Номер 26, страница 9 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

1.26. Кроме углерода цепочечные структуры могут образовывать также фосфор, кремний и бор. Почему эти элементы не дают такого многообразия соединений, как углерод?

Способность атомов химического элемента образовывать устойчивые химические связи друг с другом, формируя цепи и циклы, называется катенацией. Углерод обладает этой способностью в наивысшей степени, что и обуславливает огромное многообразие органических соединений. Фосфор, кремний и бор также могут образовывать цепи, но в значительно меньшей степени. Это связано с несколькими ключевыми факторами.

1. Прочность связи элемент-элемент.

   Одной из главных причин является исключительно высокая энергия одинарной связи углерод-углерод (C-C) по сравнению с другими элементами. Эта связь очень прочна и стабильна, что позволяет формировать длинные и устойчивые молекулярные цепи и кольца.

   • Энергия связи $C-C$ составляет примерно $348 \text{ кДж/моль}$.
   • Энергия связи $Si-Si$ значительно ниже — около $226 \text{ кДж/моль}$.
   • Энергия связи $P-P$ еще ниже — около $200 \text{ кДж/моль}$.
   • Энергия связи $B-B$ составляет около $293 \text{ кДж/моль}$, но химия бора осложнена его электронной недостаточностью.

   Более слабые связи $Si-Si$ и $P-P$ означают, что длинные цепи из этих атомов термодинамически менее стабильны и легче распадаются.

2. Соотношение прочности связей с другими элементами.

   Не менее важным является то, что прочность связи $C-C$ сопоставима с прочностью связей, которые углерод образует с другими элементами, например, с кислородом ($C-O$, около $358 \text{ кДж/моль}$) и водородом ($C-H$, около $413 \text{ кДж/моль}$). Это означает, что углеродный скелет молекулы не является "слабым звеном" и устойчив к атаке таких реагентов, как вода или кислород.

   В случае кремния ситуация иная. Связь $Si-O$ (около $452 \text{ кДж/моль}$) намного прочнее связи $Si-Si$ ($226 \text{ кДж/моль}$). Поэтому соединения с цепями $Si-Si$ (силаны) термодинамически нестабильны и легко окисляются до соединений с гораздо более прочными цепями $-Si-O-Si-$ (силоксаны). По этой причине химия кремния — это в основном химия соединений с кремний-кислородными связями, а не кремний-кремниевыми.

3. Способность к образованию кратных (двойных и тройных) связей.

   Углерод, как элемент 2-го периода, имеет небольшой атомный радиус, что обеспечивает эффективное перекрывание p-орбиталей и образование стабильных $\pi$-связей. Это позволяет углероду легко формировать прочные двойные ($C=C$) и тройные ($C \equiv C$) связи. Наличие кратных связей экспоненциально увеличивает число возможных структур (алкены, алкины, арены и т.д.).

   Элементы 3-го периода, такие как кремний и фосфор, имеют значительно большие атомные радиусы. Из-за этого боковое перекрывание их p-орбиталей неэффективно, и образуемые ими $\pi$-связи очень слабые и реакционноспособные. Поэтому соединения с двойными связями $Si=Si$ или $P=P$ встречаются редко, неустойчивы и не вносят такого вклада в многообразие соединений, как у углерода.

4. Особенности строения атомов.

   Углерод (C): Имеет 4 валентных электрона и валентность IV. Это позволяет ему образовывать четыре прочные ковалентные связи, создавая разветвленные и сложные трехмерные структуры.

   Кремний (Si): Аналог углерода, но его химия ограничена причинами, указанными выше (слабая связь $Si-Si$, неспособность образовывать стабильные кратные связи).

   Бор (B): Имеет только 3 валентных электрона. Его соединения являются электронно-дефицитными. Вместо классических двухэлектронных связей бор образует сложные многоцентровые связи, что приводит к совершенно другой химии кластеров (боранов), нежели к химии длинных цепей.

   Фосфор (P): Обычно проявляет валентность III или V. Хотя он и образует цепи (например, в фосфанах), они, как уже отмечалось, значительно менее стабильны, чем углеводородные.

Ответ: Элементы, такие как фосфор, кремний и бор, не образуют такого многообразия соединений, как углерод, из-за совокупности нескольких факторов. Во-первых, энергия связи "элемент-элемент" для них значительно ниже, чем для связи $C-C$, что делает их цепи менее стабильными. Во-вторых, их связи с другими элементами (особенно с кислородом) часто оказываются намного прочнее, чем связи "элемент-элемент", что приводит к лёгкому разрушению цепей. В-третьих, в отличие от углерода, они не способны образовывать стабильные кратные (двойные и тройные) связи, что резко ограничивает структурное разнообразие. Наконец, специфические электронные конфигурации (например, электронный дефицит у бора) также ограничивают их способность к образованию длинных и разнообразных цепей, аналогичных углеродным.