师：同学们，下面我们学习高二人教版化学选择性必修二第二章第二节分子的空间结构第四课时。本节课的学习目标如下：一是了解共价键理论的发展史，认识到随着科学进步，新理论可能不断涌现，养成实事求是的科学态度和敢于创新的科学精神；二是能熟练运用价层电子对互斥模型（VSEPR）预测简单分子或离子的空间结构，发展模型认知能力；三是学会运用杂化轨道理论分析与解释分子或离子的空间结构，发展证据推理与模型认知能力，提升对科学本质的认识。
首先，我们来看共价键理论的发展史。
经典共价键理论，又称为路易斯理论。1916 年，美国化学家路易斯提出，分子中的原子之间可以通过共用电子对，使分子中的每个原子具有稳定的稀有气体原子的电子构型。比如氨气分子中，氮原子通过形成三对共用电子对达到 8 电子稳定的稀有气体原子的电子构型，氢原子通过形成一对共用电子对达到两电子稳定的稀有气体原子的电子构型。经典共价键理论初步解释了简单非金属原子间形成共价分子或离子的过程，明确区分了共价键与离子键，但它没有揭示共价键的本质和特征。而且，有些分子中的每个原子并不一定都具有稳定的稀有气体原子的电子构型，像三氟化硼、五氯化磷、六氟化硫等。
接着是现代价键理论，又称价键理论。1930 年，美国化学家鲍林建立了该理论，阐明了共价键的本质，解释了共价分子的许多性质。其一，共价键的形成：如果 a、b 两个原子各有一个未成对电子，两个单电子则可以自旋相反的方式相互配对，形成稳定的共价键。其二，共价键的饱和性与方向性：共价键的饱和性指每个原子成键的总数或与其以单键相连的原子的数目是一定的；共价键的方向性指原子轨道之间只有沿着一定的方向进行最大程度的重叠以形成共价键，才能保证成键原子轨道对称性的一致。其三，共价键的类型主要分为 Sigma 键和 π 键。Sigma 键是原子轨道沿键轴方向按头碰头的方式发生重叠，π 键是原子轨道按肩并肩的方式发生重叠。
然后是杂化轨道理论。1931 年，为了解释多原子分子或离子的空间结构，鲍林在价键理论的基础上提出了该理论。以甲烷为例，在甲烷分子中，中心碳原子在形成化学键时，价电子层的 4 条原子轨道并不维持原来的状态，而是发生激发杂化，得到 4 条等同的杂化轨道，再与氢原子的 1s 轨道发生重叠成键。杂化轨道理论是为了解释分子的空间结构提出的。利用杂化轨道理论讨论问题是在已知分子几何构型尤其是键角的基础上进行的，因此获得分子的空间结构是确定中心原子杂化类型的关键。
最后是价层电子对互斥模型，简称 VSEPR。1940 年，西奇维克和鲍威尔在总结实验事实基础上，提出了一种在概念上比较简单又能准确地判断分子几何构型及杂化方式的理论模型。后经吉尼丝皮和尼霍姆在 20 世纪 50 年代加以发展，现在称为价层电子对互斥模型。在 AB? 型分子或离子中，A 称为中心原子，B 称为配体，n 为配体的个数。AB? 型分子或离子的几何构型取决于中心原子 A 的价层中电子对的排斥作用。分子的构型总是采取电子对相互排斥作用最小的结构。中心原子 A 上的价层电子对数为 2 时，VSEPR 模型名称为直线型，中心原子的杂化轨道类型为 sp；中心原子 A 上的价层电子对数为 3 时，VSEPR 模型名称为平面三角形，中心原子的杂化轨道类型为 sp2；中心原子 A 上的价层电子对数为 4 时，VSEPR 模型名称为正四面体型或四面体型，中心原子的杂化轨道类型为 sp3。
价键理论、杂化轨道理论、价层电子对互斥模型都比较直观，能够较好地说明共价键的形成和分子的几何构型。但这些理论也有其局限性，例如根据价键理论，电子配对成键，形成共价键的电子只局限在两个相邻原子间的小区域内运动，没有考虑整个分子的情况。又如，对于氧分子，价键理论认为电子配对成键没有成单电子，但实验测定氧分子是顺磁性分子，氧分子中一定有成单电子。为了更广泛地解释共价键分子的形成和性质，价键理论需要不断发展与完善。
至此，我们梳理一下共价键理论的发展史：一是经典共价键理论（路易斯理论），提出分子中的原子之间可以通过共用电子对使分子中的每个原子具有稳定的稀有气体原子的电子构型；二是现代价键理论（价键理论），阐明了共价键的本质，解释了共价分子的许多性质；三是杂化轨道理论，为解释多原子分子或离子的空间结构提出；四是价层电子对互斥模型（VSEPR），提出 AB? 型分子或离子的几何构型取决于中心原子 A 的价层中电子对的排斥作用，分子的构型总是采取电子对相互排斥作用最小的结构。希望同学们能不断学习新知识、新技术、新理论，实事求是，开拓创新，立志为科学事业的发展而奋斗。
接下来，我们通过课堂练习来巩固这节课的学习内容。
第一题，运用价层电子对互斥模型（VSEPR）回答下列问题：
请预测下列分子或离子的空间结构：二氧化碳、二氧化硫、碳酸根、铵根。
请比较碳酸根中氧 - 碳 - 氧键角与亚硫酸根中氧 - 硫 - 氧键角的大小，并说明理由。
课堂练习分析：
运用价层电子对互斥模型（VSEPR）分析：
先看二氧化碳，根据孤电子对数的计算公式：孤电子对数 =（a - x × b）÷ 2，其中 A 为中心原子的价电子数（对于主族元素等于原子的最外层电子数），x 为与中心原子结合的原子数，b 为与中心原子结合的原子最多能接受的电子数。二氧化碳的中心原子为碳，碳的价电子数为 4，则 a = 4；与中心原子碳结合的氧原子的个数为 2，则 x = 2；与中心原子结合的氧最多能接受的电子数为 2，则 b = 2。所以二氧化碳中的中心原子碳上的孤电子对数为（4 - 2 × 2）÷ 2 = 0。二氧化碳中心原子碳上的 Sigma 键电子对数为 2。价层电子对数是指分子中的中心原子与结合原子间的 Sigma 键电子对数和中心原子上的孤电子对数之和。所以，二氧化碳中心原子碳上的价层电子对数为 2 + 0 = 2，VSEPR 模型名称为直线型，分子空间结构名称为直线型。
再看二氧化硫，二氧化硫中的中心原子硫上的孤电子对数为（6 - 2 × 2）÷ 2 = 1，二氧化硫中心原子硫上的 Sigma 键电子对数为 2。所以二氧化硫中心原子硫上的价层电子对数为 2 + 1 = 3，VSEPR 模型名称为平面三角形，分子空间结构名称为 V 型。
碳酸根是阴离子，根据阴离子孤电子对计算公式，a 为中心原子的价电子数加上离子的电荷数的绝对值（x 和 b 的计算方法不变）。碳酸根中中心原子碳上的孤电子对数为（4 + 2 - 3 × 2）÷ 2 = 0，碳原子中的中心原子碳上的 Sigma 键电子对数为 3，所以碳酸根中心原子碳上的价层电子对数为 3 + 0 = 3，VSEPR 模型名称为平面三角形，分子空间结构名称为平面三角形。
铵根离子是阳离子，根据阳离子孤电子对计算公式，a 为中心原子的价电子数减去离子的电荷数（x 和 b 的计算方法不变）。铵根离子中中心原子氮上的孤电子对数为（5 - 1 - 4 × 1）÷ 2 = 0，氮原子中的中心原子氮上的 Sigma 键电子对数为 4，所以铵根离子中心原子氮上的价层电子对数为 4 + 0 = 4，VSEPR 模型名称为正四面体型，分子空间结构名称为正四面体型。