16. Что такое электрофил и нуклеофил? Приведите примеры таких частиц.

Ответ: Нуклеофил – частица с неподеленной электронной парой. Чаще всего нуклеофилами являются анионы. К примеру, гидрид анион Н^-, хлорид-анион Cl^-, гидроксид-анион ОН^-. Однако нуклеофильными свойствами обладают также и электронейтральные молекулы. К примеру, молекула воды H₂O или метанола CH₃OH являются нуклеофилами, поскольку содержат атом кислорода, на котором имеется целых две неподеленных электронных пары (как на любом двухвавлентном кислороде). Аналогично молекула аммиака NH₃ и органических аминов нуклеофильны, так как на трехвалентном азоте всегда имеется одна неподеленная электронная пара.

17. Приведите все структурные формулы и названия изомерных соединений следующего состава:

-алканы C₅H₁₂;

-алкены C₄H₈;

-спирты C₃H₈O.

Ответ:

алканы состава С₅Н₁₂:

Алкены состава С₄Н₈:

Спирты состава С₃Н₈О:

(изопропиловый спирт)

18. Определите тип гибридизации атомов углерода в молекулах метана, этилена, формальдегида, синильной кислоты и ацетилена.

Ответ: Несмотря на постоянную валентность углерода (четыре), он может по‑разному использовать свои валентности в зависимости от количества и валентности связанных с ним атомов. Можно придумать следующие возможные случаи:

Количество соседей, с которыми связан атом углерода, определяет геометрию молекулы. К примеру, молекула синильной кислоты HCN линейна: центральный атом углерода связан одной связью с атомом водорода Н и тройной связью с атомом азота N. Одинарная связь образована двумя электронами, а тройная – шестью. Поскольку электроны отталкиваются друг от друга, то связи С‑Н и С≡N пытаются МАКСИМАЛЬНО оттолкнуться друг от друга в пространстве, образуя между собой угол 180^о (больше уже некуда) и обеспечивая линейность молекулы.

Для того, чтобы определить гибридизацию атома четырехвалентного углерода в органическом соединении необходимо посчитать количество атомов, с которым этот атом углерода связан (т.е. количество соседей). Двум соседям (как в молекуле HCN) соответствует sp‑гибридизация (т.к. sp = s¹p¹, а 1+1=2 соседа). Трем соседям (как в молекуле формальдегида СН₂О) соответствует sp²‑гибридизация (т.к. sp² = s¹p², а 1+2=3 соседа). Четырем соседям (как в молекуле метана СН₄) соответствует sp³‑гибридизация (т.к. sp³ = s¹p³, а 1+3=4 соседа).

Используя аналогичный подход, легко найти, что атом углерода в молекуле этилена находится sp² гибридном состоянии, а в молекуле ацетилена – в sp-гибридном.

19. Каково строение молекул метана, этилена и ацетилена, каково значение валентных углов в этих молекулах?

Ответ: строение молекулы тесно связано с гибридизацией атомов углерода. Можно сказать и иначе: строение связано с количеством атомов, с которыми связан атом углерода, а это количество соседних атомов определяет тип гибридизации.

Молекула ацетилена – линейна, каждый атом углерода связан с двумя соседними атомами – углерода и водорода, которые стараются максимально отдалиться друг от друга, что соответствует валентному углу 180^о и таким образом линейному строению.

Молекула этилена – плоская, валентный угол составляет порядка 120^о. Молекула метана имеет тетраэдрическое строение: атом углерода находится как бы в центре тетраэдра, а атомы водорода – в вершинах этого тетраэдра. Валентный угол составляет 109.5^о.

20. Изобразите графически распределение электронов по 2s и 2p орбиталям в частицах, полученных а) удалением б) присоединением одного электрона к атому углерода. Какой из этих ионов следует обозначить С^‑, а какой С⁺? Могут ли эти ионы и каким образом проявлять валентность три? Изобразите, какие частицы могут получиться при взаимодействии каждого из этих ионов с тремя атомами водорода. Какую из полученных частиц следует обозначить СН₃^‑, а какую СН₃⁺?

КРАТКИЙ ОТВЕТ:

А) При удалении одного электрона (заряд электрона -1) образуется катион углерода С⁺: Эта частица может быть трехвалентной за счет перехода в возбужденное состояние (по аналогии с атомом углерода), поскольку в возбужденном состоянии у иона С⁺ имеется три неспаренных электрона:

К примеру, при взаимодействии с тремя атомами водорода образуется метильный катион СН₃⁺. Метильный катион –электрофильная частица, поскольку содержит вакантную орбиталь.

Б) Напротив, если к электронейтральному атому углерода присоединяется электрон, то получается анион углерода С^-. Эта частица содержит три неспаренных электрона, а потому способна образовать три связи по обменному механизму, то есть проявлять валентность три. При взаимодействии с тремя атомами водорода образуется метильный анион:

Метильный анион является нуклеофильной частицей, поскольку содержит неподеленную электронную пару на атом углерода.

21. Изобразите электронную формулу молекулы метана и решите, какую связь и каким образом (у какого атома окажутся электроны разрываемой связи?) необходимо разорвать, чтобы получить СН₃^‑. Проделайте ту же процедуру с целью получить СН₃⁺?

ОТВЕТ:

Необходимо гетеролитически разорвать связь С-Н, поскольку именно при гетеролитическом разрыве связи возникают заряженные частицы. В зависимости от того с каким из атомов – углерода или водорода – останутся два электрона, которые ранее образовывали связь С-Н образуется либо метильный анион либо метильный катион.