Номер 2, страница 48 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

2. На основе современных представлений об электронных орбиталях охарактеризуйте природу химических связей в молекуле этилена.

2. Молекула этилена, или этена, имеет химическую формулу $C_2H_4$. Природа химических связей в этой молекуле объясняется на основе теории гибридизации атомных орбиталей, которая является частью современных представлений о строении вещества.

Атом углерода ($C$) в основном состоянии имеет электронную конфигурацию $1s^22s^22p^2$. Чтобы образовать четыре ковалентные связи, атом углерода переходит в возбужденное состояние, при котором один электрон с $2s$-подуровня переходит на вакантную $2p$-орбиталь. Электронная конфигурация возбужденного атома углерода становится $1s^22s^12p^3$, что позволяет ему иметь четыре неспаренных электрона и образовывать четыре связи.

В молекуле этилена каждый из двух атомов углерода находится в состоянии $sp^2$-гибридизации. Это означает, что одна $s$-орбиталь и две $p$-орбитали ($p_x$, $p_y$) валентного электронного слоя смешиваются, образуя три равноценные по форме и энергии гибридные $sp^2$-орбитали. Эти три орбитали располагаются в одной плоскости под углом $120^\circ$ друг к другу. Одна $p$-орбиталь ($p_z$) остается негибридизованной и ориентирована перпендикулярно плоскости, в которой лежат гибридные орбитали.

Формирование химических связей в молекуле этилена происходит следующим образом:

1. Образование $\sigma$-скелета (сигма-связей). $\sigma$-связи образуются при осевом (лобовом) перекрывании атомных орбиталей.

   • Одна $\sigma$-связь $C-C$ образуется в результате перекрывания по одной $sp^2$-гибридной орбитали от каждого атома углерода ($sp^2-sp^2$).
   • Каждый атом углерода использует две оставшиеся $sp^2$-гибридные орбитали для образования двух $\sigma$-связей с $1s$-орбиталями атомов водорода ($sp^2-s$). Всего в молекуле четыре таких связи $C-H$.

   В результате все шесть атомов молекулы (два атома углерода и четыре атома водорода) оказываются лежащими в одной плоскости. Валентные углы $H-C-H$ и $H-C-C$ составляют примерно $120^\circ$, что соответствует геометрии $sp^2$-гибридизации.

2. Образование $\pi$-связи (пи-связи). После формирования $\sigma$-скелета у каждого атома углерода остается по одной негибридизованной $p_z$-орбитали. Эти орбитали имеют форму гантели и расположены перпендикулярно плоскости молекулы. Они параллельны друг другу и перекрываются "боковым" способом — их электронные облака взаимодействуют над и под плоскостью $\sigma$-связей. Такое боковое перекрывание приводит к образованию одной $\pi$-связи. Область электронной плотности $\pi$-связи находится вне линии, соединяющей ядра атомов углерода.

Таким образом, двойная связь между атомами углерода ($C=C$) в этилене является комбинацией одной прочной $\sigma$-связи и одной менее прочной $\pi$-связи. Наличие $\pi$-связи обуславливает ключевые особенности этилена: плоское строение молекулы, невозможность свободного вращения атомов вокруг двойной связи и высокую реакционную способность в реакциях присоединения, так как $\pi$-связь легче разрывается, чем $\sigma$-связь.

Ответ: В молекуле этилена $C_2H_4$ атомы углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Между атомами углерода образуется двойная связь, состоящая из одной $\sigma$-связи (результат перекрывания $sp^2-sp^2$ гибридных орбиталей) и одной $\pi$-связи (результат бокового перекрывания негибридных $p$-орбиталей). Каждый атом углерода также образует две $\sigma$-связи с атомами водорода путем перекрывания своих $sp^2$-орбиталей с $1s$-орбиталями водорода. Молекула имеет плоское строение, валентные углы близки к $120^\circ$.