15. Опишите химическую связь в молекуле бутана. Сколько s и sp3-орбиталей участвуют в образовании σ-связи?

Молекула бутана (C₄H₁₀) состоит из четырёх углеродных атомов, связанных один с другим, и десяти водородных атомов, которые присоединены к углеродным атомам. В бутане образуются только одинарные (σ) связи, так как это насыщенное углеводородное соединение (алкан).

1. Химическая связь в молекуле бутана:
   В молекуле бутана углеродные атомы соединены друг с другом с помощью одинарных (σ) связей. Каждый углеродный атом образует четыре ковалентные связи — по одной с водородом и по одной с соседними углеродами. В результате в молекуле бутана возникают четыре σ-связи между углеродами (C–C), а также σ-связи между углеродами и водородами (C–H).

2. Какие орбитали участвуют в образовании σ-связи?
   В молекуле бутана углеродные атомы sp³-гибридизуются, образуя sp³-орбитали. Это связано с тем, что углерод в алканах имеет четыре связи и, чтобы максимально эффективно расположить их, атом углерода использует гибридизацию sp³.

   Каждая сп³-орбиталь углерода перекрывается с орбиталью водорода (для связей C–H) или с орбиталью другого углерода (для связей C–C). Образующиеся таким образом связи являются σ-связями, которые характеризуются высокой прочностью и стабильностью.

3. Количество участвующих орбиталей:
   В молекуле бутана каждый углеродный атом использует 4 sp³-гибридизованные орбитали для образования связей. Таким образом, на каждую σ-связь между углеродами и водородами участвует одна sp³-орбиталь углерода и одна 1s-орбиталь водорода. На образование σ-связей C–C также расходятся сп³-орбитали двух углеродов.

   В молекуле бутана (C₄H₁₀) имеется 10 связей C–H и 3 связи C–C. Следовательно, всего задействовано:

   • 4 углеродных атома × 4 sp³-орбитали = 16 sp³-орбиталь углеродов.

   • 10 водородных атомов × 1s-орбиталь водорода = 10 1s-орбиталь.

   • 3 связи C–C, для которых участвуют 2 sp³-орбитали углеродов в каждой (6 sp³-орбиталей).

Таким образом, всего в образовании σ-связей в молекуле бутана участвуют 16 sp³-орбиталей углеродов и 10 1s-орбиталей водорода.