Страница 12 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Что А. М. Бутлеров подразумевал под химическим строением вещества? В качестве примеров приведите как органические, так и неорганические вещества.

Александр Михайлович Бутлеров под понятием «химическое строение» подразумевал определённую последовательность, в которой атомы соединены друг с другом в молекуле в соответствии с их валентностью. Согласно его теории, химические свойства вещества определяются не только его элементным составом, но и порядком связей между атомами, то есть его химическим строением. Это ключевое положение объяснило явление изомерии — существование веществ, имеющих одинаковый состав и молекулярную массу, но разное строение и, следовательно, разные физические и химические свойства. Бутлеров также ввёл понятие о взаимном влиянии атомов в молекуле, которое определяет её реакционную способность.

В качестве примеров приведите как органические, так и неорганические вещества

Примеры органических веществ:
Классическим примером, иллюстрирующим теорию строения, являются изомеры состава $C_2H_6O$:
1. Этиловый спирт (этанол), имеющий структурную формулу $CH_3-CH_2-OH$. В его молекуле атомы соединены в последовательности углерод-углерод-кислород. Это жидкость при нормальных условиях, смешивается с водой в любых соотношениях и обладает характерными свойствами спиртов (например, реагирует с натрием).
2. Диметиловый эфир, со структурной формулой $CH_3-O-CH_3$. Здесь последовательность соединения атомов иная: углерод-кислород-углерод. Это газ при нормальных условиях, малорастворимый в воде и химически значительно менее активный, чем этанол.
Таким образом, при одинаковом атомном составе, разное химическое строение приводит к кардинальным различиям в свойствах.

Примеры неорганических веществ:
Принципы теории строения применимы и к неорганической химии.
1. Цианат аммония $NH_4OCN$ и мочевина (карбамид) $CO(NH_2)_2$. Оба вещества отвечают одной и той же брутто-формуле $CH_4N_2O$. Однако цианат аммония является ионным соединением, состоящим из катиона аммония $[NH_4]^+$ и аниона цианата $[OCN]^-$. Мочевина же является ковалентной молекулой, в которой атом углерода связан двойной связью с кислородом и одинарными связями с двумя аминогруппами. Их свойства, соответственно, совершенно различны.
2. Фосфористая кислота $H_3PO_3$. Исходя из формулы, можно было бы предположить строение $P(OH)_3$ и ожидать, что это трехосновная кислота. Однако химические эксперименты показывают, что она является двухосновной. Это объясняется её истинным химическим строением: один атом водорода связан напрямую с атомом фосфора, а два других — через атомы кислорода ($HP(O)(OH)_2$). Только атомы водорода в гидроксогруппах (-OH) обладают кислотными свойствами.

Ответ: Под химическим строением А. М. Бутлеров подразумевал определённый порядок соединения атомов в молекуле согласно их валентности. Он постулировал, что химические и физические свойства вещества определяются не только его элементным составом, но и его химическим строением. Это позволило объяснить явление изомерии — существования веществ с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением и свойствами. Примерами являются органические изомеры этанол ($CH_3-CH_2-OH$) и диметиловый эфир ($CH_3-O-CH_3$), и неорганические — цианат аммония ($NH_4OCN$) и мочевина ($CO(NH_2)_2$).

2. Изложите основные положения теории химического строения органических веществ.

Теория химического строения органических веществ была сформулирована великим русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым в 1861 году. Она стала фундаментальной основой для всей органической химии, объяснив многообразие органических соединений и явление изомерии. Основные положения этой теории заключаются в следующем:

1. Положение о последовательности соединения атомов. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определённой последовательности в соответствии с их валентностью. Порядок межатомных связей в молекуле называется её химическим строением. Углерод в органических соединениях всегда проявляет валентность, равную четырём ($IV$). Атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя разнообразные цепи (линейные, разветвлённые) и циклы, что и обусловливает многообразие органических соединений.

2. Положение о зависимости свойств от строения. Свойства веществ определяются не только их качественным и количественным атомным составом, но и их химическим строением. Это положение объяснило явление изомерии — существование веществ (изомеров), которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но разное строение, и, как следствие, разные физические и химические свойства. Например, веществу с молекулярной формулой $C_2H_6O$ соответствуют два изомера: этанол ($CH_3-CH_2-OH$) и диметиловый эфир ($CH_3-O-CH_3$). Этанол — жидкость (т. кип. 78,3 °C), реагирует со щелочными металлами, в то время как диметиловый эфир — газ (т. кип. -24 °C), который в такие реакции не вступает.

3. Положение о взаимном влиянии атомов. Атомы или группы атомов в молекуле оказывают взаимное влияние друг на друга, которое отражается на химических свойствах всего соединения. Это влияние может передаваться как непосредственно, так и через цепь других атомов. Например, в молекуле уксусной кислоты ($CH_3COOH$) карбоксильная группа ($-COOH$) оттягивает электронную плотность от метильной группы ($-CH_3$), а та, в свою очередь, влияет на карбоксильную группу, делая кислоту слабее, чем, например, муравьиная кислота ($HCOOH$).

4. Положение о возможности определения строения. Химическое строение молекулы можно установить на основе изучения её химических свойств (с помощью характерных реакций). Справедливо и обратное: зная химическое строение вещества, можно прогнозировать его физические и химические свойства. Это положение подчеркивает огромную предсказательную силу теории. Современная теория строения также учитывает пространственное (стереохимическое) строение молекул, которое является неотъемлемой частью понятия "строение" и также определяет свойства вещества.

Ответ: Основные положения теории химического строения А.М. Бутлерова:
1. Атомы в молекулах соединены в определённой последовательности (химическое строение) согласно их валентности.
2. Свойства веществ зависят от их химического строения, что объясняет существование изомеров.
3. Атомы и группы атомов в молекулах взаимно влияют друг на друга, изменяя их реакционную способность.
4. Строение вещества можно определить, изучая его свойства, и, наоборот, зная строение, можно предсказать свойства.

3. На конкретных примерах поясните, что такое изомерия.

Изомерия — это явление существования химических соединений, называемых изомерами. Изомеры имеют одинаковый атомный состав, то есть одну и ту же молекулярную формулу, но различное химическое или пространственное строение и, как следствие, различные физические и химические свойства.

Существует несколько видов изомерии, которые можно рассмотреть на конкретных примерах.

Структурная изомерия
При структурной изомерии атомы в молекулах-изомерах соединены в разном порядке. Она делится на несколько типов.

Изомерия углеродного скелета. Этот вид изомерии обусловлен различным строением углеродной цепи. Например, для молекулярной формулы $C_4H_{10}$ существуют два изомера:
- н-бутан с линейной цепью: $CH_3–CH_2–CH_2–CH_3$.
- изобутан (или 2-метилпропан) с разветвленной цепью: $CH_3–CH(CH_3)–CH_3$.
Эти вещества, несмотря на одинаковый состав, имеют разные температуры кипения (−0,5 °C у н-бутана и −11,7 °C у изобутана).

Изомерия положения. В этом случае изомеры отличаются положением кратной связи (двойной или тройной) или функциональной группы. Например, для спиртов с формулой $C_3H_8O$:
- Пропанол-1, где гидроксильная группа (–ОН) находится у первого атома углерода: $CH_3–CH_2–CH_2–OH$.
- Пропанол-2, где группа –ОН находится у второго (центрального) атома углерода: $CH_3–CH(OH)–CH_3$.

Межклассовая изомерия. Здесь изомеры принадлежат к разным классам органических соединений. Например, молекулярной формуле $C_2H_6O$ соответствуют:
- Этанол (класс спирты): $CH_3–CH_2–OH$.
- Диметиловый эфир (класс простые эфиры): $CH_3–O–CH_3$.
Их химические свойства кардинально различаются: этанол – жидкость, реагирует со щелочными металлами, а диметиловый эфир – газ, химически инертный в этих условиях.

Пространственная изомерия (стереоизомерия)
Стереоизомеры имеют одинаковый порядок соединения атомов, но различное их расположение в пространстве.

Геометрическая (цис-транс) изомерия. Она характерна для соединений, в которых затруднено свободное вращение вокруг связи (например, двойной связи С=С). Например, у бутена-2 ($C_4H_8$) есть два геометрических изомера:
- цис-бутен-2, где заместители (группы $CH_3$) находятся по одну сторону от плоскости двойной связи.
- транс-бутен-2, где заместители находятся по разные стороны.

Оптическая изомерия. Она возникает у молекул, которые являются зеркальными отражениями друг друга, несовместимыми в пространстве. Это свойственно молекулам с хиральным центром – атомом углерода, связанным с четырьмя разными заместителями. Примером служит молочная кислота $CH_3–CH(OH)–COOH$, существующая в виде двух оптических изомеров (энантиомеров).

Ответ: Изомерия — это явление существования соединений (изомеров), которые имеют одинаковую молекулярную формулу (т.е. одинаковый качественный и количественный состав), но разное строение (разный порядок соединения атомов или их различное пространственное расположение) и, как следствие, обладают разными физическими и химическими свойствами. Конкретными примерами изомеров являются н-бутан и изобутан (оба $C_4H_{10}$), которые являются структурными изомерами углеродного скелета; этанол и диметиловый эфир (оба $C_2H_6O$), являющиеся межклассовыми изомерами; а также цис- и транс-бутен-2 (оба $C_4H_8$), которые являются пространственными (геометрическими) изомерами.

4. Приведите примеры из курса неорганической химии, которые доказывают, что свойства веществ зависят от их строения, а строение веществ — от их свойств.

Свойства веществ зависят от их строения

Одним из самых ярких примеров, демонстрирующих зависимость свойств вещества от его строения, является явление аллотропии — существование одного и того же химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам. Рассмотрим аллотропные модификации углерода: алмаз и графит.

1. Алмаз. В кристалле алмаза каждый атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и связан прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра. Это создает очень жесткую трехмерную атомную кристаллическую решетку. Такое строение обуславливает уникальные свойства алмаза: он является самым твердым из известных природных веществ, прозрачен, не проводит электрический ток (диэлектрик) и имеет очень высокую температуру плавления.

2. Графит. В кристалле графита атомы углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Они образуют плоские гексагональные сетки (слои), в которых каждый атом связан с тремя другими. Эти слои соединены между собой слабыми межмолекулярными (ван-дер-ваальсовыми) силами. Такое слоистое строение определяет свойства графита: он мягкий, легко расслаивается (что используется в карандашах), непрозрачный, жирный на ощупь, обладает электропроводностью (благодаря делокализованным $\pi$-электронам внутри слоев) и используется как твердая смазка.

Таким образом, два вещества, состоящие исключительно из атомов углерода, обладают кардинально различными физическими свойствами из-за разного пространственного расположения атомов и типа их гибридизации, то есть из-за разного строения.

Ответ: Свойства веществ, такие как твердость, электропроводность, прозрачность и температура плавления, напрямую определяются их внутренним строением, в частности, типом кристаллической решетки и характером химических связей между атомами. Примером служат аллотропные модификации углерода — алмаз и графит, которые, имея одинаковый элементный состав, обладают совершенно разными свойствами из-за различий в строении их кристаллических решеток.

Строение веществ — от их свойств

Это утверждение следует понимать так, что строение вещества (тип химической связи и кристаллической решетки) определяется фундаментальными свойствами образующих его атомов (элементов), такими как электроотрицательность, ионизационный потенциал, атомный радиус и число валентных электронов.

Рассмотрим, как свойства элементов влияют на строение образуемых ими соединений:

1. Хлорид натрия ($NaCl$). Это соединение образовано атомами типичного металла — натрия ($Na$) и типичного неметалла — хлора ($Cl$). Свойства этих элементов сильно различаются: у натрия низкая электроотрицательность и энергия ионизации, а у хлора — высокая электроотрицательность и сродство к электрону. Такое сочетание свойств приводит к тому, что атом натрия легко отдает электрон, а атом хлора его принимает. В результате образуются ионы $Na^+$ и $Cl^-$, между которыми возникает ионная связь. Эти ионы упаковываются в строго упорядоченную ионную кристаллическую решетку. Таким образом, именно свойства элементов (их склонность отдавать или принимать электроны) определили ионное строение вещества.

2. Диоксид кремния ($SiO_2$). Это вещество образовано атомами двух неметаллов — кремния ($Si$) и кислорода ($O$). Их электроотрицательности высоки, но разница между ними не настолько велика, чтобы произошел полный перенос электрона. Эти свойства атомов приводят к образованию полярных ковалентных связей. Атом кремния имеет четыре валентных электрона и способен образовывать четыре связи. В результате возникает гигантская трехмерная структура — атомная кристаллическая решетка, где каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода — с двумя атомами кремния. Свойства элементов (их электроотрицательность и валентность) предопределили атомное строение вещества.

3. Хлор ($Cl_2$). Вещество образовано атомами одного и того же неметалла — хлора. Поскольку атомы идентичны, их свойства (включая электроотрицательность) одинаковы. Это приводит к образованию неполярной ковалентной связи путем обобществления пары электронов. В результате образуются двухатомные молекулы $Cl_2$. В твердом состоянии эти молекулы удерживаются вместе очень слабыми межмолекулярными силами, образуя молекулярную кристаллическую решетку. Здесь идентичность свойств атомов определила молекулярное строение вещества.

Ответ: Строение вещества (тип химической связи и тип кристаллической решетки) зависит от свойств составляющих его химических элементов. Различия в электроотрицательности, энергии ионизации и валентности атомов определяют, будет ли связь ионной, ковалентной или металлической, а структура — ионной, атомной, молекулярной или металлической. Примерами служат $NaCl$ (ионное строение из-за большой разницы в свойствах $Na$ и $Cl$), $SiO_2$ (атомное строение из-за свойств $Si$ и $O$, способствующих образованию ковалентной сетки) и $Cl_2$ (молекулярное строение из-за идентичности свойств атомов хлора).

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).

6. Охарактеризуйте научное и практическое значение теории строения органических веществ.

Теория строения органических веществ, созданная русским химиком А. М. Бутлеровым в 1861 году, является теоретическим фундаментом всей органической химии. Её значение можно разделить на научное и практическое.

Научное значение

Научное значение теории заключается в том, что она превратила органическую химию из описательной дисциплины в предсказательную науку, обладающую стройной логической системой.
1. Систематизация и классификация. Теория позволила систематизировать огромное количество известных органических соединений, основываясь на их химическом строении — последовательности соединения атомов в молекулах. Это создало единую основу для классификации и изучения органических веществ.
2. Объяснение явления изомерии. Теория дала первое научное объяснение изомерии — явлению существования веществ, имеющих одинаковый состав (молекулярную формулу), но разное строение и, как следствие, разные физические и химические свойства. Например, для молекулярной формулы $C_2H_6O$ теория объясняет существование двух совершенно разных веществ: этилового спирта ($CH_3–CH_2–OH$) и диметилового эфира ($CH_3–O–CH_3$). Это позволило не только объяснять, но и предсказывать количество возможных изомеров для данного состава.
3. Установление связи "строение-свойство". Главный постулат теории гласит, что свойства веществ определяются их химическим строением. Это позволило предсказывать свойства соединений, исходя из их структурных формул. Важнейшим дополнением стало положение о взаимном влиянии атомов в молекуле, которое объясняет, почему одна и та же функциональная группа проявляет разные свойства в составе разных молекул.
4. Фундамент для развития химии. Классическая теория строения послужила основой для возникновения и развития новых, более глубоких направлений, таких как стереохимия (учение о пространственном строении молекул) и электронная теория химической связи. Она также заложила основы для понимания механизмов химических реакций.
5. Мировоззренческое значение. Успехи теории и основанного на ней синтеза нанесли окончательный удар по идеалистическому учению о витализме ("жизненной силе"), доказав, что органические вещества подчиняются общим законам природы и могут быть получены искусственно, вне живых организмов.

Ответ: Научное значение теории состоит в создании теоретической базы органической химии, что позволило систематизировать соединения, объяснить и предсказать изомерию, установить фундаментальную зависимость свойств веществ от их строения и дать мощный толчок для дальнейшего развития химической науки.

Практическое значение

Практическое значение теории строения огромно, так как она стала научным руководством для целенаправленного получения веществ с заранее заданными свойствами, что произвело революцию во многих отраслях промышленности.
1. Целенаправленный органический синтез. Теория позволила перейти от случайных находок к сознательному планированию синтеза необходимых человеку веществ. Зная, как определённые структурные фрагменты молекулы влияют на её свойства, химики получили возможность "конструировать" молекулы с нужными характеристиками (например, лекарственной активностью, определённым цветом, прочностью).
2. Создание новых материалов и развитие промышленности. На основе теории были созданы целые отрасли химической промышленности:
- Производство полимеров: создание пластмасс, синтетических каучуков и волокон (полиэтилен, ПВХ, капрон, лавсан), которые сегодня используются повсеместно.
- Фармацевтическая промышленность: синтез широкого спектра лекарственных препаратов (антибиотиков, сульфаниламидов, обезболивающих). Установление строения природного лекарственного вещества позволяет синтезировать его или его более эффективные и безопасные аналоги.
- Производство красителей: создание тысяч синтетических красителей, превосходящих природные по стойкости, яркости и дешевизне.
- Агрохимия: разработка эффективных средств защиты растений (пестицидов, гербицидов) и стимуляторов роста.
3. Нефтепереработка и энергетика. Понимание строения углеводородов лежит в основе процессов крекинга и риформинга нефти для получения высококачественного бензина и другого топлива, а также ценного сырья для химического синтеза.
4. Развитие аналитических методов. Теория строения является основой для интерпретации данных современных физико-химических методов анализа (ЯМР, ИК-спектроскопия, масс-спектрометрия), позволяющих быстро и точно устанавливать строение органических веществ.

Ответ: Практическое значение теории заключается в том, что она стала научной основой для целенаправленного синтеза веществ, что привело к созданию и бурному развитию промышленности полимеров, лекарств, красителей, агрохимикатов и способствовало прогрессу в энергетике и создании новых материалов, определяющих качество жизни в современном мире.