Страница 39 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

• Вспомните пространственное строение молекулы метана.

Решение

Молекула метана, химическая формула которой $CH_4$, является простейшим представителем алканов. Её пространственное строение является фундаментальным примером в стереохимии и определяется состоянием гибридизации центрального атома углерода.

Атом углерода (C) имеет на внешнем энергетическом уровне 4 валентных электрона. В молекуле метана атом углерода образует четыре одинарные связи с четырьмя атомами водорода (H). Для образования этих четырёх равноценных связей атом углерода переходит в возбужденное состояние, и его атомные орбитали подвергаются гибридизации.

Тип гибридизации в молекуле метана — $sp^3$. Это означает, что одна s-орбиталь и три p-орбитали атома углерода смешиваются, образуя четыре новые, одинаковые по форме и энергии гибридные $sp^3$-орбитали.

Эти четыре гибридные орбитали, несущие по одному электрону, располагаются в пространстве таким образом, чтобы находиться на максимальном удалении друг от друга из-за электростатического отталкивания. Такое расположение соответствует направлению к вершинам правильного тетраэдра.

Таким образом, молекула метана имеет тетраэдрическое строение:

• В центре тетраэдра находится атом углерода.
• В четырех вершинах тетраэдра находятся атомы водорода.
• Все четыре связи C-H являются ковалентными сигма-связями ($\sigma$-связями), они равноценны по длине и прочности.
• Валентный угол между любыми двумя связями C-H (угол H–C–H) составляет $109.5^\circ$ (или, более точно, $109^\circ 28'$).

Несмотря на то что связи C-H являются слабополярными из-за небольшой разницы в электроотрицательности углерода и водорода, молекула метана в целом неполярна. Это связано с её высокой симметрией: дипольные моменты отдельных связей взаимно компенсируют друг друга.

Ответ: Молекула метана ($CH_4$) имеет пространственное строение в форме правильного тетраэдра. Атом углерода, находящийся в состоянии $sp^3$-гибридизации, располагается в центре этого тетраэдра, а четыре атома водорода — в его вершинах. Угол между связями C-H (валентный угол H-C-H) составляет $109.5^\circ$.

• С какой целью были введены представления о гибридизации орбиталей атома углерода?

Представления о гибридизации атомных орбиталей углерода были введены для того, чтобы объяснить ряд фундаментальных свойств углеродных соединений, которые не укладывались в рамки классической теории валентных связей, основанной на "чистых" атомных орбиталях.

Во-первых, возникла проблема с валентностью углерода. Электронная конфигурация атома углерода в основном состоянии — $1s^22s^22p^2$. На внешнем уровне находятся всего два неспаренных электрона (на p-подуровне), что должно было бы делать углерод двухвалентным. Однако экспериментально известно, что в подавляющем большинстве органических соединений углерод четырехвалентен (например, в метане $CH_4$). Для объяснения этого был предложен механизм возбуждения атома, при котором один электрон с 2s-орбитали переходит на свободную 2p-орбиталь, в результате чего конфигурация становится $1s^22s^12p^3$. В таком состоянии атом углерода имеет четыре неспаренных электрона и может образовывать четыре связи.

Во-вторых, даже после объяснения четырехвалентности оставалось противоречие, связанное с эквивалентностью связей и геометрией молекул. В возбужденном состоянии атом углерода имеет одну s-орбиталь и три p-орбитали, которые различны по форме и энергии. Следовательно, и связи, образованные с их участием, должны были бы быть разными. Например, в молекуле метана ($CH_4$) одна связь C-H должна была бы отличаться от трех других. Однако физико-химические исследования показали, что все четыре связи в метане абсолютно идентичны, а молекула имеет форму правильного тетраэдра с валентными углами $109.5^\circ$.

Именно для разрешения этих противоречий Лайнус Полинг ввел концепцию гибридизации. Гибридизация — это теоретическая модель, описывающая процесс смешения и выравнивания по энергии и форме различных атомных орбиталей (например, одной s- и трех p-орбиталей) с образованием новых, одинаковых (гибридных) орбиталей. Для метана постулируется $sp^3$-гибридизация, при которой образуются четыре равноценные $sp^3$-гибридные орбитали, направленные к вершинам тетраэдра. Это идеально объясняет и четырехвалентность углерода, и одинаковую длину и прочность всех связей, и тетраэдрическую геометрию молекулы.

Таким образом, введение представлений о гибридизации ($sp^3$, $sp^2$ и $sp$) позволило создать непротиворечивую модель, которая успешно объясняет и предсказывает пространственное строение и свойства огромного многообразия органических молекул.

Ответ: Представления о гибридизации были введены с целью объяснить наблюдаемые на практике четырехвалентность атома углерода, а также эквивалентность химических связей и пространственное строение его соединений (например, тетраэдрическое строение метана), что не удавалось сделать, исходя из строения "чистых" s- и p-орбиталей.