Номер 3, страница 30 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

3. Опытным путём доказано, что молекула метана имеет тетраэдрическую форму. Как этот экспериментальный факт объясняют представления о формах электронных орбиталей и их гибридизации?

Решение

Экспериментально установленная тетраэдрическая форма молекулы метана ($CH_4$) объясняется с помощью теории гибридизации атомных орбиталей, которая объясняет, как атом углерода образует четыре одинаковые связи.

1. Электронное строение атома углерода. Атом углерода (C) в основном состоянии имеет электронную конфигурацию $1s^2 2s^2 2p^2$. На внешнем энергетическом уровне находятся четыре валентных электрона: два спаренных на $2s$-орбитали и два неспаренных на двух $2p$-орбиталях. Наличие только двух неспаренных электронов предполагает, что углерод должен быть двухвалентным, что противоречит существованию молекулы метана, где углерод образует четыре связи.

2. Возбужденное состояние атома углерода. Чтобы образовать четыре связи, атому углерода необходимо иметь четыре неспаренных электрона. Это достигается путем перехода атома в возбужденное состояние: один электрон с $2s$-подуровня получает дополнительную энергию и переходит на свободную $2p$-орбиталь. Электронная конфигурация возбужденного атома углерода становится $1s^2 2s^1 2p^3$. Теперь у атома есть четыре неспаренных электрона: один на $s$-орбитали и три на $p$-орбиталях.

3. Проблема с формой и энергией орбиталей. Несмотря на наличие четырех неспаренных электронов, эти валентные орбитали ($2s$, $2p_x$, $2p_y$, $2p_z$) неэквивалентны. $s$-орбиталь имеет сферическую форму, а три $p$-орбитали — гантелеобразную и расположены под углом $90^\circ$ друг к другу. Если бы связи образовывались за счет этих "чистых" орбиталей, то три связи C-H были бы одинаковыми (тип $p-s$) и находились бы под углом $90^\circ$, а четвертая связь (тип $s-s$) отличалась бы от них по длине, энергии и направлению. Это противоречит экспериментальным данным, согласно которым все четыре связи в метане абсолютно одинаковы, а валентный угол H-C-H составляет $109.5^\circ$.

4. Концепция $sp^3$-гибридизации. Для разрешения этого противоречия была введена концепция гибридизации. Согласно этой теории, одна $2s$- и три $2p$-орбитали возбужденного атома углерода смешиваются (гибридизуются), в результате чего образуются четыре новые, совершенно одинаковые по форме и энергии гибридные орбитали. Этот тип гибридизации называется $sp^3$-гибридизацией.

5. Свойства $sp^3$-гибридных орбиталей. Эти новые орбитали имеют следующие свойства: они полностью эквивалентны по энергии; их форма — несимметричная гантель, сильно вытянутая в одну сторону, что обеспечивает более прочное связывание. Чтобы минимизировать электростатическое отталкивание, эти четыре гибридные орбитали располагаются в пространстве симметрично, направляясь к вершинам правильного тетраэдра. Угол между осями любых двух таких орбиталей составляет $109^\circ 28' \approx 109.5^\circ$.

6. Образование молекулы метана. Атом углерода в состоянии $sp^3$-гибридизации образует четыре ковалентные $\sigma$-связи (сигма-связи) с четырьмя атомами водорода. Каждая $\sigma$-связь C-H формируется путем осевого перекрывания одной $sp^3$-гибридной орбитали углерода и $1s$-орбитали атома водорода. Такое расположение связей и определяет тетраэдрическую форму молекулы $CH_4$, в центре которой находится атом углерода, а в вершинах — атомы водорода. Все связи C-H и валентные углы H-C-H в этой молекуле идентичны.

Ответ: Экспериментально доказанная тетраэдрическая форма молекулы метана объясняется тем, что центральный атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации. Его одна $s$- и три $p$-валентные орбитали смешиваются, образуя четыре равноценные гибридные $sp^3$-орбитали. Эти орбитали направлены к вершинам тетраэдра под углом $109.5^\circ$ друг к другу, что и определяет тетраэдрическое строение молекулы метана, а также полную эквивалентность всех четырех связей C-H.