УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12/2003

§ 4.9. Одинарная химическая связь
(окончание)

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Как вы считаете, какая из двух задач сформулирована научно более правильно?
1) В молекуле СН₄ валентные орбитали атома углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации. Каковы углы между связями?
2) В молекуле СН₄ каждый угол между связями равен 109,5°. Каково состояние гибридизации валентных орбиталей атома углерода?

2. Перечислите как можно больше молекул с одинарной химической связью.

3. Углы между связями Н–С–С в молекулах этана, этилена и ацетилена равны:

Каков тип гибридизации внешних (валентных) электронных орбиталей атомов углерода?

4. Переведите на русский язык.

The electronic configuration of the carbon atom in its ground state is 1s²2s²2p², so that there are two 2p electrons with unpaired spins. This would imply that carbon has a valence of two, whereas this element is well known to be quadrivalent. Apparently, in chemical combination, an excited state of the carbon atom 1s²2s¹2p³, with one s and three p unpaired electrons, is first formed. The four orbitals then combine to form four identical hybrid orbitals, which satisfy the requirement of four equal bonds of the carbon atom.
These sp³ hybrid orbitals have maxima in directions making tetrahedral angles (109°28') with each other. The result provides a theoretical basis for the familiar tetrahedral carbon atom. Similar tetrahedral hybridization occurs in the nitrogen atom in ammonium compounds.
Another type of hybridization exhibited by the carbon atom can occur between one s and two of the p orbitals leaving the third p orbital unchanged. The tree equivalent sp² hybrid orbitals are found to have their maxima lying in one plane, the directions making angles of 120° with each other. The unaffected p orbital is directed at right angle to this plane. In the C=C bond, it is believed that one of the linkages is formed by the overlapping of one of the hybrid orbitals of each carbon atom and the other by the unchanged p orbitals, which are now parallel. The latter bond is much weaker than the former, thus accounting for the fact that a C=C bond is readily converted into a C–C bond by addition of hydrogen, halogen, etc.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Сегодня мы займемся моделированием кристаллических решеток. Для этого вам понадобится коробок спичек и пластилин. Из пластилина заготовьте шарики размером с горошину. Спичку удобнее разделить на две части, тогда фигура будет более прочной. Шариком из пластилина скрепляйте концы спичек (их половинок).

1. Неизвестная геометрическая фигура.
Из шести спичек и шариков пластилина соберите четыре равносторонних треугольника, длина сторон которых равна длине спички.
Эта задача очень трудная, т. к. проверяет уровень творческого мышления человека.
Как называется полученная фигура? Какие молекулы и ионы имеют конфигурацию этой фигуры? Чему равен угол между воображаемыми прямыми, соединяющими точку в центре этой фигуры с ее вершинами?

2. Модель кристаллической решетки алмаза.
Соберите (не на плоскости!) модель кристаллической структуры алмаза, учитывая, что из каждого атома исходят четыре совершенно равноценные связи (равные межъядерные расстояния, равные углы между связями). Чему равен угол между связями и как он называется?

3. Модель кристаллической решетки льда.
1-й вариант. Считая молекулу воды точкой, соберите модель кристаллической решетки льда, зная, что каждая молекула соединена с четырьмя другими. Связи между молекулами примите равноценными. Почему структуру льда считают похожей на структуру алмаза?
2-й вариант. Благодаря sp³-гибридизации четырех орбиталей второго энергетического уровня атома кислорода из него исходят четыре гибридные орбитали. Две из них перекрываются с s-орбиталями двух атомов водорода, образуя две s-связи. Это – молекула воды. Два атома водорода молекулы воды взаимодействуют с атомами кислорода двух других молекул воды, образуя две водородные связи.
Оставшиеся две другие гибридные орбитали атома кислорода способны к дополнительному взаимодействию с еще двумя молекулами воды через их атомы водорода.
Создайте модель кристаллической структуры льда, предполагая, что все межъядерные расстояния равны.

4. Модель кристаллической решетки графита.В графите атомы углерода расположены слоями. В слое каждый атом углерода связан с тремя другими. Благодаря sp²-гибридизации углы между связями равны 120°. Одна из орбиталей атома углерода расположена перпендикулярно плоскому слою, и взаимодействие таких орбиталей слабо связывает слои. Если связь между атомами углерода в слое вы изобразите половиной спички, то связь, образованную силами Ван-дер-Ваальса, между слоями можно изобразить целой спичкой.

Справочные данные. В структуре алмаза валентные орбитали атома углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации. Углы между связями все равны по 109,5°, межъядерные расстояния – 0,154 нм. В структуре графита валентные орбитали атома углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации. Атомы углерода расположены плоскими слоями, в которых межъядерные расстояния равны 0,142 нм, углы между связями – 120°, расстояние между слоями – 0,335 нм.

О.С.ЗАЙЦЕВ