СТРОЕНИЕ АТОМА УГЛЕРОДА - ВВЕДЕНИЕ

Цели урока. Рассмотреть строение атома углерода и на этой основе повторить Периодическую систему и строение атома: физический смысл номера элемента, номера периода, номера группы, распределение электронов в атоме по уровням и орбиталям. Дать понятие о нормальном и возбужденном состояниях атома углерода и на этой основе охарактеризовать его четырехвалентность.

Оборудование: воздушные шары продолговатой (3 штуки) и округлой (2 штуки) формы.

I. Электронное строение атома углерода

Изучение материала в курсе химии 9 класса начиналось с формирования у учащихся умения характеризовать свойства элемента по его положению в Периодической системе. Этот дедуктивный подход (от общего к частному) закреплялся в неорганической химии при изучении свойств элементов главных подгрупп. У ребят уже сформировалось представление о значении Периодического закона не только для классификации элементов, но и для предсказания свойств образованных ими веществ на основании строения атома. В 10 классе происходит своеобразная «передача эстафеты» от одного великого обобщения другому: от Периодического закона к теории строения органических веществ А. М. Бутлерова. Поэтому учитель, в очередной раз подчеркивая значение работ Д. И. Менделеева в химии, при самом непосредственном участии ребят проверяет «выживаемость» их знаний в области строения атома и его влияния на свойства элемента.

Беседа проходит в форме беседы. На свой короткий вопрос учитель должен получить не менее лаконичный и обоснованный ответ, при необходимости конкретизировать или уточнить его. Вопросы учителя могут быть такого плана (на первые два—три вопроса учитель оформляет ответ так, чтобы ребята поняли, что от них требуется).

1. Каков заряд ядра атома углерода? (Заряд ядра атома углерода равен плюс шести, поскольку этот элемент в Периодической системе Д. И. Менделеева имеет порядковый номер 6.)

2. Каково число протонов в ядре атома углерода? (Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, то есть шести.)

3. Сколько нейтронов содержится в ядре изотопа углерода ¹²С? (Число нейтронов равно разности между массовым числом атома и числом протонов в ядре, то есть 12 - 6 = 6.)

4. Сколько электронов в атоме углерода?

5. Сколько энергетических уровней в атоме углерода?

6. Каково число электронов на внешнем электронном уровне?

7. Изобразите общую электронную формулу атома углерода?

8. Что такое орбиталь?

9. Какие формы электронных орбиталей вы знаете?

10. Какие орбитали и сколько их составляют внешний электронный уровень углерода?

11. Как записать квантовые диаграммы атома углерода в основном и возбужденном состояниях? Каково число неспаренных электронов в том и другом случае?

Перед тем как перейти к вопросу о механизме образования ковалентной связи, учитель с помощью воздушных шаров демонстрирует формы s- и р-рбиталей. Если s-орбиталь вполне наглядно изображает шарик округлой формы, то для «изготовления» объемной восьмерки понадобится шар продолговатый. Его несильно надувают, сжимают посредине пальцами, сжатыми в кольцо, и несколько раз поворачивают одно из образующихся облаков. С помощью трех шаров можно изобразить взаимно перпендикулярное расположение осей трех р-орбиталей, скрепив их за узлы.

II. Образование и типы ковалентных связей по способу перекрывания орбиталей

Учитель напоминает, что движущей силой образования химических связей между атомами является их стремление завершить внешний электронный уровень до устойчивой оболочки благородного газа (для водорода это два электрона, для углерода — восемь). Одним из возможных путей такого процесса является обобществление электронов. Два атома предоставляют друг другу «в пользование» свои электроны, образуя ковалентную связь. Как же происходит обобществление электронов?

При сближении двух атомов (например, водорода) друг с другом их s-орбитали начинают перекрываться. В месте перекрывания возникает избыточная электронная плотность, т. е. участок пространства, где вероятность встретить электрон увеличивается. Условно считают, что между атомами образуется общая электронная пара. Дальнейшее сближение атомов невозможно по причине взаимного отталкивания одноименно заряженных ядер и глубже расположенных электронных слоев (например, для атомов углерода). Но и для разрыва образовавшейся связи требуется затратить некоторое количество энергии — тем большее, чем прочнее связь. Эта энергия в расчете на 1 моль вещества называется энергией связи и измеряется в кДж/моль.

С помощью тех же шаров учитель демонстрирует образование ковалентной полярной связи за счет перекрывания двух s-орбиталей, s- и p-орбиталей. Если шарики достаточно прозрачны, площадь их соприкосновения имеет более темную окраску, что создает иллюзию повышенной электронной плотности. Сильно приблизить шарики друг к другу не удается: возрастают силы отталкивания. Слегка надавливая на шары, учитель показывает, как атомы колеблются относительно положения равновесия. Равновесное расстояние между центрами ядер двух атомов называется длиной химической связи.

Теперь в руках учителя две «p-орбитали». Если предположить, что на каждой из них располагается по одному неспаренному электрону, могут ли они образовать ковалентную связь? Да, для этого орбитали должны перекрываться. Каким образом? В случае двух s-орбиталей такого вопроса (благодаря их высокосимметричной геометрической форме) не возникало. Первый вариант перекрывания очевиден: оси двух p-орбиталей совпадают — расположены вдоль одной прямой. Второй способ перекрывания необычен: оси орбиталей параллельны, возникает не одна, а две области перекрывания. Нетрудно догадаться, что свойства образующихся химических связей в том и другом случае будут различны. Если электронная плотность ковалентной связи расположена на линии, соединяющей центры ядер двух атомов, то это — G-связь. Если же электронная плотность лежит вне этой линии, то по механизму перекрывания это π-связь.

Можно ли отнести ковалентные связи образованные s—s- и s—р-орбиталями к σ- или π-типу? Учитель просит ребят применить использовать при ответе на этот вопрос только что данные определения. Получается, что указанные связи относятся к σ-типу, и это действительно так.

Для закрепления пройденного материала учитель предлагает (дома или на уроке) учащимся выполнить следующие задания.

Задание 1

При образовании ковалентных связей атомы водорода и углерода стремятся завершить свои внешние электронные уровни до оболочки благородных газов. Каких? Сколько электронов на внешнем уровне у атомов этих благородных газов?

Задание 2

Длины связи в молекулах Н₂, F₂, Сl₂, Вr₂, равны соответственно 0,074 нм; 0,142 нм; 0,200 нм; 0,228 нм. С чем связано возрастание длины связи в этом ряду?

Задание 3

Орбитали какого типа перекрываются при образовании связей Н—Cl, Н—Н, Cl—Сl? Какие из этих связей полярны, а какие неполярны?