Номер 5, страница 124 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

5*. На схеме строения молекулы монохлоруксусной кислоты стрел-ками указан сдвиг электронной плотности:

$\begin{array}{c}\quad \quad \text{H} \\\quad \quad | \\\text{Cl} \leftarrow \text{C} \leftarrow \text{C} \overset{\rightarrow}{=} \text{O} \\\quad \quad | \quad \quad \quad \quad \nwarrow \\\quad \quad \text{H} \quad \quad \quad \text{O} \leftarrow \text{H}\end{array}$

Как можно объяснить это явление? Какая из кислот — монохлорук-сусная $\text{ClCH}_2\text{—COOH}$ или уксусная $\text{CH}_3\text{—COOH}$ — должна быть бо-лее сильной? Ответ мотивируйте.

Как можно объяснить это явление?

На схеме стрелками показано смещение электронной плотности вдоль цепи одинарных ($\sigma$-связей). Это явление называется индуктивным эффектом. Оно возникает из-за разницы в электроотрицательности атомов, образующих химическую связь.

В молекуле монохлоруксусной кислоты ($ClCH_2COOH$) присутствуют атомы с высокой электроотрицательностью — хлор и кислород.

• Атом хлора ($Cl$) более электроотрицателен, чем атом углерода ($C$), поэтому он оттягивает на себя электронную плотность от соседнего атома углерода. Это акцепторный, или отрицательный, индуктивный эффект ($-I$-эффект).
• В свою очередь, этот углеродный атом, ставший более электроположительным, оттягивает электронную плотность от следующего атома углерода — карбонильного.
• Карбонильный углерод передает это влияние на гидроксильную группу ($-OH$), а сильно электроотрицательный атом кислорода дополнительно смещает электронную плотность от атома водорода.

Таким образом, вся цепь атомов оказывается поляризованной, что и показано стрелками.

Ответ: Явление, показанное на схеме, — это индуктивный эффект, представляющий собой смещение электронной плотности по цепи $\sigma$-связей под влиянием атомов с разной электроотрицательностью. В данном случае атом хлора и атомы кислорода проявляют отрицательный индуктивный эффект ($-I$-эффект), оттягивая электроны на себя.

Какая из кислот — монохлоруксусная $ClCH_2-COOH$ или уксусная $CH_3-COOH$ — должна быть более сильной? Ответ мотивируйте.

Сила кислоты определяется ее способностью диссоциировать в водном растворе, то есть отдавать протон ($H^+$). Эта способность зависит от полярности связи $O-H$ в карбоксильной группе и стабильности образующегося после диссоциации аниона.

1. Уксусная кислота ($CH_3-COOH$): Метильная группа ($-CH_3$) является электронодонором и проявляет слабый положительный индуктивный эффект ($+I$-эффект). Она «подталкивает» электронную плотность к карбоксильной группе, что снижает полярность связи $O-H$ и несколько дестабилизирует образующийся ацетат-анион ($CH_3COO^-$), концентрируя на нем отрицательный заряд. Это затрудняет отщепление протона.

2. Монохлоруксусная кислота ($ClCH_2-COOH$): Атом хлора является сильным электроноакцептором и проявляет выраженный отрицательный индуктивный эффект ($-I$-эффект). Он оттягивает электронную плотность от карбоксильной группы по цепи атомов. Это приводит к двум важным последствиям:

• Связь $O-H$ становится значительно более полярной, что облегчает ее разрыв и отщепление протона ($H^+$).
• Образующийся хлорацетат-анион ($ClCH_2COO^-$) оказывается более стабильным, так как отрицательный заряд не концентрируется на карбоксильной группе, а рассредотачивается (делокализуется) по всей молекуле благодаря влиянию атома хлора.

Поскольку в монохлоруксусной кислоте диссоциация облегчена, а образующийся анион более стабилен, она является более сильной кислотой по сравнению с уксусной. Для сравнения, константа кислотности ($K_a$) монохлоруксусной кислоты составляет $1.4 \times 10^{-3}$, а уксусной — $1.75 \times 10^{-5}$.

Ответ: Монохлоруксусная кислота ($ClCH_2-COOH$) является более сильной кислотой, чем уксусная ($CH_3-COOH$). Причиной этого является сильный отрицательный индуктивный эффект ($-I$-эффект) электроотрицательного атома хлора, который стягивает электронную плотность, что приводит к увеличению полярности связи $O-H$ и стабилизации сопряженного основания (хлорацетат-аниона).