Номер 91, страница 33 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

91. Напишите структурные формулы молекул: $C_2H_6$ и $Si_2H_6$. Какая связь, $C-C$ или $Si-Si$, прочнее и почему? Почему соединения, в основе которых лежат цепи из атомов углерода, более устойчивы, чем аналогичные соединения кремния?

Напишите структурные формулы молекул: C₂H₆ и Si₂H₆
Структурная формула этана ($C_2H_6$) показывает, что два атома углерода соединены между собой одинарной ковалентной связью, и каждый из них, в свою очередь, связан с тремя атомами водорода. Атомы углерода находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации.
Формула этана: ${ H - \underset{\underset{\Large\text{H}}|}{\overset{\overset{\Large\text{H}}|}{C}} - \underset{\underset{\Large\text{H}}|}{\overset{\overset{\Large\text{H}}|}{C}} - H }$.
Структурная формула дисилана ($Si_2H_6$), который является кремниевым аналогом этана, имеет схожее строение. Два атома кремния соединены одинарной связью, и каждый атом кремния связан с тремя атомами водорода. Атомы кремния также находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации.
Формула дисилана: ${ H - \underset{\underset{\Large\text{H}}|}{\overset{\overset{\Large\text{H}}|}{Si}} - \underset{\underset{\Large\text{H}}|}{\overset{\overset{\Large\text{H}}|}{Si}} - H }$.

Ответ: Структурная формула этана: ${ H - \underset{\underset{\Large\text{H}}|}{\overset{\overset{\Large\text{H}}|}{C}} - \underset{\underset{\Large\text{H}}|}{\overset{\overset{\Large\text{H}}|}{C}} - H }$. Структурная формула дисилана: ${ H - \underset{\underset{\Large\text{H}}|}{\overset{\overset{\Large\text{H}}|}{Si}} - \underset{\underset{\Large\text{H}}|}{\overset{\overset{\Large\text{H}}|}{Si}} - H }$.

Какая связь, C—C или Si—Si, прочнее и почему?
Связь $C-C$ прочнее, чем связь $Si-Si$. Прочность ковалентной связи характеризуется энергией, которую необходимо затратить для ее разрыва. Для одинарной связи $C-C$ эта энергия составляет в среднем $347 \text{ кДж/моль}$, в то время как для связи $Si-Si$ она значительно меньше — около $226 \text{ кДж/моль}$.
Причина этой разницы заключается в строении атомов углерода и кремния, которые хотя и находятся в одной группе периодической системы, но в разных периодах.
1. Атомный радиус: Атом углерода (период 2) имеет меньший атомный радиус, чем атом кремния (период 3).
2. Длина связи: Как следствие, длина связи $C-C$ (около $154 \text{ пм}$) короче, чем длина связи $Si-Si$ (около $233 \text{ пм}$).
3. Эффективность перекрывания орбиталей: У атомов углерода меньшее расстояние между ядрами обеспечивает более сильное и эффективное перекрывание их $sp^3$-гибридных орбиталей. Валентные электроны, образующие связь, сильнее притягиваются к обоим ядрам, что и делает связь $C-C$ более прочной. У кремния из-за большего размера атомов и, соответственно, большей длины связи, перекрывание орбиталей слабее.

Ответ: Связь $C-C$ прочнее, чем связь $Si-Si$. Это обусловлено меньшим атомным радиусом углерода, что приводит к более короткой длине связи и более эффективному перекрыванию атомных орбиталей, создавая более прочную связь.

Почему соединения, в основе которых лежат цепи из атомов углерода, более устойчивы, чем аналогичные соединения кремния?
Повышенная устойчивость соединений с углеродными цепями по сравнению с их кремниевыми аналогами объясняется двумя основными факторами.
Во-первых, как было указано в предыдущем пункте, сама по себе связь $C-C$ ($E_{св} \approx 347 \text{ кДж/моль}$) значительно прочнее связи $Si-Si$ ($E_{св} \approx 226 \text{ кДж/моль}$). Это фундаментальное различие делает углеродные цепи более устойчивыми к разрыву (термическому распаду, например). Способность атомов образовывать прочные гомоцепи (цепи из одинаковых атомов) называется катенацией, и у углерода она выражена намного сильнее, чем у кремния.
Во-вторых, важна относительная прочность связей элемента с самим собой и с другими элементами, в частности с кислородом.
Для кремния связь $Si-O$ ($E_{св} \approx 452 \text{ кДж/моль}$) является исключительно прочной, намного прочнее связи $Si-Si$. Это делает кремниевые цепи (в силанах) термодинамически нестабильными по отношению к окислению. В присутствии кислорода или воды они легко превращаются в соединения с гораздо более выгодными связями $Si-O-Si$ (силоксаны, силиконы, диоксид кремния).
В случае углерода ситуация иная. Энергия связи $C-C$ ($E_{св} \approx 347 \text{ кДж/моль}$) сопоставима с энергией связи $C-O$ ($E_{св} \approx 358 \text{ кДж/моль}$). Отсутствие большого энергетического выигрыша при замене связей $C-C$ на $C-O$ делает углеводороды и другие органические соединения с углеродным скелетом значительно более устойчивыми к окислению.

Ответ: Соединения с углеродными цепями более устойчивы, так как: 1) связь $C-C$ значительно прочнее связи $Si-Si$, что обеспечивает стабильность самого скелета молекулы; 2) прочность связи $C-C$ сопоставима с прочностью связи $C-O$, в то время как связь $Si-O$ намного прочнее связи $Si-Si$, что делает кремниевые цепи уязвимыми для окисления.