Номер 4, страница 31 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Чем определяется многообразие углеводородов?

Многообразие углеводородов, как и всех органических соединений, обусловлено несколькими уникальными свойствами атома углерода, который является их структурной основой.

Ключевыми факторами, определяющими это многообразие, являются:

1. Способность атомов углерода образовывать прочные ковалентные связи друг с другом (катенация). Атомы углерода могут соединяться в цепи различной длины и формы:
   • Линейные (неразветвленные) цепи, например, в молекуле н-пентана ($CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$).
   • Разветвленные цепи, например, в молекуле изопентана (2-метилбутана).
   • Замкнутые цепи (циклы), например, в молекуле циклопентана.

   Энергия связи $C-C$ достаточно велика (около 348 кДж/моль), что обеспечивает стабильность таких углеродных скелетов.

2. Способность атомов углерода образовывать кратные связи. Помимо одинарных связей ($C-C$), атомы углерода могут образовывать друг с другом двойные ($C=C$) и тройные ($C \equiv C$) связи. Это приводит к существованию различных классов углеводородов:
   • Алканы (предельные углеводороды) — содержат только одинарные связи. Общая формула $C_nH_{2n+2}$.
   • Алкены (непредельные) — содержат одну или несколько двойных связей. Общая формула для алкенов с одной двойной связью — $C_nH_{2n}$.
   • Алкины (непредельные) — содержат одну или несколько тройных связей. Общая формула для алкинов с одной тройной связью — $C_nH_{2n-2}$.
   • Арены (ароматические углеводороды) — содержат особое бензольное кольцо с сопряженной системой $\pi$-электронов.
3. Четырехвалентность углерода. Атом углерода на внешнем электронном слое имеет четыре электрона и может образовывать четыре ковалентные связи. Это позволяет ему присоединять к себе до четырех других атомов (водорода или других атомов углерода), создавая стабильные молекулярные структуры.
4. Явление изомерии. Изомеры — это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав (одну и ту же молекулярную формулу), но разное строение и, следовательно, разные свойства. Для углеводородов характерны:
   • Структурная изомерия:
     • Изомерия углеродного скелета: например, бутан $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$ и изобутан (2-метилпропан) $CH(CH_3)_3$. Оба имеют формулу $C_4H_{10}$.
     • Изомерия положения кратной связи: например, бутен-1 $CH_2=CH-CH_2-CH_3$ и бутен-2 $CH_3-CH=CH-CH_3$. Оба имеют формулу $C_4H_8$.
     • Межклассовая изомерия: например, алкены и циклоалканы имеют общую формулу $C_nH_{2n}$ (например, пропен и циклопропан, $C_3H_6$).
   • Пространственная изомерия (стереоизомерия):
     • Геометрическая (цис-транс) изомерия: возникает из-за невозможности свободного вращения вокруг двойной связи или в цикле. Например, цис-бутен-2 и транс-бутен-2.

Сочетание этих четырех факторов приводит к тому, что число возможных углеводородов практически не ограничено.

Ответ:

Многообразие углеводородов определяется главным образом четырьмя причинами, связанными со свойствами атома углерода:

1. Способностью атомов углерода соединяться друг с другом в длинные и разветвленные цепи, а также в циклы (катенация).
2. Способностью атомов углерода образовывать не только одинарные, но и кратные (двойные и тройные) связи.
3. Четырехвалентностью атома углерода, позволяющей создавать стабильные разветвленные структуры.
4. Широко распространенным явлением изомерии (структурной и пространственной), из-за которого соединения одного и того же состава могут иметь разное строение и свойства.