归纳与整理教学设计第一课时

《分子VSEPR模型、杂化方式及其空间结构之间关系的推导》

四川省乐山市马边彝族自治县中学校 胡勇

一、设计理念

高中化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学精神与社会责任”5个维度，它是高中生综合素质在化学学科上的具体体现，反映了社会主义核心价值观下化学学科育人的基本要求，全面展现了学生通过化学课程学习形成的关键能力和必备品格。

本节课内容是关于“物质结构与性质”方面的知识点，所以重点体现的高中化学学科素养中的“宏观辨识与微观探析”，而且注重微观分析几种典型分子的微观结构是怎么样的和为什么是这样的这样一种思路，贯穿“知其然、知其所以然”的学习思路。

本节课知识载体为高中几种典型分子的VSEPR模型、杂化方式及其空间结构。

本节课是归纳总结课，容量较大，但是只有这样才能体现出一种整体思路。

二、教学背景分析

本节课的主要内容是“人教版”高中化学新课程选修三《物质结构与性质》第二章第二节“分子的立体构型”的归纳与总结。本节内容有承前启后的作用，前是将化学键的类型，后是讲分子的性质，本节内容就讲的是VSEPR模型、杂化轨道理论，并例举了几种分子的空间构型。

本节课内容较抽象，学生理解起来有一定难度，较难形成一个整体思路，所以本节课的目的就是细化这三个知识点，并将其用“某种思路”将其串联起来，便于学生理解记忆。

三、教学目标设计

1. 知识与技能

（1）了解多个微粒可构成空间结构的几种可能性。

（2）了解并理解一对、两对、三对、四对电子由于排斥构成空间可能性情况。

（3）分子中电子空间构型与原子空间构型的关系（“视而不见”）。

（4）分子中电子空间构型与原子空间构型的“推导”。

2. 过程与方法

（1）利用日常生活的空间常识去理解多个微粒可构成空间结构的几种可能性，包括不同电子对形成的空间构型。

（2）用“视而不见”的方法去理解分子中电子空间构型与原子空间构型的关系。

（3）用“氢氧化物”“脱水”的方法“推导”分子的VSEPR模型、杂化方式及其空间结构。

3. 情感、态度与价值观

（1）通过讲解培养学生“真理就在生活中”的理念，激发学生对化学科学的兴趣，。

（2）通过过程的推导培养学生习惯于思考的习惯和能力，培养学生的科学探究意识。

四、教学重点和难点

1. 重点 （1）用“视而不见”的方法去理解分子中电子空间构型与原子空间构型的关系。

（2）用“氢氧化物”“脱水”的方法“推导”分子的VSEPR模型、杂化方式及其空间结构。

2.难点

（1）杂化轨道理论的理解。

五、授课提纲及过程

《高中几种典型分子的VSEPR模型、杂化方式及其空间结构之间的关系分析思路》

一、多原子分子可能的立体结构类型

1、双原子分子的立体结构

一般来说，任意有两个原子构成的分子的空间构型只能是直线形，如HF、HCl、NO、CO等。

2、三原子分子的立体结构

由三个原子构成的分子的立体结构只有两种形式：直线形或V形，如CO2、CS2、SO2、H2O、H2S、BeCl3等。

3、四原子分子的立体结构

由四个原子构成的分子，一般说来有一个原子是中心原子，其余三个原子分布在其周围。这样的话就有两种可能的空间结构：平面三角形和三角锥形。平面三角形的有BF3、CH2O、SO3等，三角锥形的有NH3等。

但也有例外，如白磷(P4)的空间结构与甲烷一样都呈正四面体形。

4、五原子分子的立体结构

由五个原子构成的分子，一般说来有一个原子是中心原子，其余四个原子分布在其周围。这样的话

也有两种可能的空间结构：平面四边形和四面体型。平面四边形的有[Cu(NH3)4]、[Cu(H2O)4]等，四面体型有CH4、SiCl4等。

2+2+

为什么各种分子的空间立体结构不一样呢？有什么规律吗？有！“价层电子对互斥理论”和“杂化轨道理论”就是说明这个问题的。

二、价层电子对互斥理论[因为中心原子的价电子的伸展方向不同而成的立体结构] 1、学习价层电子对互斥理论的意义

我们讲空间构型时少不了一个中心原子。这个中心原子的最外层电子的结构往往决定了整个分子的空间构型，所以在讲分子的空间构型之前，我们必须先弄清楚中心原子的最外层电子的分布情况，即中心原子的价电子的空间伸展方向是怎样的。要明白中心原子的价层电子对的分布情况，我们就得从价层电子对互斥理论讲起。

特别注意，价层电子对互斥理论针对的是中心原子的最外层电子的排布情况。 2、8电子稳定结构 8电子(2电子)稳定结构原理：8电子即8个电子，8个电子是四对电子，四对电子在原子核周围互相“排斥”后应该均匀分布，形成正四面体结构。而在立体结构如四面体、立方体、球体等立体结构中，四面体由于其重心最低，因而最稳定。

原子在结合成化合物的时候，中心原子总是力图形成8电子稳定结构，包括以共用的方式形成8电子稳定结构。

3、中心原子的价层电子对和孤电子对

（1）分子中的中心原子上的电子对我们称之为中心原子的“价层电子对”，它包括δ键电子对和中心原子上的孤电子对(不包括π键电子对) （2）确定中心原子的孤电子对的方法

假设都是电子对，但是要除去“与其它原子共用的电子对”后剩下的电子对就是孤电子对。因为共用电子对两端有原子，而孤对电子对只有一端有原子，所以叫孤电子对。

中心原子孤对电子对数的计算方法：中心原子孤对电子对数=[中心原子价电子数—与中心原子结合的那个原子能接受的电子数×与中心原子结合的那个原子的数目]÷2，即当该原子与其它原子成对成对形成共价化学键后剩下的电子数除以2即是孤对电子对数。

计算孤电子对的目的是可以看看我们关于分子的电子式是否写正确了。

4、价层电子对互斥的四种情况

中心原子上的电子对(即价层电子对)相互排斥的结果是各对电子尽可能均匀向四周分散，所以电子对的立体结构有四种，如下图所示。

（1）直线形，价层电子对有1对或2对。

（2）平面三角形，价层电子对有3对。

（3）正四面体形，价层电子对有4对。

三、价层电子对的立体结构与分子的立体结构的关系

简而言之，它们之间的关系就四个字“视而不见”，怎样“视而不见”呢？

我们以中心原子均有4对电子的原子形成的分子（HF、H2O、NH3、CH4）为例进行说明。其基本思路是我们以电子的结构的视角看它们都是“四面体结构”，但是有些电子对连接有原子，由于电子比原子“小且存在”，就像从远处看一个人而这个人的耳朵可以忽略一样，所以我们就略去中心原子上的孤电子对，“视而不见”，这样便得到分子的立体结构。

含孤对电子的中心原子的电子的立体图形我们称之为VSEPR模型，对孤电子对“视而不见”的立体图形就是我们想说的分子的立体图形。

（1）HF分子

在HF分子中，中心原子为F原子，它的最外能层原本有7个电子，由于和一个H原子结合而共用了一对电子（如图一），这样F原子周围就有了8个电子，即4对电子，这四对电子的结构图形为四面体（如图二）。但是这四对电子中只有一对是共用电子对，而其余3对则都成了孤电子对，忽略这3对电子或者对这3对电子“视而不见”，则HF分子的空间结构为直线形（如图三）。

图一 图二 图三

（2）H2O分子

在H2O分子中，中心原子为O原子，它的最外能层原本有6个电子，由于和2个H原子结合而共用了2对电子（如图一），这样F原子周围就有了8个电子，即4对电子，这四对电子的结构图形为四面体（如图二）。但是这四对电子中只有2对是共用电子对，而其余2对则都成了孤电子对，忽略这2对电子或者对这2对电子“视而不见”，则H2O分子的空间结构为V形（如图三）。

图一 图二 图三

（3）NH3分子

在NH3分子中，中心原子为N原子，它的最外能层原本有5个电子，由于和3个H原子结合而共用了3对电子（如图一），这样F原子周围就有了8个电子，即4对电子，这四对电子的结构图形为四面体（如图二）。但是这四对电子中只有3对是共用电子对，而其余1对则都成了孤电子对，忽略这1对电子或者对这1对电子“视而不见”，则NH3分子的空间结构为三角锥型（如图三）。

图一 图二 图三

（4）CH4分子

在CH4分子中，中心原子为C原子，它的最外能层原本有4个电子，由于和4个H原子结合而共用了4对电子（如图一），这样F原子周围就有了8个电子，即4对电子，这四对电子的结构图形为四面体（如图二）。但是这四对电子中全是共用电子对，没有孤电子对，所以CH4分子的空间结构为四面体型（如图三）。

图一 图二 图三

（5）小结

由上可知，HF、H2O、NH3、CH4的中心原子结构相同，都是8电子结构，但它们的分子的立体结构却有很大的差别。注意：电子决定键的伸展方向，从而从根本上决定了分子的空间构型，但真正要看分子空间构型还得注意“视而不见”。

5、疑问

F的最外层有7个电子，但是从它的能级排布（1s2s2p）来看，最外层7个电子分别属于两个能级（2s2p），这两个能级是怎样合在一起的呢？为什么要合在一起呢？

同理，O的最外层有6个电子，但是从它的能级排布（1s2s2p）来看，最外层6个电子分别属于两个能级（2s2p），这两个能级是怎样合在一起的呢？为什么要合在一起呢？

N的最外层有5个电子，但是从它的能级排布（1s2s2p）来看，最外层5个电子分别属于两个能级（2s2p），这两个能级是怎样合在一起的呢？为什么要合在一起呢？

C的最外层有4个电子，但是从它的能级排布（1s2s2p）来看，最外层4个电子分别属于两个能级（2s3p），这两个能级是怎样合在一起的呢？为什么要合在一起呢？

这就涉及到“杂化轨道理论”。

四、杂化轨道理论

1、什么是杂化? （1）hybrid 杂化的英文单词是hybrid。Hybrid在英语词霸中是组合、混合、杂交的意思。 （2）不同学科上的Hybrid Hybrid在数学上称为组合；在生物上称为杂交；在化学上则称为杂化。一个单词有多个汉语意思，但基本意思是一样的。

2、为什么S、P轨道要杂化？

（1）由于能层中存在不同能量的能级，故价层电子在反应时会通过“杂化”，即重新组合而实现能量的一致。

22222232232422425225

（2）杂化是指中心原子“自己的”S、P原子轨道与其它原子“结合前”进行的重排的结果，杂化后的原子轨道形状会发生突变，但能量却是一致的。

（3）本来S、P轨道（或者说是S、P两个能级）的能量是不一样的，但杂化后的各个轨道的能量就是一样的了，这是杂化的目的。一般说来，S能级有一个轨道，P能级有三个轨道，S轨道和P轨道杂化后就有了四个能量一样的轨道。

（4）这是原子自己为了轨道能量的一致而使自己的S、P轨道重新组合，即杂化。

3、怎样杂化

（1）杂化过程

（2）杂化类型

由于S轨道和P轨道杂化后形成的是四个能量一样的轨道，因而这四个轨道由于能量完全一样，故在原子核周围均匀向四周伸展，形成“四面体型”的轨道空间。如果这四个杂化后的轨道全部充满电子，则为四对电子，八个电子的稳定结构；空间结构则为正四面体。这是完全的SP杂化，是典型的杂化结构。

S轨道和P轨道杂化后形成的四个新轨道如果在形成化合物时全部被用上了，则被称为是SP杂化；有时只用其中三个，则为SP杂化；有时用两个，则为SP杂化。

①SP杂化

2133

②SP杂化

2

③SP杂化

3

4、注意：

（1）杂化轨道只用于形成δ键或用来容纳未参与成键的孤电子对。

（2）未参与杂化的p轨道可用于形成π键

（3）杂化轨道的数目=δ键的数目+孤电子对的数目，

（4）中心原子自己的“S轨道和P轨道”进行SP、SP、SP杂化，杂化后得到直线型的SP杂化新轨道、平面三角形的SP杂化新轨道、四面体形的SP杂化新轨道。

（5）SP、SP、SP杂化后的新轨道（即杂化轨道）是具有空间结构的，如直线形、平面三角形、四面体形，杂化轨道的空间结构是由于价层电子对互相排斥的结果，杂化后的轨道里填充电子后就成了分子或离子的含孤对电子的VSEPR模型。

（6）分子或离子的立体结构在其VSEPR模型基础上忽略孤对电子对即可。

（7）δ键、π键是分子间形成化学键时的成键情况；SP、SP、SP杂化是原子在准备与其它原子形成化合物之前将自己的轨道进行重新排列组合的情况，组合的目的是让原子自己能量不一致的轨道变得能量一致。

五、几种典型分子的VSEPR模型、杂化方式及其空间结构分析

1、几种典型分子(HF、H2O、NH3、CH4)的基本的VSEPR模型、杂化方式及空间结构分析

（1）HF分子

在HF分子中，中心原子为F原子，它有1个δ键，3对孤对电子，0个π键，故F原子的杂化方式为SP、其VSEPR模型为四面体型；忽略孤电子对，其空间结构为直线形。

323232323

（2）H2O分子

在H2O分子中，中心原子为O原子，它有2个δ键，2对孤对电子，0个π键，故0原子的杂化方式为SP、其VSEPR模型为四面体型；忽略孤电子对，其空间结构为V形。

3

（3）NH3分子

在NH3分子中，中心原子为N原子，它有3个δ键，1对孤对电子，0个π键，故F原子的杂化方式为SP、其VSEPR模型为四面体型；忽略孤电子对，其空间结构为三角锥型。

3

（4）CH4分子

在CH4分子中，中心原子为C原子，它有4个δ键，0对孤对电子，0个π键，故C原子的杂化方式为SP、其VSEPR模型为四面体型；空间结构为四面体型。

3

2、两种氧化物的VSEPR模型、杂化方式及空间结构

（1）SO3分子

在SO3分子中，中心原子为S原子，其孤对电子数为（6-2×3）÷2=0对，故其分子电子式为、它有3个δ键，0对孤对电子，0个π键，故S原子的杂化方式为SP、其VSEPR模型为平面三角形；空间结构为平面三角形。

（2）SO2分子

在SO2分子中，中心原子为S原子，其孤对电子数为（6-2×2）÷2=1对，故其分子电子式为、

它有2个δ键，1对孤对电子，0个π键，故S原子的杂化方式为SP、其VSEPR模型为平面三角形；空间结构为V形。

3、几个含π键的分子

（1）甲醛

根据甲醛的结构式，在甲醛分子中有两个H原子分别与杂化后的C原子头碰头形成2个δ键，即①②；而O原子有2个单电子与C原子余下的2个单电子形成2个化学键，即③④；又由于C原子与O原子的结合是在一个方向上即一条直线上相向进行的，所以这2个化学键必先是一对电子形成“头碰头”的δ键，然后再是另一对电子“肩并肩”形成的π键。由上分析可以知道，甲醛分子中含3个δ键，0对孤电子对和1个π键，所以其中心原子C原子的杂化方式为SP杂化，VSEPR模型为平面三角形；空间结构也为平面三角形。

222

（2）二氧化碳

根据二氧化碳的结构式，在CO2分子中有两个O原子分别与杂化后的C原子形成化学键，每个氧原子与碳原子的结合都是在一个方向上即一条直线上相向进行的，并且分别形成了2个化学键、如键①②和③④。在键①和②中，必然先是有一对电子如键①的电子形成“头碰头”的δ键，然后再是另一对电子如键②“肩并肩”形成π键。同理可对键③④分析得出同样的结论。由上分析可以知道，整个CO2分子中含2个δ键，0对孤电子对和2个π键，所以其中心原子C原子的杂化方式为SP杂化，SEPR模型为直线形；空间结构也为直线形。类似的还有CS2等。

（3）乙烯

根据乙烯的结构式，在乙烯分子中有两个H原子分别与杂化后的C原子头碰头形成2个δ键，即①②；而C原子中有2个电子与C原子余下的2个单电子形成2个化学键，即③④；又由于C原子与C11原子的结合是在一个方向上即一条直线上相向进行的，所以③④这2个化学键必先是一对电子形成“头碰头”的δ键，然后再是另一对电子“肩并肩”形成的π键。若以C为中心原子而言，则C原子周围有3个δ键，0对孤电子对和1个π键，所以中心原子C原子的杂化方式为SP杂化，SEPR模型为平面三角形；空间结构也为平面三角形。对C原子为中心原子进行同样的分析可知中心原子C原子的杂化方式为SP杂化，SEPR模型为平面三角形；空间结构也为平面三角形。

1122

（4）乙炔

根据乙炔的结构式，在乙炔分子中有1个H原子与杂化后的C原子头碰头形成1个δ键，即①；而C原子中有3个电子与C原子余下的3个单电子形成3个化学键，即②③④；又由于C原子与C原子的结合是在一个方向上即一条直线上相向进行的，所以②③④这3个化学键必先是一对电子形成“头碰头”的δ键，然后再是另2对电子以“肩并肩”的形式形成2个π键。若以C为中心原子而言，则C原子周围有2个δ键，0对孤电子对和2个π键，所以中心原子C原子的杂化方式为SP杂化，SEPR模型为直线型；空间结构也为直线型。对C原子为中心原子进行同样的分析可知中心原子C原子的杂化方式为SP杂化，SEPR模型为直线形；空间结构也为直线形。

1111

4、几个含氧酸根的VSEPR模型及空间结构

（1）SO4

在SO4中，中心原子是S原子，S原子有4个δ键、0个孤对电子、2个π键，所以杂化轨道为4个（4个δ键加0个孤对电子），杂化方式为SP杂化，所以SEPR模型为四面体型；硫酸根的空间结构也为四面体型。

32-2--

（2）SO3

在SO3中，中心原子是S原子，S原子有3个δ键、1个孤对电子、1个π键，所以杂化轨道为4个（3个δ键加1个孤对电子），杂化方式为SP杂化，所以SEPR模型为四面体型；忽略孤对电子，亚硫酸根的空间结构为三角锥型。

32-2-- 2-- （3）CO32-2

在CO3中，中心原子是C原子，C原子有3个δ键、0个孤对电子、一个π键，所以杂化轨道为3个（3个δ键加0个孤对电子），杂化方式为SP杂化，所以SEPR模型为平面三角形；其空间结构也为平面三角形。

（4）NO3-- 在NO3中，中心原子是N原子，N原子有3个δ键、0个孤对电子、2个π键，所以杂化轨道为3个（3个δ键加0个孤对电子），杂化方式为SP杂化，所以SEPR模型为平面三角形；其空间结构也为平面三角形。

2-

注意：就是NO3的真正结构式是（5）NO2

----，注意一下就行了。

在NO2中，中心原子是N原子，N原子有2个δ键、1个孤对电子、1个π键，所以杂化轨道为3个（2个δ键加1个孤对电子），杂化方式为SP杂化，所以SEPR模型为平面三角形；忽略孤对电子，亚硝酸根的空间结构为V型。

2

六、对分子结构的综合分析

基本思路：化学式—电子式—vsepr模型—分子结构—杂化方式

化学式

中心原子孤对电子对数

电子式

VSEPR模型

及名称

VSEPR模型向分子立体结构过渡

分子立体结构

键型

杂化

(1) HF [7—1×1]÷2=3

四面体形

四面体形

四面体形

四面体形

直线形

1个δ键

SP

3(2) H2O [6—1×2]÷2=2

V形

2个δ键

SP

3个δ键

SP

四面体形

四面体形

三角锥形

4个δ键

SP

四面体形

四面体形

333(3) NH3

[5—1×3]÷2=1 (4) CH4

[4—1×4]÷2=0 正四面体形

(5) BF3

[3—1×3]÷2=0

平面三角形

平面三角形

平面三角形

3个δ键

SP

2(6) NH4

+[5—14—1]2=0 ×÷

四面体形

四面体形

正四面体形

4个δ键

SP

3(7) CH2O [4—2×

平面三角形

平面三角形

3个δ键

SP

1个π键

平面三角形

2个δ键

SP 直线形

直线形

直线形

2个π键

3个δ键

SP

平面三角形

平面三角形

平面形

1个π键

221—1×2]÷2=0 (8) CO2

[4—2×2]÷2=0

(9) C2H4

[4—1×2—2×1]÷2=0 (10) C2H2

[4—1×

直线形

直线形

1—3×1]÷2=0 (11) HCN [4—1×1—3×1]÷2=0

直线形

2个δ键

SP 2个π键

直线形

直线形

直线形

2个δ键

SP 2个π键

(12) H3O+ [6—13—1]2=1 ×÷

四面体形

三角锥形

四面体形

3个δ键

SP

3(13) CO32-- [4—2×

平面三角形

平面三角形

3个δ键

SP

1个π键

平面三角形

分子立体结构

键型

杂化

23+2]÷2=0

化学式

中心原子孤对电子对数

电子式

VSEPR模型

及名称

VSEPR模型向分子立体结构过渡

(1)中心原子孤对电子对数=[中心原子价电子数—与中心原子结合的那个原子能接受的电子数×与中心原子结合的那个原子的数目]÷2，即当该原子与其它原子成对成对形成共价化学键后剩下的电子数除以2即是孤对电子对数。(计算孤电子对可以看看电子式是否写正确) (2)原子电子对尽可能向四方伸展，尽量形成四面体型，这是因为价层电子对尽可能排斥的结果，故叫价层电子对互斥理论(VSEPR theory)、 VSEPR模型、VSEPR模型名称

(3)杂化轨道的数目=δ键的数目+孤电子对的数目，因为在各种杂化形式中有未参与杂化的P轨道可用于形成π键，而杂化轨道只用于形成δ键或者用来容纳未参与成键的孤电子对。