Задание, страница 43 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Задания в параграфе. Параграф 5. Химическая связь. Виды химической связи. Глава 2. Строение вещества. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева - страница 43.

Условие.

Задание. Раскройте механизм образования $ \sigma $- и $ \pi $-связей на примере органических веществ.

Решение.

Решение 2.

Ковалентная связь образуется за счет перекрывания электронных орбиталей связываемых атомов. В зависимости от способа перекрывания орбиталей различают два основных типа ковалентных связей в органических веществах: $\sigma$-связи (сигма-связи) и $\pi$-связи (пи-связи).

Образование $\sigma$-связи

$\sigma$-связь — это ковалентная связь, которая образуется при осевом (аксиальном) перекрывании атомных орбиталей. Это означает, что область максимального перекрывания орбиталей лежит на прямой, соединяющей ядра связываемых атомов. $\sigma$-связи являются самыми прочными ковалентными связями, и любая одинарная связь всегда является $\sigma$-связью. В двойных и тройных связях также присутствует одна $\sigma$-связь.

Рассмотрим образование $\sigma$-связей на примере молекулы метана ($CH_4$).

Атом углерода имеет электронную конфигурацию в основном состоянии $1s^22s^22p^2$. Для образования четырех связей он переходит в возбужденное состояние $1s^22s^12p^3$. Далее происходит процесс $sp^3$-гибридизации: одна $s$-орбиталь и три $p$-орбитали смешиваются, образуя четыре равноценные по форме и энергии гибридные $sp^3$-орбитали. Эти орбитали направлены к вершинам тетраэдра, и угол между ними составляет $109.5^{\circ}$.

Каждая из четырех $sp^3$-гибридных орбиталей атома углерода перекрывается по оси с $1s$-орбиталью атома водорода. В результате образуются четыре одинаковые прочные $C-H$ $\sigma$-связи.

В молекуле этана ($C_2H_6$) оба атома углерода находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Связь между атомами углерода ($C-C$) образуется за счет осевого перекрывания двух $sp^3$-гибридных орбиталей (по одной от каждого атома углерода). Остальные три $sp^3$-орбитали каждого атома углерода образуют $\sigma$-связи с $1s$-орбиталями шести атомов водорода. Таким образом, в молекуле этана одна $C-C$ $\sigma$-связь и шесть $C-H$ $\sigma$-связей.

Ответ: $\sigma$-связь образуется при осевом перекрывании атомных или гибридных орбиталей, при этом область перекрывания лежит на линии, соединяющей центры связываемых атомов, что обеспечивает её высокую прочность. Примеры включают связи $C-H$ и $C-C$ в алканах, таких как метан и этан.

Образование $\pi$-связи

$\pi$-связь — это ковалентная связь, которая образуется при боковом (параллельном) перекрывании негибридизованных $p$-орбиталей. Область перекрывания в $\pi$-связи расположена по обе стороны от линии, соединяющей ядра атомов (над и под плоскостью $\sigma$-связи). $\pi$-связи менее прочные, чем $\sigma$-связи, и образуются только в составе кратных (двойных и тройных) связей, дополняя уже существующую $\sigma$-связь.

Рассмотрим образование $\pi$-связи на примере молекулы этена (этилена, $C_2H_4$).

В молекуле этена атомы углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Гибридизуются одна $s$- и две $p$-орбитали, образуя три $sp^2$-гибридные орбитали, которые лежат в одной плоскости под углом $120^{\circ}$ друг к другу. Одна $p$-орбиталь у каждого атома углерода остается негибридизованной и расположена перпендикулярно плоскости гибридных орбиталей.

Сначала формируется "скелет" из $\sigma$-связей: одна $C-C$ $\sigma$-связь за счет перекрывания $sp^2$-орбиталей и четыре $C-H$ $\sigma$-связи за счет перекрывания $sp^2$-орбиталей углерода с $1s$-орбиталями водорода. Все шесть атомов молекулы этена лежат в одной плоскости.

Затем негибридизованные $p$-орбитали двух атомов углерода, будучи параллельными друг другу, перекрываются сбоку (над и под плоскостью молекулы). Это боковое перекрывание и образует одну $\pi$-связь. Таким образом, двойная связь $C=C$ в этене состоит из одной $\sigma$- и одной $\pi$-связи.

В молекуле этина (ацетилена, $C_2H_2$) атомы углерода находятся в состоянии $sp$-гибридизации, образуя две линейно расположенные $sp$-орбитали. Две $p$-орбитали на каждом атоме углерода остаются негибридизованными и взаимно перпендикулярны. Тройная связь $C \equiv C$ в этине состоит из одной $\sigma$-связи ($sp-sp$ перекрывание) и двух $\pi$-связей, которые образуются за счет бокового перекрывания двух пар параллельных негибридизованных $p$-орбиталей.

Ответ: $\pi$-связь образуется при боковом перекрывании негибридизованных p-орбиталей соседних атомов, уже соединенных $\sigma$-связью. Области перекрывания лежат по обе стороны от линии $\sigma$-связи. Примеры включают кратные связи в этилене ($C=C$) и ацетилене ($C \equiv C$).