Номер 322, страница 80 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

322. Нарисуйте схему перекрывания атомных орбиталей при образовании $\sigma$- и $\pi$-связей в молекуле ацетилена. Укажите тип гибридизации атомов углерода. Расположите следующие молекулы: ацетилен, этилен, этан в порядке:

а) увеличения прочности связи углерод—углерод;

б) увеличения длины связи углерод—углерод.

Молекула ацетилена имеет химическую формулу $C_2H_2$ и структурную формулу $H-C \equiv C-H$. В этой молекуле каждый атом углерода образует две $\sigma$-связи (одну с другим атомом углерода и одну с атомом водорода) и две $\pi$-связи (с другим атомом углерода). Для образования двух $\sigma$-связей атом углерода должен предоставить две гибридные орбитали. Это соответствует **sp-гибридизации**.

При sp-гибридизации одна s-орбиталь и одна p-орбиталь атома углерода смешиваются, образуя две равноценные sp-гибридные орбитали. Эти орбитали расположены на одной прямой под углом 180° друг к другу. Две оставшиеся p-орбитали ($p_y$ и $p_z$) не участвуют в гибридизации и располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Схема перекрывания атомных орбиталей при образовании связей в ацетилене выглядит следующим образом:

Образование $\sigma$-связей: Каркас молекулы образуется за счет осевого перекрывания орбиталей.

Одна $\sigma$-связь $C-C$ образуется при перекрывании sp-гибридных орбиталей двух атомов углерода.

Две $\sigma$-связи $C-H$ образуются при перекрывании sp-гибридной орбитали каждого атома углерода с 1s-орбиталью атома водорода.

В результате все четыре атома в молекуле ацетилена располагаются на одной прямой.

Образование $\pi$-связей: У каждого атома углерода есть по две негибридные p-орбитали, оси которых перпендикулярны линии $\sigma$-связей.

Боковое перекрывание двух $p_y$-орбиталей (по одной от каждого атома углерода) приводит к образованию одной $\pi$-связи.

Боковое перекрывание двух $p_z$-орбиталей приводит к образованию второй $\pi$-связи.

Эти две $\pi$-связи располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через линию связи C-C. Таким образом, тройная связь в ацетилене состоит из одной $\sigma$- и двух $\pi$-связей.

а) Прочность связи углерод-углерод зависит от ее кратности. В ряду этан — этилен — ацетилен кратность связи между атомами углерода увеличивается: в этане ($H_3C-CH_3$) связь одинарная (одна $\sigma$-связь), в этилене ($H_2C=CH_2$) — двойная (одна $\sigma$- и одна $\pi$-связь), в ацетилене ($HC \equiv CH$) — тройная (одна $\sigma$- и две $\pi$-связи). Чем выше кратность связи, тем больше энергии нужно затратить на ее разрыв, следовательно, тем она прочнее. Поэтому прочность связи увеличивается в ряду этан < этилен < ацетилен.

Ответ: этан, этилен, ацетилен.

б) Длина связи углерод-углерод обратно пропорциональна ее кратности. Увеличение числа связывающих электронов между атомами углерода приводит к их более сильному взаимному притяжению и, как следствие, к уменьшению межъядерного расстояния. Также на длину связи влияет и тип гибридизации атомов углерода: чем больше доля s-орбитали в гибридной орбитали (s-характер), тем короче связь. S-характер увеличивается в ряду: $sp^3$ (этан, 25%) < $sp^2$ (этилен, 33,3%) < $sp$ (ацетилен, 50%). Таким образом, одинарная связь в этане самая длинная, а тройная связь в ацетилене — самая короткая. Порядок увеличения длины связи: ацетилен < этилен < этан.

Ответ: ацетилен, этилен, этан.