Номер 78, страница 20 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

1.78. Что такое гибридизация атомных орбиталей? Какие гибридные состояния может принимать атом углерода в органических молекулах? Приведите примеры молекул с каждым типом гибридизации.

Решение

Что такое гибридизация атомных орбиталей?

Гибридизация атомных орбиталей — это теоретическая модель в химии, которая описывает смешение атомных орбиталей одного атома, близких по энергии, с образованием нового набора гибридных орбиталей, которые эквивалентны по форме и энергии. Эта концепция была предложена для объяснения реальной геометрии молекул и валентных углов, которые не всегда соответствуют предсказаниям, основанным на «чистых» s-, p- и d-орбиталях.

Основные положения теории гибридизации:

• Гибридизуются (смешиваются) орбитали одного атома.
• Количество гибридных орбиталей равно количеству исходных атомных орбиталей, участвующих в гибридизации.
• Гибридные орбитали одинаковы по форме и энергии, но отличаются от исходных атомных орбиталей.
• Гибридные орбитали ориентируются в пространстве таким образом, чтобы минимизировать отталкивание между ними, что и определяет геометрию молекулы (валентные углы).
• Гибридные орбитали образуют более прочные $\sigma$-связи по сравнению с негибридными атомными орбиталями (кроме s-орбитали), так как они обеспечивают более эффективное перекрывание.

Например, для атома углерода, который в основном состоянии имеет электронную конфигурацию $1s^22s^22p^2$, предсказывается двухвалентность. Однако в большинстве соединений углерод четырехвалентен. Это объясняется переходом одного электрона с $2s$-подуровня на свободную $2p$-орбиталь (возбужденное состояние $1s^22s^12p^3$), после чего четыре орбитали (одна $2s$ и три $2p$) могут гибридизоваться.

Ответ: Гибридизация атомных орбиталей — это процесс смешения различных по типу, но близких по энергии атомных орбиталей одного атома, в результате которого образуются новые, одинаковые по форме и энергии гибридные орбитали, позволяющие объяснить геометрию молекул и природу химических связей.

Какие гибридные состояния может принимать атом углерода в органических молекулах?

Атом углерода в органических соединениях может находиться в трех основных гибридных состояниях: $sp^3$, $sp^2$ и $sp$.

1. $sp^3$-гибридизация. Возникает при смешении одной $s$-орбитали и трех $p$-орбиталей. Образуются четыре равноценные $sp^3$-гибридные орбитали. Эти орбитали направлены к вершинам тетраэдра, и угол между ними составляет $109,5^\circ$. Такое состояние характерно для атомов углерода, образующих четыре одинарные ($\sigma$) связи.
2. $sp^2$-гибридизация. Возникает при смешении одной $s$-орбитали и двух $p$-орбиталей. Образуются три равноценные $sp^2$-гибридные орбитали, которые лежат в одной плоскости под углом $120^\circ$ друг к другу. Одна $p$-орбиталь остается негибридизованной и располагается перпендикулярно плоскости гибридных орбиталей. Это состояние характерно для атомов углерода, образующих одну двойную связь (состоящую из одной $\sigma$- и одной $\pi$-связи) и две одинарные связи.
3. $sp$-гибридизация. Возникает при смешении одной $s$-орбитали и одной $p$-орбитали. Образуются две равноценные $sp$-гибридные орбитали, расположенные на одной прямой под углом $180^\circ$ друг к другу. Две $p$-орбитали остаются негибридизованными и располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Такое состояние характерно для атомов углерода, образующих одну тройную связь (одна $\sigma$- и две $\pi$-связи) и одну одинарную, либо две двойные связи.

Ответ: В органических молекулах атом углерода может принимать три гибридных состояния: $sp^3$, $sp^2$ и $sp$.

Приведите примеры молекул с каждым типом гибридизации.

• $sp^3$-гибридизация: Это состояние углерода в алканах.
  • Метан ($CH_4$): центральный атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации, образуя четыре одинарные связи с атомами водорода. Молекула имеет форму тетраэдра.
  • Этан ($C_2H_6$): оба атома углерода находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации.
• $sp^2$-гибридизация: Это состояние углерода в алкенах и аренах.
  • Этен (этилен, $C_2H_4$): оба атома углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Они образуют двойную связь $C=C$ и по две одинарные связи $C-H$. Молекула плоская.
  • Бензол ($C_6H_6$): все шесть атомов углерода в цикле находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации.
• $sp$-гибридизация: Это состояние углерода в алкинах.
  • Этин (ацетилен, $C_2H_2$): оба атома углерода находятся в состоянии $sp$-гибридизации. Они образуют тройную связь $C \equiv C$ и по одной одинарной связи $C-H$. Молекула линейная.
  • Пропадиен (аллен, $CH_2=C=CH_2$): центральный атом углерода, образующий две двойные связи, находится в состоянии $sp$-гибридизации, а крайние атомы углерода — в $sp^2$-гибридизации.

Ответ: Примеры молекул: для $sp^3$-гибридизации — метан ($CH_4$), этан ($C_2H_6$); для $sp^2$-гибридизации — этен ($C_2H_4$), бензол ($C_6H_6$); для $sp$-гибридизации — этин ($C_2H_2$).