Будова атома вуглецю

19.09.2015

§ 3. Будова атома вуглецю

В даний час органічну хімію розглядають як хімію з’єднань вуглецю, але, віддаючи данину поваги історії, як і раніше продовжують називати її органічною хімією. Тому так важливо більш докладно розглянути будову атома цього елемента, характер та просторове спрямування утворених ним хімічних зв’язків.

Атом вуглецю складається з ядра, що має позитивний заряд +6 (так як містить шість протонів), та електронної оболонки, на якій знаходяться шість електронів, розташованих на двох енергетичних рівнях (шарах).

Будова атома вуглецю

Реальна будова атома вуглецю набагато складніше, ніж показано на наведеній схемі.

Справа в тому, що рухається в просторі навколо ядра електрон володіє одночасно властивостями і частинки (має масу 1/1840 від маси протона або нейтрона), і хвилі (здатний до огибанию перешкод — дифракції, характеризується певною довжиною хвилі, амплітудою і частотою коливань і т. д.). Не можна точно визначити положення електрона в просторі навколо ядра. Тому говорять про більшу чи меншу ймовірність перебування електрона у даній області простору. Якщо б ми могли сфотографувати атом і на знімку положення електрона відбивалося б у вигляді точки, то при накладенні величезного числа таких знімків ми отримали б картину електронного хмари. Чим більше щільність цієї хмари, тим з більшою ймовірністю електрон знаходиться в цій області. Простір навколо ядра, у якому укладено 90% електронного хмари, називається орбиталью. Це означає, що 90% часу електрон знаходиться в цьому обмеженому просторі. Надалі ми будемо розуміти терміни «орбіталь» і «хмара» як рівноцінні.

Атом вуглецю має два види орбіталей: s -орбіталі сферичної форми і р -орбіталі у формі гантелі або об’ємної вісімки (рис. 2). Ці орбіталі відрізняються один від одного не тільки формою, але і віддаленістю від ядра атома. Чим більш віддалений від ядра орбіталь, тим більшу енергію має електрон на цій орбіталі. Енергія електрона — найважливіша характеристика його стану. Причому, і це дуже важливо, енергія електрона в атомі може приймати тільки певні значення, а сам електрон може займати орбіталь різних енергетичних рівнів. Ці орбіталі відрізняються значенням енергії знаходиться на них електрона.

Будова атома вуглецю

Щоб розрізняти енергетичні рівні, їх нумерують в порядку віддалення від ядра. Найближчий до ядра — перший (1), потім другий (2) і т. д.

У атомі вуглецю перший рівень становить одна s -орбіталь, на якій знаходяться два електрона. Другий енергетичний рівень атома вуглецю також містить s -орбіталь, але більшого розміру (запас енергії електронів на ній вища, ніж у електронів s -орбіталі першого рівня), а також три р -орбіталі. Це гантелеобразные орбіталі однакового розміру, осі яких взаємно перпендикулярні, подібно осях координат х. z (див. рис. 2). Кожну орбіталь можуть займати два електрона, але з протилежними значеннями спінів.

Спін (від англ. to spin — обертатися) — це власний момент імпульсу електрона (при введенні поняття «спін» в 1925 р. передбачали, що магнітні властивості електрона як зарядженої частинки викликані його обертанням навколо власної осі). Спін електрона виявляється лише при взаємодії його з іншими електронами і з зовнішнім магнітним полем. Спін може мати тільки два значення: + 1/2 і -1/2»

Щоб уявити розташування електронів в атомі, треба пам’ятати, що кожен електрон займає енергетично найбільш вигідне положення, при якому запас енергії буде найменшим. Він завжди прагне зайняти найбільш близьке до ядра положення і потрапити на орбіталь більш простої форми (наприклад, спочатку на s -, а вже потім на р орбіталь). Якщо в межах одного рівня є кілька однакових орбіталей, електрони розміщуються спочатку кожен на окремій орбіталі з однаковими спинами, а вже затемпопарно, але з протилежними спинами. Відповідно електронна формула атома вуглецю буде мати вигляд 1s 2 2s 2 2p 2 .

Дуже часто будова електронних оболонок атомів відображають за допомогою електронно-графічних формул. В них кожна орбіталь позначається однією клітиною; кожен електрон — стрілкою; напрям стрілки символізує напрямок спина.

Зобразимо електронно-графічні формули атомів вуглецю і водню:

Будова атома вуглецю

Валентність хімічного елемента найчастіше визначається числом неспарених електронів. Атом вуглецю, як видно з електронно-графічну формули, має два неспарених електрона, тому з їх участю можуть утворитися дві електронні пари, які здійснюють два ковалентні зв’язки. Проте в органічних сполуках вуглець не дво-, а чотирьохвалентний. Це можна пояснити тим, що в збудженому (отримав додаткову енергію) атомі відбувається розпарювання 2s -електронів і перехід одного з них на 2р -орбіталь.

Будова атома вуглецю

Такий атом має чотири неспарених електрона і може приймати участь у створенні чотирьох ковалентних зв’язків.

Для утворення ковалентного зв’язку необхідно,щоб орбіталь одного атома перекривалася з орбиталью іншого. При цьому чим більше перекривання, тим міцніший зв’язок.

В молекулі водню Н2 утворення ковалентного зв’язку відбувається за рахунок перекривання s -орбіталей (рис. 3).

Будова атома вуглецю

Відстань між ядрами атомів водню, або довжина зв’язку, становить 7,4 • 10 -2 нм, а її міцність — 435 кДж/моль.

Для порівняння: в молекулі фтору F2 ковалентний зв’язок утворюється за рахунок перекривання двох р -орбіталей.

Будова атома вуглецю

Довжина зв’язку фтор—фтор дорівнює 14,2 • 10 -2 нм, а сила (енергія) зв’язку — 154 кДж/моль.

Будова атома вуглецю

Лінія — пряма, що з’єднує ядра атомів. Для s -орбіталей можливий лише єдиний спосіб перекриття — з утворенням σ -зв’язків.

р -Орбіталі можуть перекриватися з утворенням σ -зв’язків, а також можуть перекриватися у двох областях, утворюючи ковалентную зв’язок іншого виду — за рахунок «бічного» перекривання.

Будова атома вуглецю

Будова атома вуглецю

Розглянутий вид зв’язку характерний для молекул етилену З2 Н4. ацетилену З2 Н2. Але про це більш докладно про це ви дізнаєтесь з наступного параграфа.

Будова атома вуглецю

1. Запишіть електронну формулу атома вуглецю. Поясніть зміст кожного символу в ній. Які електронні формули атомів бору, берилію і літію? Складіть електронно-графічні формули, відповідні атомів цих елементів.

2. Запишіть електронні формули:

а) атома натрію та катіони Na + ;

б) атома магнію і катіона Mg 2+ ;

в) атома фтору і аніона F — ;

г) атома кисню і аніона Про 2- ;

д) атома водню та іонів Н + і Н — .

Складіть електронно-графічні формули цих частинок.

3. Атому якого хімічного елемента відповідає електронна формула 1s 2 2s 2 2p 6 ?

Які катіони і аніони мають таку ж електронну формулу? Складіть електронно-графічну формули атома і цих іонів.

4. Порівняйте довжини зв’язків у молекулах водню і фтору. Чим викликана їхня відмінність?

5. Молекули азоту і фтору двухатомны. Порівняйте кількість і характер хімічних зв’язків між атомами в них.

6. У чому подібність і відмінність в будові ядер ізотопів вуглецю, 12 і 13 С? Яке співвідношення числа атомів, 12 і 13 С в природній суміші ізотопів? Розрізняється будова електронних оболонок цих атомів?

7. Порівняйте електронні конфігурації та електронно-графічні формули атомів вуглецю, азоту, кисню і сірки. У чому їх схожість, у чому відмінність? Можливий перехід атомів цих елементів у збуджений стан? Яке у цьому випадку число неспарених електронів в атомі? Охарактеризуйте валентні можливості атомів цих елементів за рахунок неспарених електронів.

Короткий опис статті: будова атома хімія Будова атома вуглецю. Хімія. 10 клас. Поглиблений рівень. Габрієлян Підручник, хімія, 10 клас, поглиблений рівень, профільний рівень, Габрієлян, будова атома вуглецю, ГДЗ.

Джерело: Будова атома вуглецю

Також ви можете прочитати