杂化轨道理论教学“四步曲”

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  杂化轨道理论是1931年美国理论化学家鲍林在原有的价键理论基础上提出的,随着理论研究的深入,杂化轨道理论也得到了相当程度的丰富和发展,尤其是对分子结构的成功解释更显示了这一理论的神奇魅力,吸引着很多理论化学家沿着这个方向不断地探索。新课标教材人教版选修3中引入了这一理论,学生对这一理论相对较陌生,所以如何帮助学生理解这一理论成为教学的难点。为了突破这一难点,我们尝试着用分成四步进行教学。既知识铺垫。设疑激思,启迪讨论,概括总结,经实验效果良好。
  
  一、知识铺垫
  
  杂化轨道理论有一定的直观可想象性,但想象必须建立在牢固掌握某些价键理论的基础上,所以在讲解之前先要帮助学生解决好基态、激发态、构造原理、不同原子轨道的电子云形状和空间伸展方向、共价键的形成过程、电子云的重叠方式、价层电子对互斥模型等基本知识,只有很好地理解和掌握了这些概念和理论才能使学生的思路畅通,才能进行有效地想象和推理。
  
  二、设疑激思
  
  “疑问是最好的老师”。有了疑问,学生就会产生追究的动力,问题也就容易解决了。所以在这一环节可进行几个递进式的提问:
  (1)氧原子、氢原子为何能与其他原子形成共价键?
  (2)为何氧原子能成2个共价键而氢原子只能成1个?
  学生自然按照电子配对理论进行解释。再追问:
  (3)按电排布规则Be、B、C各能成几个共价键?
  当学生给出0、1、2的答案时,告诉学生:BeCl2、BCl3、CCl4都是稳定的共价化合物,也就是说。三种中心原子分别成了2、3、4个键。为什么与推断不符呢?这一问题是对原有思维的批判和否定,所以在学生的思想中产生了强烈的碰撞,在这一刻,智慧的大门也悄悄地打开了。从学生的表情中可以看出,他们已经陷入了深深的思考当中。
  
  三、启迪讨论
  
  为了帮助学生更好地解决这一矛盾,我们主要采用了启发讨论为主的教学方法,步步为营,层层推理。首先明确三种原子的单电子应有尽有该有2、3、4个,那原来成对的电子为何能拆开呢?这时引导学生联系原子激发态电子排布特征,这样单电子的问题就迎刃而解了。接着提出第二个问题:若按s、p电子云的空间伸展方向,BeCl2的两个键应一个是s—p⑩键,为任意方向,一个为p_p⑩键。同理。BCl3的三个键中一个是s—p⑩键,为任意方向,二个为p—p⑩键,相互垂直。CCl4的四个键中一个是s—p⑩键,为任意方向,三个为p—p⑩键,为相互垂直。而实际据价层电子对互斥模型可知BeCl2分子是直线形的,BCl3分子是平面正三角形的,CCl4是正四面体形的。每个中心原子成的键平均分布在原子的周围,没有任何区别,这义是为什么呢?不同能级的轨道应是有区别的,这种区别是如何被消除的呢?这时再引入杂化轨道理论,配合电脑动画直观地展示原子轨道杂化过程中轨道的方向和形状的变化,和相应的图表,增强学生的感性认识,同时也能使学生较容易地理解杂化轨道不可能相互垂直这一现象。为什么原子的其他轨道没有参与杂化呢?通过对比总结出只有能量相近的轨道才能发生杂化。至此理论讲清了,再辅以相应的练习以加深理解。
  
  四、概括总结
  
  为了使学生对杂化轨道理论有一个整体、清楚的认识。在讲清理论的基础上再做进一步的总结:
   1、多原子在形成分子时中心原子价层能量相近的轨道发生杂化,杂化出与原轨道数相等的杂化轨道,这些杂化轨道能量相同。
  
  2、杂化轨道的形状相同,轨道的电子云平均向原子的四周伸展。所以只能形成键,不可能形成键。
  
  3、原来的价层电子在杂化轨道上重新排布,排布时仍遵守已学的电子排布规则。
  
  4、现有的杂化轨道理论主要用于解释多原子分子的空间构形,不能用来预测分子的空间构形,所以,这一理论要配合价层电子对互斥模型来应用,否则无意义。
  本节内容的整个教学过程,始终在一种推理、探索的气氛中进行。在教师的启发下,以问题不断地调动学生的思维。使学生的知识在原有的基础上得到了丰富和发展,使学生的思维得到了煅炼,同时也培养了学生严谨科学的态度,和勇于探索的精神。这些,无论对老师还是对学生都是一种莫大的鼓励。
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