№11. Строение органических веществ: изомерия, гомологи, гибридизация
Задание №11 — про строение молекул: изомеры, гомологи, типы связей и гибридизацию атомов углерода. Основной инструмент один: посчитать брутто-формулу данного вещества и сравнить её с формулами веществ из перечня. Кто этого не делает, тот выбирает изомеры наугад.
Разберём два близких, но разных понятия. Изомеры — вещества с одинаковым составом, то есть одинаковой брутто-формулой, но разным строением. Гомологи — вещества одинакового строения, которые отличаются на одну группу CH2: метан, этан, пропан, бутан. Гомологи не изомерны друг другу, потому что их формулы разные. Это самая частая путаница в задании.
изомеры: одинаковая формула, разное строение · гомологи: разница CH2 · C4H8: бутен-1, бутен-2, циклобутан, метилпропен
Видов изомерии несколько, и в задании важно понять, какой именно спрашивают. Структурная изомерия — это разный порядок соединения атомов: разный скелет, разное положение кратной связи, разное положение функциональной группы. Межклассовая изомерия — когда один и тот же состав отвечает разным классам: бутен и циклобутан, этанол и диметиловый эфир, этановая кислота и метилформиат. Геометрическая, или цис-транс-изомерия, — это разное расположение заместителей в пространстве при одном и том же порядке связей.
| Вид изомерии | В чём различие | Пример |
|---|---|---|
| Структурная, скелет | разное строение углеродной цепи | бутан и 2-метилпропан |
| Структурная, положение кратной связи | двойная связь между разными атомами | бутен-1 и бутен-2 |
| Структурная, положение группы | функциональная группа у разных атомов | пропанол-1 и пропанол-2 |
| Межклассовая | разные классы при одном составе | бутен-1 и циклобутан; этанол и диметиловый эфир; этановая кислота и метилформиат |
| Межклассовая для алкинов | одна формула у алкинов, алкадиенов и циклоалкенов | гексин-2, гексадиен-1,4, циклогексен |
| Геометрическая (цис-транс) | разное расположение заместителей относительно жёсткого фрагмента | цис-бутен-2 и транс-бутен-2; цис- и транс-1,2-диметилциклопропан |
| Оптическая | зеркальные формы молекулы | молочная кислота |
Теперь о связях и гибридизации. Атом углерода образует четыре связи, и в зависимости от их набора меняется форма его окружения. Четыре одинарные σ-связи означают sp3-гибридизацию и тетраэдр с валентным углом около 109°28′ — это алканы. Три σ-связи и одна π-связь означают sp2-гибридизацию и плоский фрагмент с углом 120° — это алкены, карбонильные группы и атомы углерода бензольного кольца. Две σ-связи и две π-связи означают sp-гибридизацию и линейный фрагмент с углом 180° — это алкины и терминальный углерод аллена.
sp3: 4 σ-связи, угол 109°28′ · sp2: 3 σ-связи и 1 π, угол 120° · sp: 2 σ-связи и 2 π, угол 180°
σ-связь — перекрывание вдоль линии связи, вращение возможно · π-связь — перекрывание по обе стороны от линии связи, вращение невозможно
Из неподвижности π-связи вырастает цис-транс-изомерия. Она возможна только при двух условиях сразу: есть жёсткий фрагмент, вокруг которого нет свободного вращения (двойная связь или кольцо), и у каждого из двух атомов этого фрагмента стоят два разных заместителя. Проверим на примерах: у бутена-2 цис- и транс-формы есть, а у бутена-1 нет, потому что при первом атоме углерода стоят два одинаковых водорода. У 1,2-диметилциклопропана цис- и транс-формы есть, а у 1,1-диметилциклопропана нет, потому что оба заместителя стоят у одного атома кольца.
- Шаг 1. Запиши брутто-формулу данного вещества, аккуратно посчитав все атомы, включая кислород и азот.
- Шаг 2. Посчитай формулу каждого вещества из перечня и отбрось те, у которых состав другой: это могут быть гомологи, но изомерами они не являются.
- Шаг 3. Среди совпавших по составу исключи то же самое вещество: изомер обязан отличаться строением, а не записью или названием.
- Шаг 4. Определи вид изомерии: разный скелет, разное положение кратной связи или группы, межклассовая изомерия, геометрическая.
- Шаг 5. Перед выбором цис-транс-изомеров проверь два условия: жёсткий фрагмент и два разных заместителя при каждом из двух атомов.
- Шаг 6. Гибридизацию определяй по числу связей: четыре σ — sp3, три σ и одна π — sp2, две σ и две π — sp.
Типичные ошибки. 1) Путают изомеры и гомологи: бутан и пентан — гомологи, у них разный состав, а бутен-1 и циклобутан — изомеры. 2) Считают формулу только по углероду и водороду и забывают кислород: этилацетат C4H8O2 изомерен бутановой кислоте, но не бутану. 3) Не замечают межклассовую изомерию: алкенам изомерны циклоалканы, алкинам — алкадиены и циклоалкены, кислотам — сложные эфиры. 4) Приписывают цис-транс-изомерию веществу с двумя одинаковыми заместителями при атоме двойной связи или при одном атоме кольца. 5) Считают, что цис- и транс-формы — это разные вещества, и сравнивают их как структурные изомеры друг друга, хотя это два изомера одного вещества. 6) Определяют гибридизацию по классу вещества, а не по числу связей конкретного атома: в бензоле углерод sp2, хотя вещество ароматическое и непредельное.
Проверь себя
- Чем изомеры отличаются от гомологов и почему бутан и пентан нельзя назвать изомерами?
- Какие два условия должны выполняться, чтобы у вещества была цис-транс-изомерия?
- Почему у бутена-1 нет цис- и транс-форм, а у бутена-2 есть?
- Как по числу σ- и π-связей у атома углерода определить его гибридизацию?
- Приведи пример межклассовой изомерии для карбоновой кислоты и объясни, почему составы совпадают.
Показательные решения
- Дано вещество бутен-1, нужно найти среди перечисленных веществ его структурные изомеры.
- Считаем формулу бутена-1: четыре атома углерода, одна двойная связь, значит состав C4H8. Структурный изомер обязан иметь точно такой же состав.
- Формуле C4H8 отвечают не только алкены, но и циклоалканы — это межклассовая изомерия, о которой легко забыть. Поэтому проверяем перечень целиком, а не только по названиям с суффиксом -ен.
- Циклобутан имеет формулу C4H8 и другое строение — это изомер, значит цифра в ответе есть.
- Метилпропен тоже C4H8, но со разветвлённым скелетом — это второй изомер.
- Проверка: бутан C4H10 не подходит, потому что состав другой, это гомолог. А вещество, записанное так же, как бутен-1, изомером не является, потому что это то же самое вещество.
- Ответ: 25.
Ответ: 25
Официальное решение из банка ФИПИ
Структурные изомеры в химии — это вещества с одинаковым составом, но разным строением, то есть разным порядком соединения атомов в молекуле. Молекулярная формула у структурных изомеров одинаковая, а структурная различается. Структурными изомерами бутена-1 являются циклобутан и метилпропен. Ответ: 25.
- Даны два вещества: бутен-1 и цис-бутен-2. Нужно выбрать верные утверждения об их связи друг с другом.
- Считаем формулы: у бутена-1 четыре углерода и одна двойная связь, то есть C4H8; у цис-бутена-2 то же самое. Состав одинаковый, значит вещества изомерны.
- Смотрим, чем они различаются: двойная связь стоит между разными атомами углерода — в первом случае между первым и вторым, во втором между вторым и третьим. Это изомерия положения кратной связи.
- Значит верны два утверждения: вещества являются структурными изомерами и их изомерия относится к положению кратной связи.
- Отбрасываем вариант про геометрическую изомерию: цис- и транс-формы — это два изомера одного и того же вещества, а здесь сравнивают два разных вещества с разным положением связи.
- Ответ: 12.
Ответ: 12
Официальное решение из банка ФИПИ
Бутен-1 и цис-бутен-2 являются структурными изомерами (1), а именно изомерами по положению кратной связи (2). Ответ: 12.
- Дано вещество, состав которого отвечает формуле CnH2n+2. Нужно выбрать два признака, характерные для него.
- Соотношение атомов водорода и углерода максимальное, значит все связи в молекуле одинарные, а вещество относится к предельным углеводородам — алканам.
- Первый верный признак: между атомами углерода есть только одинарные σ-связи. Ни двойных, ни тройных связей в молекуле нет.
- Второй верный признак: для алканов возможно существование структурных изомеров, но только начиная с четырёх атомов углерода — бутан C4H10 имеет изомер 2-метилпропан, а у пропана и этана изомеров нет.
- Отбрасываем цис-транс-изомерию: вокруг одинарной связи заместители свободно вращаются, поэтому геометрические изомеры невозможны, а кратных связей, дающих жёсткий фрагмент, в молекуле нет.
- Ответ: 13.
Ответ: 13
Официальное решение из банка ФИПИ
Это алкан, так как состав отвечает общей формуле CnH2n+2. Выберем признак, характерный для алканов: одинарная связь между атомами углерода. Существование структурных изомеров характерно для алканов, начиная с С4Н10. Ответ: 13.