Страница 124 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Какие соединения относят к карбоновым кислотам? Как их классифицируют? Приведите по одному примеру из каждой группы кислот.

1. Решение

Какие соединения относят к карбоновым кислотам?

К карбоновым кислотам относят класс органических соединений, молекулы которых содержат одну или несколько функциональных карбоксильных групп ($—COOH$), связанных с углеводородным радикалом или атомом водорода. Общая формула карбоновых кислот: $R-COOH$. Наличие карбоксильной группы определяет кислотные свойства этих соединений.

Как их классифицируют? Приведите по одному примеру из каждой группы кислот.

Классификация карбоновых кислот основана на двух главных критериях: количестве карбоксильных групп в молекуле и строении углеводородного радикала, с которым эти группы связаны.

Классификация по числу карбоксильных групп:

- Одноосновные (монокарбоновые) — содержат одну карбоксильную группу.
Пример: Уксусная (этановая) кислота, $CH_3COOH$.

- Двухосновные (дикарбоновые) — содержат две карбоксильные группы.
Пример: Щавелевая (этандиовая) кислота, $HOOC-COOH$.

- Многоосновные (поликарбоновые) — содержат три и более карбоксильные группы.
Пример: Лимонная (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая) кислота, $HOOC-CH_2-C(OH)(COOH)-CH_2-COOH$.

Классификация по характеру углеводородного радикала:

- Предельные (насыщенные) — углеводородный радикал состоит только из одинарных связей С-С.
Пример: Пропановая (пропионовая) кислота, $CH_3CH_2COOH$.

- Непредельные (ненасыщенные) — в углеводородном радикале присутствуют кратные (двойные или тройные) связи.
Пример: Акриловая (пропеновая) кислота, $CH_2=CH-COOH$.

- Ароматические — углеводородный радикал представляет собой ароматическое ядро (например, бензольное кольцо).
Пример: Бензойная кислота, $C_6H_5COOH$.

Ответ: Карбоновые кислоты — это органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп ($—COOH$). Их классифицируют: 1) по числу карбоксильных групп на одноосновные (например, уксусная кислота $CH_3COOH$), двухосновные (щавелевая кислота $HOOC-COOH$) и многоосновные (лимонная кислота); 2) по строению радикала на предельные (пропановая кислота $CH_3CH_2COOH$), непредельные (акриловая кислота $CH_2=CH-COOH$) и ароматические (бензойная кислота $C_6H_5COOH$).

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 $O-H$.

3*. Как изменяются свойства водородных атомов гидроксильных групп в ряду веществ: одноатомные спирты, многоатомные спирты, фенолы, карбоновые кислоты? Почему?

Решение

Свойства водородных атомов гидроксильных групп, а именно их подвижность (кислотность), в указанном ряду веществ усиливаются. Это означает, что способность отщеплять протон ($H^+$) возрастает в последовательности: одноатомные спирты < многоатомные спирты < фенолы < карбоновые кислоты. Рассмотрим причины этого явления для каждого класса соединений.

1. Одноатомные спирты (например, этанол $C_2H_5OH$)

В молекулах одноатомных спиртов гидроксильная группа $(–OH)$ связана с алкильным радикалом (например, $-C_2H_5$). Алкильные радикалы проявляют положительный индуктивный эффект $(+I)$, то есть они смещают электронную плотность от себя к атому кислорода. Это приводит к увеличению электронной плотности на атоме кислорода, что, в свою очередь, уменьшает поляризацию связи $O–H$. В результате атом водорода удерживается прочнее, и его кислотные свойства выражены очень слабо. Кислотность спиртов даже меньше, чем у воды.

2. Многоатомные спирты (например, этиленгликоль $HO–CH_2–CH_2–OH$)

В многоатомных спиртах присутствует несколько гидроксильных групп. Сама гидроксильная группа является электроноакцептором и проявляет отрицательный индуктивный эффект $(-I)$. Гидроксильные группы оказывают взаимное влияние друг на друга, оттягивая электронную плотность по цепи $\sigma$-связей. Это приводит к тому, что полярность связи $O–H$ в многоатомных спиртах выше, чем в одноатомных. Следовательно, подвижность атомов водорода и кислотные свойства у многоатомных спиртов выражены сильнее, чем у одноатомных.

3. Фенолы (например, фенол $C_6H_5OH$)

В молекуле фенола гидроксильная группа связана напрямую с бензольным кольцом. Атом кислорода гидроксильной группы имеет неподеленные электронные пары, которые вступают в сопряжение с $\pi$-системой бензольного кольца (положительный мезомерный эффект, $+M$). Электронная плотность от атома кислорода смещается в сторону кольца. Это приводит к значительному ослаблению связи с водородом и сильной её поляризации. Кроме того, образующийся при диссоциации фенолят-анион ($C_6H_5O^−$) стабилизирован за счет делокализации отрицательного заряда по всему бензольному кольцу. Эти два фактора обуславливают значительно более высокую кислотность фенолов по сравнению со спиртами.

4. Карбоновые кислоты (например, уксусная кислота $CH_3COOH$)

В карбоновых кислотах гидроксильная группа входит в состав карбоксильной группы $(–COOH)$, где она связана с карбонильным атомом углерода $(C=O)$. Карбонильная группа обладает мощным электроноакцепторным действием (сильный отрицательный индуктивный $(-I)$ и мезомерный $(-M)$ эффекты). Она сильно стягивает электронную плотность с атома кислорода гидроксильной группы. Это приводит к максимальной поляризации связи $O–H$ в данном ряду. Образующийся в результате диссоциации карбоксилат-анион ($RCOO^−$) очень устойчив, так как отрицательный заряд в нем равномерно распределен (делокализован) между двумя атомами кислорода. Благодаря этим факторам карбоновые кислоты являются наиболее сильными кислотами в рассматриваемом ряду.

Ответ:

В ряду одноатомные спирты → многоатомные спирты → фенолы → карбоновые кислоты подвижность (кислотные свойства) атома водорода гидроксильной группы последовательно возрастает. Это связано с электронными эффектами радикала, связанного с гидроксильной группой. Усиление кислотности происходит из-за увеличения поляризации связи $O–H$ и повышения стабильности образующегося аниона, что обусловлено индуктивными и мезомерными эффектами.

4. Какие две кислоты имеют общую молекулярную формулу $C_4H_8O_2$?

Решение

Молекулярная формула $C_4H_8O_2$ соответствует общей формуле насыщенных одноосновных карбоновых кислот $C_nH_{2n}O_2$. В данном случае число атомов углерода $n=4$. Следовательно, соединения с такой формулой являются изомерами карбоновой кислоты, содержащей четыре атома углерода. Изомерия для данных кислот обусловлена различным строением углеродного скелета.

Существует два возможных изомера, которые являются карбоновыми кислотами:

1. Кислота с неразветвленной углеродной цепью. Углеродная цепь состоит из четырех атомов. Это бутановая кислота. Ее тривиальное название — масляная кислота.
Структурная формула: $CH_3-CH_2-CH_2-COOH$.

2. Кислота с разветвленной углеродной цепью. Главная углеродная цепь состоит из трех атомов (пропан), и у второго атома углерода находится метильный заместитель ($-CH_3$). Это 2-метилпропановая кислота. Ее тривиальное название — изомасляная кислота.
Структурная формула: $CH_3-CH(CH_3)-COOH$.

Оба этих соединения являются структурными изомерами, имеют одинаковую молекулярную формулу $C_4H_8O_2$ и относятся к классу карбоновых кислот.

Ответ: бутановая (масляная) кислота и 2-метилпропановая (изомасляная) кислота.

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).

6. Из веществ, формулы которых даны ниже, выпишите отдельно: а) гомологи; б) изомеры.
Под формулами напишите названия соответствующих веществ:

$CH_3-CH_2-C(=O)H$

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-C(=O)H$

$CH_3-CH_2-OH$

$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-C(=O)H$

$CH_3-CHOH-CH_3$

$CH_3-O-CH_3$

$CH_3-CH_2-C(=O)H$

$CH_3-C(=O)H$

$CH_3-CH_2-CH_2OH$

$H_3C-O-CH_2-CH_3$

Сначала определим названия всех представленных веществ и их брутто-формулы.

$CH_3-CH_2-C(=O)H$ — Пропаналь ($C_3H_6O$)

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-C(=O)H$ — Пентаналь ($C_5H_{10}O$)

$CH_3-CH_2-OH$ — Этанол ($C_2H_6O$)

$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-C(=O)H$ — 3-метилбутаналь ($C_5H_{10}O$)

$CH_3-CHOH-CH_3$ — Пропанол-2 ($C_3H_8O$)

$CH_3-O-CH_3$ — Диметиловый эфир ($C_2H_6O$)

$CH_3-C(=O)H$ — Этаналь ($C_2H_4O$)

$CH_3-CH_2-CH_2OH$ — Пропанол-1 ($C_3H_8O$)

$H_3C-O-CH_2-CH_3$ — Метилэтиловый эфир ($C_3H_8O$)

Гомологи — это вещества, принадлежащие к одному классу соединений (имеющие одну и ту же функциональную группу и сходное строение), но отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп $-CH_2-$.

Группа 1: Гомологический ряд альдегидов
$CH_3-C(=O)H$
Этаналь

$CH_3-CH_2-C(=O)H$
Пропаналь

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-C(=O)H$
Пентаналь

Группа 2: Гомологический ряд предельных одноатомных спиртов
$CH_3-CH_2-OH$
Этанол

$CH_3-CH_2-CH_2OH$
Пропанол-1

Группа 3: Гомологический ряд простых эфиров
$CH_3-O-CH_3$
Диметиловый эфир

$H_3C-O-CH_2-CH_3$
Метилэтиловый эфир

Ответ: Гомологами являются: 1) этаналь, пропаналь и пентаналь; 2) этанол и пропанол-1; 3) диметиловый эфир и метилэтиловый эфир.

Изомеры — это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение и, следовательно, разные свойства.

Группа 1: Изомеры состава $C_2H_6O$ (межклассовые изомеры)
$CH_3-CH_2-OH$
Этанол

$CH_3-O-CH_3$
Диметиловый эфир

Группа 2: Изомеры состава $C_3H_8O$
$CH_3-CH_2-CH_2OH$
Пропанол-1 (изомер положения функциональной группы)

$CH_3-CHOH-CH_3$
Пропанол-2 (изомер положения функциональной группы)

$H_3C-O-CH_2-CH_3$
Метилэтиловый эфир (межклассовый изомер)

Группа 3: Изомеры состава $C_5H_{10}O$ (изомеры углеродного скелета)
$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-C(=O)H$
Пентаналь

$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-C(=O)H$
3-метилбутаналь

Ответ: Изомерами являются: 1) этанол и диметиловый эфир ($C_2H_6O$); 2) пропанол-1, пропанол-2 и метилэтиловый эфир ($C_3H_8O$); 3) пентаналь и 3-метилбутаналь ($C_5H_{10}O$).