Номер 4, страница 14 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4. Как расположены в пространстве $\text{s}$- и $\text{p}$-орбитали внешнего уровня атома углерода?

4. Для того чтобы определить пространственное расположение s- и p-орбиталей внешнего уровня атома углерода, необходимо рассмотреть его электронное строение.

Атом углерода (C) имеет порядковый номер 6 в периодической системе. Его электронная конфигурация в основном (невозбужденном) состоянии записывается как $1s^2 2s^2 2p^2$.

Внешним электронным уровнем является второй уровень ($n=2$), на котором находятся четыре валентных электрона. Эти электроны расположены на $2s$- и $2p$-подуровнях.

Рассмотрим расположение этих орбиталей в пространстве:

• $2s$-орбиталь: На внешнем уровне есть одна $\text{s}$-орбиталь. Любая $\text{s}$-орбиталь имеет форму сферы. Центр этой сферы совпадает с ядром атома. Это означает, что электронная плотность $\text{s}$-орбитали распределена симметрично вокруг ядра.

• $2p$-орбитали: На внешнем уровне есть три $\text{p}$-орбитали. Каждая $\text{p}$-орбиталь имеет форму объемной восьмерки или гантели, состоящей из двух "лепестков", разделенных узловой плоскостью, проходящей через ядро атома. Эти три $\text{p}$-орбитали ($2p_x$, $2p_y$ и $2p_z$) расположены в пространстве так, что их оси симметрии взаимно перпендикулярны, как оси декартовой системы координат (x, y, z). В основном состоянии атома углерода два электрона занимают две из этих трех орбиталей.

Таким образом, в изолированном атоме углерода одна сферическая $2s$-орбиталь и три гантелеобразные $2p$-орбитали сосуществуют в одном и том же пространстве, будучи центрированными на ядре, причем $\text{p}$-орбитали ориентированы под углом $90^\circ$ друг к другу.

Важно отметить, что при образовании химических связей (например, в метане $CH_4$ или этилене $C_2H_4$) происходит процесс гибридизации, в результате которого исходные $\text{s}$- и $\text{p}$-орбитали смешиваются, образуя новые, гибридные орбитали ($sp^3$, $sp^2$, $sp$), имеющие другую форму и пространственную ориентацию. Однако вопрос касается расположения орбиталей в самом атоме.

Ответ: Внешний уровень атома углерода содержит одну $\text{s}$-орбиталь сферической формы и три $\text{p}$-орбитали, имеющие форму объемных восьмерок (гантелей). Эти три $\text{p}$-орбитали расположены взаимно перпендикулярно друг другу, их оси ориентированы вдоль осей координат x, y и z. Все эти орбитали центрированы на ядре атома.