Номер 3, страница 180 - гдз по химии 9 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Глава 8. Первоначальные представления об органических веществах. Параграф 51. Органическая химия. Подумай, ответь, выполни... - номер 3, страница 180.

Условие.

3. Какие особенности строения атома углерода позволили ему стать родоначальником огромного количества соединений?

Решение.

Решение 2.

Решение

Атом углерода является основой органической химии и родоначальником миллионов соединений благодаря уникальному сочетанию нескольких ключевых особенностей его строения.

1. Валентность и электронное строение.

Углерод находится в 14-й группе (IVА) второго периода периодической системы. Его атом имеет 6 электронов, электронная конфигурация в основном состоянии: $1s^22s^22p^2$. На внешнем энергетическом уровне находятся 4 валентных электрона. Это ровно половина от максимально возможного числа электронов на этом уровне (8, правило октета). Поэтому атому углерода энергетически невыгодно ни отдавать 4 электрона (проявляя металлические свойства), ни принимать 4 электрона (проявляя свойства активных неметаллов). Наиболее предпочтительным для него является образование четырех ковалентных связей путем обобществления своих валентных электронов с другими атомами. Таким образом, углерод в соединениях практически всегда проявляет валентность, равную IV.

2. Способность к гибридизации атомных орбиталей.

Для образования четырех равноценных связей атом углерода переходит в возбужденное состояние, где один электрон с 2s-подуровня «перескакивает» на свободную 2p-орбиталь. В результате на внешнем уровне оказывается четыре неспаренных электрона ($2s^12p^3$). Эти орбитали (одна s и три p) могут смешиваться (гибридизоваться) тремя различными способами:

• $sp^3$-гибридизация: образуются четыре одинарные связи, направленные к вершинам тетраэдра (например, в алканах).
• $sp^2$-гибридизация: образуются одна двойная и две одинарные связи, расположенные в одной плоскости под углом 120° (например, в алкенах).
• $sp$-гибридизация: образуются одна тройная и одна одинарная связь (или две двойные), расположенные линейно под углом 180° (например, в алкинах).

Возможность образовывать различные типы гибридных орбиталей позволяет углероду формировать молекулы разнообразной геометрии (линейные, плоские, объемные).

3. Способность к катенации (образованию цепей).

Это одна из самых важных особенностей углерода. Атомы углерода способны прочно соединяться друг с другом, образуя длинные и устойчивые цепи (линейные, разветвленные) и циклы. Прочность ковалентной связи С–С (энергия связи около 348 кДж/моль) обеспечивает стабильность таких структур. Никакой другой элемент не обладает такой способностью в той же мере. Например, у кремния (следующего элемента в группе) связь Si–Si значительно слабее, поэтому длинные кремниевые цепи неустойчивы.

4. Малый атомный радиус.

Углерод — элемент второго периода, он имеет небольшой атомный радиус. Это позволяет ему образовывать очень прочные ковалентные связи не только с другими атомами углерода, но и с атомами многих других элементов, в первую очередь с водородом, кислородом, азотом, серой, фосфором и галогенами. Прочность этих связей является залогом стабильности огромного разнообразия органических молекул.

5. Способность к образованию кратных (двойных и тройных) связей.

Как уже упоминалось в пункте о гибридизации, малый размер атомов углерода позволяет их p-орбиталям эффективно перекрываться, образуя прочные π-связи. Это приводит к формированию двойных (С=С) и тройных (С≡С) связей, что еще больше расширяет разнообразие структур и химических свойств углеродных соединений.

Сочетание этих факторов — четырехвалентности, способности образовывать прочные цепи и циклы, формировать одинарные, двойные и тройные связи, а также соединяться с множеством других элементов — привело к возникновению колоссального числа органических соединений с разнообразнейшими структурами и свойствами, лежащих в основе всего живого на Земле.

Ответ: Ключевыми особенностями строения атома углерода, которые позволили ему стать основой огромного числа соединений, являются: 1) наличие четырех валентных электронов, что обуславливает его четырехвалентность в соединениях; 2) уникальная способность его атомов соединяться друг с другом в прочные длинные цепи и циклы (катенация); 3) способность образовывать не только одинарные, но и кратные (двойные и тройные) связи как с другими атомами углерода, так и с другими элементами; 4) малый размер атома, обеспечивающий высокую прочность образуемых ковалентных связей.