Номер 1, страница 30 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Как распределены электроны по энергетическим уровням и подуровням в атоме углерода? Почему в атоме углерода возможно распаривание $2s$-электронов?

Как распределены электроны по энергетическим уровням и подуровням в атоме углерода?

Атом углерода (C) имеет порядковый номер 6 в периодической таблице химических элементов, следовательно, он содержит 6 протонов и 6 электронов. Распределение этих электронов по энергетическим уровням и подуровням в основном (невозбужденном) состоянии описывается электронной конфигурацией. Заполнение орбиталей происходит в соответствии с принципом наименьшей энергии, принципом Паули и правилом Хунда.

Электронная формула атома углерода в основном состоянии: $1s^2 2s^2 2p^2$.

Это означает, что:

• На первом энергетическом уровне ($n=1$), который состоит из одного $s$-подуровня, находятся 2 электрона ($1s^2$). Эти электроны спарены (имеют противоположные спины).
• На втором энергетическом уровне ($n=2$), который является внешним, находятся оставшиеся 4 электрона. Они распределены по двум подуровням:
  • На $2s$-подуровне находятся 2 спаренных электрона ($2s^2$).
  • На $2p$-подуровне находятся 2 неспаренных электрона ($2p^2$). Согласно правилу Хунда, эти два электрона занимают две разные $p$-орбитали ($p_x$ и $p_y$) и имеют одинаковый спин. Третья $p$-орбиталь ($p_z$) остается вакантной.

Графически (в виде орбитальной диаграммы) это можно представить так:
C: [He]
2p: [↑][↑][ ]
2s: [↑↓]
В основном состоянии атом углерода имеет 2 неспаренных электрона на внешнем уровне, что предполагает его валентность равной II.

Ответ: В основном состоянии электроны в атоме углерода распределены следующим образом: два электрона на первом энергетическом уровне ($1s^2$) и четыре электрона на втором ($2s^2 2p^2$). На внешнем уровне два электрона спарены на $2s$-подуровне, а два других являются неспаренными и занимают разные орбитали на $2p$-подуровне.

Почему в атоме углерода возможно распаривание 2s-электронов?

Распаривание $2s$-электронов в атоме углерода возможно благодаря его переходу в так называемое возбужденное состояние. Это происходит по следующим причинам:

1. Небольшая разница в энергиях: Энергетические подуровни $2s$ и $2p$ находятся близко друг к другу по энергии. Поэтому для перемещения одного электрона с $2s$-орбитали на вакантную $2p$-орбиталь требуется относительно небольшое количество энергии.
2. Энергетическая выгодность образования связей: Атом поглощает эту небольшую порцию энергии (энергию возбуждения) и переходит в состояние с электронной конфигурацией $1s^2 2s^1 2p^3$. В этом возбужденном состоянии ($C^*$) у атома углерода появляется четыре неспаренных электрона (один на $2s$-орбитали и три на $2p$-орбиталях). Это позволяет атому образовать четыре ковалентные связи вместо двух, возможных в основном состоянии. Энергия, которая выделяется при образовании четырех прочных связей, значительно превышает энергию, затраченную на возбуждение атома. Таким образом, образование четырехвалентного углерода в соединениях является энергетически очень выгодным процессом.

Графически переход в возбужденное состояние выглядит так:
Основное состояние $C$ ($1s^2 2s^2 2p^2$):
2p: [↑][↑][ ]
2s: [↑↓]
↓ (поглощение энергии)
Возбужденное состояние $C^*$ ($1s^2 2s^1 2p^3$):
2p: [↑][↑][↑]
2s: [↑]
Именно это состояние с четырьмя неспаренными электронами и объясняет характерную для углерода валентность IV в подавляющем большинстве его органических и неорганических соединений.

Ответ: Распаривание $2s$-электронов возможно, так как $2s$- и $2p$-подуровни близки по энергии. При поглощении небольшого количества энергии один $2s$-электрон переходит на свободную $2p$-орбиталь. В результате атом углерода получает четыре неспаренных электрона, что позволяет ему образовать четыре химические связи. Энергетический выигрыш от образования четырех связей компенсирует затраты энергии на возбуждение атома.