Страница 21 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

1.83. Для следующих молекул определите гибридные состояния всех атомов:

Гибридное состояние атома определяется числом его σ-связей и неподеленных электронных пар. Если сумма σ-связей и неподеленных пар равна 4, гибридизация – $sp^3$; если 3 – $sp^2$; если 2 – $sp$.

В молекуле пропана все атомы углерода связаны только одинарными (сигма, σ) связями.

• Концевые атомы углерода (в группах $CH_3$) образуют 4 σ-связи: три с атомами водорода и одну с центральным атомом углерода. Число σ-связей и неподеленных пар равно 4, следовательно, их гибридизация – $sp^3$.
• Центральный атом углерода (в группе $CH_2$) образует 4 σ-связи: две с атомами водорода и две с концевыми атомами углерода. Число σ-связей и неподеленных пар равно 4, следовательно, его гибридизация также $sp^3$.

Ответ: все атомы углерода находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации.

• Атомы углерода в метильных группах ($CH_3$) связаны с центральным атомом углерода одинарной связью. Каждый из них образует 4 σ-связи (3 с H, 1 с C), поэтому их гибридизация – $sp^3$.
• Атом углерода карбонильной группы (C=O) связан с двумя атомами углерода одинарными связями (2 σ-связи) и с атомом кислорода двойной связью (1 σ-связь и 1 π-связь). Всего 3 σ-связи, неподеленных пар нет. Число σ-связей и неподеленных пар равно 3, следовательно, его гибридизация – $sp^2$.
• Атом кислорода карбонильной группы имеет двойную связь с углеродом (1 σ-связь) и две неподеленные электронные пары. Число σ-связей и неподеленных пар равно 1 + 2 = 3. Гибридизация атома кислорода – $sp^2$.

Ответ: атомы углерода в группах $CH_3$ – $sp^3$; атом углерода карбонильной группы – $sp^2$; атом кислорода – $sp^2$.

Пронумеруем атомы углерода слева направо: $C^1H_2=C^2H—C^3H_3$.

• Атом $C^1$ образует двойную связь с $C^2$ (1 σ, 1 π) и две одинарные связи с атомами водорода (2 σ). Всего 3 σ-связи, гибридизация – $sp^2$.
• Атом $C^2$ образует двойную связь с $C^1$ (1 σ), одинарную с $C^3$ (1 σ) и одинарную с водородом (1 σ). Всего 3 σ-связи, гибридизация – $sp^2$.
• Атом $C^3$ в метильной группе образует 4 одинарные σ-связи (3 с H, 1 с C). Гибридизация – $sp^3$.

Ответ: $C^1$ и $C^2$ – $sp^2$; $C^3$ – $sp^3$.

• Атом углерода в метильной группе ($CH_3$) образует 4 σ-связи (3 с H, 1 с C). Гибридизация – $sp^3$.
• Атом углерода в нитрильной группе (C≡N) связан с метильной группой одинарной связью (1 σ) и с атомом азота тройной связью (1 σ, 2 π). Всего 2 σ-связи. Гибридизация – $sp$.
• Атом азота связан с углеродом тройной связью (1 σ) и имеет одну неподеленную электронную пару. Число σ-связей и неподеленных пар равно 1 + 1 = 2. Гибридизация – $sp$.

Ответ: атом углерода в $CH_3$ – $sp^3$; атом углерода в группе C≡N – $sp$; атом азота – $sp$.

Пронумеруем атомы углерода слева направо: $C^1H_2=C^2=C^3H_2$.

• Концевые атомы углерода $C^1$ и $C^3$ образуют по одной двойной связи с центральным атомом углерода (1 σ) и по две одинарные связи с атомами водорода (2 σ). Всего у каждого по 3 σ-связи, гибридизация – $sp^2$.
• Центральный атом углерода $C^2$ образует две двойные связи с соседними атомами углерода. Каждая двойная связь содержит одну σ-связь. Всего 2 σ-связи, гибридизация – $sp$.

Ответ: $C^1$ и $C^3$ – $sp^2$; $C^2$ – $sp$.

В этой молекуле все атомы углерода участвуют в образовании двойных связей.

• Концевые атомы углерода (в группах $CH_2$) образуют по одной двойной связи (1 σ) и по две одинарные связи с атомами водорода (2 σ). Всего 3 σ-связи, гибридизация – $sp^2$.
• Центральные атомы углерода (в группах $CH$) образуют по одной двойной связи (1 σ), одной одинарной связи с другим углеродом (1 σ) и одной одинарной связи с водородом (1 σ). Всего 3 σ-связи, гибридизация – $sp^2$.

Ответ: все четыре атома углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации.

• Атом углерода в метильной группе, связанной с карбонильным углеродом ($CH_3$—C=O), образует 4 σ-связи. Гибридизация – $sp^3$.
• Карбонильный атом углерода (C=O) образует 3 σ-связи (с C, с O и с другим O). Гибридизация – $sp^2$.
• Атом кислорода карбонильной группы (=O) имеет одну σ-связь и две неподеленные пары. Сумма равна 3. Гибридизация – $sp^2$.
• Атом кислорода в эфирной группе (—O—) образует 2 σ-связи (с двумя C) и имеет две неподеленные пары. Сумма равна 4. Гибридизация – $sp^3$.
• Атом углерода в метильной группе, связанной с эфирным кислородом (O—$CH_3$), образует 4 σ-связи. Гибридизация – $sp^3$.

Ответ: углерод в $CH_3$—C=O – $sp^3$; углерод в C=O – $sp^2$; кислород в C=O – $sp^2$; кислород в —O— – $sp^3$; углерод в O—$CH_3$ – $sp^3$.

В молекуле бензола все шесть атомов углерода образуют ароматическую систему. Каждый атом углерода связан с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода. Это составляет 3 σ-связи для каждого атома углерода. Четвертый валентный электрон каждого атома углерода образует единую сопряженную π-систему. Поскольку каждый атом углерода образует 3 σ-связи, все они находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации.

Ответ: все шесть атомов углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации.

Это пятичленный цикл с одной карбонильной группой.

• Атом углерода карбонильной группы (C=O) связан с двумя другими атомами углерода в цикле (2 σ-связи) и с атомом кислорода (1 σ-связь). Всего 3 σ-связи, гибридизация – $sp^2$.
• Атом кислорода карбонильной группы (=O) имеет одну σ-связь и две неподеленные пары. Сумма равна 3. Гибридизация – $sp^2$.
• Остальные четыре атома углерода в цикле ($CH_2$ группы) являются насыщенными. Каждый из них образует 4 σ-связи: две с соседними атомами углерода в цикле и две с атомами водорода. Их гибридизация – $sp^3$.

Ответ: атом углерода карбонильной группы – $sp^2$; атом кислорода – $sp^2$; остальные четыре атома углерода в цикле – $sp^3$.

1.84. Предложите примеры молекул, в состав которых входят атомы углерода в указанных количествах и гибридных состояниях.

а) В данном варианте требуется найти молекулу, содержащую 4 атома углерода в $sp^3$-гибридизации и 0 атомов в $sp^2$- и $sp$-гибридизации. Такое состояние атомов углерода характерно для алканов, где каждый атом углерода образует четыре одинарные ($\sigma$-) связи. Примером может служить любой изомер бутана.
Ответ: Бутан ($CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$).

б) Требуется найти молекулу с 2 атомами углерода в $sp^3$-гибридизации и 2 атомами в $sp^2$-гибридизации. Два атома углерода в состоянии $sp^2$-гибридизации образуют двойную связь (C=C), что характерно для алкенов. Остальные два атома углерода находятся в $sp^3$-гибридизации. Примером может служить любой изомер бутена.
Ответ: Бутен-2 ($CH_3-CH=CH-CH_3$).

в) Требуется найти молекулу с 1 атомом углерода в $sp^3$-гибридизации и 4 атомами в $sp^2$-гибридизации. Четыре $sp^2$-гибридизованных атома углерода могут образовывать систему двух сопряженных двойных связей. Один атом углерода в $sp^3$-гибридизации может представлять собой метильную группу, присоединенную к этой системе.
Ответ: 2-метилбута-1,3-диен (изопрен) ($CH_2=C(CH_3)-CH=CH_2$).

г) Требуется найти молекулу с 2 атомами углерода в $sp^3$-гибридизации и 4 атомами в $sp$-гибридизации. Четыре атома углерода в $sp$-гибридизации могут образовывать цепь с двумя тройными связями (алкадиин). Два атома углерода в $sp^3$-гибридизации могут быть концевыми метильными группами.
Ответ: Гекса-2,4-диин ($CH_3-C \equiv C-C \equiv C-CH_3$).

д) Требуется найти молекулу с 1 атомом углерода в $sp^3$-гибридизации, 1 атомом в $sp^2$-гибридизации и 2 атомами в $sp$-гибридизации. Два $sp$-гибридизованных атома образуют тройную связь (-C≡C-). Один $sp^2$-атом углерода может входить в состав карбонильной группы (>C=O), так как для образования двойной связи C=C потребовалось бы два $sp^2$-атома. Атом углерода в $sp^3$-гибридизации может быть в составе метильной группы.
Ответ: Бут-2-иналь ($CH_3-C \equiv C-CHO$).

е) Требуется найти молекулу с 3 атомами углерода в $sp^3$-гибридизации и 3 атомами в $sp^2$-гибридизации. Наличие трех $sp^2$-гибридизованных атомов углерода можно реализовать, скомбинировав в одной молекуле двойную связь C=C (два $sp^2$-атома) и карбонильную группу >C=O (один $sp^2$-атом). Остальные три атома углерода будут находиться в $sp^3$-гибридизации.
Ответ: Гекс-4-ен-2-он ($CH_3-CO-CH_2-CH=CH-CH_3$).

ж) Требуется найти молекулу, в которой все 4 атома углерода находятся в $sp^2$-гибридизации. Такое строение имеют углеводороды с двумя сопряженными двойными связями (сопряженные диены).
Ответ: Бута-1,3-диен ($CH_2=CH-CH=CH_2$).

з) Требуется найти молекулу, в которой все 4 атома углерода находятся в $sp$-гибридизации. Такое состояние реализуется, когда каждый атом углерода образует две $\sigma$- и две $\pi$-связи. Это возможно в молекуле с двумя тройными связями, где все атомы углерода образуют единую линейную цепь.
Ответ: Бутадиин (диацетилен) ($HC \equiv C-C \equiv CH$).

1.85. С помощью символов ${\mathrm{\delta }}^{+}$, ${\mathrm{\delta }}^{-}$, ${\mathrm{\delta \delta }}^{+}$, $\delta {\mathrm{\delta }}^{-}$ обозначьте частичные заряды на атомах углерода в следующих молекулах (считайте, что $\left|{\mathrm{\delta }}^{+}\right|>\left|{\mathrm{\delta \delta }}^{+}\right|$ и $\left|{\mathrm{\delta }}^{-}\right|>\left|{\mathrm{\delta \delta }}^{-}\right|$):

Для определения частичных зарядов на атомах углерода используется понятие электроотрицательности (ЭО) и индуктивного эффекта. Атом с большей ЭО оттягивает на себя электронную плотность, приобретая частичный отрицательный заряд (δ⁻), в то время как атом с меньшей ЭО приобретает частичный положительный заряд (δ⁺). Этот эффект передается по цепи σ-связей (индуктивный эффект) и затухает с расстоянием. Символ δ обозначает больший по величине заряд, а δδ — меньший.

а) В молекуле $CH_3-CH_2-Cl$ атом хлора значительно более электроотрицателен, чем углерод. Он индуцирует на связанном с ним атоме углерода ($CH_2$) частичный положительный заряд (δ⁺). Этот положительный заряд, в свою очередь, оттягивает электронную плотность от соседнего атома углерода метильной группы ($CH_3$) по индуктивному эффекту. Этот эффект слабее, поэтому на метильном атоме углерода возникает меньший положительный заряд (δδ⁺).

Ответ: $CH_3^{\delta\delta+}-CH_2^{\delta+}-Cl$

б) В ацетоне ($CH_3-C(O)-CH_3$) атом кислорода карбонильной группы очень электроотрицателен и сильно оттягивает электронную плотность от карбонильного атома углерода. В результате на этом атоме углерода возникает большой частичный положительный заряд (δ⁺). Карбонильный углерод, став положительно заряженным, оттягивает электронную плотность от соседних атомов углерода метильных групп. Так как метильные группы равноудалены от карбонильного центра, на их атомах углерода возникают одинаковые, но меньшие по величине частичные положительные заряды (δδ⁺).

Ответ: $CH_3^{\delta\delta+}-C^{\delta+}(=O)-CH_3^{\delta\delta+}$

в) В молекуле этилмагнийбромида ($CH_3-CH_2-Mg-Br$) атом магния является металлом и обладает очень низкой электроотрицательностью по сравнению с углеродом. Поэтому связь C-Mg сильно поляризована в сторону углерода. Атом углерода, непосредственно связанный с магнием ($CH_2$), несет на себе значительный частичный отрицательный заряд (δ⁻). Этот заряд частично передается по индуктивному эффекту на соседний атом углерода метильной группы ($CH_3$), который приобретает меньший по величине частичный отрицательный заряд (δδ⁻).

Ответ: $CH_3^{\delta\delta-}-CH_2^{\delta-}-Mg-Br$

г) В молекуле метилацетата ($CH_3-C(O)O-CH_3$) карбонильный атом углерода связан с двумя более электроотрицательными атомами кислорода, что создает на нем самый большой частичный положительный заряд (δ⁺). Атом углерода метокси-группы ($-O-CH_3$) связан с одним атомом кислорода и также несет положительный заряд, но меньший, чем карбонильный (δδ⁺). Атом углерода ацетильной метильной группы ($-C(O)-CH_3$) связан с положительно заряженным карбонильным углеродом, что также индуцирует на нем небольшой положительный заряд (δδ⁺). В рамках предложенной системы обозначений, оба метильных углерода можно обозначить как δδ⁺, так как их заряды меньше основного заряда на карбонильном углероде.

Ответ: $CH_3^{\delta\delta+}-C^{\delta+}(=O)-O-CH_3^{\delta\delta+}$

д) В молекуле 1-фтор-2-хлорэтана ($F-CH_2-CH_2-Cl$) оба атома галогенов (фтор и хлор) более электроотрицательны, чем углерод, и вызывают на соседних атомах углерода частичные положительные заряды. Электроотрицательность фтора выше, чем у хлора, поэтому атом фтора оттягивает электронную плотность сильнее. Следовательно, на атоме углерода, связанном с фтором, будет больший частичный положительный заряд (δ⁺), а на атоме углерода, связанном с хлором, — меньший (δδ⁺).

Ответ: $F-CH_2^{\delta+}-CH_2^{\delta\delta+}-Cl$

е) В тетраметилсилане ($(CH_3)_4Si$) кремний менее электроотрицателен, чем углерод. Поэтому в каждой из четырех связей Si-C электронная плотность смещена к атому углерода. Все четыре метильные группы эквивалентны, и на каждом атоме углерода будет одинаковый частичный отрицательный заряд (δ⁻).

Ответ: $(CH_3^{\delta-})_4Si$

ж) В 1,1,2-трихлорэтане ($Cl_2CH-CH_2Cl$) все атомы хлора оттягивают электронную плотность от атомов углерода. Атом углерода группы $CH$ связан с двумя атомами хлора, в то время как атом углерода группы $CH_2$ — только с одним. Суммарный оттягивающий эффект двух атомов хлора сильнее, поэтому на атоме углерода группы $Cl_2CH$ будет больший частичный положительный заряд (δ⁺), а на углероде группы $CH_2Cl$ — меньший (δδ⁺).

Ответ: $Cl_2CH^{\delta+}-CH_2^{\delta\delta+}Cl$

з) В хлорангидриде хлоруксусной кислоты ($Cl-CH_2-C(O)-Cl$) карбонильный атом углерода связан с сильно электроотрицательными атомами кислорода и хлора, что создает на нем очень большой частичный положительный заряд (δ⁺). Атом углерода метиленовой группы ($-CH_2-$) связан с атомом хлора и с сильно электроноакцепторной карбонильной группой. На нем также возникает положительный заряд, но он меньше, чем на карбонильном углероде, поэтому его обозначают как δδ⁺.

Ответ: $Cl-CH_2^{\delta\delta+}-C^{\delta+}(=O)-Cl$

и) В пропаноле-2 ($CH_3-CH(OH)-CH_3$) атом кислорода гидроксильной группы оттягивает электронную плотность от центрального атома углерода, создавая на нем частичный положительный заряд (δ⁺). Этот атом углерода, в свою очередь, индуцирует меньшие частичные положительные заряды (δδ⁺) на двух соседних эквивалентных атомах углерода метильных групп.

Ответ: $CH_3^{\delta\delta+}-CH^{\delta+}(OH)-CH_3^{\delta\delta+}$