Стабильные анионы как определить

Разбор Задания №1 ЕГЭ по ХИМИИ

В Задании №1 нам необходимо уметь хорошо пользоваться таблицей Менделеева. Первое задание — это поиск атома или иона с заданной конфигурацией электронов, обычно это количество электронов на внешнем уровне (соответствует номеру группы).

Тематика заданий: электронная конфигурация атомов

Примерное время выполнения: 1 мин.

Разбор типовых вариантов заданий №1 ЕГЭ по химии

Опре­де­ли­те, атомы каких двух из указанных в ряду элементов имеют на внешнем энер­ге­ти­че­ском уровне пять электронов.

Данный пример — типичный вариант первого задания — необходимо определить количество электронов на внешнем уровне. Вспоминаем, что на количество электронов на внешнем уровне указывает номер ГРУППЫ:

Напомню, что нам важно обращать внимание на то, в главной или побочной группе находится элемент. К сожалению, в таблице, которая дана на ЕГЭ нет деления на главные или побочные группы (какие-то элементы пишут правее, какие-то левее, но это не деление на главные и побочные группы), данная таблица не удобна, однако, по правилам можно пользоваться только ей. Обсуждать недостатки данной таблицы мы не будем, скажем лишь, что в условиях задания представлены всегда элементы главных групп, поэтому данный вопрос отпадает сам собой на экзамене (но нет гарантий, что не могут дать определить количество внешних электронов у кобальта, например, по номеру группы в данной таблице это не определишь).

Итак, находим наши пять элементов из условия:

Определяем номер группы — у алюминия 3 группа, у азота и фосфора — пятая, у кислорода и серы — шестая.

В условии нас спрашивают про пять электронов — значит выбираем элементы из пятой группы — азот и фосфор!

Определите, двум атомам каких из указанных элементов до завершения внешнего уровня не хватает шести электронов.

Данное задание немного другого типа, в нем необходимо определить элементы, которым не хватает какого-то количества электронов до завершения внешнего уровня. В этом случае наш алгоритм прост: мы знаем, что на внешнем уровне должно быть 8 электронов (2 и 3 период, или главные группы 4,5,6.. — в заданиях в основном фигурируют именно эти элементы), а значит вычитаем из 8 заданное число — в нашем случае 6: 8-6=2. Значит, в нашем элементе должно быть два электрона на внешнем уровне и, следовательно, расположен он во второй группе. Определяем группы элементов из условия:

В данном случае элементы второй группы — магний и барий.

Опре­де­ли­те, атомы каких двух из указанных в ряду элементов в основном состоянии содержат один неспаренный электрон.

Итак, натрий в первой группе, магний во второй, алюминий в третьей, кремний в четвертой, а сера в шестой.

Выбираем элементы в нечетных группах — это натрий и алюминий!

Опре­де­ли­те, атомы каких двух из указанных в ряду элементов в основном состоянии содержат два неспаренных электрона.

В нашем случае это углерод и сера.

Определите, какие два из указанных элементов образуют устойчивый положительный ион, содержащий 10 электронов.

В данном варианте задания речь идет уже об ионе, причем положительном, который содержит 10 электронов. В такого вида заданиях необходимо определить, сколько заполнено уровней у иона в зависимости от количества электронов. В нашем случае 10 электронов — это полностью заполненные первый (2) и второй (8) уровни (или периоды в таблице). Так мы говорим о положительном ионе — значит элемент потерял электроны, но у него их было больше чем 10, а значит, он расположен в третьем периоде. Ищем такие элементы:

Нам подходят натрий и алюминий.

Определите, какие из указанных элементов об­ра­зу­ют устойчивый от­ри­ца­тель­ный ион, со­дер­жа­щий 18 электронов.

Отрицательный ион получается путем добавления электронов к атому. 18 электронов — это полностью заполненный третий уровень или период, значит, наши элементы расположены именно в нем (в отличии от предыдущего задания, где мы искали в следующем периоде, так как ион положительный). Смотрим на предоставленные в условии элементы:

В данном случае в третий период попали алюминий, сера и хлор. Алюминий не может принять электроны до 18, так как является металлом и отдает электроны. Наиболее типичные элементы-любители электронов расположены правее. Это сера и хлор для данного задания.

Опре­де­ли­те, какие из указанных элементов на внешнем уровне содержат больше s-электронов, чем p-электронов (в основном состоянии).

Такие виды заданий часто встречаются в тренировочных вариантах, нужно либо определить кого меньше, когда равно или кого больше. Разберем для наглядности данный пример. s-электронов всего два, значит p-электронов должно быть 1, чтобы было меньше. В сумме у элемента на внешнем уровне получается максимум 3 электрона (но может быть и ноль p-электронов и один или два s!), а значит он в третьей, второй или первой группе.

Нам подходит водород и бериллий.

Остальные задания очень похожи на разобранные, поэтому вы их точно сможете решить, разобравшись с выше представленными решениями.

Источник

Лекция № 4

Кислотно-основные свойства органических соединений, ионизация. Роль ионизации в проявлении биологической активности

В протолитической теории понятия кислот и оснований относятся лишь к функции, которую выполняет вещество в данной реакции. Одно и то же вещество, в зависимости от реакционного партнера, может выполнять функцию как кислоты, так и основания:

Обычно кислотность определяется по отношению к воде как основанию. Количественная оценка кислотности (силы кислоты) проводится сравнением констант равновесия реакций по переносу протона от кислоты к основанию.

Концентрация воды практически не изменяется, поэтому, умножив правую и левую части этого равенства на [Н₂О], получим следующее выражение:

Сравнительный анализ силы кислот (качественная оценка) проводят путем сопоставления устойчивости соответствующих кислотам сопряженных оснований (анионов). Чем стабильнее сопряженный кислоте анион (основание), тем сильнее сопряженная ему кислота. Стабильность анионов зависит от степени делокализации отрицательного заряда – чем в большей степени делокализован отрицательный заряд, тем стабильнее анион, тем сильнее сопряженная кислота.

Степень делокализации отрицательного заряда зависит от следующих факторов:

от природы атома кислотного центра, т.е. от его электроотрицательности и радиуса (поляризуемости);

от характера связанного с ним радикала;

от электронного строения аниона;

4) от влияния растворителя.

Влияние природы атома кислотного центра

Аналогичная картина наблюдается и для соединений, в которых атом кислотного центра связан с одинаковым органическим радикалом:

С-Н кислоты проявляют самые слабые кислотные свойства, хотя алканы, алкены и алкины несколько различаются по кислотности.

Влияние заместителей, связанных с кислотным центром

Электроноакцепторные заместители увеличивают кислотность соединений. Смещая на себя электронную плотность, они способствуют увеличению полярности и уменьшению прочности связи атома кислотного центра с атомом водорода, облегчают отщепление протона. Смещение электронной плотности к электроноакцепторному заместителю приводит к большей делокализации отрицательного заряда в анионе и увеличению его стабильности.

Электронодонорные заместители уменьшают кислотность соединений, так как смещают электронную плотность от себя, что приводит к локализации отрицательного заряда на атоме кислотного центра в анионе и уменьшению его устойчивости, увеличению его энергии, что затрудняет его образование.

Влияние электронного строения анионов

На степень делокализации отрицательного заряда в анионе и его стабильность оказывает сильное влияние наличие сопряженной системы и проявление мезомерного эффекта. Делокализация отрицательного заряда по системе сопряжения приводит к стабилизации аниона, т.е к усилению кислотных свойств молекул.

Молекулы карбоновых кислот и фенола образуют более стабильные анионы и проявляют более сильные кислотные свойства, чем алифатические спирты и тиолы, в которых не проявляется мезомерный эффект.

На проявление кислотных свойств соединения влияние растворителя может быть значительным. Так, например, соляная кислота, являющаяся сильной кислотой в водном растворе, практически не проявляет кислотных свойств в бензольном растворе. Вода, как эффективный ионизирующий растворитель, сольватирует образующиеся ионы, тем самым стабилизирует их. Молекулы бензола, являясь неполярными, не могут вызвать значительной ионизации молекул хлороводорода и не могут стабилизировать за счет сольватации образующиеся ионы.

В протолитической теории кислот и оснований различают два типа оснований – p-основания и n-основания (ониевые основания).

p-Основания – это соединения, которые для образования связи с протоном предоставляют пару электронов p-связи. К ним относятся алкены, диены, ароматические соединения. Они являются очень слабыми основаниями, так как пара электронов не свободна, а образует p-связь, т.е принадлежит обоим атомам. Для образования s-связи с протоном сначала нужно разорвать p-связь, что требует затрат энергии.

n-Основания (ониевые основания) – это молекулы или ионы, которые для образования связи с протоном предоставляют неподеленную пару р-электронов. По природе оснóвного центра различают: аммониевые основания, оксониевые основания и сульфониевые основания.

Аммониевые основания – это соединения, в которых центром основности является атом азота с неподеленной парой р-электронов (амины, амиды, нитрилы, азотсодержащие гетероциклы,имины и др.)

Оксониевые основания – это соединения, в которых центром основности является атом кислорода с неподеленной парой р-электронов (спирты, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и др.)

Сульфониевые основания – это соединения, в которых центром основности является атом серы с неподеленной парой р-электронов (тиоспирты, тиоэфиры и др.).

Cилу основания В в воде можно оценить, рассматривая равновесие:

Константу основности К_В, так же как и константу кислотности К_а, для удобства выражают величиной рК_В, численно равной отрицательному десятичному логарифму константы основности. Чем больше константа основности К_В и чем меньше рК_В, тем сильнее основание.

Сила оснований зависит от: 1) природы атома основного центра – электроотрицательности и поляризуемости (от радиуса атома); 2) от электронных эффектов заместителей, связанных с основным центром; 3) от влияния растворителя.

Влияние природы атома основного центра

С увеличением электроотрицательности атома основного центра сила оснований уменьшается, так как чем больше электроотрицательность, тем сильнее атом удерживает свою неподеленную пару электронов, и таким образом труднее ее предоставляет для образования связи с протоном. Исходя из этого, оксониевые основания слабее аммониевых, содержащих одинаковые заместители у основного центра:

Сульфониевые основания, содержащие одинаковые заместители у основного центра, проявляют еще более слабые основные свойства. Атом серы, хотя и менее электроотрицателен, чем атомы кислорода и азота, имеет больший атомный радиус и характеризуется большей поляризуемостью, поэтому труднее предоставляет неподеленную пару электронов внешнего слоя для образования связи с протоном.

Влияние заместителей, связанных с основным центром

Электронодонорные заместители, смещая электронную плотность к атому основного центра, облегчают присоединение протона, тем самым усиливают основные свойства. Электроноакцепторные заместители, смещая на себя электронную плотность, уменьшают ее на основном центре, чем затрудняют присоединение протона и ослабляют основные свойства:

Поскольку увеличение силы основания связано с возрастанием способности присоединять протон и, следовательно, с увеличением на основном центре частичного отрицательного заряда, можно ожидать повышения основности в ряду аммониевых оснований NH₃ + :

Реакционная способность субстрата зависит:

Нуклеофильное замещение может идти по одному из двух механизмов – S_N2 или S_N1. По механизму бимолекулярного нуклеофильного замещения S_N2 реагируют субстраты, содержащие уходящую группу, связанную с первичным атомом углерода.

В качестве субстратов в реакциях, идущих по механизму S_N2, могут выступать алкилгалогениды, спирты, тиолы, амины, содержащие первичные углеводородные радикалы.

Общая схема бимолекулярного нуклеофильного замещения S_N2 :

Реакции бимолекулярного нуклеофильного замещения представляют собой согласованный процесс, так как образование связи с нуклеофилом и разрыв связи с уходящей группой происходит одновременно, атакующая нуклеофильная частица постепенно вытесняет уходящую группу. При этом часть энергии, необходимая для разрыва связи С-Z, возмещается за счет энергии, выделяющейся при образовании связи С-Nu. Эти реакции являются бимолекулярным процессом, так как в образовании переходного состояния (самая медленная стадия) участвуют обе частицы и скорость реакции зависит от концентрации как нуклеофила, так и субстрата.

В переходном состоянии изменяется тетраэдрическое расположение связей атома углерода, подвергающегося нуклеофильной атаке: три заместителя R_1, R₂, R₃ располагаются в одной плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка, а уходящая группа и нуклеофильная частица расположены на одной линии, перпендикулярной этой плоскости. Наличие объемных заместителей R_1, R₂, R₃, связанных с атакуемым атомом углерода, затрудняет нуклеофильную атаку, так как атаке подвергается тыльная сторона связи С-Z.

Увеличение полярности растворителя также снижает скорость реакции. Это объясняется тем, что полярный растворитель стабилизирует нуклеофильную частицу, имеющую отрицательный заряд, лучше, нежели переходное состояние, в котором отрицательный заряд распределен между нуклеофилом и уходящей группой. Это приводит к тому, что реакционная способность нуклеофила уменьшается и увеличивается разность энергий исходного вещества и переходного состояния, что ведет к увеличению энергии активации реакции.

Рассмотрим в качестве примеров реакции гидролиза галогеналканов и реакции превращения спиртов в галогеналканы.

Гидролиз галогеналканов осуществляется действием водных растворов щелочей. В качестве нуклеофильной частицы в этой реакции выступает гидроксид-ион, образующийся при диссоциации щелочи.

Однако превращение спиртов в галогенпроизводные не удается осуществить действием на спирты солями галогеноводородных кислот:

Ион водорода протонирует атом кислорода гидроксильной группы (быстрая стадия), что приводит к возникновению на атоме кислорода полного положительного заряда. Вследствие этого связь С®ОН становится более полярной, а на атоме углерода увеличивается частичный положительный заряд, что делает его более восприимчивым к нуклеофильной атаке.

В качестве субстратов в реакциях, идущих по механизму мономолекулярного нуклеофильного замещения S_N1, могут выступать алкилгалогениды, спирты, тиолы, амины, содержащие третичные углеводородные радикалы.

Общая схема мономолекулярного нуклеофильного замещения S_N1:

Реакция протекает в три последовательные стадии: 1) протонирование спирта – быстрая стадия; 2) гетеролитический разрыв связи С-О, приводящий к отщеплению воды и образованию карбкатиона – медленная стадия реакции, определяющая скорость реакции в целом; 3) нуклеофильная атака бромид-ионом образовавшегося на предыдущей стадии карбкатиона, в результате которой образуется конечный продукт – быстрая стадия.

Механизм реакции:

На механизм нуклеофильного замещения большое влияние оказывают заместители при электронодефицитном атоме углерода. При изучении реакций гидролиза в ряду галогеналканов

При переходе от бензилхлорида к дифенилхлорметану и трифенилхлорметану эффект стабилизации карбкатиона становится все более отчетливо выраженным и атака по механизму S_N1 облегчается еще сильнее, так как возможность делокализации положительного заряда возрастает. Аналогичная стабилизация наблюдается также для аллильных карбкатионов:

Схема реакции гидролиза бензилхлорида имеет вид:

Реакция протекает в три последовательные стадии:

1) гетеролитический разрыв связи С-Сl, протекающий под действием полярных молекул растворителя – медленная стадия реакции;

2) нуклеофильная атака молекулой воды образующегося карбкатиона с образованием оксониевого катиона – быстрая стадия;

3) отщепление протона от оксониевого катиона с образованием спирта – быстрая стадия.

Рассмотрев оба механизма нуклеофильного замещения, можно сделать некоторые обобщения о влиянии различных факторов на механизм реакции:

Реакция протекает по S_N1 механизму в случае тех соединений, которые способны образовывать достаточно стабильные катионы. Триалкилметильные и мезомерно стабилизированные катионы обеспечивают преимущественное протекание реакции мономолекулярного замещения. Увеличение числа алкильных заместителей облегчает мономолекулярное и затрудняет бимолекулярное замещение.

Растворители с высокой диэлектрической проницаемостью (Н₂О, НСООН, водноорганические смеси) стабилизируют ионы и поэтому способствуют мономолекулярному замещению, растворители с низкой диэлектрической проницаемостью (диметилформамид), не вызывающие стабилизации ионов, способствуют бимолекулярному замещению.

Источник

Стабильные анионы как определить

Определите, какие два из указанных элементов образуют устойчивый отрицательный ион, содержащий 18 электронов. Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Для выполнения заданий 1–3 используйте следующий ряд химических элементов:

Ответом в заданиях 1–3 является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

Выберите три элемента, которые в Периодической системе находятся в одной группе, и расположите эти элементы в порядке усиления неметаллических свойств. Запишите в поле ответа номера выбранных элементов в нужной последовательности.

Алюминий в 3 группе, Сера в 6, а Хлор, Фтор и Йод в 7. Известно, что усиление неметаллических свойств идет вправо по периоду и вверх по группе, поэтому располагая элементы в порядке усиления неметаллических свойств, получаем → → .

Выберите два элемента, которые в соединениях могут иметь степень окисления +5. Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Элемент может иметь степень окисления от максимальной положительной до максимальной отрицательной. Максимальная положительная степень окисления элемента обычно численно совпадает с номером его группы в периодической системе. Максимальная отрицательная степень окисления элемента равна максимальной положительной степени окисления минус восемь.

1. Алюминий металл главной подгруппы и имеет степени окисления 0 и равную номеру группы, т. е. +3.

2. Хлор в 7 группе, т. е. степени окисления −1; 0; +1; +2; +3; +4; +5; +6; +7.

3. Сера в 6 группе, т. е. −2; −1; 0; +1; +2; +4; +6.

4. Фтор является исключением и имеет фиксированные степени окисления −1; 0.

5. Йод в 7 группе, т. е. степени окисления −1; 0; +1; +3; +5; +7.

1. Алюминий — металл и не проявляет отрицательной степени окисления.

2. Хлор имеет атомный номер 17, следовательно, имеет 17 электронов. Находится в 7 группе, максимальная отрицательная степень окисления () — это −1, т. е. образуя анион с данным зарядом, хлор получает 1 электрон и их становится 18.

3. Сера имеет атомный номер 16, следовательно, имеет 16 электронов. Находится в 6 группе, максимальная отрицательная степень окисления () — это −2, т. е. образуя анион с данным зарядом, сера получает 2 электрона и их становится 18.

4. Фтор имеет атомный номер 9, следовательно, имеет 9 электронов. Находится в 7 группе, максимальная отрицательная степень окисления () — это −1, т. е. образуя анион с данным зарядом, фтор получает 1 электрон и их становится 10.

5. Йод имеет атомный номер 53, и образуя анион не останется лишь с 18 электронами.

Источник