Характерные типы гибридизации атомных орбиталей (АО) для углерода.

Метод валентных связей (ВС)

Задача 944. 

Какие типы гибридизации АО характерны для углерода? Описать с позиций метода ВС строение молекул СН₄, С₂Н₆, С₂Н₄ и С₂Н₂.

Решение:

Для углерода характерны sp³-, sp²-, sp-гибридизации АО.

а) В СН₄ атом углерода находится в состоянии sp³-гибридизации. Атом углерода в молекуле СН₄ содержит четыре sp³-гибридные орбитали, образующиеся в результате линейной комбинации одной s-орбитали и трёх р-орбиталей. Четыре sp³-орбитали располагаются друг относительно друга под углом 109,5 0. Они направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится ядро атома углерода (рис. 1.). Все четыре sp³-гибридные орбитали равноценны.
Понятие sp³-гибридизации позволяет объяснить факт четырёхвалентности атома углерода и то, что все четыре связи С—Н в молекуле метана равноценны.

Рис. 1. Схемы образования четырех гибридных орбиталей при sp³-гибридизации (а) и молекулы метана

(б) (Материал взят с сайта  him.1september.ru).

б) В молекуле С₂Н₆ атомы углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации. Каждый атом углерода соединён с тремя атомами водорода и друг с другом. Вокруг одинарной углерод-углеродной (С—С) связью возможно практически свободное вращение атомов. При этом метильные группы (—СН₃) могут ориентироваться относительно друг друга различным образом. Состояние молекулы с определённым взаимным расположением атомов называется конформацией. При вращении одной метильной группы в этане относительно другой на 360⁰ молекула трижды принимает каждую из приведённых форм А и В. В форме В атомы водорода находятся на минимальном расстоянии друг от друга и максимально взаимодействуют (заслонённая форма). Энергетически выгодной является форма, когда одна метильная группа повёрнута относительно другой на 60⁰ (заторможенная форма). Конформационные формы – это разные формы молекул одного и того же вещества.

Рис. 2. Формулы Ньюмена для этана. Перспективные формулы (а) и проекции Ньюмена
(б) для заторможенной и заслоненной конформации этана (Информация взята с сайта биржи Автор24: author24.ru)
 

в) В молекуле С₂Н₄ между атомами углерода имеется двойная связь. Атомы углерода, между которыми имеется двойная связь, находятся в состоянии sр²-гибридизации. Это означает, что в гибридизации АО участвует одна s- и две р-орбитали, а оставшаяся третья р-орбиталь остаётся негибридизированной. Перекрывание гибридных орбиталей приводит к образованию σ -связей, а за счёт негибридизированных р-орбиталей двух атомов углерода образуется вторая связь π -связь. Таким образом, двойная связь состоит из одной σ -связи и одной π -связи. Гибридные орбитали атомов, образующих двойную связь (σ -связь), находятся в одной плоскости, а орбитали, образующие π -связь, располагаются перпендикулярно плоскости молекулы. Три σ-связи, которые участвуют в образовании связей между атомами углерода и водорода, располагаются под углом в 120⁰ друг к другу (рис. 3.).

Рис. 3. Образование sp²-гибридных орбиталей (По материалам сайта: physic.kemsu.ru).

Рис. 4. Модель атома с sp^2-гибридными орбиталями (По материалам сайта http://physic.kemsu.ru).

г) В молекуле С₂Н₂ имеется тройная связь, Атомы углерода, между которыми имеется тройная связь, находятся в состоянии sp-гибридизации.Это означает, что в гибридизации участвует одна s- и одна р-орбиталь, а две р-орбитали соседних атомов углерода образуют две π -связи. Два гибридных sp-облака в результате взаимного отталкивания располагаются относительно ядра атома таким образом, что угол между ними составляет 180⁰. Таким образом, тройная связь между двумя атомами углерода в молекуле ацетилена, состоит из одной σ -связи и двух π-связей. Каждый атом углерода в молекуле С₂Н₂ образует две σ-связи – одну с атомом водорода, другую – с соседним атомом углерода, что придаёт молекуле линейную форму (рис. 5.). 

Рис. 5. Образование молекулы ацетилена С₂Н₂

Таким образом, в возбуждённом состоянии атом углерода имеет четыре неспаренных электрона, которые в зависимости от того в какой фрагмент молекулы органического соединения входит данный атом углерода, вступают в ту или иную гибридизацию АО.

Задача 945. 
Охарактеризовать физические и химические свойства диоксида углерода и области его практического применения. Написать уравнения реакций взаимодействия СО₂ с раствором щелочи при недостатке и при избытке СО₂.
Решение:
а) При обычных условиях диоксид углерода бесцветный газ со слабым кисловатым запахом и вкусом. При 20 ⁰С и давлении 5,7 МПа он сжижается, Испарение жидкого СО₂ приводит к охлаждению и образованию твёрдого СО₂, известного под названием «сухой лёд». При -78 ⁰С  твёрдый СО₂ сублимируется (испаряется без плавления). В 1 л воды при 20 ⁰С растворяется 0,9 л СО₂.

СО₂ – кислотный оксид. Он взаимодействует с основными оксидами и сильными основаниями:

СО₂ + СаО ↔ СаСО₃;
СО₂ + Са(ОН)₂ ↔ СаСО₃ + Н₂О.

Однако кислотообразующие свойства СО₂ выражены слабо. 

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃

Равновесие сильно смещено влево, Только одна молекула СО₂ из шестисот превращается в угольную кислоту. Диоксид углерода – слабый окислитель. Углерод в молекуле СО₂ проявляет наибольшую степень окисления +4. Вследствие этого СО₂ проявляет окислительные свойства, но является слабым окислителем:

СО₂ +2Mg = 2MgO + C;
CO₂ + C  2CO.

б) Уравнения реакций СО₂ с NaOH:

a) CO₂ (недостаток) + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O;
a) CO₂ (избыток) + NaOH = NaНCO₃.