Номер 10, страница 11 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

10. Молекула оксида углерода (IV) $CO_2$ имеет линейную форму. Сколько $\sigma$- и $\pi$-связей в этой молекуле? Какие электронные облака атома углерода участвуют в образовании этих связей? Молекула $CO_2$ полярная или неполярная?

Сколько σ- и π-связей в этой молекуле?

Молекула оксида углерода(IV) ($CO_2$) имеет линейное строение O=C=O. Атом углерода связан с каждым атомом кислорода двойной связью. Каждая двойная связь состоит из одной $\sigma$-связи (сигма-связи) и одной $\pi$-связи (пи-связи). Поскольку в молекуле $CO_2$ две двойные связи, то общее количество связей составляет:

- Две $\sigma$-связи (по одной в каждой связи C=O).

- Две $\pi$-связи (по одной в каждой связи C=O).

Ответ: В молекуле $CO_2$ содержатся 2 $\sigma$-связи и 2 $\pi$-связи.

Какие электронные облака атома углерода участвуют в образовании этих связей?

Для образования линейной молекулы с двумя двойными связями атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации. Электронная конфигурация углерода в основном состоянии – $1s^22s^22p^2$. Для образования четырех связей атом углерода переходит в возбужденное состояние, при котором один электрон с 2s-подуровня переходит на 2p-подуровень, и конфигурация становится $1s^22s^12p^3$.

- Одна 2s-орбиталь и одна 2p-орбиталь атома углерода смешиваются (гибридизуются), образуя две одинаковые по форме и энергии sp-гибридные орбитали. Эти две орбитали располагаются линейно под углом 180o друг к другу и участвуют в образовании двух $\sigma$-связей с атомами кислорода путем осевого перекрывания.

- Две оставшиеся негибридные 2p-орбитали (условно $2p_y$ и $2p_z$) атома углерода располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно оси $\sigma$-связей. Они участвуют в образовании двух $\pi$-связей путем бокового перекрывания с соответствующими p-орбиталями двух атомов кислорода.

Ответ: В образовании двух $\sigma$-связей участвуют две sp-гибридные орбитали атома углерода, а в образовании двух $\pi$-связей – две его негибридные 2p-орбитали.

Молекула $CO_2$ полярная или неполярная?

Полярность молекулы определяется как полярностью отдельных связей, так и её геометрическим строением.

1. Полярность связи: Атом кислорода более электроотрицателен, чем атом углерода. Поэтому каждая связь C=o является полярной ковалентной связью. Электронная плотность смещена к атому кислорода, в результате чего на атомах кислорода возникают частичные отрицательные заряды ($\delta-$), а на атоме углерода – частичный положительный заряд ($\delta+$). Каждая связь C=o обладает дипольным моментом, направленным от углерода к кислороду.

2. Геометрия молекулы: Молекула $CO_2$ имеет линейное и симметричное строение (O=C=O). Два дипольных момента связей C=o равны по величине, но направлены в противоположные стороны. В результате векторная сумма дипольных моментов связей равна нулю.

Из-за симметричного расположения полярных связей их дипольные моменты взаимно компенсируются, и суммарный дипольный момент всей молекулы оказывается равным нулю.

Ответ: Молекула $CO_2$ является неполярной.