分子的空間結構(第二課時)雜化軌道理論教學設計高二下學期化學人教版(2019)選擇性必修2

雜化軌道理論一、教學指導思想：二、教學內(nèi)容分析：三、學生情況分析：四、教學目標設計：五、教學重點：用雜化軌道理論解釋分子的空間結構六、教學難點：用雜化軌道理論解釋多中心原子的空間結構七、教學方法：問題驅(qū)動法、實物模擬法、多媒體展示法八、教學過程：教學活動設計：【活動一】復習舊知發(fā)現(xiàn)問題【活動二】提出理論解決問題并用橡皮泥模擬甲烷分子的形成過程?！净顒尤拷Y合實例總結規(guī)律【活動四】學以致用鞏固提升活動過程：分析多中心原子的分子的空間結構：乙烯、乙炔。教學流程概括：復習舊知發(fā)現(xiàn)問題復習舊知發(fā)現(xiàn)問題提出理論解決問題結合實例總結規(guī)律學以致用鞏固提升具體教學流程：教學環(huán)節(jié)教師活動學生活動設計意圖環(huán)節(jié)一：復習舊知發(fā)現(xiàn)問題[引入]展示甲烷、乙烯、乙炔的模型。為什么這些分子會呈現(xiàn)不同的空間結構？我們又如何來進行解釋呢？那我們本節(jié)課就從最簡單的含碳有機物甲烷出發(fā)，從微觀層面對這些分子的空間結構進行逐個分析。[回顧]請同學們寫出碳原子的價層電子排布式和軌道表達式，并運用價層電子對互斥理論預測甲烷的空間構型。[引導]含有未成對電子的原子軌道相互重疊時會形成共價鍵。根據(jù)共價鍵的飽和性，碳原子的價層電子中只有2個未成對電子，它應該能夠和幾個氫原子結合呢？[引導]甲烷分子呈正四面體型，它的鍵角應該為109°28′，而如果這兩個相互垂直的2p軌道上的未成對電子與氫原子的未成對電子成鍵，所形成的碳氫鍵之間的夾角應該為多少度呢？[講述]按照之前學習的價鍵理論，無法解釋甲烷分子是鍵角為109°28′的CH4分子。為了解決這一矛盾，化學家鮑林提出了雜化軌道理論。[化學史]介紹化學家鮑林的成就。[回答]含碳有機物的名稱。[書寫]碳原子價層電子排布式和軌道表達式，計算甲烷的價層電子對數(shù)。[回答]2個。[回答]90°。[產(chǎn)生認知沖突][體會化學家鮑林的科學精神與社會責任感]通過引導學生發(fā)現(xiàn)運用已學價鍵理論無法解釋甲烷分子的空間結構，產(chǎn)生認知沖突，激發(fā)學生的學習興趣。通過通過穿插化學史介紹環(huán)節(jié)，讓學生體會科學家的科學精神與社會責任感，發(fā)展學生科學態(tài)度與社會責任的核心素養(yǎng)。環(huán)節(jié)二：提出理論解決問題[過渡]接下來我們一起來探究鮑林是如何解決這個問題的。[引導]碳原子要與4個氫原子成鍵，它需要具有4個未成對電子，如果我們通過某種方式將2s軌道上的1個電子“拉”到2p軌道，是不是就能使碳原子具有4個未成對電子，而這種方式其實就是我們之前所學過的激發(fā)。通過激發(fā)使得2s軌道上的電子躍遷到了2p空軌道，激發(fā)態(tài)的碳原子就具有了4個未成對電子。[引導]2s軌道與2p軌道的能量是不同的，它們與氫原子的1s軌道重疊所形成的碳氫鍵應該也是不同的。但甲烷分子呈正四面體，其中的碳氫鍵應該是相同的。所以激發(fā)態(tài)碳原子的2s、2p軌道應該還發(fā)生了某種變化，使得它們成為了4個相同的軌道。那么我們能不能將這4個軌道像揉橡皮泥一樣，先混雜，再重新揉出4個相同的新軌道呢？而這個過程其實就是雜化。雜化后的4個原子軌道能量、成分、形狀完全相同，并且為了減少軌道中電子的排斥，它們在空間上最舒展的取向為正四面體。[講述]由于在這個過程中有1個2s軌道和3個2p軌道參與了雜化，因此我們把這個雜化過程稱為sp3雜化，所形成的雜化軌道稱為sp3雜化軌道。[講述]接下來請同學們用桌面上的橡皮泥模擬sp3雜化軌道的形成過程。并思考在這個過程中軌道發(fā)生了哪些改變？又有哪些保持不變？[評價]大家完成得很不錯，都成功地搭建出了碳原子sp3雜化軌道的模型。[提問]有沒有同學愿意分享一下你認為在雜化過程中，哪些發(fā)生了改變，而哪些沒有？[評價]很好，大家總結出了其中的一些關鍵點，但還有一部分被同學們忽略了。[補充]分析雜化前后軌道的能量和成分的變化。[總結]雜化前后的四變一不變。[引導]得到了碳原子的4個sp3雜化軌道之后就可以與氫原子1s軌道重疊成鍵。共價鍵有兩種類型，一種是以頭碰頭形成的σ鍵，一種是以肩并肩形成的Π鍵，那么甲烷分子的碳氫鍵是哪種類型呢？[過渡]好，那接下來請同學們以這種成鍵方式，用橡皮泥模擬成鍵過程。[講述]以上就是甲烷分子形成的全部過程，利用雜化軌道理論很好地解釋了甲烷分子呈正四面體的空間構型。同學們要注意先雜化后成鍵是思維上的順序，而不是時間上的順序。在真實形成甲烷分子的過程中，碳原子是在氫原子的影響下才發(fā)生了雜化，雜化和成鍵是沒有時間上的先后順序的。[講述]雜化軌道理論的要點：①在形成分子過程中才發(fā)生雜化，孤立原子不會發(fā)生雜化。②中心原子才發(fā)生雜化，結合原子不發(fā)生雜化。③能量相近的原子軌道才會發(fā)生雜化。④雜化前后四變一不變。[仔細聆聽并思考][仔細聆聽并思考][小組合作，用橡皮泥模擬sp3雜化軌道形成過程][回答1]軌道的形狀和方向發(fā)生了改變。[回答2]軌道的數(shù)目沒有改變。[回答]σ鍵。[小組合作，用橡皮泥模擬成鍵過程][仔細聆聽，并做好課堂筆記。]分析形成甲烷分子時碳原子的軌道需要發(fā)生的變化，逐步引導學生理解發(fā)生激發(fā)、雜化的原因和過程，降低思維難度。借助實物素材橡皮泥模擬sp3雜化軌道的形成過程以及甲烷分子成鍵過程，從微觀角度形象生動的展示了雜化和原子成鍵的特點，成功解釋了甲烷分子的空間構型，發(fā)展了學生宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)。環(huán)節(jié)三：結合實例發(fā)現(xiàn)規(guī)律[過渡]在學習價層電子對互斥模型時，NH3和H2O的VSEPR模型與CH4一樣也為四面體形，因此它們的中心原子也采取了sp3雜化。接下來我們一起來分析在形成NH3過程中，中心原子氮原子的雜化和成鍵過程。[實例1]氮原子已經(jīng)具有3個未成對電子因而不需要像碳原子一樣激發(fā)，而是直接發(fā)生sp3雜化。為了減小排斥，使軌道在空間取得最大夾角分布，而呈現(xiàn)出四面體形。其中3個sp3雜化軌道與3個氫原子的1s原子軌道重疊形成3個NHσ鍵；1個sp3雜化軌道中已占有1個孤對電子，不能再與氫原子的1s原子軌道重疊。由于氨分子中存在孤電子對，它對成鍵電子對的排斥作用較強，所以氨分子的空間結構與甲烷分子不同，略去孤電子對，氮原子與氫原子在空間的排布呈三角錐形，鍵角為107°。[實例2]請同學們模仿NH3的中心原子N的雜化和成鍵過程，嘗試用雜化軌道理論來解釋H2O的空間結構。[評價]這位同學分析得很透徹，很好的闡述了雜化和成鍵過程。但忽略了對于H2O中OH的鍵角的分析。[提問]為什么H2O中HO間的夾角小于NH3中NH間的夾角呢？[補充]正是因為NH3中的N上只有1個孤電子對，O原子上有兩個孤電子對，它的排斥作用相對而言會大一些，OH鍵間的鍵角也小一些。[規(guī)律1]中心原子的雜化類型與VSEPR模型的關系。雜化軌道理論的實質(zhì)與VSEPR模型的實質(zhì)有異曲同工之妙。結合剛才的實例我們可以知道，中心原子的雜化軌道是用于形成σ鍵或容納孤對電子，而運用價層電子對互斥理論計算的價層電子對數(shù)也是由σ鍵電子對數(shù)和孤對電子數(shù)兩部分組成。也就是說中心原子的雜化軌道的數(shù)目等于價層電子對數(shù)。[講述]常見的雜化方式除了sp3雜化外，還有sp2雜化、sp雜化。sp2雜化是由1個s軌道，2個p軌道雜化得到三個相同的新軌道，這里的新軌道就稱為sp2雜化軌道。三個軌道在空間上最舒展的取向為平面三角形，夾角為120°。同學們需要注意在這個過程中有1個2p軌道未參與雜化，它可以用于形成Π鍵。[提問]接下來請同學們對比sp3、sp2雜化軌道的形成過程，分析sp雜化軌道的形成過程。[評價]很好，看來大家已經(jīng)能夠分析雜化軌道的形成過程。[規(guī)律2]總結雜化軌道數(shù)目、價層電子對數(shù)、雜化軌道類型、雜化軌道構型、VSEPR模型之間的關系。并提出將VSEPR模型與雜化軌道理論聯(lián)用的思路。[提問]應用VSEPR模型和雜化軌道理論，確認BF3的空間結構，以及中心原子的雜化軌道類型，并分析雜化過程。[仔細聆聽，并做好課堂筆記][回答]O原子的1個2s軌道與3個2p軌道雜化形成4個sp3雜化軌道，在空間上呈現(xiàn)四面體形。其中兩個含有未成對電子的sp3軌道與H原子的1s軌道重疊形成兩根σ鍵，另外兩個sp3軌道容納孤電子對。略去孤電子對后，H2O呈現(xiàn)V形。[回答]O上有兩個孤電子對，N上只有1個。[仔細聆聽，做好課堂筆記][回答]sp雜化軌道是由一個s軌道和一個p軌道雜化得到2個相同的新軌道。兩個sp雜化軌道呈直線，鍵角為180°。[運用雜化軌道理論分析BF3的空間結構]通過運用雜化軌道理論解釋NH3、H2O、BF3等分子的空間結構，引導學生逐步形成“基態(tài)激發(fā)態(tài)(不一定有)雜化態(tài)成鍵”的認知模型，發(fā)展學生證據(jù)推理于模型認知的核心素養(yǎng)。通過引導學生思考雜化類型與VSEPR模型之間的關系以及雜化軌道數(shù)與雜化軌道類型間的聯(lián)系，提出將VSEPR模型與雜化軌道理論聯(lián)用來分析分子空間構型的思路，更有利于用于學生靈活應用雜化軌道理論解決實際化學問題。環(huán)節(jié)四：學以致用鞏固提升[過渡]前面我們應用雜化軌道理論很好地解釋了只含有1個中心原子的分子的空間結構，那么接下來我們提升難度，嘗試使用雜化軌道理論解釋含多個中心原子的分子的空間結構。[問題1]已知乙烯是平面分子，鍵角為120°，分子中含有碳碳雙鍵。應用雜化軌道理論解釋它的空間結構。[引導]我們同樣可以按照剛才總結出的思路進行分析。先計算中心原子的價層電子對數(shù)，確定雜化類型，再結合雜化過程分析它的空間結構。[提示]多中心原子不是ABn型分子，它的孤對電子數(shù)可以通過分析其電子式進行確定。[講述]乙烯分子中的碳原子價層電子對數(shù)為3，所以應該發(fā)生sp2雜化。在形成乙烯分子的過程中，碳原子的2s軌道上的電子受氫原子的影響躍遷到2p空軌道。1個2s軌道和2個2p軌道雜化形成了3個sp2軌道，夾角為120°，呈平面三角形。同時還剩余1個未參與雜化的p軌道，垂直于平面，容納了1個未成對電子。成鍵時，兩個碳原子上的sp2軌道重疊形成σ鍵，同時兩個未參與雜化的p軌道以肩并肩地方式重疊形成Π鍵，由此形成了乙烯分子的雙鍵結構。剩余的sp2軌道與氫原子的1s軌道重疊形成σ鍵。[問題2]乙炔是直線形分子，鍵角為180°，分子中含有碳碳三鍵。應用雜化軌道理論解釋它的空間結構。[總結]本節(jié)課重點學習了運用雜化軌道理論解釋分子的空間結構。但運用雜化軌道理論解釋空間的結構需要提前知道分子的空間結構。分子的空間結構可以通過VSEPR模型進行預測。將VSEPR模型和雜化軌道理論聯(lián)用就能夠很好的預測和解釋分子的空間結構，而這也是本堂課的重點。[仔細聆聽并完成課堂筆記][解釋乙炔分子的空間構型][仔細聆聽并回顧]將問題的難度提升至解釋多中心原子的分子的空間結構，要求學生充分運用已學知識來進行分析。既是對本堂課所學內(nèi)容的鞏固提升，又發(fā)展了學生的問題解決能力。九、板書設計：雜化雜化軌道理論C2s22p2基態(tài)激發(fā)態(tài)sp3雜化態(tài)激發(fā)價層電子對數(shù)雜化軌道數(shù)目雜化雜化前后：數(shù)目不變，能量、成分、方向、形狀改變VSEPR模型雜化軌道理論分子的空間結構預測解釋十、效果評價質(zhì)性評價：用橡皮泥模擬sp3雜化過程及甲烷分子的成鍵過程。描述sp雜化軌道的形成過程。應用雜化軌道理論，解釋乙烯、乙炔分子的空間結構。量性評價：評價項目分值評價項目分值模擬雜化成鍵觀察能力討論交流積極思考操作能力表