Номер 5, страница 15 - гдз по химии 10 класс учебник Колевич, Матулис

5. В чём уникальность строения атома углерода, позволяющего ему быть основой для молекул миллионов органических соединений?

Уникальность атома углерода, позволяющая ему быть основой для миллионов органических соединений, обусловлена совокупностью нескольких ключевых свойств его строения.

Атом углерода ($C$) имеет 4 электрона на внешнем энергетическом уровне и в возбуждённом состоянии ($1s^22s^12p^3$) способен образовывать четыре прочные ковалентные связи. Это свойство является основополагающим для построения сложных и разветвлённых молекулярных скелетов, характерных для органических веществ.

Другим важнейшим свойством является способность к гибридизации атомных орбиталей. Валентные орбитали углерода ($одна \text{s}$- и три $\text{p}$-) могут смешиваться, образуя новые, гибридные орбитали. Это позволяет углероду формировать не только одинарные связи ($sp^3$-гибридизация, тетраэдрическая геометрия, угол $\approx 109.5^\circ$), но и кратные — двойные ($sp^2$-гибридизация, плоская геометрия, угол $120^\circ$) и тройные ($sp$-гибридизация, линейная геометрия, угол $180^\circ$). Такое разнообразие типов связей и геометрий молекул многократно увеличивает число возможных структур.

Исключительной особенностью углерода является его способность к катенации — образованию прочных и устойчивых цепей и циклов из последовательно соединённых атомов углерода. Связь углерод-углерод ($C-C$) обладает высокой энергией (около $348$ кДж/моль), что обеспечивает стабильность таких скелетов. У других элементов, например, у кремния, аналогичная связь $Si-Si$ значительно слабее, поэтому длинные цепи из атомов кремния неустойчивы. Именно катенация лежит в основе огромного многообразия органических молекул, от простых углеводородов до биополимеров (белки, ДНК).

Наконец, малый атомный радиус и умеренная электроотрицательность (2.55 по Полингу) позволяют углероду образовывать прочные ковалентные связи не только с самим собой, но и с широким спектром других элементов, прежде всего с водородом, кислородом, азотом. Эти связи достаточно стабильны для существования сложных молекул, но в то же время могут разрываться и образовываться вновь в ходе химических реакций, что является основой метаболизма живых организмов.

Ответ:

Уникальность строения атома углерода заключается в сочетании четырёх ключевых факторов: 1) способность образовывать четыре прочные ковалентные связи; 2) способность атомных орбиталей к $sp^3$-, $sp^2$- и $sp$-гибридизации, что позволяет формировать одинарные, двойные и тройные связи и создавать молекулы различной пространственной структуры; 3) исключительная способность к катенации — образованию прочных и стабильных цепей и циклов из атомов углерода; 4) малый атомный радиус и средняя электроотрицательность, обеспечивающие формирование прочных ковалентных связей с широким кругом других элементов.