Номер 2, страница 124 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

2*. Изобразите электронную формулу уксусной кислоты и поясните, как происходит перекрытие и сдвиг электронных орбиталей при образовании химических связей в карбоксильной группе.

Изобразите электронную формулу уксусной кислоты

Уксусная кислота имеет химическую формулу $CH_3COOH$. Электронная формула, или формула Льюиса, изображает все валентные электроны в молекуле. Электроны, образующие химическую связь (общие электронные пары), располагаются между атомами, а неподеленные электронные пары — у соответствующих атомов.

Атомы в молекуле уксусной кислоты имеют следующее количество валентных электронов:

• Углерод (C): 4 валентных электрона
• Водород (H): 1 валентный электрон
• Кислород (O): 6 валентных электронов

Общее число валентных электронов в молекуле $CH_3COOH$: $2 \times 4 + 4 \times 1 + 2 \times 6 = 8 + 4 + 12 = 24$ электрона.

Электронная формула уксусной кислоты, где каждая точка представляет валентный электрон:

 H .. . :O: H : C : C :: O : H . .. H 

Более наглядно с использованием черточек для обозначения связей и точек для неподеленных пар:

 H :Ö: | // H--C--C | \ H :Ö-H 

В этой структуре каждый атом водорода имеет 2 электрона (дублет), а каждый атом углерода и кислорода имеет 8 электронов (октет), что соответствует правилу октета.

Ответ: Электронная формула уксусной кислоты ($CH_3COOH$) изображается с указанием всех 24 валентных электронов, формирующих 7 одинарных связей, 1 двойную связь и 4 неподеленные электронные пары на атомах кислорода.

поясните, как происходит перекрывание и сдвиг электронных орбиталей при образовании химических связей в карбоксильной группе.

Карбоксильная группа ($-COOH$) состоит из карбонильной ($>C=O$) и гидроксильной ($-OH$) групп, связанных с одним и тем же атомом углерода. Рассмотрим образование связей в ней на основе метода валентных связей и гибридизации атомных орбиталей.

1. Гибридизация и перекрывание орбиталей (образование $\sigma$- и $\pi$-связей)

Атом углерода в карбоксильной группе связан с тремя другими атомами (другим атомом С, карбонильным О и гидроксильным О), поэтому он находится в состоянии $sp^2$-гибридизации. Три гибридные $sp^2$-орбитали лежат в одной плоскости под углом примерно 120° друг к другу. Одна негибридная p-орбиталь перпендикулярна этой плоскости.

Атомы кислорода также находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Это позволяет объяснить как образование связей, так и участие неподеленных пар в сопряжении.

• Образование $\sigma$-связей (сигма-связей): происходит при осевом (лобовом) перекрывании гибридных орбиталей.
• Связь $C-O$ (в гидроксильной группе) образуется при перекрывании $sp^2$-орбитали углерода и $sp^2$-орбитали кислорода.
• Связь $C=O$ (её $\sigma$-компонент) образуется при перекрывании $sp^2$-орбитали углерода и $sp^2$-орбитали другого атома кислорода.
• Связь $O-H$ образуется при перекрывании $sp^2$-орбитали кислорода и $s$-орбитали водорода.
• Образование $\pi$-связи (пи-связи): происходит при боковом перекрывании негибридных p-орбиталей.
• $\pi$-компонент двойной связи $C=O$ образуется за счет бокового перекрывания негибридной p-орбитали атома углерода и p-орбитали карбонильного атома кислорода.

2. Сдвиг электронных орбиталей (сопряжение и индуктивный эффект)

Сдвиг электронной плотности в карбоксильной группе обусловлен двумя основными электронными эффектами: мезомерным (сопряжение) и индуктивным.

• Мезомерный эффект (p,$\pi$-сопряжение): Негибридная p-орбиталь гидроксильного атома кислорода, на которой находится одна из его неподеленных электронных пар, параллельна p-орбиталям, образующим $\pi$-связь $C=O$. Это создает единую трехцентровую сопряженную систему ($O-C=O$). В результате неподеленная пара гидроксильного кислорода делокализуется (сдвигается) по этой системе.

Этот сдвиг можно изобразить с помощью резонансных (мезомерных) структур:

$ \begin{array}{ccc} \quad \cdot\cdot \\ :O: \\ \parallel \\ -C - \ddot{O}H \end{array} \quad \longleftrightarrow \quad \begin{array}{ccc} \quad \cdot\cdot \\ :\ddot{O}:^{\ominus} \\ | \\ -C = \stackrel{\oplus}{O}H \end{array} $

В результате этого сопряжения:

• Связь $C-O$ приобретает частично двойной характер (становится короче и прочнее).
• Связь $C=O$ приобретает частично одинарный характер (становится длиннее и слабее).
• Электронная плотность смещается с гидроксильного кислорода на карбонильный. Это повышает полярность связи $O-H$, облегчая отрыв протона ($H^+$) и обусловливая кислотные свойства.

• Индуктивный эффект: Оба атома кислорода являются высокоэлектроотрицательными, поэтому они оттягивают на себя электронную плотность от атома углерода по цепи $\sigma$-связей (отрицательный индуктивный эффект, $-I$). Это создает на атоме углерода значительный частичный положительный заряд ($\delta+$) и дополнительно поляризует связь $O-H$.

Таким образом, сочетание сильного индуктивного и мезомерного эффектов приводит к значительному сдвигу электронной плотности в карбоксильной группе, что определяет её уникальные химические свойства, в первую очередь кислотность.

Ответ: В карбоксильной группе атом углерода и атомы кислорода находятся в $sp^2$-гибридизации. $\sigma$-Связи образуются за счет перекрывания гибридных $sp^2$-орбиталей (и $s$-орбитали водорода), а $\pi$-связь $C=O$ — за счет перекрывания негибридных p-орбиталей. Сдвиг электронных орбиталей (плотности) происходит из-за p,$\pi$-сопряжения, в котором участвует неподеленная электронная пара гидроксильного кислорода и $\pi$-система связи $C=O$, а также из-за сильного отрицательного индуктивного эффекта атомов кислорода. Это приводит к перераспределению электронной плотности, изменению длин связей и высокой полярности связи $O-H$.