Номер 2, страница 78 - гдз по химии 10 класс учебник Колевич, Матулис

2. Почему возможно вращение вокруг одинарной связи углерод–углерод и невозможно вокруг двойной связи?

Решение

Разница в возможности вращения вокруг одинарной и двойной связи углерод-углерод объясняется различиями в их электронном строении, а именно типом образующих их химических связей: σ- (сигма) и π- (пи) связей.

Вращение вокруг одинарной связи углерод-углерод

Одинарная связь между двумя атомами углерода (например, в молекуле этана $C_2H_6$) является σ-связью. Эта связь образуется в результате осевого (лобового) перекрывания гибридных атомных орбиталей. Область перекрывания, то есть область с максимальной электронной плотностью, расположена на линии, соединяющей ядра атомов. Такая связь обладает цилиндрической симметрией относительно межъядерной оси. Это означает, что при вращении одной группы атомов (например, $-CH_3$) относительно другой вокруг этой оси, степень перекрывания орбиталей и, следовательно, прочность связи практически не изменяются. Энергетический барьер для такого вращения очень мал (для этана около 12 кДж/моль), и он легко преодолевается за счет тепловой энергии молекул при комнатной температуре. Поэтому вокруг одинарной связи возможно практически свободное вращение, что приводит к существованию различных пространственных форм молекулы — конформаций.

Невозможность вращения вокруг двойной связи

Двойная связь (например, в молекуле этена $C_2H_4$) состоит из одной σ-связи и одной π-связи. σ-связь, как и в случае одинарной связи, образуется осевым перекрыванием sp²-гибридных орбиталей и лежит в плоскости молекулы. π-связь образуется в результате бокового перекрывания негибридных p-орбиталей, оси которых параллельны друг другу и перпендикулярны плоскости σ-связи. Области перекрывания p-орбиталей (электронная плотность π-связи) находятся над и под плоскостью молекулы.

Для существования π-связи необходимо, чтобы p-орбитали оставались параллельными. Попытка повернуть одну группу $-CH_2$ относительно другой вокруг оси σ-связи привела бы к нарушению этого параллельного расположения. При повороте на 90° боковое перекрывание p-орбиталей исчезло бы полностью, что равносильно разрыву π-связи. Для разрыва π-связи требуется значительное количество энергии (около 270 кДж/моль), которое недоступно молекулам при обычных условиях. Из-за этого высокого энергетического барьера свободное вращение вокруг двойной связи невозможно. Это ограничение вращения является причиной существования явления геометрической (цис-транс) изомерии.

Ответ: Вращение возможно вокруг одинарной σ-связи, так как она имеет цилиндрическую симметрию, и вращение не нарушает перекрывания орбиталей, не требуя больших затрат энергии. Вращение невозможно вокруг двойной связи, поскольку она состоит из σ- и π-связей. Для вращения необходимо разорвать π-связь, которая образуется боковым перекрыванием p-орбиталей и требует их строго параллельного расположения, что энергетически невыгодно.