Κεφάλαιο 7.1 – Δομή οργανικών ενώσεων – Διπλός και τριπλός δεσμός – Επαγωγικό φαινόμενο (σελ. 253-324) – Απαντήσεις – Λύσεις

Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα

Άσκηση 1 (σελ. 254)

Πώς γίνεται η περιγραφή των δεσμών με τη θεωρία δεσμού σθένους;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση των τριών βασικών αρχών της θεωρίας δεσμού σθένους (VB theory) από τη θεωρία.

Απάντηση: Κατά τη θεωρία δεσμού σθένους: 1) τροχιακά της στιβάδας σθένους δύο ατόμων επικαλύπτονται, 2) αν κάθε τροχιακό έχει ένα μονήρες ηλεκτρόνιο, τα δύο ηλεκτρόνια (αντιπαράλληλα spin) σχηματίζουν κοινό ζεύγος και δημιουργείται ο δεσμός, 3) όσο μεγαλύτερη η επικάλυψη τόσο ισχυρότερος ο δεσμός.

Άσκηση 2 (σελ. 254)

Τι ονομάζεται μήκος δεσμού;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμού από το διάγραμμα ενέργειας-απόστασης του H₂ (σχήμα 7.1).

Απάντηση: Μήκος δεσμού ονομάζεται η απόσταση μεταξύ των πυρήνων δύο ατόμων που πλησιάζουν, στην οποία επιτυγχάνεται η ελάχιστη ενέργεια του συστήματος (π.χ. 0,74 Å για το H-H).

Άσκηση 3 (σελ. 254)

Τι ονομάζεται σ (σίγμα) δεσμός;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμού.

Απάντηση: Δεσμός σ (σίγμα) είναι ο ομοιοπολικός δεσμός που προκύπτει από επικάλυψη ατομικών τροχιακών (s-s, s-p ή p-p) κατά μήκος του άξονα που ενώνει τους πυρήνες των δύο ατόμων, με κυλινδρική συμμετρία γύρω από τον άξονα αυτό.

Άσκηση 4 (σελ. 254)

Τι ονομάζεται π (πι) δεσμός;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμού.

Απάντηση: Δεσμός π (πι) είναι ο ομοιοπολικός δεσμός που προκύπτει από πλευρική επικάλυψη δύο παράλληλων p ατομικών τροχιακών· ο άξονας που ενώνει τους πυρήνες βρίσκεται πάνω σε κομβική επιφάνεια χωρίς ηλεκτρονιακή πυκνότητα.

Άσκηση 5 (σελ. 254)

Τι ονομάζονται υβριδικά τροχιακά;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμού υβριδισμού.

Απάντηση: Υβριδικά τροχιακά ονομάζονται τα νέα, ισότιμα μεταξύ τους, ατομικά τροχιακά που προκύπτουν από γραμμικό συνδυασμό (υβριδισμό) δύο ή περισσότερων διαφορετικών ατομικών τροχιακών (π.χ. ενός s με ένα ή περισσότερα p). Διαφέρουν από τα αρχικά τροχιακά ως προς ενέργεια, σχήμα και προσανατολισμό.

Άσκηση 6 (σελ. 254)

Τι είναι επαγωγικό φαινόμενο;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμού.

Απάντηση: Επαγωγικό φαινόμενο ονομάζεται η μετατόπιση (πόλωση) ηλεκτρονίων ενός δεσμού λόγω της παρουσίας γειτονικών ατόμων ή ομάδων ατόμων με διαφορετική ηλεκτραρνητικότητα. Διακρίνεται σε -Ι (υποκαταστάτες που έλκουν ηλεκτρόνια, π.χ. αλογόνα) και +Ι (υποκαταστάτες που απωθούν ηλεκτρόνια, π.χ. αλκύλια).

Άσκηση 40 (σελ. 325)

Πώς γίνεται η επικάλυψη των ατομικών τροχιακών κατά το σχηματισμό των μορίων HCl και Cl₂;

Λύση:

1. Στο HCl: το άτομο H έχει ένα μονήρες ηλεκτρόνιο στο 1s, το άτομο Cl έχει ένα μονήρες ηλεκτρόνιο σε ένα 3p τροχιακό. Η επικάλυψη 1s-3p (κατά τον άξονα των πυρήνων) δίνει έναν δεσμό σ.
2. Στο Cl₂: κάθε άτομο Cl έχει ένα μονήρες ηλεκτρόνιο σε ένα 3p τροχιακό. Τα δύο 3p τροχιακά επικαλύπτονται μετωπικά (p-p, κατά τον άξονα των πυρήνων) και σχηματίζουν έναν δεσμό σ.

Απάντηση: HCl: δεσμός σ από επικάλυψη 1s(H)-3p(Cl). Cl₂: δεσμός σ από επικάλυψη 3p-3p (μετωπική).

Άσκηση 41 (σελ. 325)

Μπορούν δύο τροχιακά p να συγχωνευθούν και να δώσουν δύο υβριδικά τροχιακά;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ο υβριδισμός, όπως ορίζεται στο βιβλίο, είναι συνδυασμός ατομικών τροχιακών διαφορετικού τύπου/ενέργειας (π.χ. s με p), ώστε να προκύψουν νέα τροχιακά με διαφορετικό σχήμα (άνισοι λοβοί) από τα αρχικά. Δύο p τροχιακά του ίδιου υποστιβάδας είναι ήδη ισοδύναμα (εκφυλισμένα) μεταξύ τους.

Απάντηση: Όχι. Ο συνδυασμός δύο p τροχιακών (ίδιου τύπου, ίδιας ενέργειας, απλώς διαφορετικού προσανατολισμού) δεν παράγει τα χαρακτηριστικά υβριδικά τροχιακά (με ζεύγος άνισων λοβών) — απλώς αλλάζει τον προσανατολισμό του συστήματος αναφοράς μέσα στην ίδια υποστιβάδα p. Πραγματικός υβριδισμός προκύπτει μόνο από συνδυασμό τροχιακών διαφορετικού τύπου (π.χ. s με p).

Πρόσεξε: Μην συγχέετε τον υβριδισμό με απλή αλλαγή προσανατολισμού αξόνων· ο υβριδισμός προϋποθέτει ανάμειξη τροχιακών διαφορετικής συμμετρίας/ενέργειας (π.χ. s+p), όχι δύο ταυτόσημα p.

Άσκηση 42 (σελ. 325)

Να συμπληρωθούν τα κενά στις ακόλουθες προτάσεις. α. Η απόσταση μεταξύ των ................ δύο ατόμων που πλησιάζουν και στην οποία επιτυγχάνεται η ............... ενέργεια ονομάζεται μήκος δεσμού. β. Σίγμα δεσμός προκύπτει με επικάλυψη ........................ τροχιακών περί τον άξονα που .......... τους πυρήνες των ατόμων. γ. Αν τα δύο p τροχιακά δεν επικαλύπτονται γραμμικά, αλλά ................, τότε προκύπτει .......................... δεσμός. δ. Δύο ατομικά ........................ που προκύπτουν από τη συγχώνευση ενός ατομικού τροχιακού s και ενός ατομικού τροχιακού p ονομάζονται ................ τροχιακά sp, είναι όμοια μεταξύ τους και σχηματίζουν γωνία .................

Σκέψη / Μεθοδολογία: Άμεση εφαρμογή των ορισμών μήκους δεσμού, δεσμού σ, δεσμού π και υβριδισμού sp από τη θεωρία.

Απάντηση: α. ...πυρήνων... , ...ελάχιστη... . β. ...ατομικών... , ...συνδέει... . γ. ...πλευρικά (παράλληλα)... , ...π (πι)... . δ. ...τροχιακά... , ...υβριδικά... , ...180°...

Άσκηση 43 (σελ. 325)

α. Ποια είναι η γωνία μεταξύ δύο ομοίων υβριδικών τροχιακών sp και sp στο ίδιο άτομο; β. Ποια είναι η γωνία μεταξύ δύο ομοίων υβριδικών τροχιακών sp² και sp² στο ίδιο άτομο; γ. Ποια είναι η γωνία μεταξύ δύο ομοίων υβριδικών τροχιακών sp³ και sp³ στο ίδιο άτομο;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Άμεση ανάκληση της γεωμετρίας κάθε τύπου υβριδισμού (γραμμική, επίπεδη τριγωνική, τετραεδρική).

Απάντηση: α. 180° (γραμμική διάταξη). β. 120° (επίπεδη τριγωνική διάταξη). γ. 109,5° (τετραεδρική διάταξη).

Άσκηση 44 (σελ. 325)

Να περιγραφεί ο σχηματισμός του μορίου CH₃CH₂Cl (χλωροαιθάνιο) με τη θεωρία δεσμού σθένους και να αναφέρετε πόσοι σ (σίγμα) και πόσοι π (πι) δεσμοί υπάρχουν σε αυτό.

Λύση:

1. Και οι δύο άνθρακες (C1 του CH₃, C2 του CH₂Cl) είναι sp³ υβριδισμένοι, αφού σχηματίζουν μόνο απλούς δεσμούς.
2. C1-H (×3): επικάλυψη sp³(C1)-s(H) → 3 δεσμοί σ.
3. C1-C2: επικάλυψη sp³(C1)-sp³(C2) → 1 δεσμός σ.
4. C2-H (×2): επικάλυψη sp³(C2)-s(H) → 2 δεσμοί σ.
5. C2-Cl: επικάλυψη sp³(C2)-p(Cl) → 1 δεσμός σ.
6. Σύνολο: 3+1+2+1 = 7 δεσμοί σ, 0 δεσμοί π (δεν υπάρχει πολλαπλός δεσμός στο μόριο).

Απάντηση: 7 δεσμοί σ, 0 δεσμοί π.

Άσκηση 45 (σελ. 325)

Να περιγραφούν οι δεσμοί στο μόριο του χλωροαιθενίου (βινυλοχλωρίδιο), CH₂=CHCl: διπλός δεσμός μεταξύ δύο ατόμων άνθρακα, με δύο άτομα υδρογόνου στο ένα άτομο άνθρακα, ένα άτομο υδρογόνου και ένα άτομο Cl στο άλλο άτομο άνθρακα.

Λύση:

1. Και οι δύο άνθρακες (C1=CH₂, C2=CHCl) είναι sp² υβριδισμένοι.
2. C1-H (×2): επικάλυψη sp²(C1)-s(H) → 2 δεσμοί σ.
3. C2-H: επικάλυψη sp²(C2)-s(H) → 1 δεσμός σ.
4. C2-Cl: επικάλυψη sp²(C2)-p(Cl) → 1 δεσμός σ.
5. C1-C2: ένας δεσμός σ (επικάλυψη sp²-sp²) και ένας δεσμός π (πλευρική επικάλυψη των μη υβριδισμένων p τροχιακών, κάθετων στο επίπεδο του μορίου).
6. Σύνολο: 5 δεσμοί σ (2+1+1+1), 1 δεσμός π.

Απάντηση: 5 δεσμοί σ, 1 δεσμός π.

Άσκηση 46 (σελ. 325)

Να περιγραφούν οι δεσμοί στο μόριο του χλωροαιθίνιου, H-C≡C-Cl.

Λύση:

1. Και οι δύο άνθρακες είναι sp υβριδισμένοι.
2. C1-H (ο άνθρακας που φέρει το H): επικάλυψη sp(C1)-s(H) → 1 δεσμός σ.
3. C2-Cl (ο άνθρακας που φέρει το Cl): επικάλυψη sp(C2)-p(Cl) → 1 δεσμός σ.
4. C1-C2: ένας δεσμός σ (sp-sp) και δύο δεσμοί π (από τα δύο ζεύγη μη υβριδισμένων, αμοιβαία κάθετων p τροχιακών).
5. Σύνολο: 3 δεσμοί σ (1+1+1), 2 δεσμοί π.

Απάντηση: 3 δεσμοί σ, 2 δεσμοί π.

Άσκηση 47 (σελ. 325)

Να χαρακτηρίσετε με Σ όσες από τις ακόλουθες προτάσεις είναι σωστές και με Λ όσες είναι λανθασμένες. α. Στο μόριο του CH₄ υπάρχουν τέσσερις σ (σίγμα) δεσμοί, καθένας από τους οποίους προκύπτει με επικάλυψη ενός sp³ και ενός s τροχιακού. β. Ο διπλός δεσμός μεταξύ των ατόμων άνθρακα στο αιθυλένιο CH₂=CH₂ αποτελείται από ένα σ (σίγμα) και ένα π (πι) δεσμό. γ. Ο δεσμός C-H στο αιθίνιο είναι π (πι) δεσμός. δ. Στο μόριο του CH₃Cl υπάρχουν τρεις σ (σίγμα) δεσμοί μεταξύ C-H και ένας π (πι) δεσμός μεταξύ C-Cl.

Λύση:

1. α: Σωστό — κάθε C-H δεσμός στο CH₄ προκύπτει από επικάλυψη sp³(C)-s(H), δεσμός σ.
2. β: Σωστό — ο διπλός δεσμός C=C αναλύεται πάντα σε 1 σ + 1 π.
3. γ: Λάθος — όλοι οι δεσμοί C-H (σε οποιοδήποτε μόριο, άρα και στο αιθίνιο) είναι δεσμοί σ, όχι π.
4. δ: Λάθος — στο CH₃Cl δεν υπάρχει κανένας πολλαπλός δεσμός· και ο δεσμός C-Cl είναι δεσμός σ (sp³-p), όχι π.

Απάντηση: α. Σ, β. Σ, γ. Λ, δ. Λ

Πρόσεξε: Δεσμός π εμφανίζεται ΜΟΝΟ σε πολλαπλούς δεσμούς (διπλό/τριπλό) και ποτέ σε απλό δεσμό C-H ή C-Cl.

Άσκηση 48 (σελ. 325)

Να αντιστοιχίσετε στο κάθε μόριο της πρώτης στήλης (Ι) το είδος του υβριδικού τροχιακού που υπάρχει στο κεντρικό άτομο του μορίου, από τη δεύτερη στήλη (ΙΙ).

Λύση:

1. BeH₂: το Be σχηματίζει 2 δεσμούς σε γραμμική διάταξη (180°) → υβριδισμός sp.
2. BCl₃: το B σχηματίζει 3 δεσμούς σε επίπεδη τριγωνική διάταξη (120°) → υβριδισμός sp².
3. CCl₄: το C σχηματίζει 4 δεσμούς σε τετραεδρική διάταξη (109,5°) → υβριδισμός sp³.

Απάντηση: BeH₂ → sp. BCl₃ → sp². CCl₄ → sp³.

Πρόσεξε: Οι τιμές της στήλης ΙΙ όπως δίνονται στην εκφώνηση του βιβλίου (BeH₂-sp², BCl₃-sp³, CCl₄-sp) ΔΕΝ αντιστοιχούν στη σωστή σειρά ανάγνωσης γραμμή-προς-γραμμή· η σωστή αντιστοίχιση προκύπτει μόνο από τη γνωστή γεωμετρία κάθε μορίου (BeH₂ γραμμικό/sp, BCl₃ τριγωνικό/sp², CCl₄ τετραεδρικό/sp³), όχι από τη σειρά καταγραφής.

Άσκηση 49 (σελ. 325)

Να γράψετε κατά σειρά αυξανόμενης ισχύος τα οξέα: α. CCl₃COOH β. CH₂BrCOOH γ. CH₂ClCOOH δ. CF₃COOH

Λύση:

1. Συγκρίνουμε πρώτα τα μονο-υποκατεστημένα οξέα β (CH₂BrCOOH) και γ (CH₂ClCOOH): το Cl έχει ισχυρότερο -Ι φαινόμενο από το Br, άρα γ > β.
2. Συγκρίνουμε τα τρι-υποκατεστημένα οξέα α (CCl₃COOH) και δ (CF₃COOH): το F έχει ισχυρότερο -Ι φαινόμενο από το Cl, άρα δ > α.
3. Τα τρι-υποκατεστημένα οξέα (α, δ) έχουν αθροιστικά πολύ ισχυρότερο -Ι φαινόμενο από τα μονο-υποκατεστημένα (β, γ), άρα και τα δύο α, δ είναι ισχυρότερα και από τα δύο β, γ.
4. Σειρά αυξανόμενης ισχύος: β < γ < α < δ, δηλαδή CH₂BrCOOH < CH₂ClCOOH < CCl₃COOH < CF₃COOH.

Απάντηση: Αυξανόμενη ισχύς: β < γ < α < δ (δηλ. φθίνουσα ισχύς: δ > α > γ > β).

Πρόσεξε: Η εκφώνηση ζητά αύξουσα σειρά ισχύος (ασθενέστερο→ισχυρότερο)· ο βαθμός αντιστοιχίας με το -Ι φαινόμενο κάθε αλογόνου (F>Cl>Br>I) πρέπει να συνδυαστεί και με τον αριθμό των υποκαταστατών (3 έναντι 1).