2.2 分子的空间结构 第3课时（教学设计）化学人教版选择性必修2

第二节 分子的空间结构 第3课时 杂化轨道理论 一、知识目标 1.通过分析甲烷、氨气和水分子的空间结构，解释碳、氮、氧原子的sp³杂化轨道形成过程及其对分子几何构型的影响。 2.根据VSEPR模型与杂化轨道类型的关系表，概括不同中心原子杂化方式（sp、sp²、sp³）与其分子空间结构的对应规律。 二、素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从甲烷、氨、水等分子的立体构型出发，探析其背后中心原子轨道杂化的微观机制，建立宏观结构与微观成键本质的联系。 2.科学探究与创新意识：通过对比价键理论局限与杂化轨道理论的提出过程，体会模型修正与理论创新在解决化学问题中的作用，激发科学探究兴趣。 3.科学态度与社会责任：认识杂化轨道理论在解释分子结构中的科学价值，理解理论发展需基于实验证据，培养严谨求实的科学态度。 一、教学重点 1.通过实例分析理解杂化轨道理论的基本概念和形成过程 2.根据分子空间结构判断中心原子的杂化轨道类型 3.结合VSEPR模型确定常见分子的杂化方式与几何构型 二、教学难点 1.理解原子轨道杂化过程中能量、方向性变化的微观本质 2.区分σ键与π键的成键方式及未参与杂化的p轨道作用 3.综合VSEPR模型与孤电子对判断杂化类型与分子构型关系 杂化轨道理论是高中化学物质结构与性质模块的核心内容，它承接了学生此前学习的价键理论和VSEPR模型，为理解分子空间构型提供了更深入的成键机制解释。学完甲烷的正四面体结构后，学生常在“为何碳原子能形成四个等同的σ键”这一问题上遇到困难，教材由此引入鲍林的杂化轨道理论，先通过中碳原子与轨道混杂形成四个能量相等、夹角为的杂化轨道来解释其正四面体构型，再拓展到和中孤电子对占据杂化轨道的情况，帮助学生建立从电子对几何到成键轨道类型的联系。教材进一步对比呈现、和三种杂化类型，并强调未参与杂化的轨道可形成键，为后续学习乙烯、乙炔等有机物的双键三键结构埋下伏笔。图示与表格结合的方式直观展示了不同杂化类型对应的轨道夹角与空间构型，但学生仍容易混淆杂化类型与分子几何形状的区别，尤其在判断中心原子杂化方式时难以将价层电子对数与杂化轨道数对应起来，需要通过“先写路易斯结构→再算电子对数→然后定VSEPR模型→最后推杂化类型”的思维路径逐步训练巩固。 学生已经学习了价键理论的基本概念，掌握了σ键和π键的形成方式，并通过价层电子对互斥模型（VSEPR）了解了分子空间构型的预测方法，如、和的四面体构型。同时，学生对原子轨道（、）的形状和能量差异有初步认识，这为理解轨道杂化提供了基础。高中生抽象思维能力正在发展，能够接受微观粒子的行为模型，但对轨道叠加、能量重组等动态过程仍倾向于直观想象。但在从原子轨道到杂化轨道的转变过程中，学生容易困惑于为何要“混合”轨道以及杂化前后轨道数目不变却方向改变的本质。尤其在区分、、杂化时，难以将中心原子的价层电子对数与杂化类型准确关联，易混淆未参与杂化的轨道与π键形成的关系，对孤电子对占据杂化轨道影响分子几何构型的理解也存在障碍，需要借助图示和类比强化空间想象与逻辑推理能力。 教学环节一 课堂导入 【引入】1916年，年轻的莱纳斯·鲍林提出了一个革命性的想法——原子轨道可以“混合重组”，就像不同颜色的颜料调和出新的色彩。这一理论成功解释了甲烷CH4为何具有完美的正四面体结构。 教学任务一 杂化轨道理论 活动一 杂化轨道理论的提出 【教师提问】那么，碳原子是如何从原本能量不同、方向各异的2s和2p轨道，形成四个完全等同的化学键的呢？ 【学生回答】这背后的的关键在于轨道的重新组合——杂化 【设计意图】以真实科学问题驱动，层层递进揭示杂化本质，帮助学生从“轨道不能解释结构”的认知冲突走向“新理论解决问题”的科学思维建构。 活动二 理解杂化轨道理论 【教师提问1】画出C原子和H原子的轨道表示式，思考：根据共价键的饱和性原则，C原子能结合几个H原子？ 【学生活动】画出C、H原子轨道表示式，分析并提出质疑 【学生回答】根据共价键饱和性原则，C原子应结合2个H，形成CH2分子。但根据已知信息，甲烷分子式为CH4，且空间结构为正四面体 【教师提问2】1个C原子如何结合4个H原子形成正四面体结构？阅读教材P47-48，理解：什么是杂化轨道理论？ 【学生回答】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一组数目相同的新原子轨道，这个过程叫做原子轨道的杂化。重新组合后的新的原子轨道能量相等，叫做杂化原子轨道，简称杂化轨道。 【教师归纳】 （1）、杂化条件：只有在形成化学键时才能杂化；只有能量相近的轨道间才能杂化 （2）、杂化特点 ①、杂化轨道数=参加杂化的原子轨道数 ②、各杂化轨道能量相同，但比原来的原子轨道能量低，更易成键 ③、为使杂化轨道间的斥力最小，杂化轨道尽可能远离 ④、杂化轨道只用于形成σ键和容纳孤电子对 （3）、杂化类型：sp、sp2、sp3…… 【教师提问3】根据杂化轨道理论解释，CH4如何形成正四面体结构？ 【学生活动】阅读教材，根据甲烷四面体结构与价电子轨道表示式，分析C原子轨道的激发与杂化 【教师归纳】形成CH4时，C原子1个2s轨道和3个2p轨道混杂，形成4个新的能量相同、方向不同的sp3杂化轨道4个sp3杂化轨道分别与4个H原子的1s轨道重叠形成4个C—H σ键 【教师提问4】根据sp3杂化原理，类比分析，什么是sp2杂化 【学生活动】类比sp3轨道激发、杂化原理，画出sp2杂化过程 【教师归纳】由1个s轨道和2个p轨道混杂并重新组合成3个能量与形状完全相同的轨道，称之为 sp2杂化轨道，呈平面三角形。 【教师提问5】sp2杂化后，未参与杂化的p轨道有什么特点？根据sp2杂化轨道的特点，解释乙烯分子的空结构 【学生回答】未杂化的p轨道垂直与sp2杂化轨道形成的平面，sp2杂化轨道用于形成C-C和C-H未杂化p轨道形成π键 【教师提问6】类比分析，什么是sp杂化 【学生回答】 【教师补充】由1个s轨道和1个p轨道混杂并重新组合成2个能量与形状完全相同的轨道，称之为 sp杂化轨道 【小结归纳】常见杂化轨道类型 类型 sp sp² sp³ 参与杂化的轨道 1个s 1个p 1个s 2个p 1个s 3个p 杂化轨道数目 2 3 4 夹角 180° 120° 109°28′ 空间结构 直线形 平面三角形 正四面体形 举例 CO₂ C₂H₂ BF₃ C₂H₄ CH₄ CCl₄ 【设计意图】以C原子杂化为例，通过轨道图示将原子轨道行为具象化，从微观层面理解轨道杂化的方式、特点与意义，深入理解sp3、sp2、sp三种杂化形式，为后续关联分子结构提供知识基础 【对应训练1】下列有关杂化轨道的说法不正确的是 A．原子中能量相近的某些轨道，在成键时能重新组合成能量相等的新轨道 B．轨道数目杂化前后可以相等，也可以不等 C．杂化轨道成键时，要满足原子轨道最大重叠原理、最小排斥原理 D．杂化轨道只能形成σ键，不能形成π键 【答案】B 【详解】A．原子中能量相近的某些轨道，在成键时重新组合成能量相等的新轨道的过程称为杂化，所形成的新轨道称杂化轨道，故A正确； B．轨道数目杂化前后一定相等，故B错误； C．杂化改变了原子轨道的形状和方向，杂化轨道的形状更利于原子轨道间最大程度地重叠，杂化轨道力图在空间取最大夹角分布，使相互间的排斥最小，杂化轨道形成的键更稳定，故C正确； D．杂化轨道只能形成σ键，π键是未参与杂化的p轨道形成的，故D正确。 综上所述，答案为B。 【对应训练2】．关于原子轨道杂化的说法正确的是 A．CH4分子的键角与其分子中杂化轨道间的夹角相同 B．CH4分子中的sp3杂化轨道是由碳原子中的1s轨道和2p轨道重新混杂，形成的一组能量相同的新轨道 C．CH4分子中的碳原子通过sp3杂化改变了原子轨道的形状、方向和数目，使原子的成键能力增强 D．杂化轨道可用于形成σ键、π键和容纳孤电子对 【答案】A 【详解】A．CH4中心原子价层电子对数为，由于没有孤对电子，因此CH4分子的键角与其分子中杂化轨道间的夹角相同，故A正确； B．CH4分子中的sp3杂化轨道是由碳原子中能量相近的轨道即2s轨道和2p轨道重新混杂，形成的一组能量相同的新轨道，故B错误； C．杂化后原子轨道的数目没有改变，故C错误； D．杂化轨道可用于形成σ键，容纳孤电子对，但不能形成π键，故D错误。 综上所述，答案为A。 【对应训练3】下列有关杂化轨道的叙述错误的是 （    ） A．并不是所有的原子轨道都参与杂化 B．同一个原子中能量相近的原子轨道参与杂化 C．杂化轨道能量集中，有利于牢固成键 D．杂化轨道中一定有电子 【答案】D 【分析】根据题中杂化轨道可知，本题考查原子的杂化类型，根据VSEPR理论分析。 【详解】A.根据杂化轨道理论的概念可知：并不是所有的原子轨道都参与杂化，故A正确； B.根据概念可知：同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化，故B正确； C.杂化轨道能量集中，有利于牢固成键，故 C正确； D.杂化轨道并不是都用来成键，也可以容纳孤对电子，故D错误； 答案选D。 【对应训练4】根据价层电子对互斥理论及杂化轨道理论判断NF3分子的空间构型和中心原子的杂化方式分别为 A．直线形　sp杂化 B．三角形　sp2杂化 C．三角锥形　sp2杂化 D．三角锥形　sp3杂化 【答案】D 【详解】在分子中，中心N原子的价层电子对数为4，根据杂化轨道理论可推知中心N原子的杂化方式为杂化，且有1个孤电子对，空间结构为三角锥形。故选：D。 教学任务二 杂化轨道类型与分子空间结构的关系 【教师提问1】杂化轨道类型与分子的空间结构有什么关系？ 【学生回答】 若不含孤电子对，杂化轨道全部用于形成σ键，分子空间结构与杂化轨道的空间结构相同；若含有孤电子对，孤电子对对成键电子对有排斥作用，分子空间结构与杂化轨道的形状有所不同 【教师归纳】 代表物 价层电子对数 分子结构 键角 杂化轨道数目 杂化轨道类型 BeCl₂ 2 直线形 180° 2 SD BF₃ 3 平面三角形 120° 3 sp² CH₄ 4 正四面体形 109°28' 4 sp³ ABn型分子 中心原子 杂化类型 中心原子孤 电子对数 空间结构 实例 AB₂ sp² 1 V形 SO₂ AB₃ sp³ 1 三角锥形 NH₃、PCl₃、 NF₃、H₃O+ AB₂或(B₂A) 2 V形 H₂S、NH₂- 【教师提问2】如何判断中心原子杂化轨道 【学生回答】价层电子对数法：价层电子对数 = 孤电子对数+ σ键 = 中心原子杂化轨道数 【教师归纳】 杂化轨道数目 2 3 4 杂化类型 sp sp² sp³ 【设计意图】理解成键电子对、孤电子对之间、轨道杂化方式对分子构型的影响，关联杂化轨道理论与VSEPR理论，深化对分子空间结构的认识 【对应训练1】下列分子的立体构型属于平面三角形，且中心原子属于杂化轨道类型的是 A． B． C． D． 【答案】D 【详解】A． 的中心原子C原子的σ键电子对数为2，孤电子对数为，价层电子对数为2，则中心原子C为sp杂化，为直线形，故A不符合； B． 的中心原子S原子的σ键电子对数为2，孤电子对数为，价层电子对数为3，则中心原子S为sp2杂化，为V形，故B不符合； C． 的中心原子N原子的σ键电子对数为3，孤电子对数为，价层电子对数为4，则中心原子N为sp3杂化，为三角锥形，故C不符合； D．的中心原子B原子的σ键电子对数为3，孤电子对数为，价层电子对数为3，则中心原子B为sp2杂化，为平面三角形，故D符合； 故选D。 【对应训练2】下列分子中，中心原子采取sp3杂化并形成正四面体空间结构的是 ①CH4　②NH3　③CF4　④SiH4　⑤C2H4　⑥CO2　⑦CH2Cl2 A．①②③⑥ B．①③④ C．②④⑤⑦ D．①③⑤ 【答案】B 【详解】CH4中心原子C形成了4个σ键，没有孤对电子，价层电子对数为4，中心原子采取sp3杂化，空间结构为正四面体，①符合题意； NH3中心原子N形成了3个N-H σ键，且有一对孤对电子，②不符合题意； CF4中心原子C形成了4个C-F σ键，没有孤对电子，价层电子对数为4，中心原子采取sp3杂化，空间结构为正四面体，③符合题意； C和Si属于同一主族的元素，最外层电子数相同，SiH4和CH4一样中心原子采取sp3杂化，空间结构为正四面体，④符合题意； C2H4的结构简式为CH2=CH2，每个C原子只形成了3个σ键，⑤不符合题意；CO2的结构式为O=C=O，中心原子C只形成了2个σ键，⑥不符合题意； CH2Cl2中心原子C形成了2个C-H和2个C- Cl 共4个σ键，没有孤对电子，价层电子对数为4，中心原子采取sp3杂化，但空间结构不是正四面体，⑦不符合题意； 故选B。 【对应训练3】下列分子或离子的空间结构模型正确的是 A．： B．： C．： D．： 【答案】D 【详解】A．中心原子价电子对数为，无孤电子对，空间结构为平面三角形，A错误； B．中心原子价电子对数为，有1对孤电子对，空间结构为V形，B错误； C．．中心原子价电子对数为，有1对孤电子对，空间结构为三角锥形，C错误； D．的中心原子S原子的价层电子对数为，为sp3杂化，空间构型为正四面体形，D正确； 故选D。 【对应训练4】价层电子对互斥理论可以预测某些微粒的空间结构。下列说法正确的是 A．和的空间构型均为直线型 B．和的价层电子对互斥模型均为四面体 C．和均为非极性分子 D．与的键角相等 【答案】B 【详解】A．价层电子对数，无孤电子对，分子为直线形，价层电子对数，有1对孤电子对，分子为V形，A错误； B．的价层电子对数为，的价层电子对数为，价层电子对互斥模型均为四面体形，B正确； C．的价层电子对数为，无孤电子对，为平面三角形，是非极性分子；的价层电子对数为，有1对孤电子对，为三角锥形，是极性分子，C错误； D．的价层电子对数为，的价层电子对数为，键角不同，D错误； 故选B。 价层电子对互斥模型 杂化轨道理论 1. 核心概念 杂化：原子轨道混合重组，、、 轨道数守恒，能量均等 2. 原理规律 VSEPR模型 → 杂化类型 → 空间构型 键用杂化轨道，键用未杂化p轨道 3. 分类关系 ：四面体， ：平面三角，，余p成键 ：直线，，两p成键 4. 应用特例 、、：均，孤电子对影响构型 1．下列常见微粒的中心原子的杂化轨道类型是sp3的是 A． B．CH4 C．SO2 D．CO2 【答案】B 【详解】A．中心原子价层电子对数为3，即为sp2杂化，A不符合题意； B．CH4中心原子价层电子对数为4，即为sp3杂化，B符合题意； C．SO2中心原子价层电子对数为3，即为sp2杂化，C不符合题意； D．CO2中心原子价层电子对数为2，即为sp杂化，D不符合题意； 故选B。 2．下列分子中的中心原子杂化轨道的类型相同的是 A．CO2与SO2 B．C2H4与C2H2 C．BeCl2与BF3 D．H2O与H3O+ 【答案】D 【详解】A．CO2为sp杂化，SO2为sp2杂化，A项不符合题意； B．C2H4为sp2杂化，C2H2为sp杂化，B项不符合题意； C．BeCl2为sp杂化，BF3为sp2杂化，C项不符合题意； D．H2O与H3O+为sp3杂化，D项符合题意； 故选D。 3．都是重要的有机反应中间体，有关说法正确的是 A．CH中的所有原子共平面 B．CH空间结构为正四面体形 C．碳原子均采取sp3杂化 D．CH与CH形成的化合物中含有离子键 【答案】A 【详解】A．CH中碳原子的价层电子对数为3、孤对电子对数为0，离子的空间结构为平面三角形，所以离子中的所有原子共平面，故A正确； B．CH中碳原子的价层电子对数为4、孤对电子对数为1，离子的空间结构为三角锥形，故B错误； C．CH中碳原子的价层电子对数为3，碳原子的杂化方式取sp2杂化，故C错误； D．CH与CH形成的化合物为只含有共价键的共价化合物乙烷，故D错误； 故选A。 4．下列关于杂化轨道的说法错误的是 A．并不是所有的原子轨道都参与杂化 B．同一原子中能量相近的原子轨道参与杂化 C．杂化轨道能量集中，有利于牢固成键 D．杂化轨道都用来成键 【答案】D 【详解】A．参与杂化的原子轨道，其能量不能相差太大，如1s与2s、2p的能量相差太大，不能形成杂化轨道，即只有能量相近的原子轨道才能参与杂化，故A正确； B．参与杂化的原子轨道，只有能量相近的原子轨道才能参与杂化，故B正确； C．杂化轨道的电子云一头大一头小，成键时利用大的一头，可使电子云的重叠程度更大，形成牢固的化学键，故C正确； D．并不是所有的杂化轨道中都成键，也可以容纳孤电子对(如NH3、H2O的形成)，故D错误； 故选：D。 本节课基于教材中杂化轨道理论的内容，系统讲解了sp³、sp²、sp杂化类型及其与分子空间结构的关系，结合VSEPR模型引导学生理解中心原子杂化类型的判断依据。教学设计紧扣高中化学课程标准，注重理论建构与微观想象的结合，成功通过图示和模型类比帮助学生建立杂化轨道的空间概念，提升了对甲烷、水、氨等典型分子构型的理解。不足之处在于对未参与杂化的p轨道在π键形成中的作用拓展不足，部分学生对杂化前后轨道能量变化的理解仍较模糊，建议后续加强动态图示辅助与进阶练习设计，以深化抽象理论的认知。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $