Номер 380, страница 90 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

380. Нарисуйте схему перекрывания атомных орбиталей при образовании $\pi$-связей в молекуле бензола. Расположите следующие молекулы: ацетилен, этилен, этан, бензол в порядке увеличения длины связи углерод—углерод. Как объяснить, что в молекуле бензола все связи углерод—углерод одинаковые?

Нарисуйте схему перекрывания атомных орбиталей при образовании π-связей в молекуле бензола.

В молекуле бензола ($C_6H_6$) каждый из шести атомов углерода находится в состоянии $sp^2$-гибридизации. Три гибридные $sp^2$-орбитали каждого атома углерода лежат в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Они образуют $\sigma$-связи: две связи $C-C$ с соседними атомами углерода и одну связь $C-H$ с атомом водорода. В результате образуется плоский шестиугольный каркас из атомов углерода ($\sigma$-скелет).

У каждого атома углерода остается одна негибридизованная p-орбиталь, которая расположена перпендикулярно плоскости кольца. Эти шесть p-орбиталей параллельны друг другу и перекрываются боковым образом с p-орбиталями двух соседних атомов углерода.

В результате этого непрерывного бокового перекрывания по всему циклу образуется не три изолированные $\pi$-связи, а единая замкнутая сопряженная система — делокализованное $\pi$-электронное облако. Эта система имеет форму двух тороидальных (похожих на пончик) областей электронной плотности, расположенных над и под плоскостью бензольного кольца. Шесть $\pi$-электронов равномерно распределены по всему циклу, принадлежат всем шести атомам углерода одновременно, что и представляет собой схему образования $\pi$-связей.

Ответ: Образование $\pi$-связей в бензоле происходит за счет бокового перекрывания шести негибридизованных p-орбиталей (по одной от каждого $sp^2$-гибридизованного атома углерода), которые перпендикулярны плоскости $\sigma$-скелета. Это приводит к созданию единой делокализованной $\pi$-электронной системы, расположенной над и под плоскостью кольца.

Расположите следующие молекулы: ацетилен, этилен, этан, бензол в порядке увеличения длины связи углерод—углерод.

Длина связи углерод—углерод зависит от ее кратности (порядка связи): чем выше кратность, тем короче и прочнее связь. Расположим данные молекулы и типы связей в них в порядке увеличения длины связи $C-C$:

1. Ацетилен ($C_2H_2$): содержит тройную связь $C \equiv C$. Это самая короткая связь. Длина связи составляет примерно 0.120 нм.

2. Этилен ($C_2H_4$): содержит двойную связь $C=C$. Она длиннее тройной. Длина связи — около 0.134 нм.

3. Бензол ($C_6H_6$): содержит полуторные (ароматические) связи. Из-за делокализации $\pi$-электронов длина связи является промежуточной между двойной и одинарной. Длина связи — около 0.140 нм.

4. Этан ($C_2H_6$): содержит одинарную связь $C-C$. Это самая длинная связь в ряду. Длина связи составляет примерно 0.154 нм.

Ответ: В порядке увеличения длины связи углерод—углерод молекулы располагаются следующим образом: ацетилен, этилен, бензол, этан.

Как объяснить, что в молекуле бензола все связи углерод—углерод одинаковые?

Если бы молекула бензола имела структуру с чередующимися одинарными и двойными связями (структура Кекуле), то в ней было бы два типа связей разной длины: более длинная одинарная связь $C-C$ (около 0.154 нм) и более короткая двойная связь $C=C$ (около 0.134 нм). Однако экспериментальные данные показывают, что все шесть связей $C-C$ в бензоле абсолютно идентичны и имеют промежуточную длину (около 0.140 нм).

Это объясняется явлением делокализации электронов. Как было описано в первом пункте, шесть p-электронов не принадлежат конкретным парам атомов углерода, а образуют единое $\pi$-электронное облако, которое равномерно распределено по всему циклу. Электронная плотность распределяется симметрично между всеми шестью атомами углерода.

В результате этого выравнивания электронной плотности все связи $C-C$ становятся эквивалентными. Каждая из них является "полуторной" связью (порядок связи 1.5), что и объясняет их одинаковую, промежуточную между одинарной и двойной, длину. Таким образом, реальная структура бензола является единой и стабильной, а не комбинацией быстро переключающихся структур.

Ответ: Все связи углерод—углерод в молекуле бензола одинаковы из-за образования единой делокализованной $\pi$-электронной системы, в которой шесть электронов равномерно распределены по всем шести атомам углерода, что приводит к полному выравниванию всех связей в кольце.