Валентность углерода (С)

 Теория:

Валентность углерода (С) — это способность образовывать в соединениях 4 химические связи, то есть 4 (четыре).

Это происходит потому, что углерод находится в IV-й группе Периодической таблицы, что означает, что у него 4 валентных электрона.

Наиболее характерная и устойчивая валентность углерода — IV (четыре). Он стремится образовать четыре ковалентные связи, чтобы достичь стабильной электронной конфигурации (как у инертного газа неона, 1s²2s²2p⁶).

Это достигается за счет перехода атома углерода в возбужденное состояние, когда один электрон с 2s-орбитали переходит на свободную 2p-орбиталь, в результате чего образуется 4 неспаренных электрона, способных к образованию связей.

Почему валентность у углерода 4?

Валентность углерода (C) чаще всего равна IV (четыре).

Это его наиболее характерное и устойчивое состояние в большинстве соединений, особенно в огромном мире органической химии.

✅Положение в Периодической таблице: Углерод находится в IV группе Периодической системы.

Для элементов главных подгрупп номер группы часто указывает на высшую валентность.

✅Электронное строение (валентные электроны):
Атомный номер углерода — 6. Его электронная конфигурация в основном (невозбужденном) состоянии — 1s²2s²2p².

На внешнем энергетическом уровне (втором) у него 4 электрона: два спаренных электрона на 2s-орбитали и два неспаренных на 2p-орбитали.

В таком состоянии атом мог бы образовать только две связи (по числу неспаренных электронов).

Однако, для углерода энергетически выгодно перейти в возбужденное состояние.

При этом один из электронов с 2s-орбитали «перескакивает» на свободную 2p-орбиталь.

В возбужденном состоянии электронная конфигурация становится 1s²2s¹2p³. Теперь на внешнем уровне у углерода четыре неспаренных электрона (один на 2s-орбитали и три на 2p-орбиталях).

Эти четыре неспаренных электрона могут образовывать четыре ковалентные связи с другими атомами.

За счёт этого углерод достигает стабильного октета (8 электронов на внешнем уровне, как у неона), что энергетически очень выгодно.

✅Гибридизация: В большинстве соединений углерод образует связи с использованием гибридизованных орбиталей (sp³, sp², sp).

Что позволяет ему формировать четыре равноценные связи (как в метане CH₄) или комбинации одинарных, двойных и тройных связей.

Как определить валентность углерода?

Учитывая, что углерод в подавляющем большинстве органических соединений четырёхвалентен, а в неорганических также часто проявляет эту валентность, методы определения сводятся к следующему:

✅По умолчанию (для органических соединений):

В органической химии, если нет явных указаний на обратное (как в CO), считайте углерод четырёхвалентным. Это базовое правило.

Просто посчитайте количество связей, которые образует атом углерода с соседними атомами в структурной формуле.

Должно быть четыре «черточки» (связи) от каждого атома углерода.

Пример: В метане (CH₄) — каждый C образует 4 связи с H.

В этане (C₂H₆) — каждый C образует 1 связь с другим C и 3 связи с H (итого 4).

В этилене (C₂H₄) — каждый C образует 2 связи с другим C (двойная связь) и 2 связи с H (итого 4).

По формуле соединения (если известна валентность другого элемента):

Этот метод универсален и работает для неорганических соединений.

Пример: CO₂(углекислый газ).Валентность кислорода (O) всегда II.

В молекуле два атома кислорода: 2 × II = 4 суммарных «валентных единиц» от кислорода.

Так как атом углерода связан с этими двумя атомами кислорода, и все связи должны быть «насыщены», углерод также должен предоставить 4 «валентных единицы».

Следовательно, валентность углерода в CO₂ равна IV.

✅По положению в Периодической таблице (для высшей валентности):

Углерод находится в IV группе, что указывает на его высшую валентность IV.

Хотя углерод может проявлять валентность II в угарном газе (CO), это особый случай, где помимо двух обычных ковалентных связей есть ещё одна, образованная по донорно-акцепторному механизму.

Однако для общей характеристики и большинства случаев, особенно в органике, запомните: валентность углерода — IV.

Тип связи в молекуле углерода

В большинстве форм элементарного углерода и в огромном числе его соединений — это ковалентная связь.

Углерод обычно существует в виде аллотропных модификаций (алмаз, графит, фуллерены и т.д.), которые представляют собой атомные кристаллические решетки или сложные молекулярные структуры, где атомы углерода прочно связаны между собой.

Например:

✅В элементарном углероде (аллотропные модификации):

Алмаз: В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами углерода одинарными ковалентными связями (по типу sp³-гибридизации).

Это формирует очень прочную, трёхмерную кристаллическую решётку, что обуславливает исключительную твёрдость алмаза.

Графит: В графите каждый атом углерода связан с тремя другими атомами углерода одинарными ковалентными связями (по типу sp²-гибридизации), образуя плоские гексагональные слои.

Четвёртый валентный электрон каждого атома формирует делокализованные π-связи над и под этими слоями (как в бензольном кольце), обеспечивая электропроводность.

Между слоями действуют слабые межмолекулярные силы (ван-дер-ваальсовы), поэтому графит мягкий и слои легко скользят друг относительно друга.

 Пример решения, задача:

Соединение состоит из атомов углерода (C) и кислорода (O).

Дано: Известно, что валентность углерода в этом соединении равна IV (четыре), а валентность кислорода — II (два).

Определите химическую формулу этого соединения.

Решение: Запишем символы элементов и их валентности:
C(IV)O(II)

Найдем наименьшее общее кратное (НОК) для валентностей.

Валентности: 4 (для C) и 2 (для O).

НОК(4, 2) = 4.

Определим индексы (количество атомов) каждого элемента.

Для углерода: НОК / Валентность углерода = 4/4 = 1.

Для кислорода: НОК / Валентность кислорода = 4/2 = 2.

Запишем формулу, используя найденные индексы.

CO₂ (единицу обычно не пишут).

Ответ: Химическая формула этого соединения — CO₂ (углекислый газ, или диоксид углерода).

 Часто задаваемые вопросы: