Номер 2, страница 30 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

2. Изобразите структурные формулы метана и этана. Поясните, как образуются химические связи в молекулах этих веществ при перекрывании соответствующих электронных орбиталей.

Решение

Метан ($CH_4$) и этан ($C_2H_6$) являются предельными углеводородами (алканами), в молекулах которых атомы углерода находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Это означает, что одна s-орбиталь и три p-орбитали внешнего электронного слоя атома углерода смешиваются, образуя четыре равноценные гибридные орбитали, направленные к вершинам тетраэдра под углом $109.5^\circ$.

Метан ($CH_4$)

Структурная формула метана:

H
|
H — C — H
|
H

Образование химических связей:

В молекуле метана атом углерода находится в центре тетраэдра. Каждая из его четырех $sp^3$-гибридных орбиталей, на которой находится по одному электрону, перекрывается с $1s$-орбиталью атома водорода (на которой также находится один электрон). Это осевое перекрывание электронных орбиталей приводит к образованию четырех прочных одинарных ковалентных полярных связей, которые называются сигма-связями ($\sigma$-связями). Тип перекрывания для каждой связи $C-H$ — $sp^3-s$. В результате молекула метана имеет форму правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах — атомы водорода.

Ответ: Структурная формула метана — тетраэдрическая, атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. Химические связи в молекуле метана ($C-H$) образуются в результате перекрывания четырех $sp^3$-гибридных орбиталей атома углерода с $1s$-орбиталями четырех атомов водорода, формируя четыре $\sigma$-связи.

Этан ($C_2H_6$)

Структурная формула этана:

H H
| |
H — C — C — H
| |
H H

Образование химических связей:

В молекуле этана оба атома углерода находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Связь между атомами углерода ($C-C$) образуется за счет осевого перекрывания одной $sp^3$-гибридной орбитали первого атома углерода с одной $sp^3$-гибридной орбиталью второго атома углерода. Это ковалентная неполярная $\sigma$-связь типа $sp^3-sp^3$.

У каждого атома углерода остаются по три $sp^3$-гибридные орбитали. Каждая из этих шести орбиталей (по три у каждого атома C) перекрывается с $1s$-орбиталью атома водорода. В результате образуются шесть ковалентных полярных $\sigma$-связей $C-H$ (тип перекрывания $sp^3-s$). Таким образом, в молекуле этана всего семь $\sigma$-связей: одна $C-C$ и шесть $C-H$. Каждый атом углерода сохраняет тетраэдрическую геометрию с валентными углами, близкими к $109.5^\circ$.

Ответ: Структурная формула этана изображена выше. Связь $C-C$ в этане является одинарной $\sigma$-связью, образованной перекрыванием двух $sp^3$-гибридных орбиталей атомов углерода. Шесть связей $C-H$ также являются $\sigma$-связями, образованными перекрыванием $sp^3$-гибридных орбиталей углерода и $1s$-орбиталей водорода.