3. На основе положений метода валентных связей охарактеризуйте строение молекулы CO₂ и иона CO₃²⁻. 3.1. Составьте электронно-графические формулы атома углерода в основном и возбуждённом состояниях. 3.2. Определите тип гибридизации валентных орбиталей атома углерода в этих молекулярных частицах и их пространственную структуру. 3.3. Объясните образование нелокализованной π-связи в ионе CO₃²⁻.

3.1. Электронно-графические формулы углерода

У углерода атомный номер 6. В основном состоянии его электронная конфигурация: 1s² 2s² 2p². Схема валентных орбиталей:

Основное состояние: 2s [↑↓]   2p [↑] [↑] [ ].

При возбуждении один электрон переходит с 2s на 2p. Возбуждённая конфигурация: 1s² 2s¹ 2p³.

Возбуждённое состояние: 2s [↑]   2p [↑] [↑] [↑].

В модели валентных связей такое возбуждение позволяет углероду образовать четыре ковалентные связи.

3.2. Гибридизация и пространственное строение

CO₂. В линейной молекуле углерод образует две σ-связи с атомами кислорода. Для них используются две sp-гибридные орбитали, направленные в противоположные стороны. Угол O–C–O равен 180°, поэтому молекула линейная. Две оставшиеся негибридизованные p-орбитали углерода участвуют в образовании двух π-связей — по одной в каждом фрагменте C=O. Строение можно представить как O=C=O; каждая двойная связь состоит из одной σ- и одной π-связи.

CO₃²⁻. Углерод образует три σ-связи с тремя атомами кислорода, используя три sp²-гибридные орбитали. Ион имеет плоскую треугольную структуру: атом углерода и три атома кислорода лежат в одной плоскости; углы O–C–O равны 120°. Негибридизованная p-орбиталь углерода перпендикулярна этой плоскости.

3.3. Нелокализованная π-связь в CO₃²⁻

Негибридизованные p-орбитали углерода и кислорода перекрываются боковым образом. Электронная плотность π-системы распределена над и под плоскостью иона и не принадлежит только одной паре атомов C–O. Три равноценные резонансные структуры отличаются тем, к какому атому кислорода условно отнесена двойная связь; реальное строение является их общим, резонансным гибридом.

Поэтому все три связи C–O в карбонат-ионе равноценны. В упрощённой модели их средний порядок связи равен 1⅓: три σ-связи дополняются общей делокализованной π-связью, распределённой между тремя связями C–O.