Номер 1, страница 161, часть 1 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

1. Какие степени окисления могут проявлять элементы подгруппы углерода в оксидах? Объясните с точки зрения строения атома, например, углерода. Почему эта степень окисления возможна?

Какие степени окисления могут проявлять элементы подгруппы углерода в оксидах?

Элементы подгруппы углерода (IVA-группа), к которым относятся углерод (C), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn) и свинец (Pb), имеют на внешнем энергетическом уровне 4 валентных электрона. Электронная конфигурация их внешнего слоя — $ns^2np^2$.

В оксидах эти элементы могут проявлять две основные степени окисления: +2 и +4.

1. Высшая степень окисления +4 соответствует отдаче или обобществлению всех четырёх валентных электронов. Она характерна для всех элементов группы и проявляется в таких оксидах, как диоксид углерода ($CO_2$), диоксид кремния ($SiO_2$), диоксид германия ($GeO_2$), диоксид олова ($SnO_2$) и диоксид свинца ($PbO_2$).

2. Степень окисления +2 связана с участием в образовании связей только двух $\text{p}$-электронов, в то время как пара $\text{s}$-электронов остаётся на своём подуровне (это явление известно как эффект инертной пары). Устойчивость этой степени окисления возрастает сверху вниз по группе. Примерами таких оксидов являются оксид углерода(II) или угарный газ ($CO$), оксид олова(II) ($SnO$) и оксид свинца(II) ($PbO$). Для свинца степень окисления +2 является более устойчивой, чем +4.

Ответ: Элементы подгруппы углерода в оксидах могут проявлять степени окисления +2 и +4.

Объясните с точки зрения строения атома, например, углерода. Почему эта степень окисления возможна?

Рассмотрим возможность проявления различных степеней окисления на примере атома углерода (C), который имеет порядковый номер 6.

Электронная конфигурация атома углерода в его основном (невозбужденном) состоянии: $1s^22s^22p^2$. На внешнем, втором, энергетическом уровне находятся 4 валентных электрона. Из них два электрона на $2s$-подуровне спарены (находятся на одной орбитали), а два электрона на $2p$-подуровне неспарены (занимают разные орбитали).

Наличие двух неспаренных электронов в основном состоянии объясняет, почему углерод может проявлять степень окисления +2, например, в молекуле угарного газа ($CO$).

Однако для углерода наиболее характерной является степень окисления +4. Это становится возможным благодаря переходу атома в возбужденное состояние. При поглощении небольшого количества энергии один из спаренных $2s$-электронов переходит на свободную орбиталь $2p$-подуровня. Электронная конфигурация возбужденного атома углерода ($C^*$) выглядит так: $1s^22s^12p^3$.

В результате в возбужденном состоянии атом углерода имеет уже четыре неспаренных электрона, каждый из которых может участвовать в образовании химической связи. Энергия, затраченная на "распаривание" и переход электрона, с избытком компенсируется энергией, которая выделяется при образовании четырёх прочных ковалентных связей вместо двух. При взаимодействии с более электроотрицательным элементом, таким как кислород, углерод образует оксид $CO_2$, где его степень окисления равна +4.

Ответ: Степень окисления +4 для углерода возможна потому, что его атом способен переходить в возбужденное состояние (с конфигурацией $2s^12p^3$), в котором он имеет четыре неспаренных валентных электрона. Это позволяет атому образовывать четыре химические связи, что является энергетически выгодным процессом и приводит к образованию более устойчивых соединений, таких как $CO_2$.