資源簡介

共價鍵
第1課時
教學目標
1. 從原子軌道重疊的視角認識共價鍵的本質，知道共價鍵具有飽和性和方向性，能用模型、圖像、符號等正確表征H2、Cl2、HCl等簡單分子中原子軌道的重疊方式。
2. 知道σ鍵和π鍵的區別和特征，能說明C2H6、C2H4、C2H2等分子的成鍵類型。
教學重難點
1.從原子軌道重疊的視角認識共價鍵的本質。
2.從原子軌道重疊方式的不同理解σ鍵和π鍵的區別和特征。
教學過程
一、新課導入
假如發生了大災難，人類全部的科學知識只能概括為一句話傳諸后世，那么這句話應該是“萬物皆原子構成”。
——1965年諾貝爾獎得主，理查德·費曼
在之前的學習中，我們已經了解了：宏觀物質是由微觀粒子組成的。
【分享交流】
微觀粒子包含哪些種類？
它們分別組成了哪些物質？你能各舉出一些例子么？
這些微粒在形成物質的過程中，形成了怎樣的化學鍵？
我們常說形成共價鍵時“電子成對”，電子是帶負電的，兩個負電的東西為何會主動靠近？這其中的本質是什么？
【思考討論】
寫出H2、Cl2、HCl的電子式，通過電子式分析為何它們是穩定的物質？
你認為是否存在H3、H2Cl、Cl3這樣的物質？說出你判斷的理由。
第IVA族的元素與H能形成CH4、SiH4等；
第VA族的元素與H能形成NH3、PH3等；
第VIA族的元素與H能形成H2O、H2S等；
第VIIA族的元素與H能形成HF、HCl等；
從中你發現了怎樣的規律？用自己的語言總結。
你能從價電子結構的角度解釋原因么？
二、講授新課
一、共價鍵
共價鍵是原子間通過共用電子對所形成的相互作用。
兩原子之間每共用一對電子，彼此的電子數增加1個。因此：
第IVA族元素的原子價電子為4個，要達到8電子結構，需要共用4對電子；
第VA族元素的原子價電子為5個，要達到8電子結構，需要共用3對電子；
第VIA族元素的原子價電子為6個，要達到8電子結構，需要共用2對電子；
第VIIA族元素的原子價電子為7個，要達到8電子結構，需要共用1對電子；
原子通過共用一定數量的電子對即可達到穩定結構，共價鍵的數量也由此確定，不會一直增加下去。我們把共價鍵的這種性質稱為飽和性。
1.從原子軌道視角看共價鍵的本質
我們學過原子軌道，如何用原子軌道的概念來進一步理解共價鍵呢？
用原子軌道描述氫原子形成氫分子的過程如圖2-1所示。
【提問】（1）兩個H原子相互靠近的過程中，微觀上發生了怎么樣的變化呢？
【講解】當兩個氫原子相距很遠時，它們之間的相互作用可以忽略不計，體系的能量等于兩個氫原子的能量之和（選為0做參照）；隨著兩個氫原子逐漸接近，它們的原子軌道會相互重疊，使電子在核間區域出現的概率增大，原子核對兩個電子都產生吸引作用，使體系的能量逐漸下降。
實驗和理論計算均表明，當兩個氫原子的核間距為 74 pm 時體系能量最低，兩個氫原子各提供一個電子以自旋狀態不同的方式相互配對形成氫分子。如果兩個氫原子進一步接近，原子核以及電子之間的排斥作用又將導致體系的能量上升。
小結：由于電子在兩個原子核之間出現的概率增大，使得它們同時受到兩個原子核的吸引從而導致體系能量降低，這就是共價鍵的本質。
【提問】（2）除了s和s軌道，s和p、p和p軌道是否也可以通過軌道重疊形成共價鍵？
【講解】HCl中的共價鍵是由H的1s軌道和Cl的2p軌道形成，形成過程如圖所示：
【提問】（3）除了s和s軌道，s和p、p和p軌道是否也可以通過軌道重疊形成共價鍵？
【講解】Cl2中的共價鍵是由兩個Cl的2p軌道形成，形成過程如圖所示：
2. 共價鍵的類型
依據共價鍵的對稱性，我們將共價鍵分為σ鍵和π鍵。
H2中的共價鍵稱為σ鍵。 σ鍵的特征：軸對稱
以形成化學鍵的兩原子核的連線為軸做旋轉操作，共價鍵的電子云的圖像不變。
依照σ鍵的定義，判斷下面兩種原子軌道重疊形成的共價鍵是否為 σ鍵？
p軌道和p軌道除了能像Cl2中那樣重疊外，還能按照下面的方式重疊：
這種重疊方式得到的電子云形狀與σ鍵有明顯差別：電子云由兩塊組成，它們互為鏡像。
具備這樣鏡面對稱特征的共價鍵稱為π鍵。
思考：π鍵圍繞成鍵的兩原子核的連線旋轉時電子云圖像是否改變？
請利用老師提供給大家的原子軌道模型，自己動手體會：
1.原子軌道重疊過程
2.原子軌道重疊后，所形成共價鍵的對稱性
運用模型回答下列問題：
1.s軌道和s軌道之間可以形成π鍵么？為什么？
2.s軌道和p軌道之間可以形成π鍵么？為什么？
小結：
σ鍵是由兩個原子的軌道“頭碰頭”重疊形成的；這兩個原子軌道可以是2個s軌道，可以是2個p軌道，可以是1個s、一個p軌道。它們都能形成具有軸對稱性的電子云。
π鍵是由兩個原子的軌道“肩并肩”重疊形成的。這兩個原子軌道只能是2個p軌道（不考慮更復雜的d、f軌道）。這種重疊形成具有鏡面對稱性的電子云。
σ鍵和π鍵由于原子軌道靠近重疊的方式不同，使得兩種類型的共價鍵強度不同。
一般來說，“頭碰頭”這種重疊方式使得軌道重疊程度更大，形成對應的共價鍵時體系放出更多的能量，使分子更加穩定。
故一般我們說σ鍵比π鍵牢固，或π鍵比σ鍵容易斷裂。
【提問】（1）兩個原子之間形成共價單鍵時，你認為會形成σ鍵還是π鍵，還是二者都有可能？說明你的理由。
【講解】一般來說，共價單鍵是σ鍵。原因如下：
1.在之前的討論中，依據σ鍵的對稱知，s、p軌道任意的組合都可以形成σ鍵，而π鍵僅可以由2條p軌道形成，即形成σ鍵對軌道類型無要求。
2.形成σ鍵放出的能量要比形成π鍵放出的能量更多，故形成σ鍵時分子的整體能量更低，這是能量最低原理在分子層面的體現。
【提問】（2）兩個原子之間形成共價雙鍵時，你認為會形成1個σ鍵1個π鍵，還是2個π鍵，還是2個σ鍵？說明你的理由。
【講解】一般來說，共價雙鍵是1個σ鍵和1個π鍵。原因如下：
1.原子軌道在空間伸展方向是有確定取向的，如p能級的3條簡并軌道分別分布在x、y、z軸方向上。
2.形成σ鍵時要求軌道“頭碰頭”形成，形成π鍵時要求軌道“肩并肩”形成。
通過對兩原子靠近時軌道重疊情況的分析，我們可以看出，當一組p軌道頭碰頭形成σ鍵，另外一組p軌道只能選擇肩并肩的方式形成π鍵。
雖然兩組p軌道可以同時肩并肩形成2個π鍵，但π鍵的能量效應不如σ鍵，故在滿足能量最低和軌道伸展方向的條件下，共價雙鍵中是1個σ鍵+1個π鍵
【提問】（3）請你仿照思考（1）和（2）的討論方法，從N原子的價電子構型出發，分析N2中共價鍵的成鍵情況，N和N之間是單鍵、雙鍵還是叁鍵？原子軌道的重疊情況是怎樣的？有幾個σ鍵，有幾個π鍵？
【講解】N原子的價電子排布是 2s22p3。根據洪特規則，氮原子中處于 2p 軌道的三個電子實際上分別占據 2px、 2py、 2pz 三個原子軌道，是三個未成對電子。
當形成N2的兩個氮原子相互接近時，一個N原子p 軌道與另一個N原子伸展方向相同軌道重疊形成一個σ鍵，同時它們的另外兩組p軌道也會分別兩兩重疊形成兩個π鍵，因此N2中的N原子之間是以共價三鍵結合的。
圖中紅、藍、綠表示互相垂直的3條p軌道。
綠色表示的兩個p軌道頭碰頭形成σ鍵；
紅色和藍色表示的兩組p軌道分別肩并肩形成π鍵。
圖中添加了π鍵的對稱鏡面幫助理解軌道重疊的情況。
【提問】（4）你能從分子結構的角度談一談為何N2非常穩定么？人工固氮是將氮氣轉化為含氮化合物的過程。從分子結構的角度談一談，在這一過程中，為什么往往需要用高溫、高壓、催化劑這樣劇烈的條件？
【講解】N2分子中是共價叁鍵，兩氮原子相互作用非常強烈，故N2非常穩定。
人工固氮的主要途徑之一讓N2與H2反應生成NH3，在這一反應過程中，N2分子中的共價叁鍵需要全部斷開，故需要很強烈的條件。
【提問】（5）觀察乙烷、乙烯和乙炔的分子結構，他們的分子中的共價鍵分別由幾個σ鍵和幾個π鍵構成？
【講解】乙烷分子中共有7個σ鍵；
乙烯分子中共有5個σ鍵，1個π鍵；
乙炔分子中共有3個σ鍵，2個π鍵。
【提問】（6）鈉和氯通過得失電子同樣是形成電子對，為什么這對電子不被鈉原子和氯原子共用形成共價鍵而形成離子鍵呢？你能從元素電負性的差別來理解么？完成下列表格，與同學交流你的結論。
元素 Na Cl H Cl C O
電負性 0.9 3.0 2.1 3.0 2.5 3.5
電負性之差 （絕對值） 2.1 0.9 1.0
【講解】當元素的電負性相差很大，化學反應形成的電子對不會被共用，形成的是離子鍵；
而共價鍵是元素的電負性相差不大的原子之間形成的化學鍵。
三、課堂小結
1.共價鍵的定義：原子間通過共用電子對所形成的相互作用。
2. 共價鍵的本質：由于電子在兩個原子核之間出現的概率增大，使得它們同時受到兩個原子核的吸引從而導致體系能量降低。
3.共價鍵的類型：
①依據共價鍵的對稱性，我們將共價鍵分為σ鍵和π鍵。σ鍵的電子云具有軸對稱性，π鍵電子云具有鏡面對稱性。
②從軌道重疊的方式來看，σ鍵是頭碰頭，π鍵電子云是肩并肩。一般來說，“頭碰頭”這種重疊方式使得軌道重疊程度更大，形成對應的共價鍵時體系放出更多的能量，使分子更加穩定。故一般我們說σ鍵比π鍵牢固，或π鍵比σ鍵容易斷裂。
③按共用電子對數目，可分為單鍵、雙鍵和三鍵。一般規律是：共價單鍵是σ鍵；而共價雙鍵中有一個σ鍵，另一個是π鍵；共價三鍵由一個σ鍵和兩個π鍵構成。
4.離子鍵與共價鍵的定性判斷：當元素的電負性相差很大，化學反應形成的電子對不會被共用，形成的是離子鍵；而共價鍵是元素的電負性相差不大的原子之間形成的化學鍵。

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