Номер 1, страница 42 - гдз по химии 10 класс учебник Колевич, Матулис

1. Почему молекула метана не является плоской?

Молекула метана ($CH_4$) не является плоской из-за особенностей электронного строения центрального атома углерода и электростатического отталкивания электронных пар, образующих химические связи. Это явление объясняется с помощью теории гибридизации атомных орбиталей и модели отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR).

Гибридизация атомных орбиталей:
Атом углерода (C) в основном состоянии имеет электронную конфигурацию $1s^2 2s^2 2p^2$. Для образования четырех эквивалентных связей с атомами водорода (H) атом углерода переходит в возбужденное состояние, и его валентные орбитали — одна $2s$ и три $2p$ — смешиваются (гибридизуются). В результате этого процесса образуются четыре одинаковые по форме и энергии $sp^3$-гибридные орбитали.

Пространственная геометрия (модель VSEPR):
В молекуле метана центральный атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. Четыре химические связи C–H образованы четырьмя парами валентных электронов. Поскольку электронные пары имеют отрицательный заряд, они взаимно отталкиваются. Согласно модели VSEPR, для минимизации этого отталкивания и достижения наиболее стабильной конфигурации, эти четыре электронные пары располагаются в пространстве на максимально возможном удалении друг от друга.

Геометрическая фигура, которая позволяет расположить четыре объекта вокруг центральной точки на максимальном удалении друг от друга, — это тетраэдр. В этой конфигурации атом углерода находится в центре тетраэдра, а четыре атома водорода — в его вершинах. Угол между любыми двумя связями H–C–H составляет приблизительно $109.5^\circ$.

Если бы молекула метана была плоской (например, имела бы квадратную форму), то углы между связями составляли бы $90^\circ$. Такой угол меньше, чем $109.5^\circ$, что привело бы к значительно большему отталкиванию между электронными парами и, следовательно, к менее стабильной, энергетически невыгодной структуре.

Таким образом, тетраэдрическое, а не плоское, строение молекулы метана является прямым следствием $sp^3$-гибридизации атома углерода и фундаментального принципа минимизации энергии системы путем максимального пространственного разделения отталкивающихся друг от друга электронных пар.

Ответ: Молекула метана не является плоской, так как центральный атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации, образуя четыре равноценные связи. Эти связи, представляющие собой отталкивающиеся друг от друга пары электронов, располагаются в пространстве на максимальном удалении друг от друга, что соответствует тетраэдрической геометрии с валентными углами H–C–H около $109.5^\circ$. Плоская структура была бы энергетически менее выгодной из-за более сильного отталкивания.