Номер 2, страница 103 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 21. Углерод. Глава 1. Неметаллы - номер 2, страница 103.

Условие.

2. Почему для атома углерода характерно образование ковалентных связей?

Решение.

Решение 2.

1. Подгруппа углерода, или 14-я группа периодической системы (IVA по старой классификации), включает в себя следующие элементы: углерод (C), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), свинец (Pb) и радиоактивный флеровий (Fl).

• Электронное строение: Все элементы этой группы имеют 4 валентных электрона на внешнем энергетическом уровне. Общая электронная формула валентного слоя — $ns^2np^2$, где $n$ — номер периода. Это определяет их максимальную валентность, равную IV.
• Степени окисления: Наиболее характерными степенями окисления являются +4 и +2. С ростом порядкового номера (сверху вниз по группе) устойчивость соединений со степенью окисления +2 возрастает, а со степенью окисления +4 — уменьшается. Это связано с так называемым «эффектом инертной пары» — возрастающей энергетической трудностью участия s-электронов валентного уровня в образовании химических связей. Если для углерода и кремния наиболее стабильна степень окисления +4, то для свинца — +2. Углерод также проявляет отрицательные степени окисления, например, -4 в метане ($CH_4$).
• Изменение свойств в группе: Вдоль группы сверху вниз радиус атомов увеличивается, а электроотрицательность уменьшается. Это приводит к ослаблению неметаллических свойств и усилению металлических.
  • Углерод (C) — типичный неметалл.
  • Кремний (Si) и германий (Ge) — полуметаллы (металлоиды), проявляют полупроводниковые свойства.
  • Олово (Sn) и свинец (Pb) — типичные металлы.

• Аллотропия: Для большинства элементов группы характерно явление аллотропии. Углерод существует в виде алмаза, графита, фуллеренов, графена и других форм. Кремний имеет кристаллическую (со структурой алмаза) и аморфную модификации. Олово существует в виде серого олова (α-Sn, полупроводник со структурой алмаза) и белого олова (β-Sn, металл).
• Оксиды и гидроксиды: Элементы образуют оксиды типа $RO$ и $RO_2$. Характер высших оксидов ($RO_2$) изменяется от кислотного у углерода ($CO_2$) и кремния ($SiO_2$) к амфотерному у германия, олова и свинца ($GeO_2, SnO_2, PbO_2$). Соответствующие им гидроксиды (кислоты) также изменяют свой характер: угольная ($H_2CO_3$) и кремниевая ($H_2SiO_3$) кислоты являются слабыми, а гидроксиды олова и свинца проявляют амфотерные свойства.
• Водородные соединения: Все элементы образуют летучие водородные соединения состава $RH_4$. Их устойчивость резко падает от метана ($CH_4$) к плюмбану ($PbH_4$). Способность атомов элемента соединяться друг с другом в цепи (катенация) наиболее выражена у углерода, что является основой органической химии. У кремния эта способность значительно слабее.

Ответ: Элементы подгруппы углерода (14-я группа) имеют 4 валентных электрона ($ns^2np^2$), проявляют степени окисления +4 и +2 (устойчивость +2 растет вниз по группе). В группе происходит переход от неметалла (C) к металлам (Sn, Pb) с ослаблением неметаллических и усилением металлических свойств. Характерны аллотропия и образование оксидов $RO_2$, свойства которых меняются от кислотных к амфотерным. Устойчивость водородных соединений $RH_4$ падает вниз по группе.

2. Образование ковалентных связей является наиболее характерной чертой химии углерода по нескольким ключевым причинам, связанным с его электронным строением и положением в периодической системе.

1. Электронная конфигурация и валентность: Атом углерода (порядковый номер 6) имеет электронную конфигурацию $1s^22s^22p^2$. На его внешнем энергетическом уровне находятся 4 валентных электрона. Для достижения стабильной восьмиэлектронной оболочки (октета) атому углерода необходимо либо отдать 4 электрона, либо принять 4 электрона.
2. Энергетические затраты:
   • Отрыв четырех электронов для образования катиона $C^{4+}$ требует колоссальных затрат энергии (сумма первых четырех потенциалов ионизации очень велика).
   • Присоединение четырех электронов для образования аниона $C^{4-}$ также энергетически невыгодно из-за сильного межэлектронного отталкивания в малом объеме атома углерода и невысокого сродства к электрону.

   Вследствие этого, для углерода ионный тип связи не характерен.

3. Образование общих электронных пар: Наиболее энергетически выгодным путем для углерода является образование четырех ковалентных связей путем обобществления своих четырех валентных электронов с электронами других атомов. Каждый такой атом-партнер, в свою очередь, предоставляет по одному электрону для образования общей пары. Это позволяет атому углерода формально достичь стабильной восьмиэлектронной конфигурации.
4. Гибридизация: Для образования четырех равноценных связей атом углерода при затрате небольшого количества энергии переходит в возбужденное состояние ($1s^22s^12p^3$), где у него есть четыре неспаренных электрона. Затем его атомные орбитали (одна s- и три p-орбитали) гибридизуются, образуя четыре одинаковые по форме и энергии гибридные орбитали. В зависимости от типа гибридизации ($sp^3$, $sp^2$ или $sp$), углерод может образовывать одинарные, двойные и тройные ковалентные связи, что объясняет огромное разнообразие органических соединений. Например, $sp^3$-гибридизация в метане ($CH_4$) приводит к образованию четырех прочных одинарных связей, направленных к вершинам тетраэдра.
5. Способность к катенации: Малый размер атома углерода и высокая прочность связи C–C позволяют атомам углерода соединяться друг с другом, образуя длинные и прочные цепи и кольца. Эта уникальная способность, называемая катенацией, лежит в основе всего многообразия органической химии.

Ответ: Для атома углерода характерно образование ковалентных связей, так как ему энергетически невыгодно отдавать или принимать 4 электрона для образования ионов. Вместо этого, имея 4 валентных электрона и среднюю электроотрицательность, углерод достигает стабильной электронной оболочки путем обобществления электронов с другими атомами. Способность к гибридизации атомных орбиталей позволяет ему образовывать до четырех прочных ковалентных связей, а уникальная способность к катенации (образованию устойчивых цепей C–C) лежит в основе многообразия органических соединений.