Номер 5, страница 12 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

5. Приведите примеры, подтверждающие, что в молекулах атомы или группы атомов влияют друг на друга.

Взаимное влияние атомов в молекулах — это фундаментальный принцип теоретической химии, объясняющий, как свойства одного атома или функциональной группы изменяются под действием других атомов или групп в той же молекуле. Это влияние передается через систему химических связей и проявляется в изменении электронного строения, что, в свою очередь, сказывается на физических и химических свойствах вещества. Основными механизмами такого влияния являются индуктивный и мезомерный эффекты.

Рассмотрим несколько примеров, подтверждающих это явление.

1. Влияние заместителей на силу карбоновых кислот

Сила карбоновой кислоты определяется легкостью, с которой она отдает протон ($H^+$) от карбоксильной группы ($-COOH$). Рассмотрим ряд кислот, производных уксусной кислоты ($CH_3COOH$):

• Уксусная кислота: $CH_3COOH$
• Хлоруксусная кислота: $ClCH_2COOH$
• Дихлоруксусная кислота: $Cl_2CHCOOH$
• Трихлоруксусная кислота: $Cl_3CCOOH$

Атом хлора является более электроотрицательным, чем атом углерода, и поэтому он оттягивает на себя электронную плотность от соседних атомов. Этот эффект, передающийся по цепи $\sigma$-связей, называется отрицательным индуктивным эффектом ($-I$).

В молекуле хлоруксусной кислоты атом хлора стягивает электронную плотность, что приводит к поляризации связи $O-H$ в карбоксильной группе. Протон становится более «подвижным» и легче отщепляется. Кроме того, образующийся карбоксилат-анион ($ClCH_2COO^−$) стабилизируется за счет того, что отрицательный заряд не только делокализован между двумя атомами кислорода, но и дополнительно оттянут к атому хлора. С увеличением числа атомов хлора этот эффект усиливается.

Таким образом, сила кислот в этом ряду возрастает:

$CH_3COOH < ClCH_2COOH < Cl_2CHCOOH < Cl_3CCOOH$

С другой стороны, метильная группа ($-CH_3$) проявляет положительный индуктивный эффект ($+I$), то есть отталкивает электронную плотность. Это приводит к тому, что уксусная кислота является более слабой кислотой, чем муравьиная ($HCOOH$), в которой такого эффекта нет.

Ответ: Влияние электроноакцепторных (например, $Cl$) или электронодонорных (например, $CH_3$) заместителей на электронную плотность в карбоксильной группе изменяет полярность связи $O-H$ и стабильность аниона, что напрямую влияет на силу кислоты. Сила хлорзамещенных уксусных кислот возрастает с увеличением числа атомов хлора.

2. Влияние заместителей на основные свойства аминов

Основные свойства аминов обусловлены наличием неподеленной электронной пары на атоме азота, которая способна присоединять протон. Сравним основность аммиака ($NH_3$), метиламина ($CH_3NH_2$) и анилина ($C_6H_5NH_2$).

Алкильные группы (например, метильная $-CH_3$) обладают положительным индуктивным эффектом ($+I$). Они повышают электронную плотность на атоме азота, делая его неподеленную пару более доступной для протона. Поэтому метиламин является более сильным основанием, чем аммиак.

В молекуле анилина ($C_6H_5NH_2$) атом азота связан с бензольным кольцом. Неподеленная электронная пара азота вступает в сопряжение с $\pi$-системой бензольного кольца (проявляется отрицательный мезомерный эффект, $-M$). Электронная плотность с атома азота «смещается» в кольцо.

Эта делокализация значительно уменьшает доступность электронной пары для присоединения протона. В результате анилин является гораздо более слабым основанием, чем аммиак и тем более метиламин.

Ряд по убыванию основных свойств выглядит так:

$(CH_3)_2NH > CH_3NH_2 > NH_3 > C_6H_5NH_2$

Ответ: Электронодонорные алкильные группы усиливают основные свойства аминов, повышая электронную плотность на атоме азота. Электроноакцепторная арильная группа (фенил), наоборот, ослабляет основные свойства за счет делокализации неподеленной электронной пары азота по $\pi$-системе кольца.

3. Влияние заместителей на реакционную способность ароматического кольца

Атомы и группы атомов, связанные с бензольным кольцом, оказывают сильное влияние на его реакционную способность в реакциях электрофильного замещения (например, нитрование, галогенирование), а также на ориентацию вступающей группы.

Активирующие заместители. Группы, такие как гидроксильная ($-OH$), аминогруппа ($-NH_2$), алкильные группы ($-R$), являются донорами электронов. Они повышают электронную плотность в бензольном кольце (за счет $+M$ или $+I$ эффекта), делая его более активным по отношению к электрофилам. Например, фенол ($C_6H_5OH$) реагирует с бромной водой мгновенно даже без катализатора с образованием 2,4,6-трибромфенола. Сам бензол в таких условиях не реагирует.

$C_6H_5OH + 3Br_2 \rightarrow C_6H_2Br_3OH + 3HBr$

Дезактивирующие заместители. Группы, такие как нитрогруппа ($-NO_2$) или карбоксильная группа ($-COOH$), являются акцепторами электронов. Они понижают электронную плотность в кольце (за счет $-M$ или $-I$ эффекта), делая его менее активным. Например, для нитрования бензола нужна смесь концентрированных азотной и серной кислот. А для нитрования уже имеющегося нитробензола ($C_6H_5NO_2$) требуются еще более жесткие условия, и реакция идет значительно медленнее.

$C_6H_5NO_2 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t} C_6H_4(NO_2)_2 + H_2O$

Ответ: Заместители в бензольном кольце влияют на его электронную плотность: донорные группы ($-OH, -NH_2$) активируют кольцо к реакциям электрофильного замещения, а акцепторные ($-NO_2, -COOH$) — дезактивируют. Это доказывает, что группа атомов (заместитель) влияет на свойства другой группы атомов (бензольного кольца).