Страница 93 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Составьте электронные формулы метилового спирта, этилового спирта и воды. Поясните, как при перекрывании соответствующих электронных орбиталей образуются химические связи в молекуле воды и в гидроксильной группе спиртов.

Электронные формулы метилового спирта, этилового спирта и воды

Электронные формулы, также известные как формулы Льюиса, представляют собой способ изображения молекул, при котором все валентные электроны (участвующие в образовании связей и неподеленные) показаны в виде точек. Общие электронные пары, образующие ковалентную связь, часто изображают в виде двоеточия или черточки между атомами.

Метиловый спирт (метанол, $CH_3OH$)

Атом углерода образует три связи с атомами водорода и одну с атомом кислорода. Атом кислорода, в свою очередь, связан с углеродом и водородом и имеет две неподеленные электронные пары.

Электронная формула: $H:\overset{\large H}{\underset{\Large \cdot\cdot \atop H}{C}}:\ddot{O}:H$

Этиловый спирт (этанол, $C_2H_5OH$)

Молекула содержит два атома углерода, связанных между собой. Один атом углерода связан с тремя атомами водорода, а другой — с двумя атомами водорода и атомом кислорода гидроксильной группы.

Электронная формула: $H:\overset{\large H}{\underset{\Large \cdot\cdot \atop H}{C}}:\overset{\large H}{\underset{\Large \cdot\cdot \atop H}{C}}:\ddot{O}:H$

Вода ($H_2O$)

Атом кислорода связан с двумя атомами водорода и имеет две неподеленные электронные пары.

Электронная формула: $H:\ddot{O}:H$

Ответ: Электронные формулы: метиловый спирт $H:\overset{\large H}{\underset{\Large \cdot\cdot \atop H}{C}}:\ddot{O}:H$; этиловый спирт $H:\overset{\large H}{\underset{\Large \cdot\cdot \atop H}{C}}:\overset{\large H}{\underset{\Large \cdot\cdot \atop H}{C}}:\ddot{O}:H$; вода $H:\ddot{O}:H$.

Объяснение образования химических связей в молекуле воды и в гидроксильной группе спиртов

Образование химических связей в этих соединениях объясняется методом валентных связей, который предполагает перекрывание электронных орбиталей атомов. Для объяснения геометрии молекул используется концепция гибридизации атомных орбиталей.

Молекула воды ($H_2O$)

Атом кислорода имеет электронную конфигурацию внешнего энергетического уровня $2s^22p^4$. В его валентной оболочке находятся шесть электронов, из которых два — неспаренные (на двух $p$-орбиталях). Атом водорода имеет конфигурацию $1s^1$ с одним неспаренным электроном.

Для объяснения угловой формы молекулы воды и валентного угла $104.5^\circ$ принимается, что атом кислорода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации. Одна $2s$- и три $2p$-орбитали атома кислорода смешиваются, образуя четыре одинаковые по форме и энергии $sp^3$-гибридные орбитали, направленные к вершинам тетраэдра (с углом $109.5^\circ$ между ними).

Две из этих $sp^3$-орбиталей полностью заняты парами электронов (неподеленные электронные пары), а две другие содержат по одному электрону. Именно эти две одноэлектронные $sp^3$-орбитали кислорода перекрываются с $1s$-орбиталями двух атомов водорода. Это осевое перекрывание приводит к образованию двух прочных ковалентных полярных $\sigma$-связей $O-H$. Отталкивание между неподеленными электронными парами сильнее, чем между связывающими, поэтому валентный угол $H-O-H$ сжимается с $109.5^\circ$ до $104.5^\circ$.

Гидроксильная группа спиртов ($-OH$)

Строение гидроксильной группы в спиртах аналогично строению молекулы воды. Атом кислорода здесь также находится в состоянии $sp^3$-гибридизации.

Две $sp^3$-гибридные орбитали кислорода заняты неподеленными электронными парами. Третья $sp^3$-орбиталь перекрывается с $1s$-орбиталью атома водорода, образуя $\sigma$-связь $O-H$. Четвертая $sp^3$-орбиталь кислорода перекрывается с гибридной орбиталью атома углерода (в предельных одноатомных спиртах это $sp^3$-орбиталь), образуя $\sigma$-связь $C-O$.

Таким образом, связь $O-H$ и в воде, и в спиртах образуется в результате перекрывания $sp^3$-орбитали кислорода и $1s$-орбитали водорода. Наличие двух неподеленных пар у кислорода обусловливает угловое строение фрагмента $C-O-H$ в спиртах, где валентный угол близок к тетраэдрическому (например, в метаноле он составляет $108.9^\circ$).

Ответ: Химические связи в молекуле воды и в гидроксильной группе спиртов образуются при участии $sp^3$-гибридных орбиталей атома кислорода. В воде две $\sigma$-связи $O-H$ образуются при перекрывании двух $sp^3$-орбиталей кислорода с $1s$-орбиталями двух атомов водорода. В гидроксильной группе спирта $\sigma$-связь $O-H$ образуется за счет перекрывания $sp^3$-орбитали кислорода и $1s$-орбитали водорода, а $\sigma$-связь $C-O$ — за счет перекрывания $sp^3$-орбитали кислорода и гибридной (обычно $sp^3$) орбитали углерода. Две оставшиеся $sp^3$-орбитали кислорода заняты неподеленными электронными парами, что обуславливает угловое строение этих фрагментов молекул.

2. Как на основе экспериментальных данных можно вывести молекулярные и структурные формулы спиртов?

Вывод молекулярной и структурной формул спиртов на основе экспериментальных данных представляет собой многоэтапный процесс, включающий как химические, так и физико-химические методы анализа.

Вывод молекулярной формулы

Молекулярная формула показывает качественный и количественный состав молекулы, то есть какие атомы и в каком количестве входят в её состав. Для её установления выполняют следующие шаги:

1. Качественный элементный анализ. Сначала доказывают, что в состав вещества входят углерод, водород и кислород. При сжигании органического вещества в избытке кислорода образуются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$), что доказывает наличие углерода и водорода. Наличие гидроксильной группы ($-OH$), характерной для спиртов, можно доказать по реакции с активными металлами (например, с натрием), в ходе которой выделяется водород.
2. Количественный элементный анализ. Точную массу образца спирта сжигают, а затем измеряют массы образовавшихся углекислого газа и воды.
   • Массу углерода ($C$) находят из массы $CO_2$: $m(C) = m(CO_2) \cdot \frac{Ar(C)}{Mr(CO_2)}$
   • Массу водорода ($H$) находят из массы $H_2O$: $m(H) = m(H_2O) \cdot \frac{2 \cdot Ar(H)}{Mr(H_2O)}$
   • Массу кислорода ($O$) находят по разности между массой исходного образца и массами углерода и водорода: $m(O) = m_{спирта} - m(C) - m(H)$
3. Нахождение простейшей (эмпирической) формулы. Рассчитывают количество вещества (в молях) для каждого элемента: $n(C)$, $n(H)$, $n(O)$. Затем находят их соотношение, разделив на наименьшее из полученных значений. Это соотношение ($x:y:z$) дает простейшую формулу $C_xH_yO_z$.
4. Определение молярной массы. Молярную массу ($M$) неизвестного спирта можно определить экспериментально, например, по плотности его паров относительно известного газа (водорода или воздуха) или с помощью уравнения состояния идеального газа ($M = \frac{mRT}{PV}$). Также используются методы криоскопии (понижение температуры замерзания раствора) или эбулиоскопии (повышение температуры кипения раствора).
5. Установление истинной молекулярной формулы. Сравнивают молярную массу, рассчитанную по простейшей формуле ($M_{прост}$), с экспериментально найденной молярной массой ($M_{эксп}$). Их отношение $N = \frac{M_{эксп}}{M_{прост}}$ показывает, во сколько раз истинная формула "больше" простейшей. Молекулярная формула будет $(C_xH_yO_z)_N$.

Ответ: Молекулярная формула спирта выводится на основе данных количественного элементного анализа (продуктов сгорания) и экспериментально определенной молярной массы вещества.

Вывод структурной формулы

Структурная формула показывает порядок соединения атомов в молекуле. После установления молекулярной формулы (например, $C_4H_{10}O$) необходимо определить, какой из возможных изомеров ей соответствует.

1. Химические методы. Характерные химические свойства позволяют определить тип спирта (первичный, вторичный или третичный).
   • Окисление: Первичные спирты ($R-CH_2OH$) окисляются до альдегидов, а затем до карбоновых кислот. Вторичные спирты ($R_1R_2CHOH$) окисляются до кетонов. Третичные спирты ($R_1R_2R_3COH$) в мягких условиях не окисляются. Продукты реакции анализируют, что позволяет сделать вывод о строении исходного спирта.
   • Дегидратация: При нагревании с концентрированной серной кислотой спирты отщепляют воду, образуя алкены. Структура полученного алкена (или смеси алкенов) помогает установить строение углеродного скелета спирта.
2. Физико-химические (спектральные) методы. Это наиболее мощные и современные методы установления структуры.
   • ИК-спектроскопия (инфракрасная спектроскопия): Позволяет определить наличие функциональных групп. Для спиртов характерна широкая полоса поглощения в области $3200–3600 \text{ см}^{-1}$ (валентные колебания группы $O-H$) и интенсивная полоса в области $1000–1260 \text{ см}^{-1}$ (колебания связи $C-O$). Точное положение полосы $C-O$ может помочь в различении первичных, вторичных и третичных спиртов.
   • ЯМР-спектроскопия (спектроскопия ядерного магнитного резонанса): Дает самую детальную информацию о строении углеродного скелета и взаимном расположении атомов.
     • Протонный ЯМР (¹H ЯМР) показывает число типов неэквивалентных протонов, их количество и окружение. По химическим сдвигам, интегральным интенсивностям и мультиплетности сигналов можно однозначно "собрать" структуру молекулы.
     • Углеродный ЯМР (¹³C ЯМР) показывает число типов неэквивалентных атомов углерода, что позволяет судить о симметрии молекулы.
   • Масс-спектрометрия: Позволяет определить точную молярную массу с высокой точностью. Кроме того, по характеру фрагментации молекулы (осколочным ионам) под действием электронного удара можно сделать важные выводы о её строении. Например, для спиртов характерно отщепление молекулы воды ($M-18$) и разрыв связи рядом с гидроксильной группой.

Ответ: Структурная формула спирта выводится на основе его химических свойств (реакций окисления, дегидратации) и данных спектральных методов анализа (ИК-, ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии), которые позволяют определить порядок связей между атомами.

3. Один из атомов водорода в молекулах одноатомных спиртов является более подвижным. Поясните почему.

3. Решение

В молекулах одноатомных спиртов, общая формула которых $R-OH$, существуют атомы водорода, связанные с атомами углерода в углеводородном радикале ($R$), и один атом водорода, который связан с атомом кислорода в функциональной гидроксильной группе ($-OH$).

Именно атом водорода, входящий в состав гидроксильной группы, является более подвижным. Причина этого кроется в высокой электроотрицательности атома кислорода.

Атом кислорода значительно более электроотрицателен, чем атом водорода. Вследствие этого общая электронная пара в ковалентной связи $O-H$ сильно смещена в сторону атома кислорода. Это приводит к поляризации связи: на атоме кислорода возникает частичный отрицательный заряд ($ \delta- $), а на атоме водорода — частичный положительный заряд ($ \delta+ $). Можно изобразить это так: $R-O^{\delta-}-H^{\delta+}$.

Для сравнения, связи $C-H$ в углеводородном радикале являются практически неполярными, поскольку электроотрицательности углерода и водорода различаются незначительно.

Сильная поляризация связи $O-H$ приводит к ее ослаблению и, как следствие, к повышению подвижности атома водорода. Это означает, что он может относительно легко отщепляться в виде протона ($H^+$), что и определяет слабые кислотные свойства спиртов (например, их способность реагировать со щелочными металлами). Эта же полярность обуславливает способность молекул спирта образовывать межмолекулярные водородные связи.

Ответ: Более подвижным является атом водорода гидроксильной группы ($-OH$). Его подвижность обусловлена сильной поляризацией связи $O-H$, которая возникает из-за высокой электроотрицательности атома кислорода. Кислород оттягивает на себя электронную плотность, создавая на атоме водорода частичный положительный заряд и тем самым ослабляя связь.

4. Почему температура кипения у спиртов намного выше, чем у соответствующих углеводородов?

Температура кипения вещества определяется силой межмолекулярных связей: чем они прочнее, тем больше энергии требуется для их разрыва и перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, и, следовательно, тем выше температура кипения.

Молекулы соответствующих углеводородов (например, алканов, таких как этан $C_2H_6$) являются неполярными или слабополярными. Основными силами, действующими между ними, являются слабые силы Ван-дер-Ваальса (дисперсионные силы). Эти силы возникают из-за временного смещения электронной плотности в молекулах и относительно легко преодолеваются при нагревании.

В молекулах спиртов (например, в этаноле $C_2H_5OH$) присутствует гидроксильная группа $-OH$. Атом кислорода значительно более электроотрицателен, чем атом водорода, из-за чего связь $O-H$ сильно поляризована. На атоме водорода возникает частичный положительный заряд ($δ^+$), а на атоме кислорода – частичный отрицательный ($δ^-$). Это приводит к образованию между молекулами спиртов особого типа прочных межмолекулярных связей — водородных связей. Положительно заряженный атом водорода одной молекулы притягивается к отрицательно заряженному атому кислорода другой молекулы.

Водородные связи значительно прочнее ван-дер-ваальсовых сил. Поэтому для того, чтобы разделить молекулы спирта и перевести его в пар, требуется затратить гораздо больше энергии. Например, температура кипения этана ($C_2H_6$) составляет -89 °C, в то время как температура кипения этанола ($C_2H_5OH$), имеющего сопоставимую молекулярную массу, равна +78 °C. Эта разница почти в 170 градусов объясняется именно наличием водородных связей в этаноле.

Ответ: Температура кипения у спиртов намного выше, чем у соответствующих углеводородов, из-за наличия в молекулах спиртов гидроксильной группы ($-OH$). Эта группа позволяет молекулам спирта образовывать между собой прочные межмолекулярные водородные связи, на разрыв которых требуется значительно больше энергии, чем на преодоление слабых ван-дер-ваальсовых сил, действующих между молекулами углеводородов.

5. Составьте структурные формулы всех одноатомных спиртов, молекулярная формула которых $C_5H_{11}OH$. Назовите их.

Молекулярной формуле $\ce{C5H11OH}$ (общая формула предельных одноатомных спиртов $\ce{C_n H_{2n+1}OH}$) соответствуют 8 структурных изомеров. Они выводятся из трех возможных углеродных скелетов для алкана с пятью атомами углерода (пентана) путем размещения гидроксильной группы ($\ce{-OH}$) во всех неэквивалентных положениях.

Ниже приведены структурные формулы и названия всех восьми изомерных спиртов.

1. Пентан-1-ол (первичный спирт).
   Структурная формула: $\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-OH}$

2. Пентан-2-ол (вторичный спирт).
   Структурная формула: $\ce{CH3-CH2-CH2-CH(OH)-CH3}$

3. Пентан-3-ол (вторичный спирт).
   Структурная формула: $\ce{CH3-CH2-CH(OH)-CH2-CH3}$

4. 3-метилбутан-1-ол (первичный спирт, также известен как изоамиловый или изопентиловый спирт).
   Структурная формула: $\ce{(CH3)2CH-CH2-CH2-OH}$

5. 2-метилбутан-1-ол (первичный спирт).
   Структурная формула: $\ce{CH3-CH2-CH(CH3)-CH2-OH}$

6. 3-метилбутан-2-ол (вторичный спирт).
   Структурная формула: $\ce{CH3-CH(CH3)-CH(OH)-CH3}$

7. 2-метилбутан-2-ол (третичный спирт, также известен как трет-амиловый или трет-пентиловый спирт).
   Структурная формула: $\ce{CH3-CH2-C(OH)(CH3)2}$

8. 2,2-диметилпропан-1-ол (первичный спирт, также известен как неопентиловый спирт).
   Структурная формула: $\ce{(CH3)3C-CH2-OH}$

Для молекулярной формулы $\ce{C5H11OH}$ существует 8 изомерных одноатомных спиртов: пентан-1-ол, пентан-2-ол, пентан-3-ол, 3-метилбутан-1-ол, 2-метилбутан-1-ол, 3-метилбутан-2-ол, 2-метилбутан-2-ол и 2,2-диметилпропан-1-ол. Их структурные формулы представлены в решении.

1. Общая формула одноатомных предельных спиртов

1) $C_{n}H_{2n}$

2) $C_{n}H_{2n+2}$

3) $C_{n}H_{2n+1}OH$

4) $C_{n}H_{2n-2}$

1. Для определения общей формулы одноатомных предельных спиртов разберем это название по частям.

Предельные углеводороды (алканы) – это углеводороды, в которых атомы углерода соединены между собой только одинарными связями, и они имеют максимальное (предельное) число атомов водорода. Их общая формула – $C_nH_{2n+2}$, где $n \ge 1$.

Спирты – это производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильную группу (–OH).

Одноатомные спирты – это спирты, содержащие только одну гидроксильную группу.

Таким образом, чтобы получить общую формулу одноатомного предельного спирта, нужно в общей формуле соответствующего алкана ($C_nH_{2n+2}$) заменить один атом водорода на гидроксильную группу (–OH).

1. Берем общую формулу алканов: $C_nH_{2n+2}$.
2. Отделяем один атом водорода, чтобы образовать радикал: $C_nH_{2n+1}$. Это алкильный радикал.
3. Присоединяем к этому радикалу гидроксильную группу –OH.
В результате получаем общую формулу одноатомных предельных спиртов: $C_nH_{2n+1}OH$.

Рассмотрим предложенные варианты:

1) $C_nH_{2n}$ – общая формула алкенов или циклоалканов.

2) $C_nH_{2n+2}$ – общая формула алканов (предельных углеводородов).

3) $C_nH_{2n+1}OH$ – общая формула одноатомных предельных спиртов. Например, метанол $CH_3OH$ (при n=1), этанол $C_2H_5OH$ (при n=2).

4) $C_nH_{2n-2}$ – общая формула алкинов или алкадиенов.

Следовательно, правильный вариант ответа находится под номером 3.

Ответ: 3) $C_nH_{2n+1}OH$

2. Вещества, имеющие формулы $CH_3-O-CH_3$ и $CH_3-CH_2-OH$,

являются

1) гомологами

2) полимерами

3) изомерами

4) радикалами

Решение

Для того чтобы определить, чем являются данные вещества, необходимо проанализировать их состав и строение. В задаче представлены два вещества: диметиловый эфир ($CH_3—O—CH_3$) и этанол ($CH_3—CH_2—OH$).

Первым шагом определим молекулярную (брутто) формулу для каждого вещества, то есть подсчитаем общее количество атомов каждого химического элемента в молекуле.

Для диметилового эфира ($CH_3—O—CH_3$):

- количество атомов углерода (C) равно 2;

- количество атомов водорода (H) равно 3 + 3 = 6;

- количество атомов кислорода (O) равно 1.

Таким образом, молекулярная формула диметилового эфира — $C_2H_6O$.

Для этанола ($CH_3—CH_2—OH$):

- количество атомов углерода (C) равно 1 + 1 = 2;

- количество атомов водорода (H) равно 3 + 2 + 1 = 6;

- количество атомов кислорода (O) равно 1.

Таким образом, молекулярная формула этанола также — $C_2H_6O$.

Из анализа следует, что оба вещества имеют одинаковый качественный и количественный состав, то есть одинаковую молекулярную формулу $C_2H_6O$. Однако они имеют разное химическое строение (разный порядок соединения атомов) и, как следствие, разные химические и физические свойства. Диметиловый эфир относится к классу простых эфиров, а этанол — к классу одноатомных спиртов. Вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но разное строение, называются изомерами.

Теперь рассмотрим предложенные варианты ответов:

1) гомологи — это вещества, принадлежащие к одному и тому же гомологическому ряду (классу соединений), сходные по строению и свойствам, но отличающиеся по составу на одну или несколько гомологических разностей (групп $—CH_2—$). Данные вещества принадлежат к разным классам (эфиры и спирты), поэтому они не являются гомологами.

2) полимеры — это высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа повторяющихся мономерных звеньев. Диметиловый эфир и этанол — низкомолекулярные соединения.

3) изомеры — это вещества, имеющие одинаковый атомный состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение молекул. Это определение точно описывает взаимоотношения между диметиловым эфиром и этанолом.

4) радикалы — это частицы (атомы или группы атомов) с неспаренными электронами, обладающие высокой реакционной способностью. Представленные вещества являются стабильными молекулами.

Следовательно, правильный вариант ответа — 3.

Ответ: 3) изомерами