Номер 1, страница 93 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Составьте электронные формулы метилового спирта, этилового спирта и воды. Поясните, как при перекрывании соответствующих электронных орбиталей образуются химические связи в молекуле воды и в гидроксильной группе спиртов.

Электронные формулы метилового спирта, этилового спирта и воды

Электронные формулы, также известные как формулы Льюиса, представляют собой способ изображения молекул, при котором все валентные электроны (участвующие в образовании связей и неподеленные) показаны в виде точек. Общие электронные пары, образующие ковалентную связь, часто изображают в виде двоеточия или черточки между атомами.

Метиловый спирт (метанол, $CH_3OH$)

Атом углерода образует три связи с атомами водорода и одну с атомом кислорода. Атом кислорода, в свою очередь, связан с углеродом и водородом и имеет две неподеленные электронные пары.

Электронная формула: $H:\overset{\large H}{\underset{\Large \cdot\cdot \atop H}{C}}:\ddot{O}:H$

Этиловый спирт (этанол, $C_2H_5OH$)

Молекула содержит два атома углерода, связанных между собой. Один атом углерода связан с тремя атомами водорода, а другой — с двумя атомами водорода и атомом кислорода гидроксильной группы.

Электронная формула: $H:\overset{\large H}{\underset{\Large \cdot\cdot \atop H}{C}}:\overset{\large H}{\underset{\Large \cdot\cdot \atop H}{C}}:\ddot{O}:H$

Вода ($H_2O$)

Атом кислорода связан с двумя атомами водорода и имеет две неподеленные электронные пары.

Электронная формула: $H:\ddot{O}:H$

Ответ: Электронные формулы: метиловый спирт $H:\overset{\large H}{\underset{\Large \cdot\cdot \atop H}{C}}:\ddot{O}:H$; этиловый спирт $H:\overset{\large H}{\underset{\Large \cdot\cdot \atop H}{C}}:\overset{\large H}{\underset{\Large \cdot\cdot \atop H}{C}}:\ddot{O}:H$; вода $H:\ddot{O}:H$.

Объяснение образования химических связей в молекуле воды и в гидроксильной группе спиртов

Образование химических связей в этих соединениях объясняется методом валентных связей, который предполагает перекрывание электронных орбиталей атомов. Для объяснения геометрии молекул используется концепция гибридизации атомных орбиталей.

Молекула воды ($H_2O$)

Атом кислорода имеет электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня $2s^22p^4$. В его валентной оболочке находятся шесть электронов, из которых два — неспаренные (на двух $p$-орбиталях). Атом водорода имеет конфигурацию $1s^1$ с одним неспаренным электроном.

Для объяснения угловой формы молекулы воды и валентного угла $104.5^\circ$ принимается, что атом кислорода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации. Одна $2s$- и три $2p$-орбитали атома кислорода смешиваются, образуя четыре одинаковые по форме и энергии $sp^3$-гибридные орбитали, направленные к вершинам тетраэдра (с углом $109.5^\circ$ между ними).

Две из этих $sp^3$-орбиталей полностью заняты парами электронов (неподеленные электронные пары), а две другие содержат по одному электрону. Именно эти две одноэлектронные $sp^3$-орбитали кислорода перекрываются с $1s$-орбиталями двух атомов водорода. Это осевое перекрывание приводит к образованию двух прочных ковалентных полярных $\sigma$-связей $O-H$. Отталкивание между неподеленными электронными парами сильнее, чем между связывающими, поэтому валентный угол $H-O-H$ сжимается с $109.5^\circ$ до $104.5^\circ$.

Гидроксильная группа спиртов ($-OH$)

Строение гидроксильной группы в спиртах аналогично строению молекулы воды. Атом кислорода здесь также находится в состоянии $sp^3$-гибридизации.

Две $sp^3$-гибридные орбитали кислорода заняты неподеленными электронными парами. Третья $sp^3$-орбиталь перекрывается с $1s$-орбиталью атома водорода, образуя $\sigma$-связь $O-H$. Четвертая $sp^3$-орбиталь кислорода перекрывается с гибридной орбиталью атома углерода (в предельных одноатомных спиртах это $sp^3$-орбиталь), образуя $\sigma$-связь $C-O$.

Таким образом, связь $O-H$ и в воде, и в спиртах образуется в результате перекрывания $sp^3$-орбитали кислорода и $1s$-орбитали водорода. Наличие двух неподеленных пар у кислорода обусловливает угловое строение фрагмента $C-O-H$ в спиртах, где валентный угол близок к тетраэдрическому (например, в метаноле он составляет $108.9^\circ$).

Ответ: Химические связи в молекуле воды и в гидроксильной группе спиртов образуются при участии $sp^3$-гибридных орбиталей атома кислорода. В воде две $\sigma$-связи $O-H$ образуются при перекрывании двух $sp^3$-орбиталей кислорода с $1s$-орбиталями двух атомов водорода. В гидроксильной группе спирта $\sigma$-связь $O-H$ образуется за счет перекрывания $sp^3$-орбитали кислорода и $1s$-орбитали водорода, а $\sigma$-связь $C-O$ — за счет перекрывания $sp^3$-орбитали кислорода и гибридной (обычно $sp^3$) орбитали углерода. Две оставшиеся $sp^3$-орбитали кислорода заняты неподеленными электронными парами, что обуславливает угловое строение этих фрагментов молекул.