Номер 1183, страница 185 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

1183. Определите степени окисления каждого атома углерода в следующих органических соединениях: $CH_4$, $C_2H_4$, $C_2H_2$, $C_3H_8$, $CH_3OH$, $C_2H_5OH$, $CH_3COOH$.

Для определения степени окисления атомов углерода в органических соединениях будем использовать следующие правила:

• Сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю.
• Степень окисления водорода (H) в соединениях с неметаллами равна +1.
• Степень окисления кислорода (O) в большинстве соединений равна -2.
• В органических молекулах с несколькими атомами углерода степень окисления определяется для каждого атома отдельно, исходя из его химического окружения. Связь C-C не вносит вклада в степень окисления, так как электроотрицательности атомов равны. Связь C-H добавляет -1 к степени окисления углерода (углерод более электроотрицателен). Связь с более электроотрицательным атомом (например, O или N) добавляет +1 за каждую одинарную связь, +2 за двойную и т.д.

Решение

$CH_4$

В молекуле метана ($CH_4$) один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. Степень окисления водорода равна +1. Обозначим степень окисления углерода как $x$. Так как молекула электронейтральна, сумма степеней окисления равна нулю.

$x + 4 \cdot (+1) = 0$

$x = -4$

Ответ: степень окисления углерода в метане равна -4.

$C_2H_4$

В молекуле этена ($H_2C=CH_2$) оба атома углерода находятся в одинаковом окружении, поэтому их степени окисления равны. Каждый атом углерода связан с двумя атомами водорода и одним атомом углерода (двойная связь). Связь C=C не учитывается при расчете степени окисления, так как она образована одинаковыми атомами. Каждый атом углерода связан с двумя атомами H, что дает вклад $2 \cdot (-1) = -2$.

Можно также рассчитать среднюю степень окисления для всей молекулы, обозначив степень окисления углерода как $x$:

$2x + 4 \cdot (+1) = 0$

$2x = -4$

$x = -2$

Поскольку атомы углерода эквивалентны, степень окисления каждого из них равна -2.

Ответ: степень окисления каждого атома углерода в этене равна -2.

$C_2H_2$

В молекуле этина ($HC \equiv CH$) оба атома углерода также эквивалентны. Каждый атом углерода связан с одним атомом водорода и одним атомом углерода (тройная связь). Связь $C \equiv C$ не влияет на степень окисления. Связь C-H дает вклад -1.

Расчет через среднюю степень окисления:

$2x + 2 \cdot (+1) = 0$

$2x = -2$

$x = -1$

Степень окисления каждого атома углерода равна -1.

Ответ: степень окисления каждого атома углерода в этине равна -1.

$C_3H_8$

Структурная формула пропана: $CH_3-CH_2-CH_3$. В этой молекуле атомы углерода находятся в разном окружении.

Для крайних атомов углерода в группах $CH_3$: каждый атом C связан с тремя атомами H и одним атомом C. Учитывая только связи C-H, получаем степень окисления $3 \cdot (-1) = -3$.

Для центрального атома углерода в группе $CH_2$: атом C связан с двумя атомами H и двумя атомами C. Учитывая только связи C-H, получаем степень окисления $2 \cdot (-1) = -2$.

Проверка: $2 \cdot (-3) + 1 \cdot (-2) + 8 \cdot (+1) = -6 - 2 + 8 = 0$.

Ответ: степени окисления атомов углерода в пропане равны -3 (для двух $CH_3$-групп) и -2 (для $CH_2$-группы).

$CH_3OH$

В молекуле метанола ($H_3C-OH$) атом углерода связан с тремя атомами водорода (вклад $3 \cdot (-1) = -3$) и одним атомом кислорода. Так как кислород более электроотрицателен, связь C-O дает вклад +1 к степени окисления углерода.

Суммарная степень окисления углерода: $-3 + 1 = -2$.

Расчет по общей формуле ($x$ - степень окисления C, +1 для H, -2 для O):

$x + 4 \cdot (+1) + 1 \cdot (-2) = 0 \implies x + 2 = 0 \implies x = -2$.

Ответ: степень окисления углерода в метаноле равна -2.

$C_2H_5OH$

Структурная формула этанола: $CH_3-CH_2-OH$. Атомы углерода неэквивалентны.

Для атома углерода в метильной группе ($CH_3$): связан с тремя атомами H и одним атомом C. Степень окисления: $3 \cdot (-1) = -3$.

Для атома углерода в группе $CH_2OH$: связан с двумя атомами H (вклад $2 \cdot (-1) = -2$), одним атомом C и одним атомом O (вклад +1). Суммарная степень окисления: $-2 + 1 = -1$.

Проверка: $(-3) + (-1) + 6 \cdot (+1) + (-2) = -4 + 6 - 2 = 0$.

Ответ: степень окисления атома углерода в группе $CH_3$ равна -3, в группе $CH_2OH$ равна -1.

$CH_3COOH$

Структурная формула уксусной кислоты: $CH_3-C(O)OH$. Атомы углерода неэквивалентны.

Для атома углерода в метильной группе ($CH_3$): связан с тремя атомами H и одним атомом C. Степень окисления: $3 \cdot (-1) = -3$.

Для атома углерода в карбоксильной группе ($COOH$): связан с одним атомом C, одним атомом O через двойную связь $C=O$ (вклад +2) и одним атомом O через одинарную связь $C-OH$ (вклад +1). Суммарная степень окисления: $+2 + 1 = +3$.

Проверка: $(-3) + (+3) + 4 \cdot (+1) + 2 \cdot (-2) = 0 + 4 - 4 = 0$.

Ответ: степень окисления атома углерода в метильной группе ($CH_3$) равна -3, в карбоксильной группе ($COOH$) равна +3.