Номер 2, страница 39 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Вопросы в начале параграфа. Параграф 9. Пространственное строение молекул. Глава II. Строение вещества - номер 2, страница 39.

Условие.

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

Решение.

Решение 2.

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.