2.2.2 价层电子对互斥理论 教案 -2026-2027学年高二上学期化学人教版选择性必修2

分子的空间结构（第二课时）教案 ——价层电子对互斥理论 课　题 分子的空间结构（第二课时）——价层电子对互斥理论 单元主题 基于新型高能全氮盐结构探究的大单元教学 教材版本 人教版《物质结构与性质》（选择性必修2）第二章 第2节 课型与课时 新授课　1课时（45分钟） 授课对象 高二年级（选考化学） 教学准备 多媒体课件、NoBook 虚拟实验室、气球模型、磁力棒、球棍模型、导学案   一、教材分析 本节在第二章第2节的位置比较关键。学生在必修阶段就已经知道“甲烷是正四面体形”“水分子中两个 O—H 键的夹角约 105°”，但大多只是记住结论，并不清楚这些结论从哪里来；第一课时学完杂化轨道理论，他们能解释已知分子的空间结构，可一旦碰到没见过的粒子，还是没有下手的办法。价层电子对互斥理论（VSEPR）补的正是这一环——只要算出中心原子的价层电子对数，就能把分子或离子的空间构型推出来。它是本节的核心模型，也是后面判断分子性质、分析配位化合物结构的基础。 教材按“事实—模型—应用”的顺序编排，本设计沿用这条线，只把情境换成一瓶真实存在的“盐”：2017年南京理工大学胡炳成教授团队合成的世界首个全氮阴离子盐 (N₅)₆(H₃O)₃(NH₄)₄Cl。有了这个落点，“预测一个从未见过的结构”就不再是空谈。 二、学情分析 知识基础：学生能熟练书写常见分子的电子式，掌握了共价键的成键特点，能说出 sp、sp²、sp³ 杂化对应的空间取向。“孤电子对”这个词他们在电子式里见过，但从没把它和分子的空间构型联系起来。 能力特点：高二选考学生有一定的模型认知和推理能力，但遇到结构未知的粒子时，习惯停留在“套用记过的结论”。计算孤电子对数、特别是像 SO₂ 这种需要“算一笔账”的分子，是大多数学生的卡点。 学习兴趣：学生对“高能材料”“爆炸盐”这类素材很敏感，情境用足，注意力很快就能拉过来。全氮盐这个例子还能顺带让他们感觉到——课本上的模型，是真的能用来解决前沿问题的。 三、教学目标（核心素养导向） 1. 借助气球模型和磁力棒，感受价层电子对因排斥而彼此远离，理解“斥力最小原理”，能说出杂化轨道数 2、3、4 对应的价层电子对空间排布，发展“宏观辨识与微观探析”素养。 2. 通过“确定中心原子—数 σ 键电子对数—算孤电子对数—判断 VSEPR 模型—略去孤电子对得分子构型”这一过程，建立预测分子空间结构的思维模型，理解孤电子对数的计算方法，发展“证据推理与模型认知”素养。 3. 运用模型预测 NH₃、H₂O、BF₃、SO₂、CO₂、BeCl₂ 等分子以及 NH₄⁺、H₃O⁺ 等离子的构型，在“预测—验证—修正”中体会科学探究的过程，并能说出该模型的适用条件和局限，发展“科学探究与创新意识”素养。 四、教学重点与难点 教学重点：价层电子对数的计算方法；VSEPR 模型与分子空间构型的区分。 教学难点：孤电子对数的计算；理解 VSEPR 模型不等于分子的空间构型。 五、教学方法与手段 以情境贯穿、问题驱动为主，配合实物模型探究、小组合作和归纳建模。课中穿插两次动手活动（摆气球、拼球棍模型）和一次虚拟实验演示，把看不见的微观排布尽量“翻译”成学生能看、能摸的东西。 六、教学过程 环节一　情境导入：从一瓶“最危险的盐”说起（约3分钟） 【教师活动】上课先在屏幕上投出全氮盐 (N₅)₆(H₃O)₃(NH₄)₄Cl 的结构图（图1），顺口交代一句背景：这是 2017 年南京理工大学的团队做出来的东西，被称为“最危险”的盐之一，它的阴离子 N₅⁻ 是全新的全氮离子。 接着抛三问：这瓶盐里藏着哪些微粒？其中的 NH₄⁺、H₃O⁺ 长什么样？N₅⁻ 又长什么样？ 然后点出矛盾：上一节课我们用杂化轨道理论解释了甲烷、氨气、水的空间结构，可面对 NH₄⁺、N₅⁻ 这种没见过的粒子，杂化轨道理论还够用吗？有没有一把尺子，只要能算出中心原子的价层电子对数，就能把结构算出来？这节课要来磨的就是这把尺子——价层电子对互斥理论，简称 VSEPR。 图1　全氮盐 (N₅)₆(H₃O)₃(NH₄)₄Cl 的部分结构 【学生活动】观察结构图，回忆杂化轨道理论能解决什么问题，对新粒子的构型产生疑问。 【设计意图】用真实的科研成果开课，避免“空对空”。由“已知”到“未知”的落差制造认知冲突，学生自己就能感觉到学新理论的必要。 环节二　再探甲烷：先弄清“为什么要远离”（约6分钟） 【教师活动】先回到最熟悉的甲烷，连问三句：① CH₄ 中碳原子的杂化方式是什么？（sp³，这个学生张口就来）② 四个 C—H 键完全等同，为什么甲烷是正四面体形，而不摆成正方形？③ 写写甲烷的电子式——说到底就是四对共用电子对，电子对带负电，它们凑在一起会怎么相处？ 学生卡住的时候，放一段静电排斥的实验视频（图2）：泡沫球带上同种电荷后互相弹开，四个球被“撑”成一个稳定的正四面体。看完让学生自己把结论说出来——同种电荷相互排斥，彼此尽可能远离，保持最大夹角，这时斥力最小、体系能量最低。这就是“斥力最小原理”。 图2　静电排斥实验——同种电荷相互排斥 图3　甲烷的电子式与球棍模型 【学生活动】回顾杂化轨道理论，书写甲烷电子式；观看实验，讨论并归纳出斥力最小原理。 【设计意图】把抽象的“电子对互斥”落到可观察的宏观实验上，符合“宏观辨识与微观探析”的素养要求；同时让上一节课留下的“键角 109°28′”有了解释。 环节三　气球摆一摆：2、3、4 对电子对怎么排（约5分钟） 【教师活动】给每组发（或投影展示）用皮筋捆好的气球，两只、三只、四只各一组，另外准备三根磁力棒。先提要求：把气球看成“价层电子对”，动手调一调它们的相对位置，找到彼此最远、互不挤压的那种摆法，再对照图片（图4）把导学案上的表1填完。 巡视时我特别留意几种摆法。有小组把四只气球摆成“正方形”，这时候不直接给答案，只提醒一句：正方形的对角线方向是不是还挤着？逼他们自己发现——必须错开成四面体才最省空间。磁力棒的作用类似，三根棒互成 120° 时彼此推得最开。 小结一句关键话：杂化轨道的作用就是容纳价层电子对，所以杂化轨道数等于价层电子对数。 图4　气球模型：价层电子对数为 2、3、4 时的空间排布 杂化轨道数 2 3 4 价层电子对数 2 3 4 价层电子对的空间构型 直线形 平面三角形 四面体形   表1　杂化轨道数与价层电子对的空间构型 【学生活动】动手摆放气球和磁力棒，小组讨论；填写表1；派代表说明“为什么不摆成正方形”。 【设计意图】气球和磁力棒把不可见的微观排布“放大”成看得见、摸得着的宏观模型。学生自己转出来的结论，比老师讲十分钟的印象深得多。 环节四　氨气“翻车”了：孤电子对登场（约7分钟） 【教师活动】接着抛出任务：预测 NH₃ 的空间构型，并说出氮原子的杂化方式。凭上一节课的经验，班里大半学生会答“sp³ 杂化”，然后顺理成章地说“应该和甲烷一样，正四面体形”。 这时候不急着纠正，让他们动手拼一拼 NH₃ 的球棍模型（图5）。拼完就发现不对了——是三角锥形，不是正四面体形。模型和预测“对不上”，这个反差就是今天最重要的一步。 再让学生补写 NH₃ 的电子式：氮原子上除了三对成键电子对，还稳稳待着一对孤电子对。到这儿学生自己就通了——这对孤电子对也占地方，也排斥那三对成键电子对，把它们往下压，键角从 109°28′ 压到 107°，分子就“塌”成了三角锥形。 顺势在黑板上写下一行： 价层电子对数 ＝ 成键电子对数 ＋ 中心原子上的孤电子对数 成键电子对 孤电子对 图5　氨分子的球棍模型、孤电子对占位示意 【学生活动】先预测、再动手拼模型验证；书写氨气电子式；把模型和预测放在一起比较，找出“多出来的那一对电子”。 【设计意图】故意让学生“先错后改”，借拼模型和写电子式两条证据把孤电子对“逼”出来。这是本课第一个思维台阶，也是难点所在。 环节五　给规律一个名字：VSEPR 模型（约6分钟） 【教师活动】到这一步，“中心原子的价层电子对相互排斥、尽量远离”已经能站住脚了。告诉学生它的来历：1940 年希吉维克和坡维尔在总结大量实验事实的基础上提出这个模型，20 世纪 50 年代经吉列斯比和尼霍尔姆发展，定名为价层电子对互斥模型（VSEPR）。 基本观点就一句话——分子中中心原子的价层电子对（包括成键电子对和孤电子对）相互排斥，在空间取不同取向，并且尽可能彼此远离。 把 2 到 6 对价层电子对的最优排布依次展示（图6），和学生一起把表2补完整。补完提醒一句：这几张是“理想模型”，是把所有价层电子对（含孤电子对）都画上的样子，分子实际长什么样，后面再说。 图6　价层电子对数为 2～6 时的 VSEPR 理想模型 中心原子价层电子对数 2 3 4 5 6 VSEPR 理想模型 直线形 平面三角形 四面体形 三角双锥形 正八面体   表2　价层电子对数与 VSEPR 理想模型 【学生活动】观察图片，归纳 2～6 对电子对的排布规律，完成表2。 【设计意图】由甲烷、氨气这些个别事实上升为一般模型，完成从“具体分子”到“任意粒子”的推广，是本课的建模核心。 环节六　用模型之一：把价层电子对数算出来（约10分钟） 【教师活动】模型立起来了，接下来解决“算”的问题。σ 键电子对数好办，它就是中心原子结合的原子数，数一数就行，先用表3练一遍。 分子 中心原子 共价键 σ键数 σ键电子对数 H₂O O O—H 2 2 CH₂O C C—H、C＝O 3 3 CO₂ C C＝O 2 2 SO₂ S S＝O 2 2   表3　常见分子中 σ 键电子对数的确定 难的是孤电子对数，分两条路走。 第一条路：结构已知的分子，直接看电子式。把 CH₄、NH₃、H₂O 的电子式并排放在一起（图7），让学生数出孤电子对数分别是 0、1、2。 第二条路：结构未知的分子，用公式算。公式不直接给，先带学生把 SO₂ 从头推一遍，把“账”算明白：① 硫原子最外层 6 个电子；② 每个氧原子最外层 6 个电子，要再得到 2 个才稳定；③ 硫和两个氧成键，一共要用去 4 个电子；④ 硫还剩 6−4＝2 个电子没成键，也就是 1 对孤电子对。 学生算完这四步，公式自然就浮出来了： 孤电子对数 ＝ ½ ×（中心原子价电子数 － 其他原子未成对电子数之和） 公式里“6−2×2＝2”说的正是第④步。这一笔账算通了，再遇到 SO₃、BF₃、BeCl₂ 就不会硬套。 当堂练习：分别计算 SO₂、SO₃、BF₃、BeCl₂、NH₃、H₂O 中心原子的孤电子对数（答案依次为 1、0、0、0、1、2），同桌互批。 最后带着学生把“计算价层电子对”梳理成四步：① 明确分子中的中心原子；② 数出成键电子对数（等于中心原子结合的原子数，也就是 σ 键数）；③ 算出中心原子上的孤电子对数；④ 两者相加得价层电子对数。 图7　 H₂O 、NH₃、CH₄的电子式与孤电子对数 【学生活动】完成表3；跟着教师推导 SO₂ 的孤电子对；独立完成 6 个分子的练习并互相订正；跟着教师说出四步法。 【设计意图】孤电子对数的计算是本课难点，用“分账”式的追问把公式还原成推理过程，避免死记硬背。四步法为后面预测陌生的分子、离子提供可操作的程序。 环节七　用模型之二：VSEPR 模型不等于分子构型（约8分钟） 【教师活动】再把 CH₄ 和 NH₃ 请出来。两者的价层电子对数都是 4，VSEPR 模型都是四面体形，可分子的实际构型一个是正四面体形，一个是三角锥形。差在哪儿？差在孤电子对。 一句话把两个概念分开：价层电子对数决定 VSEPR 模型；把孤电子对“略去不看”，剩下的原子骨架才是分子的空间构型。板书这条逻辑链。 接着一起完成表4，逐个分析 CH₄、NH₃、H₂O、BF₃、SO₃、SO₂、CO₂、BeCl₂。填的时候提醒学生盯住两组对照：一是 SO₂ 和 SO₃——中心原子同为硫，只差一个氧，价层电子对数都是 3，但孤电子对数一个是 1 一个是 0，构型就从 V 形变成平面三角形；二是 CO₂ 和 BeCl₂，都是直线形，验证一下。 分子 σ键电子对数 孤电子对数 价层电子对数 VSEPR 理想模型 分子构型 CH₄ 4 0 4 四面体形 正四面体形 NH₃ 3 1 4 四面体形 三角锥形 H₂O 2 2 4 四面体形 V 形 BF₃ 3 0 3 平面三角形 平面三角形 SO₃ 3 0 3 平面三角形 平面三角形 SO₂ 2 1 3 平面三角形 V 形 CO₂ 2 0 2 直线形 直线形 BeCl₂ 2 0 2 直线形 直线形   表4　常见分子的价层电子对数、VSEPR 模型与分子构型 顺带把键角的问题一并解决（图8）： ① 杂化方式不同时，键角由杂化类型决定：sp 为 180°、sp² 为 120°、sp³ 为 109°28′。所以比较 CH₄、BF₃、CO₂ 的键角，顺序是 CO₂ ＞ BF₃ ＞ CH₄。 ② 杂化类型相同时，孤电子对越多，键角越小。CH₄ 中碳原子上没有孤电子对，键角 109°28′；NH₃ 中氮原子上有 1 对，压到 107°；H₂O 中氧原子上有 2 对，进一步压到 104.5°。原因是孤电子对的电子云更“胖”，对成键电子对的排斥力更大，把成键电子对挤得更近。 图8　CH₄、NH₃、H₂O 中孤电子对数目对键角的影响 【学生活动】对比 CH₄ 与 NH₃，找出差异的原因；小组合作完成表4；比较两组键角的大小并说明理由。 【设计意图】这是模型应用的高潮。“VSEPR 模型 ≠ 分子构型”是本课最容易混淆的地方，用 CH₄ 与 NH₃ 的正反对比、SO₂ 与 SO₃ 的细微对照，把两个概念彻底掰开。 环节八　情境回归：回到那瓶全氮盐（约4分钟） 【教师活动】把开课时的全氮盐结构图再投一次，让学生用刚学的模型自己回答三个问题： ① 结构中含有哪些微粒？（NH₄⁺、H₃O⁺、N₅⁻、Cl⁻） ② NH₄⁺、H₃O⁺ 的中心原子杂化方式和空间构型分别是什么？NH₄⁺ 中氮原子有 4 对成键电子对、0 对孤电子对，sp³ 杂化，正四面体形；H₃O⁺ 中氧原子有 3 对成键电子对、1 对孤电子对，sp³ 杂化，三角锥形。 ③ 那 N₅⁻ 的结构呢？这个问题留个尾巴，先不急着答。 顺势总结两句话：一是 VSEPR 模型不仅适用于分子，也适用于离子；二是本课用的孤电子对计算公式只适用于“只有一个中心原子”的粒子，N₅⁻ 这类氮环结构是多中心原子，不能直接往里套。 【学生活动】运用模型预测 NH₄⁺、H₃O⁺ 的构型；讨论 N₅⁻ 为什么不能直接套公式。 【设计意图】首尾呼应，让情境闭环。同时借 N₅⁻ 把模型的适用边界摆出来，自然过渡到下一环节的局限性讨论。 环节九　课堂小结（约2分钟） 【教师活动】带学生把整节课的线索理一遍：杂化轨道理论和 VSEPR 模型是“两条腿走路”——VSEPR 模型负责预测分子的空间结构，杂化轨道理论负责解释它为什么长这样。两者的桥梁是“价层电子对数＝杂化轨道数”，而价层电子对数又等于 σ 键电子对数加孤电子对数。 最后浓缩成一句话让学生记住：算对数 → 定 VSEPR 模型 → 略去孤电子对 → 得分子构型。 【学生活动】跟随教师回顾，补全板书；同桌互说“四步法”。 【设计意图】把零散的知识串成结构化的“模型链”，便于提取和迁移。 环节十　一点提醒与作业（约3分钟） 【教师活动】收尾留一句提醒：VSEPR 模型也有它的脾气，它一般不适合推测过渡金属化合物分子的空间构型。分子结构理论一直在发展，今天我们用一个几十年前提出的模型，成功预测了刚合成不久的全氮盐；将来新的问题，可能就要靠你们去提出新的模型了。 布置作业： 1. 完成课本本节相应的课后习题。 2. 上网查阅资料，了解 N₅⁻ 的结构，试着画出它的结构示意图。 3. 用球棍模型（图9）拼插出 NH₄⁺、H₃O⁺ 的模型，有兴趣的同学再试试 N₅⁻，下次课带来展示。 图9　球棍模型零件（课后拼插用） 【学生活动】记录作业，课后查阅资料并动手拼插模型。 【设计意图】作业分层，既保基础又留探究空间，把课堂上的模型延伸到动手实践，落实核心素养。 七、板书设计 价层电子对互斥理论（VSEPR） 一、原理　　价层电子对相互排斥 → 尽可能远离 → 键角最大、能量最低 二、计算　　价层电子对数 ＝ σ 键电子对数 ＋ 孤电子对数 　　　　　　σ 键电子对数 ＝ 中心原子结合的原子数 　　　　　　孤电子对数 ＝ ½ ×（中心原子价电子数 － 其他原子未成对电子数之和） 三、模型　　2 直线形｜3 平面三角形｜4 四面体形｜5 三角双锥形｜6 正八面体 四、构型　　VSEPR 模型 ——（略去孤电子对）→ 分子的空间构型 五、范围　　适用于分子和离子（单中心）；不适用于过渡金属化合物 八、教学反思 气球和磁力棒这两个小道具的效果超出了预期。捆在一起的气球，学生一上手就“看见”了电子对怎么排，不用我多说，摆四只气球的那个组自己就喊出来“摆不成正方形，太挤了”。这类实物模型比讲十分钟都管用，以后讲微观排布的内容可以多备几套。 氨气那一步“先预测、后翻车”的设计很值。班里大半学生一开始都答“正四面体形”，拼出球棍模型之后自己就发现问题了，这个弯转得比直接告诉他们“氨气是三角锥形”要牢得多。 时间还是紧。原计划孤电子对数的计算留10分钟，实际因为 SO₂ 的推导展开得比较细，超了大约2分钟，最后表4是“抢”着填完的。下次可以把当堂练习里 SO₃、BF₃、BeCl₂ 那几个挪到课前预习单上，课上只处理错误率最高的 NH₃ 和 SO₂。 公式的掌握仍有两处隐患。一是部分学生把“其他原子未成对电子数之和”记成了“其他原子的个数”，SO₂ 算成 ½(6−2)＝2，正好错在“氧要 2 个电子”这一步；二是有学生问“孤电子对为什么更胖”，用杂化轨道理论解释更顺，这节课没时间展开，可以放到习题课上补。 情境的用法还有改进余地。全氮盐这个素材学生兴趣很高，课后真有人去查 N₅⁻。但它目前只在开头和结尾出现，中间的推导过程“断了线”。下次可以试着在讲 SO₂ 的时候顺手借一下盐里的 H₃O⁺，让情境贯穿得更实一点。 学科网（北京）股份有限公司 $