Страница 15 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Сформулируйте основные положения структурной теории органических соединений. Какое из них кажется вам наиболее очевидным, а какое наименее?

Основные положения структурной теории органических соединений

Структурная теория химического строения органических соединений, разработанная А. М. Бутлеровым, включает в себя следующие ключевые положения:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности согласно их валентности. Этот порядок соединения атомов называется химическим строением.

2. Свойства веществ определяются не только их качественным и количественным составом, но и их химическим строением. Это положение объясняет явление изомерии — существование веществ (изомеров) с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением и, как следствие, разными свойствами.

3. Атом углерода в органических соединениях проявляет валентность, равную четырем. Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя прочные углерод-углеродные связи и формируя разнообразные цепи (линейные, разветвленные) и циклы, что является причиной многообразия органических соединений.

4. Атомы и группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга, которое передается по цепи химических связей. Это влияние определяет реакционную способность как отдельных частей молекулы, так и всей молекулы в целом.

Ответ: Основные положения теории включают: определённую последовательность соединения атомов (химическое строение), зависимость свойств от строения, четырехвалентность углерода и его способность образовывать цепи и циклы, а также взаимное влияние атомов в молекуле.

Какое из них кажется наиболее очевидным, а какое наименее?

Оценка "очевидности" положений зависит от уровня современных знаний и является субъективной.

Наиболее очевидное положение:

С точки зрения современной химии, наиболее очевидным кажется второе положение: свойства веществ зависят от их химического строения. Это связано с тем, что явление изомерии, которое вытекает из этого положения, является фундаментальным и легко наблюдаемым. Например, вещества с одинаковой формулой $C_2H_6O$ — этиловый спирт ($CH_3CH_2OH$) и диметиловый эфир ($CH_3OCH_3$) — обладают совершенно разными свойствами: спирт — это жидкость, вступающая в реакции с активными металлами, а эфир — газ (при н.у.), химически гораздо более инертный. Эта разница легко подтверждается на практике и наглядно демонстрирует, как порядок связи атомов напрямую определяет свойства вещества.

Ответ: Наиболее очевидным является положение о зависимости свойств от строения, так как оно подтверждается многочисленными примерами изомеров, свойства которых легко различимы.

Наименее очевидное положение:

Наименее очевидным, особенно без глубоких познаний в химии, представляется четвертое положение: о взаимном влиянии атомов в молекуле. В отличие от химического строения, которое можно представить в виде статической модели, взаимное влияние — это динамический эффект, связанный с перераспределением электронной плотности. Понять, почему, например, атом водорода в гидроксильной группе фенола ($C_6H_5OH$) более подвижен (проявляет более сильные кислотные свойства), чем в этаноле ($C_2H_5OH$), невозможно, просто взглянув на их структурные формулы. Для этого требуется знание электронных эффектов (индуктивного и мезомерного), которые и являются проявлением этого взаимного влияния. Для современников Бутлерова это положение было революционным, так как оно рассматривало молекулу как единую, сложную систему, а не просто как сумму атомов. Понимание этого принципа требует более глубокого теоретического анализа.

Ответ: Наименее очевидным является положение о взаимном влиянии атомов, так как его понимание и предсказание его последствий требует знаний о сложных электронных эффектах, невидимых в простой структурной формуле.

2. Приведите формулу органического соединения, которое не имеет изомеров.

Изомеры – это химические соединения, которые имеют одинаковый атомный состав (одну и ту же молекулярную формулу), но разное строение (порядок связи атомов) и, следовательно, разные свойства. Явление изомерии характерно для большинства органических соединений, однако простейшие из них, как правило, изомеров не имеют. Это связано с тем, что при малом числе атомов углерода в молекуле (обычно от одного до трех) невозможно составить более одной устойчивой структурной комбинации.

Например, первые три члена гомологического ряда алканов — метан ($CH_4$), этан ($C_2H_6$) и пропан ($C_3H_8$) — не имеют изомеров. В молекуле метана всего один атом углерода, что исключает любую другую структуру. В этане два атома углерода могут быть соединены только одним способом. В пропане три атома углерода также могут образовывать только одну — линейную — цепь. Изомерия углеродного скелета появляется только у бутана ($C_4H_{10}$), который может существовать в виде н-бутана и изобутана.

Другие примеры соединений без изомеров включают метанол ($CH_3OH$), формальдегид ($HCHO$), этилен ($C_2H_4$) и ацетилен ($C_2H_2$).

Таким образом, в качестве ответа можно привести формулу любого из этих соединений. Например, формула метана.

Ответ: $CH_4$ (метан).

3. Имеется два атома углерода и один атом кислорода. Сколькими способами можно соединить все эти атомы друг с другом (без учёта кратных связей)?

Дано:
Атомы: 2 атома углерода (C), 1 атом кислорода (O).
Условие: соединить все атомы друг с другом, не учитывая кратные связи.

Найти:
Количество способов соединения атомов.

Решение:
Задача сводится к нахождению числа различных способов соединения атомов в единую структуру, то есть к поиску числа структурных изомеров. Все атомы должны быть соединены, что означает, что мы ищем количество связных неизоморфных графов с вершинами, помеченными как два атома углерода (C) и один атом кислорода (O).
Существуют две основные топологии для соединения трёх атомов: линейная и циклическая.

1. Линейная структура
В линейной структуре атомы соединены в цепь (A–B–C). Различные варианты зависят от того, какой атом является центральным.
а) Центральный атом – кислород (O). По краям от него будут два атома углерода: C–O–C. Это один уникальный способ, так как атомы углерода неразличимы.
б) Центральный атом – углерод (C). По краям будут другой атом углерода и атом кислорода: C–C–O. Структура O–C–C является той же самой (зеркальное отражение), поэтому это второй уникальный способ.
Всего для линейного расположения получаем $1 + 1 = 2$ способа.

2. Циклическая структура
В этом случае все три атома образуют кольцо (треугольник). В составе кольца два атома углерода и один атом кислорода. Поскольку атомы углерода неразличимы, существует только один способ сформировать такое кольцо.

Итог
Суммируя количество линейных и циклических структур, получаем общее количество способов соединения:
$N = 2 + 1 = 3$.

Ответ: 3.