Номер 2, страница 149, часть 1 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

2. Какова валентность углерода в соединениях? Почему?

2. Валентность — это способность атома образовывать определенное число химических связей. Для углерода (C) наиболее характерной и распространенной является валентность IV, хотя в некоторых соединениях он может проявлять и валентность II.

Объяснение этого явления лежит в электронном строении атома углерода. Углерод — химический элемент с порядковым номером 6. Его электронная конфигурация в основном (невозбужденном) состоянии выглядит так: $1s^22s^22p^2$.

На внешнем, втором, энергетическом уровне находятся четыре валентных электрона. Из них два электрона на 2s-подуровне спарены (имеют противоположные спины), а два электрона на 2p-подуровне неспарены и занимают разные орбитали.

Исходя из этой конфигурации, можно было бы предположить, что углерод двухвалентен, так как у него есть только два неспаренных электрона для образования химических связей. Валентность II действительно существует у углерода, например, в молекуле угарного газа (CO) или в короткоживущих частицах, называемых карбенами.

Однако в подавляющем большинстве своих соединений (например, во всех органических веществах) углерод проявляет валентность IV. Это становится возможным благодаря переходу атома углерода в так называемое возбужденное состояние. При затрате небольшого количества энергии один из электронов с 2s-орбитали «перескакивает» на свободную 2p-орбиталь того же энергетического уровня. Эта затрата энергии с лихвой компенсируется выигрышем в энергии при образовании двух дополнительных, более прочных связей.

Электронная конфигурация возбужденного атома углерода: $1s^22s^12p^3$.

В результате в возбужденном состоянии на внешнем уровне атома углерода оказываются четыре неспаренных электрона (один на s-орбитали и три на p-орбиталях). Эти четыре электрона и позволяют атому углерода образовывать четыре ковалентные связи, т.е. быть четырехвалентным.

Для образования равноценных связей, например, в метане ($CH_4$), четыре атомные орбитали ($2s$, $2p_x$, $2p_y$, $2p_z$) гибридизуются (смешиваются), образуя четыре одинаковые по форме и энергии $sp^3$-гибридные орбитали, которые и участвуют в формировании четырех связей.

Ответ: В подавляющем большинстве соединений валентность углерода равна IV. Это связано с тем, что атом углерода, имея в основном состоянии два неспаренных электрона ($2s^22p^2$), при образовании химических связей легко переходит в возбужденное состояние ($2s^12p^3$), в котором у него имеется четыре неспаренных электрона. Эти четыре электрона участвуют в образовании четырех ковалентных связей. Менее характерна для углерода валентность II, которая проявляется в некоторых соединениях (например, CO) и соответствует основному состоянию атома.