Номер 79, страница 20 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

1.79. Для каждого из типов гибридизации приведите по два примера молекул, в которых все атомы углерода имеют данный тип гибридизации.

Решение:

Гибридизация атомных орбиталей — это концепция смешения атомных орбиталей разного типа (например, s и p) для образования новых, гибридных орбиталей, одинаковых по форме и энергии. Для атома углерода характерны три основных типа гибридизации: $sp^3$, $sp^2$ и $sp$. Необходимо привести по два примера молекул для каждого типа, в которых все атомы углерода имеют одинаковую гибридизацию.

$sp^3$-гибридизация

Этот тип гибридизации возникает, когда атом углерода образует четыре простые (сигма, $\sigma$) связи. Одна s-орбиталь и три p-орбитали смешиваются, образуя четыре равноценные $sp^3$-гибридные орбитали. Эти орбитали направлены к вершинам тетраэдра, и валентный угол между ними составляет примерно $109.5^\circ$.

Пример 1: Этан ($C_2H_6$). В молекуле этана два атома углерода соединены одинарной связью. Каждый атом углерода также связан с тремя атомами водорода. Таким образом, каждый атом углерода образует четыре одинарные связи, что соответствует $sp^3$-гибридизации.

Пример 2: Циклогексан ($C_6H_{12}$). В этой циклической молекуле шесть атомов углерода образуют кольцо. Каждый атом углерода в кольце соединен одинарными связями с двумя соседними атомами углерода и двумя атомами водорода. Следовательно, все шесть атомов углерода являются $sp^3$-гибридизованными.

Ответ: Этан ($C_2H_6$), циклогексан ($C_6H_{12}$).

$sp^2$-гибридизация

Этот тип гибридизации характерен для атомов углерода, образующих одну двойную и две простые связи. При этом одна s-орбиталь и две p-орбитали смешиваются, образуя три $sp^2$-гибридные орбитали, расположенные в одной плоскости под углом $120^\circ$ друг к другу. Оставшаяся негибридизованная p-орбиталь перпендикулярна этой плоскости и участвует в образовании пи ($\pi$) связи.

Пример 1: Этилен (этен, $C_2H_4$). В молекуле этилена два атома углерода соединены двойной связью (одна $\sigma$- и одна $\pi$-связь). Каждый атом углерода также связан с двумя атомами водорода одинарными $\sigma$-связями. Таким образом, оба атома углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации.

Пример 2: Бензол ($C_6H_6$). В молекуле бензола шесть атомов углерода образуют плоское кольцо. Каждый атом углерода связан с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода. В кольце образуется единая сопряженная система из шести $\pi$-электронов. Каждый атом углерода в кольце является $sp^2$-гибридизованным.

Ответ: Этилен ($C_2H_4$), бензол ($C_6H_6$).

$sp$-гибридизация

Этот тип гибридизации реализуется, когда атом углерода образует одну тройную и одну простую связь, либо две двойные связи. Смешиваются одна s- и одна p-орбиталь, в результате чего образуются две $sp$-гибридные орбитали. Они расположены на одной прямой, образуя угол $180^\circ$. Две оставшиеся негибридизованные p-орбитали взаимно перпендикулярны и участвуют в образовании двух $\pi$-связей.

Пример 1: Ацетилен (этин, $C_2H_2$). В молекуле ацетилена два атома углерода соединены тройной связью (одна $\sigma$- и две $\pi$-связи). Каждый атом углерода также соединен с одним атомом водорода одинарной $\sigma$-связью. Оба атома углерода являются $sp$-гибридизованными, и молекула имеет линейное строение.

Пример 2: Бутадиин-1,3 (диацетилен, $C_4H_2$). Эта молекула имеет структуру $HC \equiv C-C \equiv CH$. Она содержит четыре атома углерода. Два крайних атома углерода образуют одну тройную и одну одинарную связь ($C-H$). Два центральных атома углерода также образуют одну тройную и одну одинарную связь ($C-C$). Таким образом, все четыре атома углерода находятся в состоянии $sp$-гибридизации.

Ответ: Ацетилен ($C_2H_2$), бутадиин-1,3 ($C_4H_2$).