Номер 7, страница 6 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

1.7. Какую валентность проявляет углерод в большинстве органических соединений?

В абсолютном большинстве органических соединений углерод проявляет валентность, равную IV. Это одно из фундаментальных положений теории химического строения органических соединений А. М. Бутлерова.

Для понимания этого факта необходимо рассмотреть электронное строение атома углерода. Углерод (C) — это элемент 2-го периода IVA-группы периодической системы Д. И. Менделеева с порядковым номером 6. Электронная конфигурация его атома в основном (невозбужденном) состоянии: $1s^22s^22p^2$. На внешнем, втором энергетическом уровне находятся 4 валентных электрона. Графически это можно представить так: на $2s$-подуровне — спаренные электроны, а на $2p$-подуровне — два неспаренных электрона.

В основном состоянии атом углерода имеет только два неспаренных электрона и, следовательно, мог бы образовать только две ковалентные связи, то есть быть двухвалентным. Однако при образовании химических связей атом углерода переходит в возбужденное состояние за счет поглощения небольшого количества энергии. При этом один электрон с $2s$-орбитали "перескакивает" на вакантную $2p$-орбиталь. Электронная конфигурация возбужденного атома углерода становится $1s^22s^12p^3$.

В результате в возбужденном состоянии атом углерода имеет четыре неспаренных электрона (один на $s$-орбитали и три на $p$-орбиталях). Эти четыре электрона позволяют атому углерода образовывать четыре ковалентные связи с другими атомами. Таким образом, валентность углерода в соединениях становится равной IV.

Для образования равноценных по форме и энергии связей (например, в молекуле метана $CH_4$) происходит процесс гибридизации атомных орбиталей. Четыре валентные орбитали (одна $s$- и три $p$-) смешиваются, образуя четыре одинаковые гибридные $sp^3$-орбитали, направленные к вершинам тетраэдра. Это объясняет, почему углерод в соединениях с одинарными связями (алканах) образует четыре равноценные связи.

В соединениях с кратными (двойными или тройными) связями валентность углерода также равна IV:

• В молекуле этилена ($C_2H_4$), где есть двойная связь $C=C$, каждый атом углерода образует две одинарные связи с атомами водорода и одну двойную связь с другим атомом углерода. Суммарно каждый атом углерода образует четыре связи.
• В молекуле ацетилена ($C_2H_2$), где есть тройная связь $C \equiv C$, каждый атом углерода образует одну одинарную связь с атомом водорода и одну тройную связь с другим атомом углерода. Суммарно каждый атом углерода также образует четыре связи.

Исключения, где углерод может проявлять валентность II (например, в угарном газе $CO$ или в нестабильных частицах — карбенах), крайне редки для стабильных органических молекул и не являются типичными.

Ответ: В большинстве органических соединений углерод проявляет валентность IV (четыре).