Номер 384, страница 90 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

384. Как объяснить, что для бензола, в отличие от алкенов, характерны реакции замещения? Приведите уравнения реакций этана с бромом при нагревании, гептена-1 с бромной водой, бензола с бромом в присутствии катализатора $FeBr_3$:

Решение:

Основное отличие бензола от алкенов, определяющее их химические свойства, заключается в строении их электронных систем.

В молекуле бензола ($C_6H_6$) шесть атомов углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Каждый атом углерода образует три $\sigma$-связи (две с соседними атомами углерода и одну с атомом водорода), которые лежат в одной плоскости. У каждого атома углерода остается по одной негибридизованной $p$-орбитали, оси которых перпендикулярны плоскости кольца. Эти шесть $p$-орбиталей перекрываются между собой, образуя единую сопряженную циклическую $\pi$-электронную систему (ароматическую систему). Эта система содержит 6 $\pi$-электронов и является очень устойчивой из-за делокализации (равномерного распределения) электронной плотности по всему циклу.

Для бензола энергетически невыгодно вступать в реакции присоединения, так как это привело бы к разрушению стабильной ароматической системы. Например, присоединение молекулы $Br_2$ потребовало бы разрыва сопряженной системы, что требует больших затрат энергии. Вместо этого бензол вступает в реакции замещения (электрофильного замещения), в ходе которых один из атомов водорода замещается на другую группу, а стабильная ароматическая система сохраняется.

В отличие от бензола, алкены (например, гептен-1) содержат локализованную двойную связь ($C=C$). Эта связь состоит из одной прочной $\sigma$-связи и одной менее прочной $\pi$-связи. Электронная плотность $\pi$-связи сконцентрирована между двумя атомами углерода, что делает ее легкодоступной для атаки электрофильными реагентами (такими как $Br_2$). Поэтому для алкенов характерны реакции присоединения по двойной связи, в ходе которых $\pi$-связь разрывается и образуются две новые $\sigma$-связи.

Ответ: Для бензола характерны реакции замещения, а не присоединения (в отличие от алкенов), из-за наличия в его молекуле особо устойчивой циклической сопряженной $\pi$-электронной системы (ароматической системы). Реакции замещения позволяют сохранить эту энергетически выгодную систему, в то время как реакции присоединения привели бы к ее разрушению.

Уравнение реакции этана с бромом при нагревании

Для алканов, таких как этан, характерны реакции радикального замещения, которые инициируются нагреванием или ультрафиолетовым облучением. Атом водорода в молекуле этана замещается на атом брома.

$C_2H_6 + Br_2 \xrightarrow{t} C_2H_5Br + HBr$

Ответ: $C_2H_6 + Br_2 \xrightarrow{t} C_2H_5Br + HBr$

Уравнение реакции гептена-1 с бромной водой

Для алкенов, имеющих двойную связь, характерны реакции электрофильного присоединения. Происходит разрыв $\pi$-связи в молекуле гептена-1 и присоединение атомов брома по месту разрыва связи. Реакция приводит к обесцвечиванию бромной воды.

$CH_3-(CH_2)_4-CH=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_3-(CH_2)_4-CH(Br)-CH_2(Br)$

Ответ: $CH_3(CH_2)_4CH=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_3(CH_2)_4CHBr-CH_2Br$

Уравнение реакции бензола с бромом в присутствии катализатора $FeBr_3$

Бензол вступает в реакцию электрофильного замещения с бромом в присутствии катализатора (кислоты Льюиса, например, $FeBr_3$ или $AlBr_3$). Катализатор поляризует молекулу $Br_2$, облегчая атаку бензольного кольца. В результате один из атомов водорода в бензольном кольце замещается на атом брома с сохранением ароматической системы.

$C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_5Br + HBr$

Ответ: $C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_5Br + HBr$