Номер 3, страница 303 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Объясните, как реализуется ковалентная связь молекул, например в молекулах метана $CH_4$.

Решение

Ковалентная связь — это химическая связь, возникающая между двумя атомами за счёт образования общей электронной пары. Атомы, как правило неметаллов, с близкими значениями электроотрицательности, объединяют свои неспаренные валентные электроны, чтобы достичь более устойчивой электронной конфигурации, подобной конфигурации инертных газов (завершённого внешнего электронного слоя).

Рассмотрим образование ковалентной связи на примере молекулы метана $CH_4$.

1. Электронное строение атомов
Атом углерода (C) имеет порядковый номер 6. Его электронная конфигурация $1s^22s^22p^2$. На внешнем (втором) электронном уровне у углерода находится 4 валентных электрона. Для достижения стабильной восьмиэлектронной оболочки (октета), как у инертного газа неона, атому углерода не хватает 4 электронов.
Атом водорода (H) имеет порядковый номер 1. Его электронная конфигурация $1s^1$. На внешнем (и единственном) электронном уровне у водорода находится 1 валентный электрон. Для достижения стабильной двухэлектронной оболочки, как у инертного газа гелия, атому водорода не хватает 1 электрона.

2. Механизм образования связи
В молекуле метана атом углерода является центральным. Для образования связей он вступает в возбуждённое состояние: один электрон с 2s-подуровня переходит на свободную 2p-орбиталь. В результате на внешнем уровне атома углерода образуются четыре неспаренных электрона ($2s^12p^3$). Эти четыре атомные орбитали (одна s- и три p-орбитали) гибридизуются, образуя четыре одинаковые по форме и энергии гибридные $sp^3$-орбитали.
Эти четыре $sp^3$-гибридные орбитали углерода направлены к вершинам тетраэдра, угол между ними составляет $109.5^\circ$.
Каждая из этих четырёх гибридных орбиталей, содержащая по одному электрону, перекрывается с 1s-орбиталью одного из четырёх атомов водорода, который также предоставляет один электрон. В результате образуются четыре общие электронные пары. Каждая такая пара образует прочную ковалентную полярную связь $C-H$.

3. Результат
В итоге атом углерода обобществляет четыре своих электрона с четырьмя электронами от четырёх атомов водорода. Таким образом, атом углерода приобретает стабильную восьмиэлектронную оболочку (октет), а каждый атом водорода — стабильную двухэлектронную оболочку (дуплет). Электронные пары находятся в общем владении, притягиваясь одновременно к ядрам обоих связанных атомов, что и удерживает их вместе в молекуле.

Ответ: Ковалентная связь в молекуле метана ($CH_4$) реализуется путем образования четырёх общих электронных пар между одним атомом углерода и четырьмя атомами водорода. Атом углерода предоставляет для образования связей четыре валентных электрона, а каждый атом водорода — по одному. В результате перекрывания $sp^3$-гибридных орбиталей углерода и $s$-орбиталей водорода образуются четыре одинарные ковалентные связи $C-H$, что позволяет каждому атому в молекуле достичь устойчивой электронной конфигурации.