Сколько и каких орбиталей содержится в атоме углерода на внешнем электронном уровне
Углерод (С) – шестой элемент периодической таблицы Менделеева с атомным весом 12. Элемент относится к неметаллам и имеет изотоп 14С. Строение атома углерода лежит в основе всей органической химии, т. к. все органические вещества включают молекулы углерода.
Атом углерода
Положение углерода в периодической таблице Менделеева:
- шестой порядковый номер;
- четвёртая группа;
- второй период.
Рис. 1. Положение углерода в таблице Менделеева.
Опираясь на данные из таблицы, можно заключить, что строение атома элемента углерода включает две оболочки, на которых расположено шесть электронов. Валентность углерода, входящего в состав органических веществ, постоянна и равна IV. Это значит, что на внешнем электронном уровне находится четыре электрона, а на внутреннем – два.
Из четырёх электронов два занимают сферическую 2s-орбиталь, а оставшиеся два – 2p-орбиталь в виде гантели. В возбуждённом состоянии один электрон с 2s-орбитали переходит на одну из 2p-орбиталей. При переходе электрона с одной орбитали на другую затрачивается энергия.
Таким образом, возбуждённый атом углерода имеет четыре неспаренных электрона. Его конфигурацию можно выразить формулой 2s12p3. Это даёт возможность образовывать четыре ковалентные связи с другими элементами. Например, в молекуле метана (СН4) углерод образует связи с четырьмя атомами водорода – одна связь между s-орбиталями водорода и углерода и три связи между p-орбиталями углерода и s-орбиталями водорода.
Схему строения атома углерода можно представить в виде записи +6C)2)4 или 1s22s22p2.
Рис. 2. Строение атома углерода.
Физические свойства
Углерод встречается в природе в виде горных пород. Известно несколько аллотропных модификаций углерода:
- графит;
- алмаз;
- карбин;
- уголь;
- сажа.
Все эти вещества отличаются строением кристаллической решётки. Наиболее твёрдое вещество – алмаз – имеет кубическую форму углерода. При высоких температурах алмаз превращается в графит с гексагональной структурой.
Рис. 3. Кристаллические решётки графита и алмаза.
Химические свойства
Атомное строение углерода и его способность присоединять четыре атома другого вещества определяют химические свойства элемента. Углерод реагирует с металлами, образуя карбиды:
- Са + 2С → СаС2;
- Cr + C → CrC;
- 3Fe + C → Fe3C.
Также реагирует с оксидами металлов:
- 2ZnO + C → 2Zn + CO2;
- PbO + C → Pb + CO;
- SnO2 + 2C → Sn + 2CO.
При высоких температурах углерод реагирует с неметаллами, в частности с водородом, образуя углеводороды:
С + 2Н2 → СН4.
С кислородом углерод образует углекислый газ и угарный газ:
- С + О2 → СО2;
- 2С + О2 → 2СО.
Угарный газ также образуется при взаимодействии с водой:
C + H2O → CO + H2.
Концентрированные кислоты окисляют углерод, образуя углекислый газ:
- 2H2SO4 + C → CO2 + 2SO2 + 2H2O;
- 4HNO3 + C → CO2 + 4NO2 + 2H2O.
Активность углерода возрастает при нагревании. При низких температурах элемент относительно стабилен.
Что мы узнали?
Углерод – типичный неметалл с шестью электронами на s- и р-орбиталях. В активном состоянии приобретает валентность IV и способен присоединять четыре атома вещества. Углерод может быть представлен в виде угля, сажи, графита, алмаза. Элемент реагирует с металлами, неметаллами, кислотами, кислородом, оксидами.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.1. Всего получено оценок: 239.
Атом углерода — основа органических веществ, поэтому его электронное строение представляет особый интерес при изучении органической химии.
Углерод — первый элемент IV группы периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Два его электрона (в состоянии Is2) находятся на внутреннем Д-у ровне, а на внешнем, Д-уровне, — четыре электрона (в состоянии 2s22p2).
Потеря четырех электронов с Д-уровня (с образованием катиона С4+) энергетически невыгодна, так как при этом каждый из электронов должен преодолеть притяжение положительно заряженного ядра. Приобретение же четырех электронов для образования октета на внешнем Д-уровне также маловероятно (образование С4′). Для этого необходимо преодолеть отталкивание между электронами, что также связано с очень большой затратой энергии. Итак, на внешнем энергетическом уровне атом углерода сохраняет четыре электрона. Как они распределяются по подуровням и орбиталям?
Электронная конфигурация изолированного атома углерода в основном (невозбужденном) состоянии выглядит так:
В этой схеме число неспаренных электронов на р-подуровне не совпадает с его обычной четырехвалентностью (известно, что валентность атома связывают с числом неспаренных электронов на его внешнем энергетическом уровне). Согласно же приведенной схеме распределения электронов по орбиталям может показаться, что у углерода валентность равна двум. Это противоречие можно устранить, если принять во внимание, что атом углерода (как и любой другой) .во время химической реакции возбуждается — меняет свое электронное состояние (условно обозначается как С*). При этом происходит распаривание 2s-электронов и переход одного из них на свободную 2р-орби- таль:
В результате такого перехода электронов на внешнем энергетическом уровне атома углерода оказываются четыре неспаренных электрона — один 2s и три 2р. Это, естественно, требует определенной энергии, но она затем с избытком компенсируется при образовании четырех ковалентных связей.
Таким образом, атом углерода о органических соединениях находится в возбужденном состоянии и его валентность равна четырем.
Четыре неспаренных электрона, которые находятся на //-уровне атома углерода, различны по своему состоянию (один 2s и три 2р). Это предполагало, что неравноценными могут быть и четыре связи, которые образует углеродный атом с любым другим атомом (например, водородом). Например, в молекуле метана одна из связей будет образована только s-электронами (s—s-связь), а три других—s- и р-электронами (s—p-связи). В действительности же, в симметрично построенных органических соединениях (например, в СН4 и CCI4) все четыре связи (С~С
или С—С1) одинаковы. Для объяснения этого факта было введено понятие о гибридизации (смешении) орбиталей. Согласно этой гипотезе электроны в молекулах распределяются не на «чистых» s- и р-орбиталях, а на усредненных, обладающих одинаковой
Рис.4. Схема гибридной ip-орбитали энергией. Такие электронные
орбитали называют гибридными. Их форма отличается от форм исходных 2s- и 2р-орбиталей и представляет собой неправильную «восьмерку», один из «лепестков» которой значительно вытянут и имеет бблыпую электронную плотность (рис. 4). Такие гибридные орбитали в ббльшей степени, чем обычные, могут перекрываться с орбиталями других атомов.
Для атома углерода возможны три типа гибридизации (три валентных состояния).
5р3-Гибридизадия — смешение одной 2s- и трех 2р-орбиталей. Все четыре гибридные орбитали строго ориентированы в пространстве под углом 109°28′ друг к другу, создавая утолщенными «лепестками» геометрическую фигуру — тетраэдр (рис. 5). Поэтому э^-гибридизо- ванный атом углерода часто называют «тетраэдрическим». Состояние углеродного атома с врЗ-гибридными орбиталями (первое валентное состояние) характерно для предельных углеводородов — алканов.
Рис. 5. Схема образования четырех зр3-гибридных орбиталей: а — негибридизованные орбитали атома углерода; б — орбитали атома углерода в состоянии $р3-гибридизации
лр2-Гибридизация — смешение одной 2 s- и двух 2р-орбиталей. Три гибридные орбитали расположены в одной плоскости под углом 120° друг к другу (форма трехлопастного пропеллера) (рис. 6). Оставшаяся 2р-орбиталь не гибридизована и перпендикулярна плоскости, в которой расположены три эрЗ-гибридные орбитали. Состояние атома углерода с врЗ-гибридными орбиталями (второе валентное состояние) характерно для непредельных углеводородов ряда этилена — алкенов.
Рис. 6. Схема образования трех зрЗ-рибридных орбиталей: а — негибридизованные орбитали атома углерода; б — орбитали1 атома углерода в состоянии sp2-rvfipидизации
sp-Гибридизация — смешение одной 2s- и одной 2р-орбитали. Две гибридные орбитали расположены на одной прямой линии под углом 180° друг к другу (рис. 7). Остальные две негибридизованные 2р- орбитали расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Состояние атома углерода с sp-гибридными орбиталями (третье валентное состояние) характерно для непредельных углеводородов ацетиленового ряда — алкинов.
Рис.7. Схема образования двух sp-гибридных орбиталей: а — негибридизованные орбитали атома углерода; б — орбитали атома углерода в состоянии зр-гибридизации
Связь между типом гибридизации орбиталей и характером углеродных атомов показана в табл. 3.
Таблица 3. Гибридные орбитали и характер углеродных атомов
Состояние углеродного атома | Орбитали | Валентное состояние атома углерода | Тип гибридизации и строение молекулы | |||
Возбужденное, исходное состояние | 2s | 2рж | 2Py | 2pz | — | — |
Возбужденное, в алканах | 2 sp3 | 2 sp3 | 2 sp3 | 2 sp3 | i | (sp3) Тетраэдрическое |
Возбужденное, в алке- нах | 2 sp2 | 2 sp2 | 2 sp2 | 2P | ii | (sp2) Тригональное (плоскостное) |
Возбужденное, в алки- нах | 2 sp | 2 sp | 2P | 2V | ш | (sp) Дигональное (линейное) |
Однако гибридизация — всего лишь гипотеза, не подтвержденная экспериментально. Но она является настолько плодотворной, что позволяет судить о химической связи в органических соединениях и об их пространственном строении.
Атом углерода состоит из ядра, имеющего положительный заряд +6 (так как содержит шесть протонов), и электронной оболочки, на которой находятся шесть электронов, расположенных на двух энергетических уровнях (слоях):
Реальное строение атома углерода гораздо сложнее, чем представлено на приведенной схеме.
Дело в том, что «живущий» в пространстве вокруг ядра электрон обладает одновременно свойствами и частицы (имеет массу 1/1840 от массы протона или нейтрона), и волны (способен к огибанию препятствий — дифракции, характеризуется определенной амплитудой, длиной волны, частотой колебаний и т. д.). Нельзя точно определить положение электрона в пространстве вокруг ядра. Поэтому говорят о большей или меньшей вероятности пребывания электрона в данной области пространства. Если бы мы могли сфотографировать атом и на снимке положение электрона отражалось бы в виде точки, то при наложении огромного числа таких снимков мы получили бы картину электронного облака. Чем больше плотность этого облака, тем с большей вероятностью электрон находится в этой области. Пространство вокруг ядра, в котором заключено 90% электронного облака, называется орбиталью. Это означает, что 90% времени электрон находится в этом ограниченном пространстве. В дальнейшем мы будем понимать термины «орбиталь» и «облако» как равноценные.
Атом углерода имеет два вида орбиталей: я-орбитали сферической формы и р-орбитали в форме гантели или объемной восьмерки (рис. 2).
Эти орбитали отличаются друг от друга не только формой, но и удаленностью от ядра атома. Чем более удалена от ядра орбиталь, тем большую энергию имеет электрон на этой орбитали. Энергия электрона — важнейшая характеристика его состояния. Причем, и это очень важно, энергия электрона в атоме может принимать только определенные значения, а сам электрон может занимать орбиталь на определенном расстоянии от ядра. Эти орбитали отличаются запасом (уровнем) энергии.
Чтобы различать энергетические уровни, их нумеруют в порядке удаления от ядра. Ближайший к ядру — первый (1), затем второй (2) и т. д.
В атоме углерода первый уровень составляет одна я-орби-таль, на которой находятся два электрона. Второй энергетический уровень атома углерода также содержит s-орбиталь, но большего размера, так как запас энергии электронов на ней выше, чем у электронов первого уровня, а также три р-орбитали. Это гантелеобразные орбитали одного размера, которые взаимно перпендикулярны, подобно осям координат х, у и 2 (см. рис. 2). Каждую орбиталь могут занимать два электрона, но с противоположными значениями спинов.
Спин (от англ. to spin — вращаться) — это собственный магнитный момент электрона (при введении понятия «спин» в 1925 г. предполагали, что магнитные свойства электрона как заряженной частицы вызваны его вращением вокруг собственной оси). Спин электрона появляется лишь при взаимодействии его с другими электронами и с внешним магнитным полем. Спин может иметь только два значения — положительное и отрицательное.
Чтобы представить расположение электронов в атоме, надо помнить, что каждый электрон занимает энергетически наиболее выгодное положение, при котором запас его энергии будет наименьшим. Он всегда стремится занять наиболее близкое к ядру положение и попасть на орбиталь более простой формы (например, сначала на s-, а уж потом на р-орбиталь). А если в пределах одного уровня имеется несколько одинаковых орби-талей, электроны размещаются вначале каждый на отдельной орбитали с одинаковыми спинами, а уж затем попарно, но с противоположными спинами. Соответственно электронная формула атома углерода будет иметь вид 1s22s22p2.
Очень часто строение электронных оболочек атомов отображают с помощью электронно-графических формул. В них каждая орбиталь обозначается одной клеткой; каждый электрон — стрелкой; направление стрелки соответствует направлению спина.
Изобразим электронно-графические формулы атомов углерода и водорода:
Валентность химического элемента чаще всего определяется числом неспаренных электронов. Атом углерода, как видно из электронно-графической формулы, имеет два неспаренных электрона, поэтому с их участием могут образоваться две электронные пары, осуществляющие две ковалентные связи. Однако в органических соединениях углерод не двух-, а всегда четырехвалентен. Это можно объяснить тем, что в возбужденном (получившем дополнительную энергию) атоме происходит распаривание 2«-электронов и переход одного из них на 2р-орбиталь:
Такой атом имеет четыре неспаренных электрона и может принимать участие в создании четырех ковалентных связей.
Для образования ковалентной связи необходимо, чтобы ор-биталь одного атома перекрывалась с орбиталью другого. При этом чем больше перекрывание, тем прочнее связь.
В молекуле водорода Н2 образование ковалентной связи происходит за счет перекрывания s-орбиталей (рис. 3).
Расстояние между ядрами атомов водорода, или длина связи, составляет 7,4 * 10-2 нм, а ее прочность — 435 кДж/моль.
Для сравнения: в молекуле фтора F2 ковалентная связь образуется за счет перекрывания двух р-орбиталей.
Длина связи фтор—фтор равна 14,2 • 10-2 нм, а прочность (энергия) связи — 154 кДж/моль.
Химические связи, образующиеся в результате перекрывания электронных орбиталей вдоль линии связи, называются а-связями (сигма-связями).
Линия связи — прямая, соединяющая ядра атомов. Для в-орбиталей возможен лишь единственный способ перекрывания — с образованием а-связей.
р-Орбитали могут перекрываться с образованием а-связей, а также могут перекрываться в двух областях, образуя ковалентную связь другого вида — за счет «бокового» перекрывания:
Химические связи, образующиеся в результате «бокового» перекрывания электронных орбиталей вне линии связи, т. е. в двух областях, называются п-связями (пи-связями).
Рассмотренный вид связи характерен для молекул этилена С2Н4, ацетилена С2Н2. Но об этом более подробно вы узнаете из следующего параграфа.
1. Запишите электронную формулу атома углерода. Объясните смысл каждого символа в ней.
Каковы электронные формулы атомов бора, бериллия и лития?
Составьте электронно-графические формулы, соответствующие атомам этих элементов.
2. Запишите электронные формулы:
а) атома натрия и катиона Nа+;
б) атома магния и катиона Мg2+;
в) атома фтора и аниона F-;
г) атома кислорода и аниона О2-;
д) атома водорода и ионов Н+ и Н-.
Составьте электронно-графические формулы распределения электронов по орбиталям в этих частицах.
3. Атому какого химического элемента соответствует электронная формула 1s22s22р6?
Какие катионы и анионы имеют такую же электронную формулу? Составьте электронно-графическую формулу атома и этих ионов.
4. Сравните длины связей в молекулах водорода и фтора. Чем вызвано их различие?
5. Молекулы азота и фтора двухатомны. Сравните числа и характер химических связей между атомами в них.
| Я не химик, а медсестра. Зашла на ваш сайт потому, что он называется: «химия и жизнь» и надеюсь получить ответ на свой вопрос из лечебной практики: Скажите пожалуйста, почему при растворении препарата амбробене для ингаляций в мин. воде Есентуки №17, раствор побелел. Раньше этого не происходило!!! Видимо поменялся состав амбробене? Но состав в инструкции тот-же. Конечно, в инструкции прописано разводить физ. р-ром, но для усиления муколитиаза в бронхах все же использовали мин. воду — и было все хорошо. А сейчас, когда раствор побелел, я его боюсь и не могу использовать не зная можно ли? Здравствуйте,Наталья Владимировна! Не думаю, что поменялся состав препарата. А вот в состав минеральной воды «Ессентуки» входят соли калия, кальция, магния, натрия и др. Возможно при взаимодействии с препаратом образовался небольшой осадок, за счет нерастворимых кальциевых солей. Думаю нужно проконтролировать качество минеральной воды. Добавил: Наталья Владимировна является ли 2-этилбутан изомером гексана Молекула 2-этилбутана теоретически является изомером гексана, т.к. имеет одинаковый качественный и количественный состав. Но правильно эту молекулу называть 2-метилпентан, исходя из правил номенклатуры ИЮПАК, согласно которой сначала выбирают самую длинную углеводородную цепь, затем нумеруют ее с того края ,где ближе расположен заместитель(радикал). Радикал в этой молекуле СН3 — метил и длинная углеводородная цепь насчитывает 5 атомов углерода, поэтому пентан. Добавил: marina Здравствуйте. Вопрос по электролизу фосфата калия (электроды графитовые): анод не растворим, соль кислородсожержащей кислоты, а калий в ряду напряжений до алюминия, значит, на катоде выделяется водород, а на аноде кислород. Но как ведут себя ионы калия в р-ре (образуется ли KOH) и тогда какое молекулярное уравнение? Или рассуждение неверное? Я прикрепила решение. Заранее спасибо) При электролизе фосфата калия электролизу подвергается вода. На катоде разряжается вода и образуется Н2. На аноде разряжается вода и образуется О2. Фосфат калия остается в растворе в виде соли. Гидроксида калия не образуется. Добавил: марина В нашей фирме обслуживает скважины, производит Канализация загородного дома. В Сервисе имеется к продаже ОБЕЗВОЖИВАТЕЛИ ОСАДКА И УТИЛИЗАЦИЯ, Силосы для хранения сыпучих продуктов, Промышленные смесители, Сжигание осадков сточных вод, Водоприемный колодец, Ершовая загрузка, Канализационные насосные станции (КНС), ОДЪЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА И МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ Ангары, Павильоны, ВОДООЧИСТНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Биологическая очистка хоз.бытовых сточных вод, ПОДЪЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА И МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ Ангары, Павильоны, ОЧИСТКА ЛИВНЕВЫХ СТОЧНЫХ ВОД Маслобензотделители, НАСОСНОЕ И КОМПРЕССОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ (Грунфос, КСБ, Вило, КИТ, Взлёт, ТВП) Запорная арматура, ВОДОПОДГОТОВКУ Сорбционная фильтрация, а также все для автомойки Автомойки на базе песчанно-гравийной фильтрации. У нас вы найдете ЛОС, а также Нефтеуловители, мы можем произвести Обустройство скважин под ключ. Бурение артезианских скважин, Оценка запасов подземных вод, Монтаж водоснабжения. Диагностика скважин : [url=https://cpdisa.ru ] Обслуживание скважин[/url] Еще нет ответа на этот вопрос. Добавил: HauplE |