Страница 9 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

Уникальная способность углерода образовывать огромное количество соединений, многократно превышающее число соединений всех остальных элементов вместе взятых, объясняется совокупностью нескольких его ключевых свойств, связанных со строением его атома.

1. Валентность и электронное строение. Атом углерода (C) расположен в 14-й группе (IVA) второго периода периодической системы. На его внешнем электронном уровне находятся четыре валентных электрона. Это позволяет атому углерода образовывать четыре ковалентные связи. При этом углерод не склонен ни отдавать, ни принимать электроны полностью, а образует именно ковалентные связи, деля электроны с другими атомами. Для образования четырех связей атом углерода использует гибридные орбитали:

• $sp^3$-гибридизация: образуются четыре одинарные связи, направленные к вершинам тетраэдра (например, в метане $CH_4$).
• $sp^2$-гибридизация: образуются одна двойная и две одинарные связи, расположенные в одной плоскости под углом $120^\circ$ (например, в этилене $C_2H_4$).
• $sp$-гибридизация: образуются одна тройная и одна одинарная связь, расположенные на одной прямой (например, в ацетилене $C_2H_2$).

2. Способность к катенации. Это самое главное свойство. Атомы углерода обладают уникальной способностью соединяться друг с другом, образуя длинные и очень устойчивые цепи (линейные и разветвленные) и циклы. Это явление называется катенацией. Связь углерод-углерод (C–C) очень прочная (ее энергия составляет около $348$ кДж/моль), что обеспечивает стабильность таких углеродных скелетов. Ближайший аналог углерода, кремний (Si), также способен к катенации, но связь Si–Si значительно слабее (около $226$ кДж/моль) и более химически активна, поэтому длинные и устойчивые цепи из атомов кремния не образуются.

3. Образование кратных связей. Атомы углерода могут образовывать между собой не только одинарные (C–C), но и кратные — двойные (C=C) и тройные (C≡C) — связи. Это свойство, в сочетании с катенацией, экспоненциально увеличивает число возможных структур.

4. Явление изомерии. Сочетание вышеуказанных свойств приводит к широчайшему распространению изомерии. Изомеры — это вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но разное строение и, следовательно, разные физические и химические свойства. Существует структурная изомерия (изомерия углеродного скелета, положения кратной связи или функциональной группы) и пространственная изомерия (геометрическая и оптическая). Например, для формулы $C_{10}H_{22}$ существует 75 структурных изомеров, а для $C_{20}H_{42}$ их число превышает триста тысяч.

5. Прочность связей с другими элементами. Углерод образует прочные ковалентные связи не только с самим собой, но и с атомами многих других элементов-неметаллов, прежде всего с водородом (H), кислородом (O), азотом (N), серой (S), фосфором (P) и галогенами. Это приводит к образованию огромного разнообразия классов органических соединений с различными функциональными группами (–OH, –CHO, –COOH, –NH₂, и т.д.), которые и определяют химические "лица" молекул.

Таким образом, именно совокупность этих уникальных характеристик делает углерод основой органической химии и жизни на Земле, позволяя ему формировать миллионы разнообразных и сложных соединений.

Ответ: Огромное многообразие соединений углерода обусловлено уникальным сочетанием свойств его атома: способностью образовывать четыре прочные ковалентные связи в разных типах гибридизации; исключительной склонностью к катенации (образованию устойчивых цепей и циклов из атомов углерода); возможностью формирования одинарных, двойных и тройных связей между атомами углерода; чрезвычайно широким распространением явления изомерии; а также способностью образовывать прочные связи с атомами многих других элементов.