Запишите электронную и электронно-графическую формулы атомов углерода. На примере образования молекулы метана CH₄ объясните, почему углерод может образовать четыре связи.

Углерод имеет порядковый номер 6, поэтому в его атоме 6 электронов.

Электронная формула атома углерода в основном состоянии:

По энергетическим уровням:

То есть на первом уровне находятся 2 электрона, на втором — 4 электрона.

Электронно-графическая формула в основном состоянии:

На внешнем уровне у углерода два неспаренных электрона, поэтому в основном состоянии можно было бы ожидать образование только двух связей.

Однако при образовании метана атом углерода переходит в возбуждённое состояние: один электрон с 2s-подуровня перемещается на свободную 2p-орбиталь.

Электронно-графическая формула возбуждённого атома:

Теперь у углерода имеется четыре неспаренных электрона. Каждый из них может образовать общую электронную пару с электроном атома водорода.

При образовании молекулы метана происходит гибридизация одной 2s- и трёх 2p-орбиталей углерода. Возникают четыре одинаковые $sp^3$-гибридные орбитали, на каждой находится по одному электрону. Они перекрываются с 1s-орбиталями четырёх атомов водорода, образуя четыре прочные одинарные ковалентные связи C—H:

Следовательно, углерод способен образовывать четыре связи, потому что в возбуждённом состоянии у него появляются четыре неспаренных электрона, а после гибридизации возникают четыре равноценные орбитали для образования четырёх связей с атомами водорода.