烷分子的空间结构，产生认知冲突，激发学生的学习兴趣。通过通过穿插化学史介绍环节，让学生体会科学家的科学精神与社会责任感，发展学生科学态度与社会责任的核心素养。环节二：提出理论解决问题[过渡]接下来我们一起来探究鲍林是如何解决这个问题的。[引导]碳原子要与4个氢原子成键，它需要具有4个未成对电子，如果我们通过某种方式将2s轨道上的1个电子“拉”到2p轨道，是不是就能使碳原子具有4个未成对电子，而这种方式其实就是我们之前所学过的激发。通过激发使得2s轨道上的电子跃迁到了2p空轨道，激发态的碳原子就具有了4个未成对电子。[引导]2s轨道与2p轨道的能量是不同的，它们与氢原子的1s轨道重叠所形成的碳氢键应该也是不同的。但甲烷分子呈正四面体，其中的碳氢键应该是相同的。所以激发态碳原子的2s、2p轨道应该还发生了某种变化，使得它们成为了4个相同的轨道。那么我们能不能将这4个轨道像揉橡皮泥一样，先混杂，再重新揉出4个相同的新轨道呢？而这个过程其实就是杂化。杂化后的4个原子轨道能量、成分、形状完全相同，并且为了减少轨道中电子的排斥，它们在空间上最舒展的取向为正四面体。[讲述]由于在这个过程中有1个2s轨道和3个2p轨道参与了杂化，因此我们把这个杂化过程称为sp3杂化，所形成的杂化轨道称为sp3杂化轨道。[讲述]接下来请同学们用桌面上的橡皮泥模拟sp3杂化轨道的形成过程。并思考在这个过程中轨道发生了哪些改变？又有哪些保持不变？[评价]大家完成得很不错，都成功地搭建出了碳原子sp3杂化轨道的模型。[提问]有没有同学愿意分享一下你认为在杂化过程中，哪些发生了改变，而哪些没有？[评价]很好，大家总结出了其中的一些关键点，但还有一部分被同学们忽略了。[补充]分析杂化前后轨道的能量和成分的变化。[总结]杂化前后的四变一不变。[引导]得到了碳原子的4个sp3杂化轨道之后就可以与氢原子1s轨道重叠成键。共价键有两种类型，一种是以头碰头形成的σ键，一种是以肩并肩形成的Π键，那么甲烷分子的碳氢键是哪种类型呢？[过渡]好，那接下来请同学们以这种成键方式，用橡皮泥模拟成键过程。[讲述]以上就是甲烷分子形成的全部过程，利用杂化轨道理论很好地解释了甲烷分子呈正四面体的空间构型。同学们要注意先杂化后成键是思维上的顺序，而不是时间上的顺序。在真实形成甲烷分子的过程中，碳原子是在氢原子的影响下才发生了杂化，杂化和成键是没有时间上的先后顺序的。[讲述]杂化轨道理论的要点：①在形成分子过程中才发生杂化，孤立原子不会发生杂化。②中心原子才发生杂化，结合原子不发生杂化。③能量相近的原子轨道才会发生杂化。④杂化前后四变一不变。[仔细聆听并思考][仔细聆听并思考][小组合作，用橡皮泥模拟sp3杂化轨道形成过程][回答1]轨道的形状和方向发生了改变。[回答2]轨道的数目没有改变。[回答]σ键。[小组合作，用橡皮泥模拟成键过程][仔细聆听，并做好课堂笔记。]分析形成甲烷分子时碳原子的轨道需要发生的变化，逐步引导学生理解发生激发、杂化的原因和过程，降低思维难度。借助实物素材橡皮泥模拟sp3杂化轨道的形成过程以及甲烷分子成键过程，从微观角度形象生动的展示了杂化和原子成键的特点，成功解释了甲烷分子的空间构型，发展了学生宏观辨识与微观探析的核心素养。环节三：结合实例发现规律[过渡]在学习价层电子对互斥模型时，NH3和H2O的VSEPR模型与CH4一样也为四面体形，因此它们的中心原子也采取了sp3杂化。接下来我们一起来分析在形成NH3过程中，中心原子氮原子的杂化和成键过程。[实例1]氮原子已经具有3个未成对电子因而不需要像碳原子一样激发，而是直接发生sp3杂化。为了减小排斥，使轨道在空间取得最大夹角分布，而呈现出四面体形。其中3个sp3杂化轨道与3个氢原子的1s原子轨道重叠形成3个NHσ键；1个sp3杂化轨道中已占有1个孤对电子，不能再与氢原子的1s原子轨道重叠。由于氨分子中存在孤电子对，它对成键电子对的排斥作用较强，所以氨分子的空间结构与甲烷分子不同，略去孤电子对，氮原子与氢原子在空间的排布呈三角锥形，键角为107°。[实例2]请同学们模仿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。[评价]这位同学分析得很透彻，很好的阐述了杂化和成键过程。但忽略了对于H2O中OH的键角的分析。[提问]为什么H2O中HO间的夹角小于NH3中NH间的夹角呢？[补充]正是因为NH3中的N上只有1个孤电子对，O原子上有两个孤电子对，它的排斥作用相对而言会大一些，OH键间的键角也小一些。[规律1]中心原子的杂化类型与VSEPR模型的关系。杂化轨道理论的实质与VSEPR模型的实质有异曲同工之妙。结合刚才的实例我们可以知道，中心原子的杂化轨道是用于形成σ键或容纳孤对电子，而运用价层电子对互斥理论计算的价层电子对数也是由σ键电子对数和孤对电子数两部分组成。也就是说中心原子的杂化轨道的数目等于价层电子对数。[讲述]常见的杂化方式除了sp3杂化外，还有sp2杂化、sp杂化。sp2杂化是由1个s轨道，2个p轨道杂化得到三个相同的新轨道，这里的新轨道就称为sp2杂化轨道。三个轨道在空间上最舒展的取向为平面三角形，夹角为120°。同学们需要注意在这个过程中有1个2p轨道未参与杂化，它可以用于形成Π键。[提问]接下来请同学们对比sp3、sp2杂化轨道的形成过程，分析sp杂化轨道的形成过程。[评价]很好，看来大家已经能够分析杂化轨道的形成过程。[规律2]总结杂化轨道数目、价层电子对数、杂化轨道类型、杂化轨道构型、VSEPR模型之间的关系。并提出将VSEPR模型与杂化轨道理论联用的思路。[提问]应用VSEPR模型和杂化轨道理论，确认BF3的空间结构，以及中心原子的杂化轨道类型，并分析杂化过程。[仔细聆听，并做好课堂笔记][回答]O原子的1个2s轨道与3个2p轨道杂化形成4个sp3杂化轨道，在空间上呈现四面体形。其中两个含有未成对电子的sp3轨道与H原子的1s轨道重叠形成两根σ键，另外两个sp3轨道容纳孤电子对。略去孤电子对后，H2O呈现V形。[回答]O上有两个孤电子对，N上只有1个。[仔细聆听，做好课堂笔记][回答]sp杂化轨道是由一个s轨道和一个p轨道杂化得到2个相同的新轨道。两个sp杂化轨道呈直线，键角为180°。[运用杂化轨道理论分析BF3的空间结构]通过运用杂化轨道理论解释NH3、H2O、BF3等分子的空间结构，引导学生逐步形成“基态激发态(不一定有)杂化态成键”的认知模型，发展学生证据推理于模型认知的核心素养。通过引导学生思考杂化类型与VSEPR模型之间的关系以及杂化轨道数与杂化轨道类型间的联系，提出将VSEPR模型与杂化轨道理论联用来分析分子空间构型的思路，更有利于用于学生灵活应用杂化轨道理论解决实际化学问题。环节四：学以致用巩固提升[过渡]前面我们应用杂化轨道理论很好地解释了只含有1个中心原子的分子的空间结构，那么接下来我们提升难度，尝试使用杂化轨道理论解释含多个中心原子的分子的空间结构。[问题1]已知乙烯是平面分子，键角为120°，分子中含有碳碳双键。应用杂化轨道理论解释它的空间结构。[引导]我们同样可以按照刚才总结出的思路进行分析。先计算中心原子的价层电子对数，确定杂化类型，再结合杂化过程分析它的空间结构。[提示]多中心原子不是ABn型分子，它的孤对电子数可以通过分析其电子式进行确定。[讲述]乙烯分子中的碳原子价层电子对数为3，所以应该发生sp2杂化。在形成乙烯分子的过程中，碳原子的2s轨道上的电子受氢原子的影响跃迁到2p空轨道。1个2s轨道和2个2p轨道杂化形成了3个sp2轨道，夹角为120°，呈平面三角形。同时还剩余1个未参与杂化的p轨道，垂直于平面，容纳了1个未成对电子。成键时，两个碳原子上的sp2轨道重叠形成σ键，同时两个未参与杂化的p轨道以肩并肩地方式重叠形成Π键，由此形成了乙烯分子的双键结构。剩余的sp2轨道与氢原子的1s轨道重叠形成σ键。[问题2]乙炔是直线形分子，键角为180°，分子中含有碳碳三键。应用杂化轨道理论解释它的空间结构。[总结]本节课重点学习了运用杂化轨道理论解释分子的空间结构。但运用杂化轨道理论解释空间的结构需要提前知道分子的空间结构。分子的空间结构可以通过VSEPR模型进行预测。将VSEPR模型和杂化轨道理论联用就能够很好的预测和解释分子的空间结构，而这也是本堂课的重点。[仔细聆听并完成课堂笔记][解释乙炔分子的空间构型][仔细聆听并回顾]将问题的难度提升至解释多中心原子的分子的空间结构，要求学生充分运用已学知识来进行分析。既是对本堂课所学内容的巩固提升，又发展了学生的问题解决能力。九、板书设计：杂化杂化轨道理论C2s22p2基态激发态sp3杂化态激发价层电子对数杂化轨道数目杂化杂化前后：数目不变，能量、成分、方向、形状改变VSEPR模型杂化轨道理论分子的空间结构预测解释十、效果评价质性评价：用橡皮泥模拟sp3杂化过程及甲烷分子的成键过程。描述sp杂化轨道的形成过程。应用杂化轨道理论，解释乙烯、乙炔分子的空间结构。量性评价：评价项目分值评价项目分值模拟杂化成键观察能力讨论交流积极思考操作能力表