A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩

Tips · ⁨Советы⁩

Химия A-Level (9701) — это по сути три предмета, которые должны взаимодействовать: физическая (энергия, равновесие, скорость реакций, электрохимия), неорганическая (периодичность, группа 2, группа 17, переходные элементы) и органическая, которая разрастается от алканов в длинную цепь механизмов и завершается ЯМР-спектроскопией и масс-спектрометрией.

Большинство потерянных баллов здесь связано не со сложной химией. Они возникают из-за упущенных условий, несбалансированных уравнений, отсутствия символов агрегатного состояния и органических ответов, где указан продукт, но отсутствуют стрелки механизма, за которые начисляются баллы.

Органическая химия требует иного подхода к подготовке: нарисуйте одну схему реакций от руки и постепенно дополняйте её. Экзамен требует перехода от одной функциональной группы к другой, а не заучивания отдельных реакций.

Train all vocabulary · ⁨Тренировать всю лексику⁩

Past Papers · ⁨Архив экзаменационных работ⁩

Atomic structure · ⁨Атомное строение⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

1.1

What an atom is made of · ⁨Из чего состоит атом⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

understand that atoms are mostly empty space surrounding a very small, dense nucleus that contains protons and neutrons; electrons are found in shells in the empty space around the nucleus
identify and describe protons, neutrons and electrons in terms of their relative charges and relative masses
understand the terms atomic and proton number; mass and nucleon number
describe the distribution of mass and charge within an atom
describe the behaviour of beams of protons, neutrons and electrons moving at the same velocity in an electric field
determine the numbers of protons, neutrons and electrons present in both atoms and ions given atomic or proton number, mass or nucleon number and charge
state and explain qualitatively the variations in atomic radius and ionic radius across a period and down a group

Русский

понимать, что атомы состоят преимущественно из пустого пространства вокруг очень малого, плотного ядра, содержащего протоны и нейтроны; электроны находятся в оболочках в пустом пространстве вокруг ядра
идентифицировать и описывать протоны, нейтроны и электроны с точки зрения их относительных зарядов и относительных масс
понимать термины атомный и протонный номер; массовое и нуклонное число
описывать распределение массы и заряда внутри атома
описывать поведение пучков протонов, нейтронов и электронов, движущихся с одинаковой скоростью в электрическом поле
определять количество протонов, нейтронов и электронов в атомах и ионах по атомному или протонному номеру, массовому или нуклонному числу и заряду
утверждать и качественно объяснять изменения атомного радиуса и ионного радиуса в периоде и группе

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Everything is made of atoms 原子. An atom is mostly empty space. At its centre is a tiny, heavy nucleus 原子核. The nucleus holds two kinds of particle: protons 质子 and neutrons 中子. Around the nucleus, in the empty space, move the electrons 电子. The electrons stay in shells 壳层 — layers at set distances from the nucleus.

The nucleus is very small but holds almost all the mass. The electrons take up almost all the space but have almost no mass.

Relative charge and relative mass

We compare the three particles using relative charge 相对电荷 and relative mass 相对质量. These are simple numbers, not real units.

Particle	Relative charge	Relative mass
proton	$+1$	$1$
neutron	$0$	$1$
electron	$-1$	$\tfrac{1}{1836}$ (about $0$)

A proton and a neutron have almost the same mass. An electron is about 1836 times lighter. The proton is positive, the electron is negative, and the neutron has no charge — it is neutral 中性.

Proton number and nucleon number

Two numbers describe the nucleus:

the proton number 质子数 (also called the atomic number 原子序数), symbol $Z$ — the number of protons.
the nucleon number 核子数 (also called the mass number 质量数), symbol $A$ — the total number of protons and neutrons. Protons and neutrons are both nucleons 核子.

So the number of neutrons is $A - Z$.

Counting particles in an atom or ion

For a neutral atom, the number of electrons equals the number of protons, which equals $Z$.

An ion 离子 is an atom that has lost or gained electrons, so it has a charge:

a positive ion has fewer electrons than protons.
a negative ion has more electrons than protons.

Example: $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$ has $13$ protons, $27 - 13 = 14$ neutrons, and $13 - 3 = 10$ electrons (it lost 3 electrons to become $3+$).

How mass and charge are spread out

Almost all the mass sits in the nucleus, because protons and neutrons are heavy and electrons are very light. All the positive charge is in the nucleus (the protons). The negative charge is spread out in the shells (the electrons).

Beams of particles in an electric field

Imagine beams of protons, neutrons and electrons moving at the same speed into an electric field 电场 between two charged plates:

the proton beam bends towards the negative plate (protons are positive).
the electron beam bends the other way, towards the positive plate. It bends much more, because the electron is far lighter — the same force gives a bigger deflection 偏转 to a smaller mass.
the neutron beam goes straight through. It has no charge, so the field gives it no force.

Atomic radius and ionic radius

The atomic radius 原子半径 is the size of an atom. The ionic radius 离子半径 is the size of an ion.

Across a period 周期 (left to right), the atomic radius gets smaller. The nuclear charge 核电荷 (the pull from the protons) rises, but the electrons go into the same outer shell, so the shielding 屏蔽 by inner shells stays about the same. The stronger pull draws the outer shell inwards.

Down a group 族 (top to bottom), the atomic radius gets larger. Each step down adds a new shell, so the outer electrons are further out and feel more shielding from the nucleus.

For ions:

a positive ion (cation 阳离子) is smaller than its atom. It has lost its outer shell, and the electrons that remain feel a stronger pull each.
a negative ion (anion 阴离子) is larger than its atom. It has gained electrons, so there is more repulsion 排斥 between the electrons.
among ions that have the same number of electrons, the one with more protons is smaller.

Русский

Изображение атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа — Сканирующий туннельный микроскоп позволяет получать изображения отдельных атомов.

Все состоит из атомов. Атом представляет собой преимущественно пустое пространство. В его центре находится крошечное, тяжелое ядро. Ядро содержит два вида частиц: протоны и нейтроны. Вокруг ядра, в пустом пространстве, движутся электроны. Электроны находятся в оболочках — слоях на определенном расстоянии от ядра.

Ядро очень мало, но содержит почти всю массу. Электроны занимают почти всё пространство, но имеют пренебрежимо малую массу.

Атом с центральным ядром из протонов и нейтронов, окруженный электронами в двух оболочках — Атом представляет собой преимущественно пустое пространство: протоны и нейтроны находятся в крошечном центральном ядре, а электроны движутся в оболочках вокруг него

Относительный заряд и относительная масса

Мы сравниваем три частицы с помощью относительного заряда и относительной массы. Это простые числа, а не реальные единицы измерения.

Частица	Относительный заряд	Относительная масса
протон	$+1$	$1$
нейтрон	$0$	$1$
электрон	$-1$	$\tfrac{1}{1836}$ (примерно $0$)

Протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу. Электрон примерно в 1836 раз легче. Протон имеет положительный заряд, электрон — отрицательный, а нейтрон не имеет заряда — он нейтрален.

Протонное число и нуклонное число

Два числа описывают ядро:

протонное число (также называемое атомным номером), символ $Z$ — количество протонов.
нуклонное число (также называемое массовым числом), символ $A$ — общее количество протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны вместе называются нуклонами.

Таким образом, количество нейтронов равно $A - Z$.

Подсчет частиц в атоме или ионе

Для нейтрального атома количество электронов равно количеству протонов, которое равно $Z$.

Ион — это атом, который потерял или приобрел электроны, поэтому он имеет заряд:

положительный ион имеет меньше электронов, чем протонов.
отрицательный ион имеет больше электронов, чем протонов.

Пример: $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$ имеет $13$ протонов, $27 - 13 = 14$ нейтронов и $13 - 3 = 10$ электронов (он потерял 3 электрона, став $3+$).

Как распределены масса и заряд

Почти вся масса сосредоточена в ядре, так как протоны и нейтроны тяжелые, а электроны очень легкие. Весь положительный заряд находится в ядре (у протонов). Отрицательный заряд распределен в оболочках (у электронов).

Пучки частиц в электрическом поле

Представьте пучки протонов, нейтронов и электронов, движущихся с одинаковой скоростью в электрическое поле между двумя заряженными пластинами:

пучок протонов отклоняется к отрицательной пластине (протоны положительные).
пучок электронов отклоняется в другую сторону, к положительной пластине. Он отклоняется сильнее, потому что электрон намного легче — та же сила вызывает большее отклонение для меньшей массы.
пучок нейтронов проходит прямо. Он не имеет заряда, поэтому поле не оказывает на него силы.

Три пучка между заряженными пластинами: электрон резко отклоняется к положительной пластине, протон мягко отклоняется к отрицательной пластине, нейтрон идет прямо *В электрическом поле протон отклоняется к $-$ пластине, а электрон отклоняется в противоположную сторону и гораздо сильнее (он намного легче); нейтрон проходит прямо

Атомный радиус и ионный радиус

Атомный радиус — это размер атома. Ионный радиус — это размер иона.

По периоду (слева направо) атомный радиус становится меньше. Заряд ядра (притяжение со стороны протонов) возрастает, но электроны добавляются в ту же внешнюю оболочку, поэтому экранирование внутренними оболочками остается примерно неизменным. Более сильное притяжение втягивает внешнюю оболочку внутрь.

Вниз по группе (сверху вниз) атомный радиус увеличивается. Каждый шаг вниз добавляет новый электронный слой, поэтому внешние электроны находятся дальше от ядра и испытывают большее экранирование со стороны ядра.

Ряд атомов, уменьшающихся в размерах вдоль периода, и столбец атомов, увеличивающихся в размерах вдоль группы — Вдоль периода атомы сжимаются (более сильное притяжение ядра к тому же внешнему слою); вдоль группы они увеличиваются (каждый шаг добавляет слой)

Для ионов:

положительный ион (катион) меньше своего атома. Он потерял внешний слой, и оставшиеся электроны притягиваются сильнее.
отрицательный ион (анион) больше своего атома. Он приобрел электроны, поэтому между электронами возникает большее отталкивание.
среди ионов с одинаковым числом электронов тот, у которого больше протонов, является меньшим по размеру.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Explore the atom · ⁨Исследуйте атом⁩

Tap each part. A tiny dense nucleus of protons and neutrons holds the mass; light electrons orbit it in shells. · ⁨Нажмите на каждую часть. Крошечное плотное ядро из протонов и нейтронов содержит массу; легкие электроны вращаются вокруг него в оболочках.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Atomic and ionic radius trends · ⁨Тенденции изменения атомного и ионного радиусов⁩

Atomic radius falls across a period (rising nuclear charge pulls the same shell in) and rises down a group (an extra shell each time). Step across Period 3 to see it. · ⁨Атомный радиус уменьшается по периоду (растущий заряд ядра притягивает ту же оболочку ближе) и увеличивается по группе (каждый раз добавляется новая оболочка). Перейдите к Периоду 3, чтобы увидеть это.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
atom/ˈætəm/	атома
nucleus/ˈnjuːklɪəs/	ядро
proton/ˈprəʊtɒn/	протон
neutron/ˈnjuːtrɒn/	нейтрон
electron/ɪˈlektrɒn/	электрон
ion/ˈaɪɒn/	ион
electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/	электрическое поле
deflection/dɪˈflekʃn/	отклонение
atomic radius/əˈtɒmɪk ˈreɪdɪəs/	атомный радиус
ionic radius/aɪˈɒnɪk ˈreɪdɪəs/	ионный радиус

1.2

Isotopes · ⁨Изотопы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define the term isotope in terms of numbers of protons and neutrons
understand the notation $_y^x\text{A}$ for isotopes, where $x$ is the mass or nucleon number and $y$ is the atomic or proton number
state that and explain why isotopes of the same element have the same chemical properties
state that and explain why isotopes of the same element have different physical properties, limited to mass and density

Русский

определить термин изотоп в терминах количества протонов и нейтронов
понимать обозначение $_y^x\text{A}$ для изотопов, где $x$ — это массовое или нуклонное число, а $y$ — атомный или протонный номер
утверждать и объяснять, почему изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства
утверждать и объяснять, почему изотопы одного элемента имеют разные физические свойства, ограничиваясь массой и плотностью

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Isotopes 同位素 are atoms of the same element with the same number of protons but a different number of neutrons. So isotopes have the same proton number $Z$ but a different nucleon number $A$.

We write an isotope as $^{A}_{Z}\text{X}$: the nucleon number $A$ on top, the proton number $Z$ below. For example, chlorine has two main isotopes, $^{35}_{17}\text{Cl}$ and $^{37}_{17}\text{Cl}$.

Same chemical properties

Chemical properties 化学性质 depend on the electrons, especially the outer electrons. Isotopes of one element have the same number of electrons arranged in the same way. So they react in exactly the same way — they have the same chemical properties.

Different physical properties

Some physical properties 物理性质 depend on mass, so they differ between isotopes. A heavier isotope has more neutrons, so more mass, and therefore a higher density 密度. (The syllabus limits this difference to mass and density.)

Русский

Изотопы — это атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Следовательно, изотопы имеют одинаковое протонное число $Z$, но разное нуклонное число $A$.

Два изотопа хлора — оба содержат 17 протонов, но один имеет 18 нейтронов, а другой 20 — Два изотопа хлора: одинаковое число протонов, разное число нейтронов

Изотоп записывается как $^{A}_{Z}\text{X}$: нуклонное число $A$ сверху, протонное число $Z$ снизу. Например, у хлора есть два основных изотопа, $^{35}_{17}\text{Cl}$ и $^{37}_{17}\text{Cl}$.

Одинаковые химические свойства

Химические свойства зависят от электронов, особенно от внешних электронов. Изотопы одного элемента имеют одинаковое количество электронов, расположенных аналогичным образом. Поэтому они реагируют точно так же — обладают одинаковыми химическими свойствами.

Разные физические свойства

Некоторые физические свойства зависят от массы, поэтому они различаются между изотопами. Более тяжелый изотоп содержит больше нейтронов, а значит, и большую массу, следовательно, обладает более высокой плотностью. (Согласно учебной программе, это различие ограничивается массой и плотностью.)

Explore · ⁨Исследовать⁩

Isotope lab · ⁨Лаборатория изотопов⁩

Classify isotope facts by what changes and what stays the same. · ⁨Классифицируйте факты об изотопах по тому, что меняется и что остается неизменным.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
isotope/ˈaɪsətəʊp/	изотопом
chemical properties/ˈkemɪkl ˈprɒpətiz/	химические свойства
physical properties/ˈfɪzɪkl ˈprɒpətiz/	физические свойства
density/ˈdensɪti/	плотность
principal quantum number/ˈprɪnsɪpl ˈkwɒntəm ˈnʌmbə/	главный квантовый номер
sub-shell/sʌb ʃel/	подуровень

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

1.3

Electrons, energy levels and orbitals · ⁨Электроны, энергетические уровни и орбитали⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

understand the terms: shells, sub-shells and orbitals; principal quantum number (n); ground state, limited to electronic configuration
describe the number of orbitals making up s, p and d sub-shells, and the number of electrons that can fill s, p and d sub-shells
describe the order of increasing energy of the sub-shells within the first three shells and the 4s and 4p sub-shells
describe the electronic configurations to include the number of electrons in each shell, sub-shell and orbital
explain the electronic configurations in terms of energy of the electrons and inter-electron repulsion
determine the electronic configuration of atoms and ions given the atomic or proton number and charge, using either of the following conventions: e.g. for Fe: $1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6 3\text{s}^2 3\text{p}^6 3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (full electronic configuration) or [Ar] $3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (shorthand electronic configuration)
understand and use the electrons in boxes notation
describe and sketch the shapes of s and p orbitals
describe a free radical as a species with one or more unpaired electrons

Русский

понимать термины: оболочки, подуровни и орбитали; главный квантовый номер (n); основное состояние, ограничиваясь электронной конфигурацией
описывать количество орбиталей, составляющих s-, p- и d-подуровни, а также количество электронов, которые могут заполнить s-, p- и d-подуровни
описывать порядок возрастания энергии подуровней в пределах первых трех оболочек, а также подуровней 4s и 4p
описывать электронные конфигурации, включая количество электронов в каждой оболочке, подуровне и орбитали
объяснять электронные конфигурации с точки зрения энергии электронов и межэлектронного отталкивания
определять электронную конфигурацию атомов и ионов по атомному или протонному числу и заряду, используя одну из следующих конвенций: например, для Fe: $1\text{s}^2 2\text{s}^2 2\text{p}^6 3\text{s}^2 3\text{p}^6 3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (полная электронная конфигурация) или [Ar] $3\text{d}^6 4\text{s}^2$ (сокращенная электронная конфигурация)
понимать и использовать обозначение электронов в клетках
описывать и изображать формы s- и p-орбиталей
описывать свободный радикал как частицу с одним или более неспаренными электронами

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Electrons are arranged in shells, sub-shells and orbitals.

Shells and the principal quantum number

Each shell is labelled by the principal quantum number 主量子数 $n = 1, 2, 3, \dots$ A larger $n$ means a shell that is further from the nucleus and higher in energy.

Sub-shells and orbitals

Each shell is split into sub-shells 亚层, named s, p and d. Each sub-shell is built from orbitals 轨道. An orbital is a small region that can hold up to two electrons.

Sub-shell	Number of orbitals	Maximum electrons
s	1	2
p	3	6
d	5	10

So an s sub-shell holds 2 electrons, a p sub-shell holds 6, and a d sub-shell holds 10.

Order of increasing energy

Electrons fill the lowest-energy sub-shell first. For the first three shells, plus 4s and 4p, the order of rising energy is:

$$1\text{s} < 2\text{s} < 2\text{p} < 3\text{s} < 3\text{p} < 4\text{s} < 3\text{d} < 4\text{p}$$

Notice the surprise: 4s is slightly lower in energy than 3d, so 4s fills first.

Electronic configuration

The electronic configuration 电子排布 lists how many electrons are in each sub-shell. The lowest-energy arrangement is the ground state 基态.

For iron (Fe, $Z = 26$):

$$1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^6\,3\text{s}^2\,3\text{p}^6\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$

You can write a shorthand using the nearest noble gas 稀有气体 in square brackets:

$$[\text{Ar}]\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$

Here $[\text{Ar}]$ stands for the full configuration of argon.

For ions, you add or remove electrons. One key rule: when a transition metal forms a positive ion, it loses its 4s electrons before its 3d electrons. So $\text{Fe}^{3+}$ is $[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$.

Electrons in boxes

The electrons in boxes notation draws each orbital as a box and each electron as an arrow. Two electrons in the same orbital must point opposite ways, because each electron has a property called spin 自旋, and a shared orbital needs opposite spins.

Within a sub-shell, electrons fill empty orbitals one at a time, with parallel arrows, before any orbital gets a second electron. Spreading out like this keeps the electrons apart and lowers the repulsion between them.

Why the configuration takes this shape

Electrons fill from low energy to high energy because that gives the most stable (lowest-energy) atom. Within a sub-shell they spread out singly first to reduce the repulsion between the negative electrons.

Shapes of s and p orbitals

an s orbital is a sphere 球形 centred on the nucleus.
a p orbital has two lobes, like a dumbbell, pointing along one axis. The three p orbitals point along three directions at right angles (the $x$, $y$ and $z$ axes).

Free radicals

A free radical 自由基 is a species with one or more unpaired electrons 未成对电子. Free radicals are very reactive.

Русский

Видимый эмиссионный спектр водорода: четыре яркие линии на черном фоне — Водород испускает свет только на дискретных, характерных длинах волн — его линейчатый эмиссионный спектр.

Электроны расположены в слоях, подоблоках и орбиталях.

Слои и главное квантовое число

Каждый слой обозначается главным квантовым числом $n = 1, 2, 3, \dots$. Большее значение $n$ означает слой, расположенный дальше от ядра и имеющий более высокий уровень энергии.

Подоблоки и орбитали

Каждый слой делится на подоблоки, называемые s, p и d. Каждый подоблок состоит из орбиталей. Орбиталь — это небольшая область, способная вместить до двух электронов.

Подоблок	Количество орбиталей	Максимальное число электронов
s	1	2
p	3	6
d	5	10

Таким образом, s-подоблок вмещает 2 электрона, p-подоблок — 6, а d-подоблок — 10.

Порядок возрастания энергии

Электроны заполняют подоблок с наименьшей энергией сначала. Для первых трех слоев, а также для 4s и 4p порядок возрастания энергии следующий:

$$1\text{s} < 2\text{s} < 2\text{p} < 3\text{s} < 3\text{p} < 4\text{s} < 3\text{d} < 4\text{p}$$

Обратите внимание на неожиданность: 4s имеет несколько меньшую энергию, чем 3d, поэтому 4s заполняется первым.

Диаграмма уровней энергии для подоблоков от 1s до 4p, где 4s изображен непосредственно под 3d — Подблоки в порядке возрастания энергии. 4s лежит непосредственно под 3d, поэтому 4s заполняется первым

Электронная конфигурация

Электронная конфигурация показывает количество электронов в каждом подоблоке. Распределение с наименьшей энергией называется основным состоянием.

Для железа (Fe, $Z = 26$):

$$1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^6\,3\text{s}^2\,3\text{p}^6\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$

Можно использовать сокращенную запись, используя ближайший инертный газ в квадратных скобках:

$$[\text{Ar}]\,3\text{d}^6\,4\text{s}^2$$

Здесь $[\text{Ar}]$ обозначает полную конфигурацию аргона.

Для ионов вы добавляете или удаляете электроны. Одно важное правило: когда переходный металл образует положительный ион, он теряет свои электроны 4s до того, как теряет электроны 3d. Таким образом, $\text{Fe}^{3+}$ превращается в $[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$.

Электроны в клеточках

Запись электронов в клеточках изображает каждую орбиталь как квадрат, а каждый электрон — как стрелку. Два электрона в одной орбитали должны быть направлены в противоположные стороны, потому что каждый электрон обладает свойством, называемым спин, и общая орбиталь требует противоположных спинов.

Внутри подоблока электроны последовательно занимают пустые орбитали по одному, со стрелками, направленными в одну сторону, прежде чем любая орбиталь получит второй электрон. Такое распределение держит электроны на расстоянии друг от друга и снижает отталкивание между ними.

Клеточная диаграмма для азота: заполненные клетки 1s и 2s с парами противоположных стрелок и три клетки 2p, каждая с одной стрелкой вверх — Электроны в клеточках для азота ($1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^3$): спаренные электроны направлены в противоположные стороны, а орбитали 2p заполняются одиночно с параллельными спинами

Почему конфигурация имеет такую форму

Электроны заполняются от низких энергий к высоким, поскольку это обеспечивает наиболее стабильный (наименее энергозатратный) атом. Внутри подоблока они сначала распределяются по одиночным орбиталям, чтобы уменьшить отталкивание между отрицательно заряженными электронами.

Формы s- и p-орбиталей

s-орбиталь представляет собой сферу, центрированную на ядре.
p-орбиталь имеет две доли, напоминая гантель, ориентированную вдоль одной оси. Три p-орбитали направлены вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений (осей $x$, $y$ и $z$).

Слева сферическая s-орбиталь с ядром в центре; справа три p-орбитали в форме гантели, направленные вдоль осей x, y и z — s-орбиталь является сферой; каждая p-орбиталь имеет форму гантели, а три p-орбитали направлены вдоль осей $x$, $y$ и $z$

Свободные радикалы

Свободный радикал — это частица с одним или несколькими неспаренными электронами. Свободные радикалы очень реакционноспособны.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Filling the electron shells · ⁨Заполнение электронных оболочек⁩

Change the atomic number Z and watch the electrons fill the shells (2, 8, 8, …) — the pattern that builds the Periodic Table. · ⁨Изменяйте атомный номер Z и наблюдайте, как заполняются оболочки (2, 8, 8, …) — закономерность, формирующая Периодическую таблицу.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
shell/ʃel/	компания-оболочка
relative charge/ˈrelətɪv tʃɑːdʒ/	относительный заряд
relative mass/ˈrelətɪv mæs/	относительная масса
neutral/ˈnjuːtrəl/	нейтральный
proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/	порядковый номер (заряд ядра)
atomic number/əˈtɒmɪk ˈnʌmbə/	атомный номер
nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/	нуклонное число
mass number/mæs ˈnʌmbə/	массовое число
nucleon/ˈnjuːklɪən/	нуклон
orbital/ˈɔːbɪtl/	орбиталь
electronic configuration/ɪlekˈtrɒnɪk kənˌfɪɡjəˈreɪʃn/	электронная конфигурация
ground state/ɡraʊnd steɪt/	основное состояние
noble gas/ˈnəʊbl ɡæs/	инертный газ
spin/spɪn/	спин
sphere/sfɪə/	сфера
free radical/friː ˈrædɪkl/	свободный радикал
unpaired electrons/ʌnˈpeəd ɪˈlektrɒnz/	неспаренные электроны
first ionisation energy/fɜːst ˌaɪənaɪˈzeɪʃn ˈenədʒi/	энергия первой ионизации
successive ionisation energies/səkˈsesɪv ˌaɪənaɪˈzeɪʃn ˈenədʒiz/	последовательные энергии ионизации
spin-pair repulsion/spɪn peə rɪˈpʌlʃn/	отталкивание спаренных электронов

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

1.4

Ionisation energy · ⁨Энергия ионизации⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define and use the term first ionisation energy, IE
construct equations to represent first, second and subsequent ionisation energies
identify and explain the trends in ionisation energies across a period and down a group of the Periodic Table
identify and explain the variation in successive ionisation energies of an element
understand that ionisation energies are due to the attraction between the nucleus and the outer electron
explain the factors influencing the ionisation energies of elements in terms of nuclear charge, atomic/ionic radius, shielding by inner shells and sub-shells and spin-pair repulsion
deduce the electronic configurations of elements using successive ionisation energy data
deduce the position of an element in the Periodic Table using successive ionisation energy data

Русский

определять и использовать термин первая энергия ионизации, IE
составлять уравнения для представления первой, второй и последующих энергий ионизации
выявлять и объяснять закономерности изменения энергий ионизации в периоде и вдоль группы Периодической системы элементов
выявлять и объяснять изменение последовательных энергий ионизации элемента
понимать, что энергии ионизации обусловлены притяжением между ядром и внешним электроном
объяснять факторы, влияющие на энергии ионизации элементов, с учетом ядерного заряда, атомного/ионного радиуса, экранирования внутренними оболочками и подуровнями и отталкивания спаренных электронов
выводить электронные конфигурации элементов, используя данные о последовательных энергиях ионизации
определять положение элемента в Периодической системе, используя данные о последовательных энергиях ионизации

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

First ionisation energy

The first ionisation energy 第一电离能 (IE) is the energy needed to remove one electron from each atom in one mole of gaseous atoms, forming one mole of gaseous $+1$ ions.

We use gaseous atoms so there are no forces between the particles. The unit is $\text{kJ mol}^{-1}$. As an equation, for an element X:

$$\text{X}(\text{g}) \rightarrow \text{X}^{+}(\text{g}) + \text{e}^{-}$$

The $(\text{g})$ shows the species is a gas.

Successive ionisation energies

After removing one electron, you can remove another. The second ionisation energy removes one electron from each $+1$ ion:

$$\text{X}^{+}(\text{g}) \rightarrow \text{X}^{2+}(\text{g}) + \text{e}^{-}$$

You can keep going. These are the successive ionisation energies 逐级电离能. Each is larger than the one before, because every electron is pulled away from a more positive ion.

What ionisation energy depends on

Ionisation energy comes from the attraction between the positive nucleus and the outer electron. Three main factors set how strong that attraction is:

nuclear charge: more protons pull the electrons more strongly, so the ionisation energy is higher.
atomic radius: the further the outer electron sits from the nucleus, the weaker the pull, so the ionisation energy is lower.
shielding: inner shells block some of the pull on the outer electron. More inner shells mean more shielding and a lower ionisation energy.

There is a smaller effect too — spin-pair repulsion 自旋成对排斥. When two electrons share one orbital, they push each other a little, so one is easier to remove.

Trends in first ionisation energy

Across a period, the first ionisation energy generally rises. The nuclear charge grows while shielding stays about the same, so the outer electrons are held more tightly.

Down a group, the first ionisation energy falls. Lower elements have more shells, so more shielding and a larger radius, and the outer electron is easier to remove.

The dips are evidence for sub-shells

The rise across a period is not smooth. Two small dips appear, and you should be able to explain both:

Group 2 to Group 13 (for example Mg to Al): the electron removed from Al comes from a 3p sub-shell, which is higher in energy than the full 3s sub-shell in Mg. A 3p electron is easier to remove, so the value dips.
Group 15 to Group 16 (for example P to S): in S, one 3p orbital now holds a pair of electrons. Spin-pair repulsion makes one of them easier to remove, so the value dips.

These dips are evidence that sub-shells exist.

Successive ionisation energies are evidence for shells

If you plot the successive ionisation energies of one element, the values rise, with big jumps at certain points. A big jump happens when the next electron must come from a shell closer to the nucleus.

Count how many electrons come off easily before the first big jump — that is the number of electrons in the outer shell, which tells you the group the element is in. You can also use the pattern to work out the electronic configuration and the position of the element in the Periodic Table.

Electrons removed before the first big jump	Group
1	Group 1
2	Group 2
3	Group 13

Worked example. The first five successive ionisation energies of an element are $590$, $1150$, $4940$, $6480$ and $8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Which group is it in? Look for the big jump, not the biggest number. From the 1st to the 2nd the value roughly doubles, which is a normal rise. From the 2nd ($1150$) to the 3rd ($4940$) it more than quadruples: that is the jump. So two electrons come off easily before it, the outer shell holds 2 electrons, and the element is in Group 2. Count the electrons removed before the jump, and explain the jump properly: the next electron is being pulled from a shell closer to the nucleus, not from a different element.

Русский

Первая энергия ионизации

Первая энергия ионизации (IE) — это энергия, необходимая для удаления одного электрона из каждого атома в одном моле газообразных атомов с образованием одного моля газообразных $+1$ ионов.

Мы используем газообразные атомы, поэтому между частицами нет сил взаимодействия. Единицей измерения является $\text{kJ mol}^{-1}$. В виде уравнения для элемента X:

$$\text{X}(\text{g}) \rightarrow \text{X}^{+}(\text{g}) + \text{e}^{-}$$

Строка $(\text{g})$ показывает, что вещество находится в газообразном состоянии.

Последовательные энергии ионизации

После удаления одного электрона можно удалить следующий. Вторая энергия ионизации удаляет один электрон от каждого иона $+1$:

$$\text{X}^{+}(\text{g}) \rightarrow \text{X}^{2+}(\text{g}) + \text{e}^{-}$$

Процесс можно продолжать. Это последовательные энергии ионизации. Каждая следующая больше предыдущей, потому что каждый электрон оттягивается от все более положительной ионной оболочки.

От чего зависит энергия ионизации

Энергия ионизации обусловлена притяжением между положительным ядром и внешним электроном. Три основных фактора определяют силу этого притяжения:

заряд ядра: большее количество протонов сильнее притягивает электроны, поэтому энергия ионизации выше.
атомный радиус: чем дальше внешний электрон находится от ядра, тем слабнее притяжение, поэтому энергия ионизации ниже.
экранирование: внутренние оболочки экранируют (затеняют) часть притяжения к внешнему электрону. Чем больше внутренних оболочек, тем сильнее экранирование и ниже энергия ионизации.

Существует также меньший эффект — отталкивание спаренных электронов. Когда два электрона занимают одну орбиталь, они немного отталкивают друг друга, поэтому один из них легче удалить.

Закономерности изменения первой энергии ионизации

В периоде первая энергия ионизации в целом возрастает. Заряд ядра увеличивается, а экранирование остается примерно постоянным, поэтому внешние электроны удерживаются прочнее.

В группе первая энергия ионизации понижается. У элементов нижних периодов больше оболочек, что приводит к большему экранированию и увеличению радиуса, поэтому внешний электрон легче удалить.

Падения на графиках являются доказательством существования подуровней

Рост энергии в периоде не является плавным. Наблюдаются два небольших провала, которые вы должны уметь объяснить:

Группа 2 → Группа 13 (например, Mg → Al): электрон, удаляемый из Al, приходит с подуровня 3p, который имеет более высокую энергию, чем полностью заполненный подуровень 3s в Mg. Электрон 3p легче удалить, поэтому значение снижается.
Группа 15 → Группа 16 (например, P → S): в S одна орбиталь 3p теперь содержит пару электронов. Отталкивание спаренных электронов делает один из них легче удаляемым, поэтому значение снижается.

Эти провалы являются доказательством существования подуровней.

График первой энергии ионизации в Периоде 3, в целом растущий, но имеющий провалы у алюминия и серы — Первая энергия ионизации растет в Периоде 3, но имеет провалы у Al и S — это доказательство существования подуровней

Последовательные энергии ионизации служат доказательством наличия электронных оболочек

Если построить график последовательных энергий ионизации одного элемента, значения будут расти, при этом наблюдаются большие скачки в определенных точках. Большой скачок происходит, когда следующий электрон приходится удалять с оболочки, расположенной ближе к ядру.

Посчитайте, сколько электронов удаляется легко до первого большого скачка — это число электронов во внешней оболочке, которое указывает на группу, в которой находится элемент. По этому же паттерну можно определить электронную конфигурацию и положение элемента в Периодической таблице.

Логарифмический график одиннадцати последовательных энергий ионизации натрия, где два больших скачка делят точки на группы по 1, 8 и 2 электрона — Последовательные энергии ионизации натрия (логарифмическая шкала): большие скачки раскрывают структуру $2,8,1$ оболочек

Электронов удалено до первого большого скачка	Группа
1	Группа 1
2	Группа 2
3	Группа 13

Разобранный пример. Первые пять последовательных энергий ионизации элемента составляют $590$, $1150$, $4940$, $6480$ и $8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. К какой группе он относится? Ищите большой скачок, а не самое большое число. От 1-й ко 2-й энергия примерно удваивается, что является нормальным ростом. От 2-й ($1150$) до 3-й ($4940$) она возрастает более чем в четыре раза: это и есть скачок. Следовательно, два электрона удаляются легко перед ним, во внешней оболочке содержится 2 электрона, и элемент относится к Группе 2. Считайте количество удаленных электронов до скачка и правильно объясните его: следующий электрон удаляется с оболочки, расположенной ближе к ядру, а не с другого элемента.

Explore · ⁨Исследовать⁩

The ionisation-energy trend — and its dips · ⁨Тренд энергии ионизации — и его провалы⁩

First ionisation energy generally rises across a period, but DIPS where a new p sub-shell starts and where a p-orbital pair first forms. Step across to find the two tell-tale dips. · ⁨Первая энергия ионизации обычно возрастает по периоду, но НАБЛЮДАЮТСЯ ПРОВАЛЫ там, где начинается новый p-подуровень и где впервые образуется пара в p-орбитали. Перейдите к шагу, чтобы найти два характерных провала.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
period/ˈpɪərɪəd/	периода
nuclear charge/ˈnjuːklɪə tʃɑːdʒ/	заряд ядра
shielding/ˈʃiːldɪŋ/	экранирование
group/ɡruːp/	группа
cation/ˈkætaɪən/	катион
anion/ˈænaɪən/	анион
repulsion/rɪˈpʌlʃn/	отталкивание

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

1.4

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Define isotopes in full: atoms of the same element with the same number of protons but a different number of neutrons — the mark scheme wants both halves.
4s fills before 3d, but electrons are removed from 4s first when forming ions, so $\text{Fe}^{3+}$ is $[\text{Ar}]3\text{d}^5$ (not $[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$).
In successive ionisation energies, a big jump marks the start of a new (inner) shell — use the jumps to place the element in its group.
Explain every ionisation-energy trend with the same three factors: nuclear charge, distance and shielding, plus sub-shell effects for the small dips.
Learn the exact reason first ionisation energy of oxygen is below nitrogen: oxygen's paired 2p electrons repel, so one is easier to remove.

Русский

Дайте полное определение изотопов: атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов — в критериях оценивания требуются обе части определения.
Подуровень 4s заполняется раньше 3d, но электроны снимаются с 4s первыми при образовании ионов, поэтому $\text{Fe}^{3+}$ равно $[\text{Ar}]3\text{d}^5$ (а не $[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$).
В последовательных энергиях ионизации большой скачок обозначает начало новой (внутренней) оболочки — используйте скачки для определения группы элемента.
Объясняйте каждую закономерность изменения энергии ионизации теми же тремя факторами: заряд ядра, расстояние и экранирование, плюс эффекты подуровней для малых провалов.
Выучите точную причину, почему первая энергия ионизации кислорода ниже, чем у азота: спаренные электроны 2p кислорода отталкиваются, поэтому один из них легче удалить.

Atoms, molecules and stoichiometry · ⁨Атомы, молекулы и стехиометрия⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

2.1

Relative masses of atoms and molecules

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define the unified atomic mass unit as one twelfth of the mass of a carbon-12 atom
define relative atomic mass, $A_r$, relative isotopic mass, relative molecular mass, $M_r$, and relative formula mass in terms of the unified atomic mass unit

Русский

определить единицу атомной массы как одну двенадцатую часть массы атома углерода-12
определить относительную атомную массу, $A_r$, относительную изотопную массу, относительную молекулярную массу, $M_r$ и относительную формульную массу относительно единицы атомной массы

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

Atoms 原子 are far too light to weigh in grams, so we compare every mass to one standard. The standard is the unified atomic mass unit 统一原子质量单位 (symbol u), defined as exactly one twelfth of the mass of one carbon-12 atom.

Using this unit, we state masses as simple numbers:

the relative atomic mass 相对原子质量 $A_r$ of an element is the average mass of its atoms compared with $\tfrac{1}{12}$ of a carbon-12 atom. It is an average over all the isotopes 同位素, weighted by how common each one is.
the relative isotopic mass 相对同位素质量 is the mass of one atom of a single isotope, compared with $\tfrac{1}{12}$ of a carbon-12 atom.
the relative molecular mass 相对分子质量 $M_r$ of a molecule 分子 is the sum of the relative atomic masses of all its atoms.
the relative formula mass 相对式量 is the same idea for a substance that is not made of molecules (such as an ionic compound). Add up the relative atomic masses shown in the formula.

A bar showing chlorine is 75% chlorine-35 and 25% chlorine-37, with the weighted-average calculation giving a relative atomic mass of 35.5 — Relative atomic mass is a weighted average: chlorine's two isotopes (75% ³⁵Cl, 25% ³⁷Cl) average to Aᵣ = 35.5

To find $A_r$ from isotope data, multiply each isotope mass by its percentage, add these up, and divide by 100.

Worked example. Chlorine is $75\%$ ${}^{35}\text{Cl}$ and $25\%$ ${}^{37}\text{Cl}$. Find its relative atomic mass.

$$A_r = \frac{(75 \times 35) + (25 \times 37)}{100} = \frac{2625 + 925}{100} = 35.5.$$

Worked example. A mass spectrometer shows copper is $69.2\%$ ${}^{63}\text{Cu}$ and $30.8\%$ ${}^{65}\text{Cu}$. Find its relative atomic mass.

$$A_r = \frac{(69.2 \times 63) + (30.8 \times 65)}{100} = \frac{4359.6 + 2002.0}{100} = 63.6.$$

Explore · ⁨Исследовать⁩

Relative mass lab · ⁨Лабораторная работа по относительной массе⁩

relative atomic mass = weighted mean · ⁨относительная атомная масса = взвешенное среднее⁩

Change isotope abundance and see the weighted mean move. · ⁨Измените распространенность изотопов и посмотрите, как движется средневзвешенное значение.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
atom/ˈætəm/	атома
unified atomic mass unit/ˈjuːnɪfaɪd əˈtɒmɪk mæs ˈjuːnɪt/	единица атомной массы
relative atomic mass/ˈrelətɪv əˈtɒmɪk mæs/	относительная атомная масса
isotope/ˈaɪsətəʊp/	изотопом
relative isotopic mass/ˈrelətɪv ˌaɪsəˈtɒpɪk mæs/	относительная изотопная масса
relative molecular mass/ˈrelətɪv məˈlekjʊlə mæs/	относительная молекулярная масса
molecule/ˈmɒlɪkjuːl/	молекулы
relative formula mass/ˈrelətɪv ˈfɔːmjʊlə mæs/	относительная формульная масса

2.2

The mole and the Avogadro constant

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define and use the term mole in terms of the Avogadro constant

Русский

определить и использовать термин моль относительно постоянной Авогадро

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

A modern electronic laboratory balance — A modern electronic balance measures mass — the basis of mole calculations.

Chemists count particles in groups called moles, just as we count eggs in dozens.

One mole 摩尔 (symbol mol) is the amount of substance that contains the same number of particles as there are atoms in exactly 12 g of carbon-12. That number is the Avogadro constant 阿伏伽德罗常量:

$$N_A = 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$$

So one mole of anything contains $6.02 \times 10^{23}$ particles. The particles may be atoms, molecules or ions 离子 — always say which.

The mass of one mole in grams equals the relative mass ($A_r$ or $M_r$). This is the molar mass 摩尔质量, with units $\text{g mol}^{-1}$. The key equation is:

$$n = \frac{m}{M}$$

where $n$ is the amount in moles, $m$ is the mass in grams, and $M$ is the molar mass.

Worked example. How many moles are in $8.0\ \text{g}$ of methane, $\text{CH}_4$? ($A_r$: C $= 12$, H $= 1$.)

The molar mass is $M = 12 + 4(1) = 16\ \text{g mol}^{-1}$, so

$$n = \frac{m}{M} = \frac{8.0}{16} = 0.50\ \text{mol}.$$

A central moles box linked by double arrows to mass, number of particles, gas volume and solution concentration, each arrow labelled with its conversion — The mole is the hub of every amount calculation: convert to mass ($n=m/M$), particles ($\times N_A$), gas volume ($n=V/24$) or solution ($n=cV$)

Explore · ⁨Исследовать⁩

Mole mass lab · ⁨Лаборатория молярной массы⁩

n = m / M

Change mass and see moles scale through molar mass. · ⁨Измените массу и посмотрите, как количество вещества масштабируется через молярную массу.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
mole/məʊl/	молярное
Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/	Постоянная Авогадро
ion/ˈaɪɒn/	ион
molar mass/ˈməʊlə mæs/	молярной массе

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

2.3

Formulas

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

write formulas of ionic compounds from ionic charges and oxidation numbers (shown by a Roman numeral), including: (a) the prediction of ionic charge from the position of an element in the Periodic Table (b) recall of the names and formulas for the following ions: $\text{NO}_3^-$, $\text{CO}_3^{2-}$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{OH}^-$, $\text{NH}_4^+$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Ag}^+$, $\text{HCO}_3^-$, $\text{PO}_4^{3-}$
(a) write and construct equations (which should be balanced), including ionic equations (which should not include spectator ions) (b) use appropriate state symbols in equations
define and use the terms empirical and molecular formula
understand and use the terms anhydrous, hydrated and water of crystallisation
calculate empirical and molecular formulas, using given data

Русский

запишите формулы ионных соединений по зарядам ионов и числам окисления (указанным римской цифрой), включая: (a) предсказание заряда иона по положению элемента в Периодической таблице (b) знание названий и формул следующих ионов: $\text{NO}_3^-$, $\text{CO}_3^{2-}$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{OH}^-$, $\text{NH}_4^+$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Ag}^+$, $\text{HCO}_3^-$, $\text{PO}_4^{3-}$
(a) писать и составлять уравнения (которые должны быть сбалансированы), включая ионные уравнения (в которых не должны присутствовать ионы-зрители) (b) использовать соответствующие обозначения агрегатного состояния в уравнениях
определять и использовать термины эмпирическая и молекулярная формула
понимать и использовать термины безводный, гидратированный и кристаллизационная вода
вычислять эмпирические и молекулярные формулы, используя заданные данные

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

A compound 化合物 is a substance made of two or more elements chemically joined.

Charges and formulas of ionic compounds

In an ionic compound 离子化合物 the total positive charge balances the total negative charge, so the compound is neutral overall.

You can predict the charge of many ions from the element's position in the Periodic Table:

Group	1	2	13	15	16	17
Usual ion charge	$+1$	$+2$	$+3$	$-3$	$-2$	$-1$

Hydrogen forms $\text{H}^+$, and the Group 18 noble gases do not normally form ions.

Some ions you must know by name and formula:

Name	Formula
nitrate	$\text{NO}_3^{-}$
carbonate	$\text{CO}_3^{2-}$
sulfate	$\text{SO}_4^{2-}$
hydroxide	$\text{OH}^{-}$
ammonium	$\text{NH}_4^{+}$
zinc	$\text{Zn}^{2+}$
silver	$\text{Ag}^{+}$
hydrogencarbonate	$\text{HCO}_3^{-}$
phosphate	$\text{PO}_4^{3-}$

For a metal that can have more than one charge, a Roman numeral shows the oxidation number 氧化数. For example, iron(II) is $\text{Fe}^{2+}$ and iron(III) is $\text{Fe}^{3+}$. To write a formula, balance the charges: iron(III) oxide is $\text{Fe}_2\text{O}_3$, because two $\text{Fe}^{3+}$ balance three $\text{O}^{2-}$.

Equations and state symbols

A chemical equation must be balanced 配平 — the same number of each kind of atom on both sides. Add state symbols 状态符号 to show the state of each species: (s) solid, (l) liquid, (g) gas, and (aq) aqueous 水溶液 (dissolved in water).

An ionic equation 离子方程式 shows only the ions and molecules that actually change. The ions that do not change are spectator ions 旁观离子, and you leave them out. For example, the reaction that forms silver chloride is:

$$\text{Ag}^{+}(\text{aq}) + \text{Cl}^{-}(\text{aq}) \rightarrow \text{AgCl}(\text{s})$$

Empirical and molecular formulas

The empirical formula 实验式 is the simplest whole-number ratio of the atoms of each element in a compound. The molecular formula 分子式 shows the actual number of atoms of each element in one molecule.

For example, ethane has empirical formula $\text{CH}_3$ but molecular formula $\text{C}_2\text{H}_6$.

Hydrated and anhydrous solids

Some solids hold water inside their crystals. This water is the water of crystallisation 结晶水. A solid that contains it is hydrated 水合的; the same solid with the water removed is anhydrous 无水的.

For example, hydrated copper(II) sulfate is $\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$. Heating it drives off the water to leave anhydrous $\text{CuSO}_4$.

Calculating empirical and molecular formulas

To find the empirical formula from masses (or percentages by mass):

divide each element's mass by its $A_r$ to get the moles.
divide all the mole values by the smallest one.
round to the nearest whole numbers — that ratio is the empirical formula.

To get the molecular formula, you also need $M_r$. Find how many times the empirical formula mass fits into $M_r$, then multiply the formula by that number.

Worked example. A compound is $40.0\%$ carbon, $6.7\%$ hydrogen and $53.3\%$ oxygen by mass. Find its empirical formula. ($A_r$: C $= 12$, H $= 1$, O $= 16$.)

Take $100\ \text{g}$ and divide each mass by its $A_r$ to get moles: C $= 40.0/12 = 3.33$, H $= 6.7/1 = 6.7$, O $= 53.3/16 = 3.33$. Dividing through by the smallest ($3.33$) gives a ratio C : H : O $= 1 : 2 : 1$, so the empirical formula is $\text{CH}_2\text{O}$.

The worked example laid out as a table: percentage by mass divided by Ar gives moles, dividing by the smallest gives the ratio 1 to 2 to 1, so the empirical formula is CH2O — The empirical-formula recipe: divide by Ar, divide by the smallest, read off the ratio

Explore · ⁨Исследовать⁩

Equation balancing route · ⁨Маршрут уравнивания уравнений⁩

Follow atoms through a chemical equation so both sides match. · ⁨Отслеживайте атомы через химическое уравнение так, чтобы обе стороны совпадали.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
compound/ˈkɒmpaʊnd/	соединения
ionic compound/aɪˈɒnɪk ˈkɒmpaʊnd/	ионное соединение
oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/	степени окисления
balanced/ˈbælənst/	сбалансировано
state symbols/steɪt ˈsɪmblz/	символы агрегатного состояния
aqueous/ˈeɪkwɪəs/	водным раствором
ionic equation/aɪˈɒnɪk ɪˈkweɪʒn/	ионное уравнение
spectator ions/spekˈteɪtə ˈaɪɒnz/	ионы-спутники
empirical formula/emˈpɪrɪkl ˈfɔːmjʊlə/	эмпирическая формула
molecular formula/məˈlekjʊlə ˈfɔːmjʊlə/	молекулярная формула
water of crystallisation/ˈwɔːtə ɒv ˌkrɪstəlaɪˈzeɪʃn/	кристаллизационная вода
hydrated/haɪˈdreɪtɪd/	гидратированной
anhydrous/ænˈhaɪdrəs/	безводной

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

2.4

Reacting masses and volumes

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

perform calculations including use of the mole concept, involving: (a) reacting masses (from formulas and equations) including percentage yield calculations (b) volumes of gases (e.g. in the burning of hydrocarbons) (c) volumes and concentrations of solutions (d) limiting reagent and excess reagent (When performing calculations, candidates’ answers should reflect the number of significant figures given or asked for in the question. When rounding up or down, candidates should ensure that significant figures are neither lost unnecessarily nor used beyond what is justified (see also Mathematical requirements section).) (e) deduce stoichiometric relationships from calculations such as those in 2.4.1(a)–(d)

Русский

выполнять вычисления, включая использование понятия моля,涉及的: (a) реагирующие массы (по формулам и уравнениям), включая расчеты выхода продукта в процентах (b) объемы газов (например, при горении углеводородов) (c) объемы и концентрации растворов (d) лимитирующий реагент и реагент в избытке (При выполнении вычислений ответы кандидатов должны отражать количество значащих цифр, данное или запрошенное в вопросе. При округлении вверх или вниз кандидаты должны убедиться, что значащие цифры не теряются без необходимости и не используются сверх обоснованного (см. также раздел «Математические требования».) (e) выводить стехиометрические соотношения из вычислений, таких как в пунктах 2.4.1(a)–(d))

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

A titration being carried out — A titration finds reacting volumes precisely.

Reacting masses and percentage yield

The numbers in front of each species in a balanced equation give the mole ratio — this is the stoichiometry 化学计量. To find a reacting mass: change the known mass to moles, use the mole ratio to find the moles you want, then change back to mass.

Worked example. What mass of magnesium oxide forms when $4.8\ \text{g}$ of magnesium burns completely? $2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$. ($A_r$: Mg $= 24$, O $= 16$.)

Moles of Mg $= 4.8/24 = 0.20\ \text{mol}$. The ratio Mg : MgO is $1 : 1$, so $0.20\ \text{mol}$ of MgO forms. Its molar mass is $24 + 16 = 40\ \text{g mol}^{-1}$, so

$$m = nM = 0.20 \times 40 = 8.0\ \text{g}.$$

The mole bridge for the magnesium example: 4.8 grams of magnesium divided by Ar gives 0.20 moles, the 1 to 1 ratio gives 0.20 moles of magnesium oxide, times Mr gives 8.0 grams — The mole bridge: mass to moles, ratio, then back to mass

In real reactions you usually get less product than the maximum. The percentage yield 产率 compares the amount you actually made with the most you could make:

$$\text{percentage yield} = \frac{\text{actual amount of product}}{\text{maximum possible amount}} \times 100\%$$

Limiting and excess reagent

When two reactants are mixed, one usually runs out first. The limiting reagent 限量试剂 is the one that runs out — it decides how much product forms. The other is the excess reagent 过量试剂, because there is more than enough of it. Always base the calculation on the limiting reagent.

To find it: work out the moles of each reactant, divide each by its number in the equation, and the smallest result is the limiting reagent.

Burning 4 hydrogen molecules with 1 oxygen molecule makes 2 water molecules and leaves 2 hydrogen molecules unreacted — The limiting reagent runs out first and decides how much product forms; the leftover reactant is in excess

Volumes of gases

At the same temperature and pressure, equal volumes of any gases contain equal numbers of molecules. At room temperature and pressure (r.t.p.), one mole of any gas takes up $24.0\ \text{dm}^3$, so:

$$n = \frac{V}{24.0}\qquad (V \text{ in } \text{dm}^3 \text{ at r.t.p.})$$

Two equal-sized boxes, one of hydrogen and one of carbon dioxide, each holding six molecules — Equal volumes of gases at the same temperature and pressure hold equal numbers of molecules, whatever the gas

This is used when burning hydrocarbons 碳氢化合物 (compounds of only carbon and hydrogen), where you compare gas volumes.

Volumes and concentrations of solutions

The concentration 浓度 of a solution is the amount of solute 溶质 in each cubic decimetre of solution 溶液, measured in $\text{mol dm}^{-3}$:

$$n = c \times V$$

where $c$ is the concentration and $V$ is the volume in $\text{dm}^3$. Remember that $1000\ \text{cm}^3 = 1\ \text{dm}^3$.

Worked example. In a titration, $25.0\ \text{cm}^3$ of sodium hydroxide solution is exactly neutralised by $20.0\ \text{cm}^3$ of $0.100\ \text{mol dm}^{-3}$ hydrochloric acid: $\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$. Find the concentration of the sodium hydroxide.

Moles of HCl $= cV = 0.100 \times \dfrac{20.0}{1000} = 2.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. The ratio is $1 : 1$, so there are $2.00 \times 10^{-3}\ \text{mol}$ of NaOH in $25.0\ \text{cm}^3$:

$$c = \frac{n}{V} = \frac{2.00 \times 10^{-3}}{25.0/1000} = 0.0800\ \text{mol dm}^{-3}.$$

This is the basis of a titration 滴定, where you find an unknown concentration by reacting it with a solution whose concentration you already know.

A burette clamped on a stand above a conical flask on a white tile — In a titration a burette adds a solution of known concentration to the unknown in the conical flask, until the indicator changes

Significant figures

Give your answer to a sensible number of significant figures 有效数字 — usually match the data in the question. Do not write more digits than the data supports, and do not round so early that you lose accuracy.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Reacting mass route · ⁨Путь реагирующих масс⁩

Follow a balanced equation from known mass to predicted product mass. · ⁨Следуйте по уравнению от известной массы к предсказанной массе продукта.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Gas volume lab · ⁨Лаборатория объема газа⁩

n = V / 24 dm3 · ⁨n = V / 24 дм3⁩

Change gas volume and see moles scale at room conditions. · ⁨Измените объем газа и посмотрите, как масштабируются моли при комнатных условиях.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
stoichiometry/ˌstəʊɪkɪˈɒmətri/	стехиометрия
percentage yield/pəˈsentɪdʒ jiːld/	процентный выход
limiting reagent/ˈlɪmɪtɪŋ rɪˈeɪdʒənt/	ограничивающий реагент
excess reagent/ekˈses rɪˈeɪdʒənt/	избыток реагента
hydrocarbons/ˈhaɪdrəkɑːbənz/	углеводороды
concentration/ˌkɒnsənˈtreɪʃn/	концентрация
solute/ˈsɒljuːt/	растворённым веществом
solution/səˈluːʃn/	раствором
titration/taɪˈtreɪʃn/	титрование
significant figures/sɪɡˈnɪfɪkənt ˈfɪɡəz/	значащие цифры

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

2.4

Exam tips

Convert volumes to $\text{dm}^3$ before using concentration ($25.0\ \text{cm}^3 = 0.0250\ \text{dm}^3$); the missing $\div 1000$ is the most common titration error.
Use the balancing numbers as the mole ratio between species — never the $M_r$ values.
Empirical formula: divide each mass/percentage by $A_r$, then by the smallest, then scale to whole numbers; use $M_r$ to reach the molecular formula.
For gases at r.t.p. use $\text{volume} = \text{moles} \times 24\ \text{dm}^3$; quote the equation you use every time.
Give the answer to the same significant figures as the data (usually 3) and always include units.

Chemical bonding · ⁨Химическая связь⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

3.1

Electronegativity · ⁨Электроотрицательность⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define electronegativity as the power of an atom to attract electrons to itself
explain the factors influencing the electronegativities of the elements in terms of nuclear charge, atomic radius and shielding by inner shells and sub-shells
state and explain the trends in electronegativity across a period and down a group of the Periodic Table
use the differences in Pauling electronegativity values to predict the formation of ionic and covalent bonds (the presence of covalent character in some ionic compounds will not be assessed) (Pauling electronegativity values will be given where necessary)

Русский

определять электроотрицательность как способность атома притягивать электроны к себе
объяснять факторы, влияющие на электроотрицательность элементов, с точки зрения заряда ядра, атомного радиуса и экранирования внутренними оболочками и подоболочками
формулировать и объяснять тенденции изменения электроотрицательности в периоде и группе Периодической таблицы
использовать разницу в значениях электроотрицательности Полинга для прогнозирования образования ионных и ковалентных связей (наличие ковалентного характера в некоторых ионных соединениях проверяться не будет) (Значения электроотрицательности Полинга будут даны при необходимости)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Electronegativity 电负性 is the power of an atom to attract the electrons 电子 in a bond towards itself.

Three factors decide how electronegative an atom is:

nuclear charge 核电荷: more protons pull the bonding electrons more strongly.
atomic radius 原子半径: the closer the bond is to the nucleus, the stronger the pull.
shielding 屏蔽 by inner shells and sub-shells: more inner electrons weaken the pull on the bonding electrons.

So electronegativity rises across a period (more nuclear charge, smaller radius) and falls down a group (larger radius, more shielding). Fluorine is the most electronegative element.

You can use the difference in Pauling electronegativity 鲍林电负性 values to predict the bond type. A large difference gives an ionic bond; a small difference gives a covalent bond.

Русский

Электроотрицательность — это способность атома притягивать электроны в химической связи к себе.

Три фактора определяют электроотрицательность атома:

заряд ядра: больше протонов сильнее притягивает связывающие электроны.
атомный радиус: чем ближе связь к ядру, тем сильнее притяжение.
экранирование внутренними оболочками и подслоями: больше внутренних электронов ослабляют притяжение связывающих электронов.

Поэтому электроотрицательность возрастает по периоду (больший заряд ядра, меньший радиус) и уменьшается по группе (больший радиус, большее экранирование). Фтор — самый электроотрицательный элемент.

Сетка, окрашенная от светлого в левом нижнем углу до темного в правом верхнем, с обозначением фтора в правом верхнем углу *Электроотрицательность возрастает по периоду и уменьшается по группе, поэтому фтор — самый электроотрицательный элемент

Вы можете использовать разницу в значениях электроотрицательности Полинга для предсказания типа связи. Большая разница дает ионную связь; малая разница дает ковалентную связь.

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
electronegativity/ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/	электроотрицательность
electron/ɪˈlektrɒn/	электрон
nuclear charge/ˈnjuːklɪə tʃɑːdʒ/	заряд ядра
atomic radius/əˈtɒmɪk ˈreɪdɪəs/	атомный радиус
shielding/ˈʃiːldɪŋ/	экранирование
Pauling electronegativity/ˈpɔːlɪŋ ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/	электроотрицательность Полинга

3.2

Ionic bonding · ⁨Ионная связь⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define ionic bonding as the electrostatic attraction between oppositely charged ions (positively charged cations and negatively charged anions)
describe ionic bonding including the examples of sodium chloride, magnesium oxide and calcium fluoride

Русский

определять ионную связь как электростатическое притяжение между ионами с противоположными зарядами (положительно заряженными катионами и отрицательно заряженными анионами)
описывать ионную связь, включая примеры хлорида натрия, оксида магния и фторида кальция

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Ionic bonding: electron transfer

Ionic bonding 离子键 is the electrostatic attraction 静电引力 between oppositely charged ions 离子 — positive cations 阳离子 and negative anions 阴离子.

It forms when a metal gives electrons to a non-metal. Good examples are sodium chloride ($\text{NaCl}$), magnesium oxide ($\text{MgO}$) and calcium fluoride ($\text{CaF}_2$). The ions pack into a regular giant lattice 晶格, held together by the attraction in every direction.

Русский

*Ионная связь: перенос электронов

Ионная связь — это электростатическое притяжение между oppositely заряженными ионами — положительными катионами и отрицательными анионами.

Она образуется, когда металл отдает электроны неметаллу. Хорошие примеры — хлорид натрия ($\text{NaCl}$), оксид магния ($\text{MgO}$) и фторид кальция ($\text{CaF}_2$). Ионы упаковываются в регулярную гигантскую кристаллическую решетку, удерживаемую притяжением во всех направлениях.

Схема с точками и крестиками, показывающая атом натрия с одним крестиком, переходящим к атому хлора, образуя ионы Na+ и Cl- в скобках — Ионная связь в NaCl: натрий передаёт свой единственный внешний электрон хлору, образуя Na$^+$ и Cl$^-$ с завершенным октетом

Прозрачно-серый кристалл каменной соли на черном фоне, состоящий из множества маленьких кубических блоков с прямыми углами граней *Настоящий кристалл поваренной соли (галит, NaCl); кубические формы отражают гигантскую ионную решетку внутри

Explore · ⁨Исследовать⁩

Forming an ionic bond (NaCl) · ⁨Образование ионной связи (NaCl)⁩

Step through it. A metal hands its outer electron to a non-metal; the oppositely charged ions then attract in a giant lattice. · ⁨Разберем процесс. Металл отдает свой внешний электрон неметаллу; oppositely charged ions then attract in a giant lattice. Ионы с противоположными зарядами затем притягиваются, образуя гигантскую решетку.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
ionic bonding/aɪˈɒnɪk ˈbɒndɪŋ/	ионная связь
electrostatic attraction/ɪˌlektrəʊˈstætɪk əˈtrækʃn/	электростатическое притяжение
ion/ˈaɪɒn/	ион
cation/ˈkætaɪən/	катион
anion/ˈænaɪən/	анион
lattice/ˈlætɪs/	решетка

3.3

Metallic bonding · ⁨Металлическая связь⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define metallic bonding as the electrostatic attraction between positive metal ions and delocalised electrons

Русский

определять металлическую связь как электростатическое притяжение между положительными ионами металла и делокализованными электронами

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Metallic bonding 金属键 is the electrostatic attraction between positive metal ions and a "sea" of delocalised electrons 离域电子.

The outer electrons are free to move through the whole metal. This explains why metals conduct electricity and are strong.

Русский

Металлическая связь — это электростатическое притяжение между положительными ионами металла и «морем» делокализованных электронов.

Внешние электроны свободны для движения по всему металлу. Это объясняет, почему металлы проводят электрический ток и обладают прочностью.

Правильная решетка положительных ионов металла с мелкими электронами, рассеянными в промежутках между ними — Металлическая связь: положительные ионы металла находятся в море делокализованных электронов, которые свободны для движения

Explore · ⁨Исследовать⁩

Inside a metal — and why it behaves that way · ⁨Внутри металла — и почему он ведет себя именно так⁩

Step through it. Positive ions sit in a shared sea of delocalised electrons. That one picture explains conduction, malleability, and strength. · ⁨Разберем процесс. Положительные ионы сидят в общем море делокализованных электронов. Одна эта картинка объясняет проводимость, пластичность и прочность.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
metallic bonding/məˈtælɪk ˈbɒndɪŋ/	металлическая связь
delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/	делокализованные электроны

3.4

Covalent and coordinate bonding · ⁨Ковалентная и донорно-акцепторная связь⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define covalent bonding as electrostatic attraction between the nuclei of two atoms and a shared pair of electrons (a) describe covalent bonding in molecules including: • hydrogen, $\text{H}_2$ • oxygen, $\text{O}_2$ • nitrogen, $\text{N}_2$ • chlorine, $\text{Cl}_2$ • hydrogen chloride, $\text{HCl}$ • carbon dioxide, $\text{CO}_2$ • ammonia, $\text{NH}_3$ • methane, $\text{CH}_4$ • ethane, $\text{C}_2\text{H}_6$ • ethene, $\text{C}_2\text{H}_4$ (b) understand that elements in period 3 can expand their octet including in the compounds sulfur dioxide, $\text{SO}_2$, phosphorus pentachloride, $\text{PCl}_5$, and sulfur hexafluoride, $\text{SF}_6$ (c) describe coordinate (dative covalent) bonding, including in the reaction between ammonia and hydrogen chloride gases to form the ammonium ion, $\text{NH}_4^+$, and in the $\text{Al}_2\text{Cl}_6$ molecule
(a) describe covalent bonds in terms of orbital overlap giving $\sigma$ and $\pi$ bonds: • $\sigma$ bonds are formed by direct overlap of orbitals between the bonding atoms • $\pi$ bonds are formed by the sideways overlap of adjacent p orbitals above and below the $\sigma$ bond (b) describe how the $\sigma$ and $\pi$ bonds form in molecules including $\text{H}_2$, $\text{C}_2\text{H}_6$, $\text{C}_2\text{H}_4$, $\text{HCN}$ and $\text{N}_2$ (c) use the concept of hybridisation to describe $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ and $\text{sp}^3$ orbitals
(a) define the terms: • bond energy as the energy required to break one mole of a particular covalent bond in the gaseous state • bond length as the internuclear distance of two covalently bonded atoms (b) use bond energy values and the concept of bond length to compare the reactivity of covalent molecules

Русский

определите ковалентную связь как электростатическое притяжение между ядрами двух атомов и общей парой электронов (a) опишите ковалентное связывание в молекулах, включая: • водород, $\text{H}_2$ • кислород, $\text{O}_2$ • азот, $\text{N}_2$ • хлор, $\text{Cl}_2$ • хлороводород, $\text{HCl}$ • углекислый газ, $\text{CO}_2$ • аммиак, $\text{NH}_3$ • метан, $\text{CH}_4$ • этан, $\text{C}_2\text{H}_6$ • этилен, $\text{C}_2\text{H}_4$ (b) поймите, что элементы периода 3 могут расширять октет, в том числе в соединениях диоксид серы, $\text{SO}_2$, пентахлорид фосфора, $\text{PCl}_5$, и гексафторид серы, $\text{SF}_6$ (c) опишите координационную (донорно-акцепторную ковалентную) связь, в том числе в реакции между газами аммиака и хлороводорода для образования иона аммония, $\text{NH}_4^+$, и в молекуле $\text{Al}_2\text{Cl}_6$
(a) опишите ковалентные связи с точки зрения перекрывания орбиталей, давая $\sigma$ и $\pi$ связи: • $\sigma$ связи образуются прямым перекрыванием орбиталей между связанными атомами • $\pi$ связи образуются боковым перекрыванием соседних p-орбиталей над и под $\sigma$ связью (b) опишите, как образуются $\sigma$ и $\pi$ связи в молекулах, включая $\text{H}_2$, $\text{C}_2\text{H}_6$, $\text{C}_2\text{H}_4$, $\text{HCN}$ и $\text{N}_2$ (c) используйте понятие гибридизации для описания $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ и $\text{sp}^3$ орбиталей
(a) определите термины: • энергия связи — это энергия, необходимая для разрыва одного моля определенной ковалентной связи в газообразном состоянии • длина связи — это межъядерное расстояние двух ковалентно связанных атомов (b) используйте значения энергии связей и концепцию длины связи для сравнения реакционной способности ковалентных молекул

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Covalent bonding: a shared pair

Covalent bonding 共价键 is the electrostatic attraction between the nuclei of two atoms and a shared pair of electrons.

Simple molecules with covalent bonds include $\text{H}_2$, $\text{O}_2$, $\text{N}_2$, $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$, $\text{CO}_2$, $\text{NH}_3$, $\text{CH}_4$, $\text{C}_2\text{H}_6$ and $\text{C}_2\text{H}_4$. A double bond shares two pairs; a triple bond (as in $\text{N}_2$) shares three pairs.

Atoms in Period 3 and below can expand the octet 扩展八隅体 — hold more than eight electrons in their outer shell. Examples are $\text{SO}_2$, $\text{PCl}_5$ and $\text{SF}_6$.

A coordinate bond 配位键 (also called a dative covalent bond) is a covalent bond where both shared electrons come from the same atom. For example, when ammonia and hydrogen chloride gases meet, the lone pair on the nitrogen forms a coordinate bond to $\text{H}^+$, making the ammonium ion $\text{NH}_4^+$. Coordinate bonds also join the two halves of the $\text{Al}_2\text{Cl}_6$ molecule.

Sigma and pi bonds

Covalent bonds form when orbitals 轨道 overlap:

a sigma bond σ键 forms by the direct, head-on overlap 重叠 of orbitals between the two atoms.
a pi bond π键 forms by the sideways overlap of two p orbitals, above and below the sigma bond.

A single bond is one sigma bond. A double bond (as in $\text{C}_2\text{H}_4$) is one sigma plus one pi bond. A triple bond (as in $\text{N}_2$ and $\text{HCN}$) is one sigma plus two pi bonds.

Hybridisation

Hybridisation 杂化 mixes orbitals in the same shell to make new, equal orbitals for bonding:

$\text{sp}$: two equal orbitals, used in a linear molecule.
$\text{sp}^2$: three equal orbitals, used in a flat molecule like $\text{C}_2\text{H}_4$.
$\text{sp}^3$: four equal orbitals, used in $\text{CH}_4$.

Bond energy and bond length

bond energy 键能 is the energy needed to break one mole of a particular covalent bond in the gas state.
bond length 键长 is the distance between the centres of the two bonded atoms.

A shorter bond is usually stronger (higher bond energy). Triple bonds are shorter and stronger than double bonds, which are shorter and stronger than single bonds. Stronger bonds make a molecule harder to react.

Русский

Ковалентная связь: общая пара электронов

Ковалентная связь — это электростатическое притяжение между ядрами двух атомов и общей парой электронов.

Простые молекулы с ковалентными связями включают $\text{H}_2$, $\text{O}_2$, $\text{N}_2$, $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$, $\text{CO}_2$, $\text{NH}_3$, $\text{CH}_4$, $\text{C}_2\text{H}_6$ и $\text{C}_2\text{H}_4$. Двойная связь делит две пары; тройная связь (как в $\text{N}_2$) делит три пары.

Атомы в периоде 3 и ниже могут расширить октет — удерживать более восьми электронов во внешней оболочке. Примеры: $\text{SO}_2$, $\text{PCl}_5$ и $\text{SF}_6$.

Донорно-акцепторная связь (также называемая координатной ковалентной связью) — это ковалентная связь, где обе общие пары электронов исходят от одного атома. Например, при столкновении газов аммиака и хлороводорода неподелённая пара на азоте образует донорно-акцепторную связь со $\text{H}^+$, создавая ион аммония $\text{NH}_4^+$. Донорно-акцепторные связи также соединяют две половины молекулы $\text{Al}_2\text{Cl}_6$.

Неподеленная электронная пара аммиака образует новую связь с входящим ионом водорода, показанную стрелкой, образуя ион аммония в квадратных скобках со знаком плюс — Донорно-акцепторная (координатная) связь: неподелённая пара азота образует четвёртую связь N–H, оба электрона исходят от N

Сигма- и пи-связи

Ковалентные связи образуются при перекрывании орбиталей:

сигма-связь σ образуется за счет прямого, торцевого перекрывания орбиталей между двумя атомами.
пи-связь π образуется за счет бокового перекрывания двух p-орбиталей, сверху и снизу от сигма-связи.

Одинарная связь — это одна сигма-связь. Двойная связь (как в $\text{C}_2\text{H}_4$) — это одна сигма-связь плюс одна пи-связь. Тройная связь (как в $\text{N}_2$ и $\text{HCN}$) — это одна сигма-связь плюс две пи-связи.

Слева — два орбитали, перекрывающиеся торцом между ядрами; справа — два вертикальных p-орбитали, перекрывающихся сбоку над и под осью — Сигма-связь $\sigma$ образуется за счет прямого торцевого перекрывания; пи-связь $\pi$ образуется за счет бокового перекрывания двух p-орбиталей, сверху и снизу

Гибридизация

Гибридизация смешивает орбитали в одной оболочке, чтобы создать новые, равные орбитали для связей:

$\text{sp}$: две равные орбитали, используемые в линейной молекуле.
$\text{sp}^2$: три равные орбитали, используемые в плоской молекуле, такой как $\text{C}_2\text{H}_4$.
$\text{sp}^3$: четыре равные орбитали, используемые в $\text{CH}_4$.

Энергия и длина связи

энергия связи — это энергия, необходимая для разрыва одного моля определенной ковалентной связи в газообразном состоянии.
длина связи — это расстояние между центрами двух связанных атомов.

Более короткая связь обычно прочнее (выше энергия связи). Тройные связи короче и прочнее двойных, которые, в свою очередь, короче и прочнее одинарных. Более прочные связи делают молекулу менее реакционноспособной.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Sharing a pair of electrons · ⁨Общая пара электронов⁩

Step through a covalent bond: two atoms overlap and share a pair so each reaches a full shell — when the two pull equally the bond is non-polar. · ⁨Разберем ковалентную связь: два атома перекрываются и делят пару электронов, так что каждый достигает полной оболочки — когда оба притягивают их одинаково сильно, связь неполярна.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Covalent bonding (sharing) · ⁨Ковалентная связь (общие пары)⁩

Two non-metal atoms overlap and share a pair of electrons — counted for both — so each reaches a full outer shell. O₂ shares two pairs (a double bond). · ⁨Два атома неметалла перекрывают орбитали и разделяют пару электронов — она учитывается для обоих, так что каждый достигает завершенной внешней оболочки. O₂ разделяет две пары (двойная связь).⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
covalent bonding/ˈkəʊvələnt ˈbɒndɪŋ/	ковалентная связь
expand the octet/ekˈspænd ðɪ ɒkˈtet/	расширение октета
coordinate bond/kəʊˈɔːdɪnət bɒnd/	донорно-акцепторная связь
orbital/ˈɔːbɪtl/	орбиталь
sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/	σ-связь
overlap/ˌəʊvəˈlæp/	наложение
pi bond/paɪ bɒnd/	пи-связь
hybridisation/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/	гибридизация
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/	энергия связи
bond length/bɒnd leŋθ/	длина связи
VSEPR theory/ˈvespə ˈθɪəri/	теория отталкивания валентных пар (VSEPR)
lone pair/ləʊn peə/	несвязывающая пара ( lone pair )
bonding pair/ˈbɒndɪŋ peə/	связывающая пара
bond angle/bɒnd ˈæŋɡl/	валентный угол
linear/ˈlɪnɪə/	линейной
trigonal planar/ˈtrɪɡənl ˈpleɪnə/	тригональная плоская
tetrahedral/ˌtetrəˈhiːdrəl/	тетраэдрическая
pyramidal/pɪˈræmɪdl/	пирамидальная
bent/bent/	угловая (V-образная)
trigonal bipyramidal/ˈtrɪɡənl baɪˈpɪrəmɪdl/	тригональная бипирамидальная
octahedral/ˌɒktəˈhiːdrəl/	октаэдрической
intermolecular forces/ˌɪntəməˈlekjʊlə ˈfɔːsɪz/	межмолекулярные силы
molecule/ˈmɒlɪkjuːl/	молекулы
polarity/pəʊˈlærɪti/	полярность
dipole/ˈdaɪpəʊl/	диполь
dipole moment/ˈdaɪpəʊl ˈməʊmənt/	дипольный момент
van der Waals' forces/ˈvændɜː wɑːlz ˈfɔːsɪz/	силы Ван-дер-Ваальса
London dispersion forces/ˈlʌndn dɪˈspɜːʃn ˈfɔːsɪz/	силы Лондона (дисперсионные силы)
instantaneous dipole/ˌɪnstənˈteɪnɪəs ˈdaɪpəʊl/	мгновенный диполь
induced dipole/ɪnˈdjuːst ˈdaɪpəʊl/	индуцированный диполь
permanent dipole/ˈpɜːmənənt ˈdaɪpəʊl/	постоянный диполь

3.5

Shapes of molecules · ⁨Формы молекул⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

state and explain the shapes of, and bond angles in, molecules by using VSEPR theory, including as simple examples: • $\text{BF}_3$ (trigonal planar, 120°) • $\text{CO}_2$ (linear, 180°) • $\text{CH}_4$ (tetrahedral, 109.5°) • $\text{NH}_3$ (pyramidal, 107°) • $\text{H}_2\text{O}$ (non-linear, 104.5°) • $\text{SF}_6$ (octahedral, 90°) • $\text{PF}_5$ (trigonal bipyramidal, 120° and 90°)
predict the shapes of, and bond angles in, molecules and ions analogous to those specified in 3.5.1

Русский

укажите и объясните формы, а также углы связей в молекулах, используя теорию VSEPR, приводя в качестве простых примеров: • $\text{BF}_3$ (тригонально-планарная, 120°) • $\text{CO}_2$ (линейная, 180°) • $\text{CH}_4$ (тетраэдрическая, 109,5°) • $\text{NH}_3$ (пирамидальная, 107°) • $\text{H}_2\text{O}$ (нелинейная, 104,5°) • $\text{SF}_6$ (октаэдрическая, 90°) • $\text{PF}_5$ (тригонально-бипирамидальная, 120° и 90°)
предсказывайте формы и углы связей в молекулах и ионах, аналогичных указанным в 3.5.1

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

To work out a shape, use VSEPR theory 价层电子对互斥理论: the pairs of electrons around the central atom push apart as far as possible, because like charges repel.

A lone pair 孤对电子 (not in a bond) pushes more strongly than a bonding pair 成键电子对. Each lone pair squeezes the bond angle 键角 by about $2.5°$.

Molecule	Shape	Bond angle
$\text{CO}_2$	linear 直线形	$180°$
$\text{BF}_3$	trigonal planar 平面三角形	$120°$
$\text{CH}_4$	tetrahedral 四面体形	$109.5°$
$\text{NH}_3$	pyramidal 三角锥形	$107°$
$\text{H}_2\text{O}$	bent 角形	$104.5°$
$\text{PF}_5$	trigonal bipyramidal 三角双锥形	$120°$ and $90°$
$\text{SF}_6$	octahedral 八面体形	$90°$

$\text{NH}_3$ has one lone pair and $\text{H}_2\text{O}$ has two, which is why their angles drop below the $109.5°$ of $\text{CH}_4$. You can predict the shapes of similar molecules and ions in the same way.

Worked example. Predict the shape and bond angle of $\text{NH}_3$ and of $\text{H}_2\text{O}$. Nitrogen has 5 outer electrons and forms 3 bonds, leaving 3 bonding pairs and 1 lone pair - four pairs in total, so they start from the tetrahedral $109.5°$. The lone pair repels more strongly and squeezes the angle by about $2.5°$, giving a pyramidal shape at about $107°$. Oxygen forms 2 bonds and keeps 2 lone pairs: still four pairs, but now two squeezes, so the shape is bent at about $104.5°$. Count all the pairs to fix the basic geometry, subtract $2.5°$ for each lone pair, and name the shape from the atoms - $\text{NH}_3$ has four pairs but is pyramidal, not tetrahedral.

Русский

Модель молекулы «шар-палочка» — Молекулярная модель показывает трехмерную форму ковалентной молекулы.

Чтобы определить форму, используйте теорию VSEPR: пары электронов вокруг центрального атома отталкиваются друг от друга максимально далеко, так как одноименные заряды отталкиваются.

Неподелённая пара (не участвующая в связи) отталкивает сильнее, чем связывающая пара. Каждая неподелённая пара уменьшает связывающий угол примерно на $2.5°$.

Молекула	Форма	Связывающий угол
$\text{CO}_2$	линейная	$180°$
$\text{BF}_3$	тригональная планарная	$120°$
$\text{CH}_4$	тетраэдрическая	$109.5°$
$\text{NH}_3$	пирамидальная	$107°$
$\text{H}_2\text{O}$	угловая	$104.5°$
$\text{PF}_5$	тригональная бипирамида	$120°$ и $90°$
$\text{SF}_6$	октаэдрическая	$90°$

У $\text{NH}_3$ есть одна неподелённая пара, а у $\text{H}_2\text{O}$ — две, поэтому их углы падают ниже стандартного значения $109.5°$ для $\text{CH}_4$. Вы можете предсказать формы подобных молекул и ионов аналогичным образом.

Семь форм молекул, нарисованных с центральным атомом и связанными атомами: линейная, тригональная плоская, тетраэдрическая, пирамидальная, изогнутая, тригональная бипирамида и октаэдрическая, каждая со своим углом связи — Семь форм по теории VSEPR; неподеленные пары в NH$_3$ и H$_2$O отталкиваются сильнее, сжимая угол связи ниже $109.5°$

Разобранное решение. Предскажите форму и связывающий угол для $\text{NH}_3$ и $\text{H}_2\text{O}$. У азота 5 внешних электронов, он образует 3 связи, оставляя 3 связывающие пары и 1 неподелённую пару — всего четыре пары, поэтому они начинают с тетраэдрического $109.5°$. Неподелённая пара отталкивает сильнее и сжимает угол примерно на $2.5°$, давая пирамидальную форму под углом около $107°$. Кислород образует 2 связи и сохраняет 2 неподелённые пары: всё ещё четыре пары, но теперь два сжатия, поэтому форма угловая под углом около $104.5°$. Подсчитайте все пары, чтобы закрепить базовую геометрию, вычтите $2.5°$ за каждую неподелённую пару и назовите форму по атомам — у $\text{NH}_3$ четыре пары, но форма пирамидальная, а не тетраэдрическая.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Shape from bonding and lone pairs · ⁨Форма из связывающих и неподелённых пар⁩

Count the bonding pairs and lone pairs around the central atom; they repel into the shape with least strain. Three bonds and one lone pair give a pyramid, like ammonia (NH3). · ⁨Подсчитайте связывающие и неделовые пары вокруг центрального атома; они располагаются так, чтобы минимизировать отталкивание. Три связи и одна неделевая пара образуют пирамидальную структуру, как в аммиаке (NH3).⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Predicting molecular shape · ⁨Предсказание формы молекулы⁩

Set the bonding and lone pairs. Electron pairs repel and spread out as far apart as possible — that fixes the shape and bond angle. · ⁨Установите число связей и неподелённых пар. Электронные пары отталкиваются и расходятся максимально далеко друг от друга — это фиксирует форму и угол связи.⁩

3.6

Intermolecular forces · ⁨Межмолекулярные силы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

(a) describe hydrogen bonding, limited to molecules containing N–H and O–H groups, including ammonia and water as simple examples (b) use the concept of hydrogen bonding to explain the anomalous properties of $\text{H}_2\text{O}$ (ice and water): • its relatively high melting and boiling points • its relatively high surface tension • the density of the solid ice compared with the liquid water
use the concept of electronegativity to explain bond polarity and dipole moments of molecules
(a) describe van der Waals’ forces as the intermolecular forces between molecular entities other than those due to bond formation, and use the term van der Waals’ forces as a generic term to describe all intermolecular forces (b) describe the types of van der Waals’ forces: • instantaneous dipole–induced dipole (id-id) forces, also called London dispersion forces • permanent dipole–permanent dipole (pd-pd) forces, including hydrogen bonding (c) describe hydrogen bonding and understand that hydrogen bonding is a special case of permanent dipole–permanent dipole forces between molecules where hydrogen is bonded to a highly electronegative atom
state that, in general, ionic, covalent and metallic bonding are stronger than intermolecular forces

Русский

(a) опишите водородную связь, ограничиваясь молекулами, содержащими группы N–H и O–H, включая аммиак и воду в качестве простых примеров (b) используйте концепцию водородной связи для объяснения аномальных свойств $\text{H}_2\text{O}$ (льда и воды): • относительно высокие температуры плавления и кипения • относительно высокое поверхностное натяжение • плотность твердого льда по сравнению с жидкой водой
используйте концепцию электроотрицательности для объяснения полярности связи и дипольных моментов молекул
(a) опишите силы Ван-дер-Ваальса как межмолекулярные взаимодействия между молекулярными частицами, отличные от тех, что обусловлены образованием химической связи, и используйте термин «силы Ван-дер-Ваальса» как общий термин для обозначения всех межмолекулярных взаимодействий (b) опишите типы сил Ван-дер-Ваальса: • силы мгновенного диполя – индуцированного диполя (id-id), также называемые силами Лондона (дисперсионными силами) • силы постоянного диполя – постоянного диполя (pd-pd), включая водородную связь (c) опишите водородную связь и поймите, что водородная связь является частным случаем взаимодействия постоянного диполя – постоянного диполя между молекулами, где водород связан с высокоэлектроотрицательным атомом
укажите, что в целом ионная, ковалентная и металлическая связи сильнее межмолекулярных взаимодействий

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Intermolecular forces 分子间作用力 are the forces between molecules 分子. They are much weaker than the ionic, covalent and metallic bonding inside substances.

Bond polarity and dipoles

When two atoms with different electronegativity share a bond, the electrons sit closer to the more electronegative atom. The bond then has a polarity 极性: one end is slightly negative ($\delta-$) and the other slightly positive ($\delta+$). This separation of charge is a dipole 偶极.

If the dipoles in a molecule do not cancel, the whole molecule has a dipole moment 偶极矩 and is polar. If they cancel by symmetry (as in $\text{CO}_2$), the molecule is non-polar.

Van der Waals' forces

Van der Waals' forces 范德华力 is the general name for all intermolecular forces. There are two main types.

The first type is the instantaneous dipole–induced dipole force, also called the London dispersion force 伦敦色散力. Moving electrons make a brief instantaneous dipole 瞬时偶极, which then creates a matching induced dipole 诱导偶极 in a nearby molecule. These forces act between all molecules and get stronger when there are more electrons.

The second type is the permanent dipole–permanent dipole force. It acts between molecules that are always polar, because each one has a permanent dipole 永久偶极.

Hydrogen bonding

Hydrogen bonding 氢键 is a strong, special case of permanent dipole forces. It forms when hydrogen is bonded to a very electronegative atom — nitrogen, oxygen or fluorine — and is attracted to a lone pair on an N, O or F atom in a neighbour. Look for N–H and O–H groups, as in ammonia and water.

Hydrogen bonding explains the strange behaviour of water:

its high melting and boiling point 沸点, because many hydrogen bonds must be broken.
its high surface tension 表面张力.
ice is less dense than liquid water, because hydrogen bonds hold the molecules in an open, spread-out structure, so ice floats.

Русский

Межмолекулярные силы — это силы, действующие между молекулами. Они значительно слабее ионной, ковалентной и металлической связей, существующих внутри веществ.

Полярность связи и диполи

Когда два атома с разной электроотрицательностью образуют связь, электроны смещаются ближе к более электроотрицательному атому. В результате возникает полярность связи: один конец имеет легкий отрицательный заряд ($\delta-$), а другой — легкий положительный ($\delta+$). Такое разделение зарядов называется диполем.

Если диполи в молекуле не компенсируют друг друга, вся молекула обладает дипольным моментом и является полярной. Если же они компенсируются за счет симметрии (как в $\text{CO}_2$), молекула неполярна.

Силы Ван-дер-Ваальса

Силы Ван-дер-Ваальса — общее название для всех межмолекулярных сил. Выделяют два основных типа.

Первый тип — сила мгновенного диполя и индуцированного диполя, также известная как сила Лондона. Движение электронов создает кратковременный мгновенный диполь, который затем индуцирует соответствующий индуцированный диполь в соседней молекуле. Эти силы действуют между всеми молекулами и усиливаются при увеличении числа электронов.

Две молекулы рядом: кратковременный мгновенный диполь в одной молекуле индуцирует соответствующий диполь в соседней, из-за чего две молекулы притягиваются — Сила Лондона: временный диполь в одной молекуле индуцирует диполь в соседней, поэтому они притягиваются — это действует между всеми молекулами

Второй тип — сила постоянного диполя и постоянного диполя. Она действует между молекулами, которые всегда полярны, поскольку каждая из них имеет постоянный диполь.

Водородная связь

Водородная связь — это сильный, особый случай сил постоянного диполя. Она образуется, когда водород связан с очень электроотрицательным атомом — азотом, кислородом или фтором — и притягивается к неподеленной электронной паре на атоме N, O или F в соседней молекуле. Ищите группы N–H и O–H, например, в аммиаке и воде.

Три молекулы воды, связанные пунктирными водородными связями, каждая из которых идет от слегка положительного водорода к слегка отрицательному кислороду соседней молекулы — Водородная связь в воде: $\delta+$ водород притягивается к неподеленной электронной паре на $\delta-$ кислороде соседней молекулы

Водородная связь объясняет странное поведение воды:

ее высокую температуру плавления и температуру кипения, так как необходимо разорвать множество водородных связей.
ее высокое поверхностное натяжение.
лед менее плотен, чем жидкая вода, потому что водородные связи удерживают молекулы в открытой, расширенной структуре, благодаря чему лед плавает.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Polarity and intermolecular forces lab · ⁨Лабораторная работа: Полярность и межмолекулярные взаимодействия⁩

Classify molecules by the feature that controls attractions. · ⁨Классифицируйте молекулы по признаку, определяющему притяжение между ними.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Why hydrogen bonds make water special · ⁨Почему водородные связи делают воду особенной⁩

Step through it. One weak-but-strong force — the hydrogen bond — explains water's high boiling point, why ice floats, and why it dissolves so much. · ⁨Разберём по шагам. Одно слабое, но важное взаимодействие — водородная связь — объясняет высокую температуру кипения воды, то, почему лёд плавает, и почему она так хорошо растворяет вещества.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
hydrogen bonding/ˈhaɪdrədʒn ˈbɒndɪŋ/	водородная связь
boiling point/ˈbɔɪlɪŋ pɔɪnt/	температура кипения
surface tension/ˈsɜːfɪs ˈtenʃn/	поверхностное натяжение
dot-and-cross diagram/dɒt ænd krɒs ˈdaɪəɡræm/	электронная диаграмма (точка-крестик)

3.7

Dot-and-cross diagrams · ⁨Диаграммы «точка и крестик»⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

use dot-and-cross diagrams to illustrate ionic, covalent and coordinate bonding including the representation of any compounds stated in 3.4 and 3.5 (dot-and-cross diagrams may include species with atoms which have an expanded octet or species with an odd number of electrons)

Русский

используйте диаграммы точка-крестик для иллюстрации ионной, ковалентной и донорно-акцепторной связей, включая представление любых соединений, указанных в 3.4 и 3.5 (диаграммы точка-крестик могут включать виды с атомами, имеющими расширенный октет, или виды с нечетным числом электронов)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

A dot-and-cross diagram 点叉图 shows the outer electrons of each atom, using dots for one atom and crosses for the other. This makes it clear where each bonding electron came from. You can draw them for ionic, covalent and coordinate bonding, including molecules with an expanded octet or an odd number of electrons.

Русский

Диаграмма «точка и крестик» показывает валентные электроны каждого атома, используя точки для одного атома и крестики для другого. Это позволяет четко увидеть, откуда взят каждый связывающий электрон. Их можно рисовать для ионной, ковалентной и донорно-акцепторной связей, включая молекулы с расширенным октетом или нечетным числом электронов.

Диаграммы «точка и крестик» для воды и азота: вода показывает две связывающие пары и две неподеленные пары на кислороде, азот показывает три общие пары и одну неподеленную пару на каждом атоме — Ковалентная диаграмма «точка и крестик»: каждая общая пара состоит из одного электрона от каждого атома. Вода имеет две связывающие пары и две неподеленные пары; азот образует три общие пары (тройную связь)

3.7

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

For shapes, count bonding pairs and lone pairs, name the shape, then give the exact bond angle (e.g. $\text{NH}_3$: pyramidal, $107^\circ$) — each lone pair lowers the angle by about $2.5^\circ$.
A dative (coordinate) bond has both electrons from one atom (e.g. $\text{NH}_4^+$, $\text{H}_3\text{O}^+$); draw the arrow from the lone pair.
Name the intermolecular force precisely: hydrogen bonding needs H bonded to N, O or F; otherwise it is permanent-dipole or induced-dipole (van der Waals). Never call van der Waals forces "bonds".
Explain a physical property by stating which forces are broken, not just "strong bonds".

Русский

Для форм подсчитайте связывающие пары и неподеленные пары, назовите форму, затем укажите точный угол связи (например, $\text{NH}_3$: пирамидальная, $107^\circ$) — каждая неподеленная пара уменьшает угол примерно на $2.5^\circ$.
Донорная (координатная) связь содержит оба электрона от одного атома (например, $\text{NH}_4^+$, $\text{H}_3\text{O}^+$); стрелку нужно рисовать от неподеленной пары.
Точно назовите межмолекулярную силу: водородная связь требует наличия H, связанного с N, O или F; иначе это силы постоянного диполя или индуцированного диполя (ван-дер-ваальсовы). Никогда не называйте силы ван-дер-Ваальса «связями».
Объясните физическое свойство, указав какие силы разрываются, а не просто «прочные связи».

States of matter · ⁨Агрегатные состояния вещества⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

4.1

The gaseous state · ⁨Газообразное состояние⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

explain the origin of pressure in a gas in terms of collisions between gas molecules and the wall of the container
understand that ideal gases have zero particle volume and no intermolecular forces of attraction
state and use the ideal gas equation $pV = nRT$ in calculations, including in the determination of $M_r$

Русский

объяснять происхождение давления газа с точки зрения столкновений между молекулами газа и стенками сосуда
понимать, что идеальные газы имеют нулевой объем частиц и не имеют межмолекулярных сил притяжения
формулировать и использовать уравнение состояния идеального газа $pV = nRT$ в расчетах, включая определение $M_r$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Where gas pressure comes from

Gas molecules move fast in all directions. They keep hitting — colliding 碰撞 with — the walls of their container. Each hit gives the wall a tiny push. The pressure 压强 of the gas is the overall result of these many collisions on the walls.

Ideal gases

An ideal gas 理想气体 is a simple model. We assume two things:

the particles themselves take up zero volume.
there are no intermolecular forces 分子间作用力 of attraction between the particles.

A real gas 实际气体 follows this model closely at low pressure and high temperature. It behaves least like an ideal gas at high pressure and low temperature, when the particles are squeezed close together and the forces between them start to matter.

The ideal gas equation

The ideal gas equation 理想气体方程 links pressure, volume, amount and temperature:

$$pV = nRT$$

where $p$ is the pressure in Pa, $V$ is the volume in $\text{m}^3$, $n$ is the amount in moles, $T$ is the temperature in kelvin 开尔文 (K), and $R$ is the gas constant 气体常量 ($8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$).

Always change the units first: °C to K (add 273), and $\text{cm}^3$ or $\text{dm}^3$ to $\text{m}^3$.

Worked example. Find the volume of $0.50\ \text{mol}$ of an ideal gas at $27\ ^{\circ}\text{C}$ and $100\ \text{kPa}$. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

Convert first: $T = 300\ \text{K}$, $p = 1.00 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Then

$$V = \frac{nRT}{p} = \frac{0.50 \times 8.31 \times 300}{1.00 \times 10^{5}} = 0.0125\ \text{m}^3\ (= 12.5\ \text{dm}^3).$$

You can also use the equation to find a molar mass 摩尔质量. Since $n = m/M$:

$$pV = \frac{m}{M}RT \qquad\Rightarrow\qquad M = \frac{mRT}{pV}$$

This lets you work out $M_r$ from the mass (or the density) of a gas.

Worked example. A flask holds $0.96\ \text{g}$ of a gas in $600\ \text{cm}^3$ at $100\ \text{kPa}$ and $27\ ^{\circ}\text{C}$. Find the molar mass of the gas. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

Convert: $V = 6.00 \times 10^{-4}\ \text{m}^3$, $T = 300\ \text{K}$. Then

$$M = \frac{mRT}{pV} = \frac{0.96 \times 8.31 \times 300}{(1.00 \times 10^{5})(6.00 \times 10^{-4})} \approx 40\ \text{g mol}^{-1}.$$

Русский

Поднимающийся пар над кипящей водой — Кипение превращает жидкую воду в пар — это переход между агрегатными состояниями.

Откуда берется давление газа

Молекулы газа быстро движутся во всех направлениях. Они постоянно ударяются о стенки сосуда — сталкиваются с ними. Каждый удар придает стенке крошечный толчок. Давление газа — это совокупный результат этих многочисленных столкновений со стенками.

Быстро движущиеся частицы внутри коробки, каждая со стрелкой скорости, некоторые ударяются о стенки и отмечены звездочкой удара — Давление газа: быстрые молекулы движутся во всех направлениях и сталкиваются со стенками; множество крошечных толчков складываются в давление

Идеальные газы

Идеальный газ — это простая модель. Мы предполагаем следующее:

сами частицы занимают нулевой объем.
между частицами нет межмолекулярных сил притяжения.

Реальный газ следует этой модели близко при низком давлении и высокой температуре. Он ведет себя наименее как идеальный газ при высоком давлении и низкой температуре, когда частицы сближаются и силы между ними начинают играть роль.

Две коробки: слева идеальный газ из крошечных точечных частиц со стрелками скорости и без сил; справа реальный газ при высоком давлении и низкой температуре с крупными тесно стоящими частицами, соединенными пунктирными линиями притяжения — Идеальный газ — это модель: точечные частицы без сил между ними. Реальный газ ведет себя наименее подобно этому при высоком давлении и низкой температуре, когда частицы расположены тесно, и их реальный размер и притяжения начинают иметь значение

Уравнение идеального газа

Уравнение идеального газа связывает давление, объем, количество вещества и температуру:

$$pV = nRT$$

где $p$ — давление в Па, $V$ — объём в $\text{m}^3$, $n$ — количество вещества в молях, $T$ — температура в кельвинах (К), а $R$ — газовая постоянная ($8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$).

Всегда сначала переводите единицы: °C в К (прибавьте 273), а $\text{cm}^3$ или $\text{dm}^3$ в $\text{m}^3$.

Разбор примера. Найдите объём $0.50\ \text{mol}$ идеального газа при $27\ ^{\circ}\text{C}$ и $100\ \text{kPa}$. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

Сначала переведите: $T = 300\ \text{K}$, $p = 1.00 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Затем

$$V = \frac{nRT}{p} = \frac{0.50 \times 8.31 \times 300}{1.00 \times 10^{5}} = 0.0125\ \text{m}^3\ (= 12.5\ \text{dm}^3).$$

Вы также можете использовать уравнение для нахождения молярной массы. Поскольку $n = m/M$:

$$pV = \frac{m}{M}RT \qquad\Rightarrow\qquad M = \frac{mRT}{pV}$$

Это позволяет вычислить $M_r$ по массе (или плотности) газа.

Разбор примера. Колба содержит $0.96\ \text{g}$ газа в $600\ \text{cm}^3$ при $100\ \text{kPa}$ и $27\ ^{\circ}\text{C}$. Найдите молярную массу газа. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

Переведите: $V = 6.00 \times 10^{-4}\ \text{m}^3$, $T = 300\ \text{K}$. Затем

$$M = \frac{mRT}{pV} = \frac{0.96 \times 8.31 \times 300}{(1.00 \times 10^{5})(6.00 \times 10^{-4})} \approx 40\ \text{g mol}^{-1}.$$

Explore · ⁨Исследовать⁩

The gaseous state · ⁨газообразное состояние⁩

p = k / V

Boyle's law: at constant temperature pressure ∝ 1/volume. · ⁨Закон Бойля: при постоянной температуре давление ∝ 1/объём.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
collide/kəˈlaɪd/	столкновение
pressure/ˈpreʃə/	давление
ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/	идеальный газ
intermolecular forces/ˌɪntəməˈlekjʊlə ˈfɔːsɪz/	межмолекулярные силы
real gas/rɪəl ɡæs/	реальный газ
ideal gas equation/aɪˈdɪəl ɡæs ɪˈkweɪʒn/	уравнение идеального газа
kelvin/ˈkelvɪn/	кельвины
gas constant/ɡæs ˈkɒnstənt/	газовая постоянная
molar mass/ˈməʊlə mæs/	молярной массе
crystalline solid/ˈkrɪstəlaɪn ˈsɒlɪd/	кристаллическое твердое тело
giant ionic/ˈdʒaɪənt aɪˈɒnɪk/	ионная кристаллическая
lattice/ˈlætɪs/	решетка
ion/ˈaɪɒn/	ион
simple molecular/ˈsɪmpl məˈlekjʊlə/	простая молекулярная
molecule/ˈmɒlɪkjuːl/	молекулы
fullerene/ˈfʊləren/	фуллерен
giant molecular/ˈdʒaɪənt məˈlekjʊlə/	гигантская молекулярная структура
covalent bonds/ˈkəʊvələnt bɒndz/	ковалентные связи
silicon(IV) oxide/ˈsɪlɪkən ˈɒksaɪd/	оксид кремния(IV)

4.2

Bonding and structure · ⁨Химическая связь и строение⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe, in simple terms, the lattice structure of a crystalline solid which is: (a) giant ionic, including sodium chloride and magnesium oxide (b) simple molecular, including iodine, buckminsterfullerene $\text{C}_{60}$ and ice (c) giant molecular, including silicon(IV) oxide, graphite and diamond (d) giant metallic, including copper
describe, interpret and predict the effect of different types of structure and bonding on the physical properties of substances, including melting point, boiling point, electrical conductivity and solubility
deduce the type of structure and bonding present in a substance from given information

Русский

описывать простыми словами кристаллическую решетку кристаллического твердого тела, которая является: (a) гигантской ионной, включая хлорид натрия и оксид магния (b) простой молекулярной, включая йод, бакминстерфуллерен $\text{C}_{60}$ и лед (c) гигантской молекулярной, включая диоксид кремния(IV), графит и алмаз (d) гигантской металлической, включая медь
описывать, интерпретировать и предсказывать влияние различных типов структур и связей на физические свойства веществ, включая температуру плавления, температуру кипения, электропроводность и растворимость
определять тип структуры и связей в веществе на основе заданной информации

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

How a substance behaves depends on how its particles are joined. There are four main structures of a crystalline solid 晶体.

Giant ionic

A giant ionic 离子晶体 structure is a huge regular lattice 晶格 of positive and negative ions 离子, held together by strong attraction in every direction. Examples are sodium chloride and magnesium oxide.

Simple molecular

A simple molecular 分子晶体 structure is made of small molecules 分子. The bonds inside each molecule are strong, but the intermolecular forces between the molecules are weak. Examples are iodine ($\text{I}_2$), fullerene 富勒烯 ($\text{C}_{60}$) and ice.

Giant molecular

A giant molecular 原子晶体 structure (also called giant covalent) is a huge network of atoms joined by strong covalent bonds 共价键. Examples are silicon(IV) oxide 二氧化硅, graphite 石墨 and diamond 金刚石.

Giant metallic

A giant metallic 金属晶体 structure is a lattice of positive metal ions in a "sea" of delocalised electrons 离域电子. An example is copper.

Physical properties

The structure decides the physical properties:

Structure	Melting/boiling point	Conducts electricity?	Solubility in water
giant ionic	high	only when molten or dissolved	usually soluble
simple molecular	low	no	usually low
giant molecular	very high	no (except graphite)	insoluble
giant metallic	high	yes (solid and molten)	insoluble

melting point 熔点 and boiling point 沸点 are high when strong forces (ionic, covalent or metallic) must be broken, and low when only weak intermolecular forces break.
electrical conductivity 导电性 needs charged particles that can move — ions that are free (when molten or dissolved) or delocalised electrons. Graphite conducts because some of its electrons are delocalised.
solubility 溶解度 in water is usually high for ionic solids and low for molecular and giant covalent solids.

You can work backwards too: from the melting point, conductivity and solubility of an unknown substance, deduce the type of structure and bonding it has.

Русский

Группа кристаллов кварца — Кварц представляет собой гигантскую ковалентную структуру из кремния и кислорода.

Поведение вещества зависит от того, как связаны его частицы. Существует четыре основных типа структуры кристаллического твердого тела.

Гигантская ионная

Гигантская ионная структура — это огромная правильная решетка положительных и отрицательных ионов, удерживаемых вместе сильным притяжением во всех направлениях. Примеры: хлорид натрия и оксид магния.

Простая молекулярная

Простая молекулярная структура состоит из малых молекул. Связи внутри каждой молекулы прочные, но межмолекулярные взаимодействия между молекулами слабые. Примеры: йод ($\text{I}_2$), фуллерен ($\text{C}_{60}$) и лед.

Гигантская молекулярная

Гигантская молекулярная структура (также называемая гигантской ковалентной) — это огромная сеть атомов, соединенных прочными ковалентными связями. Примеры: оксид кремния(IV), графит и алмаз.

Слева узел алмаза, где каждый атом углерода связан с четырьмя другими; справа графит в виде слоистых гексагональных слоев, удерживаемых слабыми силами — Два гигантских ковалентных формы углерода: алмаз — жесткая 3D сетка (очень твердый); графит имеет скользящие слои и свободные электроны, которые проводят ток

Неровный октаэдрический кристалл алмаза — Настоящий алмаз в породе, в которой он образовался. Весь этот кристалл — одна гигантская молекула, единая неразрывная сеть атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя другими. Разрушить его означает разорвать бесчисленное множество прочных ковалентных связей, поэтому алмаз является самым твердым природным материалом

Гигантская металлическая

Гигантская металлическая структура — это решетка положительных металлических ионов в «море» делокализованных электронов. Пример: медь.

Округлый самородок меди с ярким красноватым металлическим блеском и небольшими зелеными пятнами окисления — Кусок чистого металла меди. Блеск, а также то, что металлы проводят ток и деформируются, обусловлены этой гигантской решеткой ионов меди, погруженной в общее море делокализованных электронов

Физические свойства

Структура определяет физические свойства:

Структура	Температура плавления/кипения	Проводит ли электричество?	Растворимость в воде
гигантская ионная	высокая	только в расплаве или растворе	обычно растворима
простая молекулярная	низкая	нет	обычно низкая
гигантская молекулярная	очень высокая	нет (кроме графита)	нерастворима
гигантская металлическая	высокая	да (твердом и жидком состоянии)	нерастворима

температура плавления и температура кипения высоки, когда необходимо преодолеть сильные силы (ионные, ковалентные или металлические), и низки, когда разрушаются лишь слабые межмолекулярные взаимодействия.
электропроводность требует наличия заряженных частиц, способных к движению — ионов, которые являются свободными (в расплаве или растворе), или делокализованных электронов. Графит проводит ток, потому что часть его электронов делокализована.
растворимость в воде обычно высока для ионных твердых тел и низка для молекулярных и гигантских ковалентных твердых тел.

Можно рассуждать и в обратном направлении: зная температуру плавления, электропроводность и растворимость неизвестного вещества, определить тип его структуры и химической связи.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Giant structure lab · ⁨Лабораторная работа по гигантским структурам⁩

Compare giant structures by particles and bonding. · ⁨Сравнивайте гигантские структуры по частицам и типу связей.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
graphite/ˈɡræfaɪt/	графит
diamond/ˈdaɪəmənd/	алмаз
giant metallic/ˈdʒaɪənt məˈtælɪk/	металлическая кристаллическая
delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/	делокализованные электроны
melting point/ˈmeltɪŋ pɔɪnt/	температура плавления
boiling point/ˈbɔɪlɪŋ pɔɪnt/	температура кипения
electrical conductivity/ɪˈlektrɪkl kɒndəkˈtɪvɪti/	электропроводность
solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/	растворимость

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

4.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Use SI units in $pV = nRT$: pressure in Pa, volume in $\text{m}^3$ ($\text{cm}^3 \times 10^{-6}$), temperature in K ($^\circ\text{C} + 273$).
State the ideal-gas assumptions (negligible molecular volume, no intermolecular forces) and when real gases deviate (high pressure, low temperature).
Link each property to structure: giant ionic (high m.p., conducts molten), giant covalent (very high m.p.), simple molecular (low m.p.), giant metallic (conducts, malleable).
Graphite conducts because each carbon has a delocalised electron; diamond does not — a favourite comparison.

Русский

Используйте систему СИ в $pV = nRT$: давление в Па, объем в $\text{m}^3$ ($\text{cm}^3 \times 10^{-6}$), температура в К ($^\circ\text{C} + 273$).
Укажите допущения об идеальном газе (пренебрежимо малый объем молекул, отсутствие межмолекулярных взаимодействий) и условия, при которых реальные газы отклоняются от идеальных (высокое давление, низкая температура).
Свяжите каждое свойство со структурой: гигантская ионная (высокая t°пл., проводит в расплаве), гигантская ковалентная (очень высокая t°пл.), простая молекулярная (низкая t°пл.), гигантская металлическая (проводит, пластична).
Графит проводит ток, потому что у каждого атома углерода есть делокализованный электрон; алмаз не проводит — это любимое сравнение.

Chemical energetics · ⁨Химическая энергетика⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

5.1

Enthalpy change, ΔH · ⁨Изменение энтальпии, ΔH⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

understand that chemical reactions are accompanied by enthalpy changes and these changes can be exothermic ($\Delta H$ is negative) or endothermic ($\Delta H$ is positive)
construct and interpret a reaction pathway diagram, in terms of the enthalpy change of the reaction and of the activation energy
define and use the terms: (a) standard conditions (this syllabus assumes that these are $298\text{ K}$ and $101\text{ kPa}$) shown by $^{\ominus}$. (b) enthalpy change with particular reference to: reaction, $\Delta H_r$, formation, $\Delta H_f$, combustion, $\Delta H_c$, neutralisation, $\Delta H_{\text{neut}}$
understand that energy transfers occur during chemical reactions because of the breaking and making of chemical bonds
use bond energies ($\Delta H$ positive, i.e. bond breaking) to calculate enthalpy change of reaction, $\Delta H_r$
understand that some bond energies are exact and some bond energies are averages
calculate enthalpy changes from appropriate experimental results, including the use of the relationships $q = mc\Delta T$ and $\Delta H = -mc\Delta T/n$

Русский

понимать, что химические реакции сопровождаются энтальпийными изменениями, которые могут быть экзотермическими ($\Delta H$ отрицательный) или эндотермическими ($\Delta H$ положительный)
строить и интерпретировать диаграмму пути реакции с точки зрения энтальпийного изменения реакции и энергии активации
определять и использовать термины: (a) стандартные условия (данная программа предполагает, что это $298\text{ K}$ и $101\text{ kPa}$), обозначаемые $^{\ominus}$. (b) энтальпийное изменение в отношении конкретных процессов: реакции, $\Delta H_r$, образования, $\Delta H_f$, горения, $\Delta H_c$, нейтрализации, $\Delta H_{\text{neut}}$
понимать, что перенос энергии происходит во время химических реакций из-за разрыва и образования химических связей
использовать энергии связей ($\Delta H$ положительные, т.е. разрыв связи) для расчета энтальпийного изменения реакции, $\Delta H_r$
понимать, что некоторые энергии связей являются точными, а другие — усредненными
вычислять энтальпийные изменения на основе соответствующих экспериментальных данных, включая использование соотношений $q = mc\Delta T$ и $\Delta H = -mc\Delta T/n$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Reaction profile: activation energy and ΔH

Every chemical reaction takes in or gives out energy. This energy change, measured at constant pressure, is the enthalpy change 焓变, with symbol $\Delta H$.

in an exothermic 放热 reaction the system gives out heat, so the products have less energy than the reactants and $\Delta H$ is negative.
in an endothermic 吸热 reaction the system takes in heat, so the products have more energy than the reactants and $\Delta H$ is positive.

Reaction pathway diagrams

A reaction pathway diagram 反应路径图 shows the energy of the reactants and products, and the energy "hill" between them. The height of the hill is the activation energy 活化能 — the least energy the particles need before they can react.

exothermic: products sit lower than reactants ($\Delta H < 0$).
endothermic: products sit higher than reactants ($\Delta H > 0$).

Standard conditions and types of enthalpy change

Energy values are compared under standard conditions 标准条件: $298\ \text{K}$ and $101\ \text{kPa}$, shown by the symbol $^{\ominus}$. Each substance is in its normal physical state at those conditions.

Symbol	Name	Definition (per mole, under standard conditions)
$\Delta H_r^{\ominus}$	enthalpy change of reaction 反应焓变	for the amounts shown in the equation
$\Delta H_f^{\ominus}$	enthalpy change of formation 生成焓变	one mole of a compound forms from its elements
$\Delta H_c^{\ominus}$	enthalpy change of combustion 燃烧焓变	one mole of a substance burns completely in oxygen
$\Delta H_{\text{neut}}^{\ominus}$	enthalpy change of neutralisation 中和焓变	one mole of water forms from an acid and an alkali

Energy from breaking and making bonds

During a reaction, old bonds break and new bonds form. Breaking a bond needs energy (endothermic); making a bond releases energy (exothermic). The enthalpy change of the reaction is the difference between the two:

$$\Delta H_r = \sum (\text{bond energies broken}) - \sum (\text{bond energies made})$$

The bond energy 键能 is the energy needed to break one mole of a particular bond in the gas state, so it is always positive. Some bond energies are exact (for one specific molecule); others are averages taken over many different molecules, so calculations using them are only approximate.

Worked example. Use bond energies to find $\Delta H$ for $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$. Bond energies (kJ mol⁻¹): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

$$\Delta H = \sum(\text{broken}) - \sum(\text{made}) = (436 + 242) - (2 \times 431) = 678 - 862 = -184\ \text{kJ mol}^{-1}.$$

Measuring enthalpy change in the lab

When a reaction heats up (or cools down) a known mass of water or solution, the heat transferred is:

$$q = mc\Delta T$$

where $m$ is the mass, $c$ is the specific heat capacity 比热容 (how much energy raises 1 g by 1 K), and $\Delta T$ is the temperature change. The enthalpy change per mole is then:

$$\Delta H = -\frac{mc\Delta T}{n}$$

The minus sign makes $\Delta H$ negative when the temperature rises (an exothermic reaction).

Worked example. Burning $0.50\ \text{g}$ of methanol ($M_r = 32$) raises the temperature of $100\ \text{g}$ of water by $18\ ^{\circ}\text{C}$. Find the enthalpy change of combustion per mole. ($c = 4.18\ \text{J g}^{-1}\,\text{K}^{-1}$.)

The heat released is $q = mc\Delta T = 100 \times 4.18 \times 18 = 7520\ \text{J}$. The amount burnt is $n = 0.50/32 = 0.0156\ \text{mol}$, so

$$\Delta H_c = -\frac{q}{n} = -\frac{7520}{0.0156} \approx -480\ \text{kJ mol}^{-1}.$$

Русский

Профиль реакции: энергия активации и ΔH

Синее пламя горелки Бунзена — Горение топлива является экзотермическим процессом, выделяющим энергию в окружающую среду.

Моментальный холодный пакет использует эндотермическую реакцию, поглощающую тепло.

Каждая химическая реакция либо поглощает, либо выделяет энергию. Это изменение энергии, измеряемое при постоянном давлении, называется изменением энтальпии, обозначаемым символом $\Delta H$.

В экзотермической реакции система выделяет тепло, поэтому продукты имеют меньше энергии, чем реагенты, и $\Delta H$ является отрицательным.
В эндотермической реакции система поглощает тепло, поэтому продукты имеют больше энергии, чем реагенты, и $\Delta H$ является положительным.

Диаграммы пути реакции

На диаграмме пути реакции показана энергия реагентов и продуктов, а также энергетический «барьер» между ними. Высота этого барьера — это энергия активации, минимальная энергия, необходимая частицам для начала реакции.

экзотермическая: продукты находятся ниже реагентов ($\Delta H < 0$).
эндотермическая: продукты находятся выше реагентов ($\Delta H > 0$).

Две диаграммы путей реакции рядом: экзотермическая с продуктами ниже реагентов и эндотермическая с продуктами выше — Экзотермические реакции заканчиваются ниже начального уровня ($\Delta H<0$); эндотермические реакции заканчиваются выше ($\Delta H>0$)

Стандартные условия и типы энтальпийных изменений

Значения энергии сравниваются при стандартных условиях: $298\ \text{K}$ и $101\ \text{kPa}$, обозначаемых символом $^{\ominus}$. Каждое вещество находится в своем обычном физическом состоянии при этих условиях.

Символ	Название	Определение (на моль, при стандартных условиях)
$\Delta H_r^{\ominus}$	энтальпия реакции	для количеств, указанных в уравнении
$\Delta H_f^{\ominus}$	энтальпия образования	один моль соединения образуется из элементов
$\Delta H_c^{\ominus}$	энтальпия горения	один моль вещества полностью сгорает в кислороде
$\Delta H_{\text{neut}}^{\ominus}$	энтальпия нейтрализации	один моль воды образуется из кислоты и щелочи

Два процесса: образование идет от элементов к одному молю соединения; горение идет от одного моля вещества плюс кислород к углекислому газу и воде — Не путайте их: образование создает 1 моль соединения из элементов; горение сжигает 1 моль вещества в кислороде

Энергия разрыва и образования связей

Во время реакции старые связи рвутся, а новые образуются. Разрыв связи требует энергии (эндотермически); образование связи выделяет энергию (экзотермически). Энтальпийное изменение реакции равно разнице между этими двумя величинами:

$$\Delta H_r = \sum (\text{bond energies broken}) - \sum (\text{bond energies made})$$

Энергия связи — это энергия, необходимая для разрыва одного моля определенной связи в газообразном состоянии, поэтому она всегда положительна. Некоторые значения энергий связей точны (для конкретной молекулы); другие являются усредненными, полученными на основе многих различных молекул, поэтому расчеты с их использованием дают лишь приблизительный результат.

Пример решения. Используйте энергии связей, чтобы найти $\Delta H$ для $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$. Энергии связей (кДж·моль⁻¹): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

$$\Delta H = \sum(\text{broken}) - \sum(\text{made}) = (436 + 242) - (2 \times 431) = 678 - 862 = -184\ \text{kJ mol}^{-1}.$$

Ступенчатая диаграмма энергии: реагенты поднимаются до отдельных газообразных атомов при разрыве связей, затем опускаются до продуктов при образовании связей — Разрыв связей требует подвода энергии; образование связей дает энергию наружу. $\Delta H$ — это разница между ними

Измерение энтальпийного изменения в лаборатории

Когда реакция нагревает (или охлаждает) известную массу воды или раствора, переданное тепло равно:

$$q = mc\Delta T$$

где $m$ — масса, $c$ — удельная теплоемкость (сколько энергии нагревает 1 г на 1 K), а $\Delta T$ — изменение температуры. Изменение энтальпии на моль тогда равно:

$$\Delta H = -\frac{mc\Delta T}{n}$$

Знак минус делает $\Delta H$ отрицательным, когда температура повышается (экзотермическая реакция).

Пример решения. Сжигание $0.50\ \text{g}$ метанола ($M_r = 32$) повышает температуру $100\ \text{g}$ воды на $18\ ^{\circ}\text{C}$. Найдите изменение энтальпии горения на моль. ($c = 4.18\ \text{J g}^{-1}\,\text{K}^{-1}$.)

Выделенное тепло равно $q = mc\Delta T = 100 \times 4.18 \times 18 = 7520\ \text{J}$. Количество сожженного вещества — $n = 0.50/32 = 0.0156\ \text{mol}$, поэтому

$$\Delta H_c = -\frac{q}{n} = -\frac{7520}{0.0156} \approx -480\ \text{kJ mol}^{-1}.$$

Изолированный стакан с раствором, крышкой и погруженным термометром, используемый для измерения изменения температуры — Изолированный стакан и термометр измеряют изменение температуры известной массы раствора

Explore · ⁨Исследовать⁩

Exothermic and endothermic reactions · ⁨Экзотермические и эндотермические реакции⁩

Drag ΔH. An exothermic reaction releases energy (products lower); an endothermic one takes it in (products higher). · ⁨Перетащите ΔH. Экзотермическая реакция выделяет энергию (продукты ниже); эндотермическая поглощает её (продукты выше).⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/	энтальпия реакции (изменение энтальпии)
exothermic/eɡzəˈðɜːmɪk/	экзотермическая
endothermic/ˌendəʊˈθɜːmɪk/	эндотермическая
reaction pathway diagram/rɪˈækʃn ˈpæθweɪ ˈdaɪəɡræm/	диаграмма пути химической реакции
activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/	энергия активации
standard conditions/ˈstændəd kənˈdɪʃnz/	стандартных условиях
enthalpy change of reaction/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv rɪˈækʃn/	изменение энтальпии реакции
enthalpy change of formation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv fɔːˈmeɪʃn/	изменение энтальпии образования
enthalpy change of combustion/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv kəmˈbʌstʃn/	изменение энтальпии сгорания
enthalpy change of neutralisation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/	изменение энтальпии нейтрализации
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/	энергия связи
specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/	удельная теплоемкость
Hess's law/ˈhesɪz lɔː/	Закон Гесса
energy cycle/ˈenədʒi ˈsaɪkl/	энергетический цикл

5.2

Hess's law · ⁨Закон Гесса⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

apply Hess’s law to construct simple energy cycles
carry out calculations using cycles and relevant energy terms, including: (a) determining enthalpy changes that cannot be found by direct experiment (b) use of bond energy data

Русский

применять закон Гесса для построения простых энергетических циклов
выполнять расчеты с использованием циклов и соответствующих энергетических величин, включая: (a) определение энтальпийных изменений, которые нельзя найти прямым экспериментальным путем (b) использование данных об энергиях связей

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Hess's law 盖斯定律 says that the total enthalpy change for a reaction is the same, no matter which route you take from reactants to products. This is because energy is conserved.

This lets you draw an energy cycle 能量循环: link the reactants and products by a direct step and by an indirect route, then add the steps so that both routes give the same total.

Hess's law is useful in two ways:

it lets you find an enthalpy change that you cannot measure directly (for example, the formation of a compound that forms slowly or with side reactions).
it lets you calculate $\Delta H_r$ from bond energy data, or from formation or combustion data given in the question.

Русский

Закон Гесса гласит, что суммарное энтальпийное изменение реакции одинаково независимо от того, какой путь вы выберете от реагентов к продуктам. Это происходит потому, что энергия сохраняется.

Это позволяет нарисовать энергетический цикл: соедините реагенты и продукты прямым шагом и косвенным путем, а затем сложите шаги так, чтобы оба пути давали одинаковую сумму.

Треугольный цикл Гесса, связывающий реагенты и продукты напрямую и через промежуточное звено, с подписанными тремя энтальпийными изменениями — Прямой путь равен косвенному, поэтому $\Delta H_r = \Delta H_1 + \Delta H_2$

Закон Гесса полезен двумя способами:

он позволяет найти энтальпийное изменение, которое вы не можете измерить напрямую (например, образование медленного соединения или соединения с побочными реакциями).
он позволяет рассчитать $\Delta H_r$ по данным об энергиях связей или данным об образовании/горении, данным в задаче.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Hess's law cycle · ⁨Цикл закона Гесса⁩

Enthalpy change is the same whichever route you take — so an unknown ΔH can be found by an alternative path. · ⁨Энтальпийное изменение одинаково независимо от выбранного пути — следовательно, неизвестное ΔH можно найти альтернативным путем.⁩

5.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Define each enthalpy change with its exact standard conditions (e.g. combustion = one mole burned completely in excess oxygen).
Use $\Delta H = \sum(\text{bonds broken}) - \sum(\text{bonds made})$; breaking is endothermic ($+$), making is exothermic ($-$) — getting the sign the wrong way round is the classic error.
In $q = mc\Delta T$ use the mass of the water/solution, then divide by moles and add the minus sign for an exothermic reaction.
Draw Hess cycles with arrows the same way round, follow the alternative route, and always give $\Delta H$ a sign and units ($\text{kJ mol}^{-1}$).

Русский

Определите каждое энтальпийное изменение с его точными стандартными условиями (например, горение = один моль полностью сгорает в избытке кислорода).
Используйте $\Delta H = \sum(\text{bonds broken}) - \sum(\text{bonds made})$; разрыв — эндотермичный ($+$), образование — экзотермичный ($-$) — ошибка со знаком является классической ошибкой.
В $q = mc\Delta T$ используйте массу воды/раствора, затем разделите на количество молей и добавьте знак минус для экзотермической реакции.
Рисуйте циклы Гесса со стрелками в одном направлении, следуйте альтернативному пути и всегда указывайте знак и единицы для $\Delta H$ ($\text{kJ mol}^{-1}$).

Electrochemistry · ⁨Электрохимия⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

6.1

Oxidation number · ⁨Степень окисления⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

calculate oxidation numbers of elements in compounds and ions
use changes in oxidation numbers to help balance chemical equations
explain and use the terms redox, oxidation, reduction and disproportionation in terms of electron transfer and changes in oxidation number
explain and use the terms oxidising agent and reducing agent
use a Roman numeral to indicate the magnitude of the oxidation number of an element

Русский

вычислять степени окисления элементов в соединениях и ионах
использовать изменения степеней окисления для уравнивания химических уравнений
объяснять и использовать термины окислительно-восстановительная реакция, окисление, восстановление и диспропорционирование с точки зрения переноса электронов и изменения степени окисления
объяснять и использовать термины окислитель и восстановитель
использовать римскую цифру для указания величины степени окисления элемента

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

The oxidation number 氧化数 (also called the oxidation state) shows how many electrons 电子 an atom has lost or gained compared with the free element. You work it out using simple rules:

an uncombined element has an oxidation number of $0$.
a simple ion has an oxidation number equal to its charge (so $\text{Mg}^{2+}$ is $+2$).
Group 1 is always $+1$, Group 2 is always $+2$.
hydrogen is $+1$ (but $-1$ in metal hydrides).
oxygen is $-2$ (but $-1$ in peroxides).
fluorine is always $-1$.
the oxidation numbers in a neutral compound add up to $0$; in an ion they add up to the charge.

A Roman numeral shows the size of the oxidation number of an element, for example iron(II) means $+2$ and manganese(VII) in $\text{KMnO}_4$ means $+7$.

Worked example. Find the oxidation number of sulfur in the sulfate ion, $\text{SO}_4^{2-}$.

Each oxygen is $-2$, so the four oxygens give $4 \times (-2) = -8$. In an ion the numbers add up to the charge, here $-2$. If sulfur is $x$:

$$x + (-8) = -2 \quad\Rightarrow\quad x = +6.$$

Worked example. Find the oxidation number of nitrogen in the nitrate ion, $\text{NO}_3^-$.

$$x + 3 \times (-2) = -1 \quad\Rightarrow\quad x - 6 = -1 \quad\Rightarrow\quad x = +5.$$

Русский

Степень окисления (также называемая валентностью) показывает, сколько электронов атом потерял или приобрел по сравнению со свободным элементом. Вычисляется с помощью простых правил:

несоединенный элемент имеет степень окисления $0$.
простой ион имеет степень окисления, равную его заряду (поэтому $\text{Mg}^{2+}$ равен $+2$).
Элементы группы 1 всегда имеют степень окисления $+1$, группы 2 всегда $+2$.
Водород имеет степень окисления $+1$ (но $-1$ в гидридах металлов).
кислород имеет степень окисления $-2$ (но $-1$ в пероксидах).
фтор всегда имеет степень окисления $-1$.
степени окисления в нейтральном соединении в сумме дают $0$; в ионе они в сумме дают заряд.

Римская цифра показывает степень окисления элемента, например, железо(II) означает $+2$, а марганец(VII) в $\text{KMnO}_4$ соответствует степени окисления $+7$.

Вычисление степени окисления марганца в KMnO4: калий имеет +1, четыре атома кислорода дают -8, и поскольку их сумма равна нулю, марганец должен быть +7 — Присвоение степени окисления: зафиксируйте известные атомы (K = +1, O = −2 каждый), затем используйте правило «сумма равна нулю», чтобы найти неизвестное (Mn = +7)

Разобранный пример. Найдите степень окисления серы в сульфат-ионе, $\text{SO}_4^{2-}$.

Каждый кислород равен $-2$, поэтому четыре атома кислорода дают $4 \times (-2) = -8$. В ионе числа складываются до заряда, здесь это $-2$. Если сера имеет $x$:

$$x + (-8) = -2 \quad\Rightarrow\quad x = +6.$$

Разобранный пример. Найдите степень окисления азота в нитрат-ионе, $\text{NO}_3^-$.

$$x + 3 \times (-2) = -1 \quad\Rightarrow\quad x - 6 = -1 \quad\Rightarrow\quad x = +5.$$

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/	степени окисления
electron/ɪˈlektrɒn/	электрон
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/	окисления

6.1

Redox in terms of electrons · ⁨Окислительно-восстановительные реакции с точки зрения электронов⁩

English

A redox 氧化还原 reaction is one where electrons move from one species to another.

oxidation 氧化 is the loss of electrons. The oxidation number goes up.
reduction 还原 is the gain of electrons. The oxidation number goes down.

A useful memory aid is OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain.

Oxidation and reduction always happen together, because the electrons lost by one species are gained by another. This electron transfer 电子转移 is why we call it a redox reaction.

Русский

Несколько батареек AA — Батарейка использует окислительно-восстановительные реакции для перемещения электронов по цепи.

Окислительно-восстановительная (redox) реакция — это реакция, в которой электроны переходят от одного вида к другому.

окисление — это потеря электронов. Степень окисления повышается.
восстановление — это приобретение электронов. Степень окисления понижается.

Полезная ассоциация — OIL RIG: Oxidation Is Loss (Окисление — это Потеря), Reduction Is Gain (Восстановление — это Приобретение).

Окисление и восстановление всегда происходят вместе, потому что электроны, потерянные одним видом, приобретаются другим. Именно этот перенос электронов делает реакцию окислительно-восстановительной.

Цинк теряет два электрона, превращаясь в Zn2+, в то время как ионы меди принимают их, превращаясь в медь; стрелка показывает перенос электронов — Redox — это перенос электронов: восстановитель теряет электроны (окисляется, число растет); окислитель принимает их (восстанавливается, число падает)

Explore · ⁨Исследовать⁩

Redox is electron transfer · ⁨Окислительно-восстановительные реакции — это перенос электронов⁩

Step through it: the metal loses (is oxidised) and the non-metal gains (is reduced) — oxidation number rises for one, falls for the other. · ⁨Разберем по шагам: металл теряет электроны (окисляется), а неметалл принимает (восстанавливается) — степень окисления возрастает у одного и снижается у другого.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
redox/rɪˈdɒks/	окислительно-восстановительная реакция (редокс)
reduction/rɪˈdʌkʃn/	восстановление
electron transfer/ɪˈlektrɒn ˈtrænsfɜː/	передача электронов

6.1

Using oxidation numbers to balance equations · ⁨Использование степеней окисления для уравнивания уравнений⁩

English

Changes in oxidation number help you balance a redox equation:

find the element whose oxidation number rises (it is oxidised) and the one whose number falls (it is reduced).
the total rise must equal the total fall, because every electron lost is gained somewhere.
choose the ratio of the two species so the rise and fall match, then balance the rest of the equation.

Worked example. Balance the reaction of manganate(VII) with iron(II) in acid: $\text{MnO}_4^- + \text{Fe}^{2+} + \text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}$.

Manganese falls from $+7$ to $+2$ (a fall of $5$); iron rises from $+2$ to $+3$ (a rise of $1$). To make the total fall equal the total rise, take $5$ iron ions for every $1$ manganate ion. Then balance oxygen with water ($4\,\text{H}_2\text{O}$) and hydrogen with $\text{H}^+$ ($8\,\text{H}^+$):

$$\text{MnO}_4^- + 5\text{Fe}^{2+} + 8\text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 5\text{Fe}^{3+} + 4\text{H}_2\text{O}.$$

Русский

Изменения степени окисления помогают вам уравнять окислительно-восстановительное уравнение:

найдите элемент, чья степень окисления возрастает (он окисляется), и тот, чья степень падает (он восстанавливается).
общее возрастание должно равняться общему падению, так как каждый потерянный электрон где-то принимается.
выберите соотношение двух видов, чтобы возрастание и падение совпадали, затем уравняйте остальную часть уравнения.

Железо повышает степень с +2 до +3 на единицу, а марганец снижает с +7 до +2 на пять единиц, поэтому пять атомов железа уравновешивают один перманганат — Уравнивание окислительно-восстановительного уравнения: общее возрастание степени окисления должно равняться общему падению, что фиксирует соотношение

Разобранный пример. Уравняйте реакцию перманганата(VII) с железом(II) в кислой среде: $\text{MnO}_4^- + \text{Fe}^{2+} + \text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + \text{Fe}^{3+} + \text{H}_2\text{O}$.

Марганец понижается с $+7$ до $+2$ (на $5$); железо повышается с $+2$ до $+3$ (на $1$). Чтобы общее снижение равнялось общему повышению, берите $5$ ионов железа на каждый $1$ перманганатный ион. Затем уравняйте кислород водой ($4\,\text{H}_2\text{O}$) и водород $\text{H}^+$ ($8\,\text{H}^+$):

$$\text{MnO}_4^- + 5\text{Fe}^{2+} + 8\text{H}^+ \rightarrow \text{Mn}^{2+} + 5\text{Fe}^{3+} + 4\text{H}_2\text{O}.$$

6.1

Disproportionation · ⁨Диспропорционирование⁩

English

Disproportionation 歧化 is a special redox reaction in which the same element is both oxidised and reduced at the same time. For example, when chlorine reacts with cold water, some chlorine atoms are reduced (to $\text{Cl}^-$) and others are oxidised (to $\text{ClO}^-$).

Русский

Диспропорционирование — это особый тип окислительно-восстановительной реакции, при котором один и тот же элемент одновременно и окисляется, и восстанавливается. Например, при реакции хлора с холодной водой часть атомов хлора восстанавливается (до $\text{Cl}^-$), а другая часть окисляется (до $\text{ClO}^-$).

Линия степеней окисления, показывающая хлор на уровне 0, поднимающийся до +1 в ClO- и опускающийся до -1 в Cl- — Диспропорционирование: хлор ($0$) одновременно окисляется до ClO$^-$ ($+1$) и восстанавливается до Cl$^-$ ($-1$)

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
disproportionation/ˌdɪsprəˈpɔːʃəneɪʃn/	диспропорционирование
oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/	окислитель
reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/	восстановитель

6.1

Oxidising and reducing agents · ⁨Окислители и восстановители⁩

English

an oxidising agent 氧化剂 takes electrons away from another species. In doing so, it is itself reduced.
a reducing agent 还原剂 gives electrons to another species. In doing so, it is itself oxidised.

So in any redox reaction, the oxidising agent causes the oxidation of the other species, while the reducing agent causes the reduction.

Русский

Ржавчина на поверхности железа — Ржавление — это окисление железа кислородом.

окислитель забирает электроны у другого вида. При этом он сам восстанавливается.
восстановитель отдает электроны другому виду. При этом он сам окисляется.

Таким образом, в любой окислительно-восстановительной реакции окислитель вызывает окисление другого вида, а восстановитель вызывает восстановление.

6.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Apply the oxidation-number rules in order: O is $-2$ except in peroxides ($-1$); H is $+1$ except in metal hydrides ($-1$).
In a redox equation the total increase equals the total decrease in oxidation number — use this to fix the ratio, then balance O with $\text{H}_2\text{O}$ and H with $\text{H}^+$.
An oxidising agent is itself reduced; name both what is oxidised/reduced and the agent for full marks.
Disproportionation is the same element both oxidised and reduced — show both oxidation-number changes.

Русский

Применяйте правила степеней окисления по порядку: O равен $-2$ кроме пероксидов ($-1$); H равен $+1$ кроме гидридов металлов ($-1$).
В окислительно-восстановительном уравнении общий прирост равен общему уменьшению степени окисления — используйте это для фиксации соотношения, затем уравнивайте O с помощью $\text{H}_2\text{O}$ и H с помощью $\text{H}^+$.
Окислитель сам восстанавливается; для получения полного балла назовите и то, что окисляется/восстанавливается, и самого агента.
Диспропорционирование — это когда один и тот же элемент и окисляется, и восстанавливается — покажите оба изменения степени окисления.

Equilibria · ⁨Равновесие⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

7.1

Reversible reactions and dynamic equilibrium · ⁨Обратимые реакции и динамическое равновесие⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

(a) understand what is meant by a reversible reaction (b) understand what is meant by dynamic equilibrium in terms of the rate of forward and reverse reactions being equal and the concentration of reactants and products remaining constant (c) understand the need for a closed system in order to establish dynamic equilibrium
define Le Chatelier’s principle as: if a change is made to a system at dynamic equilibrium, the position of equilibrium moves to minimise this change
use Le Chatelier’s principle to deduce qualitatively (from appropriate information) the effects of changes in temperature, concentration, pressure or presence of a catalyst on a system at equilibrium
deduce expressions for equilibrium constants in terms of concentrations, $K_c$
use the terms mole fraction and partial pressure
deduce expressions for equilibrium constants in terms of partial pressures, $K_p$ (use of the relationship between $K_p$ and $K_c$ is not required)
use the $K_c$ and $K_p$ expressions to carry out calculations (such calculations will not require the solving of quadratic equations)
calculate the quantities present at equilibrium, given appropriate data
state whether changes in temperature, concentration or pressure or the presence of a catalyst affect the value of the equilibrium constant for a reaction
describe and explain the conditions used in the Haber process and the Contact process, as examples of the importance of an understanding of dynamic equilibrium in the chemical industry and the application of Le Chatelier’s principle

Русский

(a) понимать, что означает обратимая реакция (b) понимать, что означает динамическое равновесие с точки зрения равенства скоростей прямой и обратной реакций и постоянства концентраций реагентов и продуктов (c) понимать необходимость замкнутой системы для установления динамического равновесия
определить принцип Ле Шателье как: если к системе в состоянии динамического равновесия прикладывают изменение, положение равновесия смещается так, чтобы минимизировать это изменение
использовать принцип Ле Шателье для qualitative (качественного) вывода эффектов изменений температуры, концентрации, давления или наличия катализатора на систему в равновесии (на основе соответствующей информации)
выводить выражения для констант равновесия через концентрации, $K_c$
использовать термины молевая доля и парциальное давление
выведите выражения для констант равновесия через парциальные давления, $K_p$ (использование соотношения между $K_p$ и $K_c$ не требуется)
использовать выражения для $K_c$ и $K_p$ для проведения расчетов (такие расчеты не потребуют решения квадратичных уравнений)
рассчитывать количества веществ, присутствующих в равновесии, при наличии соответствующих данных
указывать, влияют ли изменения температуры, концентрации или давления, а также наличие катализатора, на значение константы равновесия реакции
описывать и объяснять условия, используемые в процессе Габера и процессе Контакта, как примеры важности понимания динамического равновесия в химической промышленности и применения принципа Ле Шателье

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Le Chatelier's principle

Dynamic equilibrium: the rates converge

A reversible reaction 可逆反应 can go both ways. The forward reaction 正反应 makes products; the reverse reaction 逆反应 turns products back into reactants. We show this with the sign $\rightleftharpoons$.

In a closed system 封闭系统 (nothing enters or leaves), the reaction reaches a dynamic equilibrium 动态平衡 when:

the rate of the forward reaction equals the rate of the reverse reaction.
the concentrations of reactants and products stay constant.

It is called dynamic because both reactions are still happening — they just cancel out. A closed system is needed, or products would escape and equilibrium could never be reached.

Русский

Принцип Ле Шателье

Динамическое равновесие: скорости сходятся

Растворы хлорида кобальта(II) разных цветов — Хлорид кобальта меняет цвет при смещении равновесия.

Обратимая реакция может протекать в обе стороны. Прямая реакция образует продукты; обратная реакция превращает продукты обратно в исходные вещества. Мы обозначаем это знаком $\rightleftharpoons$.

В закрытой системе (ничего не входит и не выходит) реакция достигает динамического равновесия, когда:

скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции.
концентрации исходных веществ и продуктов остаются постоянными.

Оно называется динамическим, потому что обе реакции все еще протекают — они просто компенсируют друг друга. Необходима закрытая система, иначе продукты бы выходили из нее, и равновесие никогда бы не наступило.

График, на котором скорость прямой реакции снижается, а обратной — возрастает до момента их равенства — При динамическом равновесии скорости прямой и обратной реакций становятся равными, поэтому концентрации остаются постоянными

Explore · ⁨Исследовать⁩

Dynamic equilibrium · ⁨Динамическое равновесие⁩

forward rate = reverse rate · ⁨скорость прямой = скорость обратной⁩

At equilibrium the position can sit anywhere — change a condition and watch it shift. · ⁨В состоянии равновесия положение может находиться где угодно — измените условие и наблюдайте сдвиг.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
reversible reaction/rɪˈvɜːsɪbl rɪˈækʃn/	обратимая реакция
forward reaction/ˈfɔːwəd rɪˈækʃn/	прямая реакция
reverse reaction/rɪˈvɜːs rɪˈækʃn/	обратная реакция
closed system/kləʊzd ˈsɪstəm/	закрытой системе
dynamic equilibrium/daɪˈnæmɪk ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/	динамическое равновесие
Le Chatelier's principle/lə ˈtʃeɪtlɪəz ˈprɪnsɪpl/	Принцип Ле Шателье
equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/	равновесные
catalyst/ˈkætəlɪst/	катализатором
equilibrium constant/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm ˈkɒnstənt/	константа равновесия

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

7.1

Le Chatelier's principle · ⁨Принцип Ле Шателье⁩

English

Le Chatelier's principle 勒夏特列原理 says: if you change a system at equilibrium, the position of equilibrium 平衡 moves to oppose (reduce) that change.

Change you make	Which way the equilibrium moves
increase concentration of a reactant	towards the products
increase pressure	towards the side with fewer gas molecules
increase temperature	towards the endothermic direction
add a catalyst 催化剂	no shift (it speeds up both ways equally)

A catalyst lets equilibrium be reached faster, but it does not change the position of equilibrium.

Русский

Принцип Ле Шателье гласит: если изменить систему, находящуюся в состоянии равновесия, положение равновесия сместится так, чтобы противодействовать (уменьшить) это изменение.

Вносимое изменение	Куда смещается равновесие
Увеличение концентрации реагента	в сторону продуктов
Увеличение давления	в сторону стороны с меньшим числом молекул газа
Увеличение температуры	в сторону эндотермического направления
Добавление катализатора	без смещения (он ускоряет обе реакции одинаково)

Катализатор позволяет быстрее достичь равновесия, но он не меняет его положения.

Три изменения, каждое со стрелкой, показывающей направление смещения равновесия: добавление реагента — к продуктам, повышение давления — к стороне с меньшим числом молекул, повышение температуры — в эндотермическом направлении — Принцип Ле Шателье: равновесие всегда смещается, чтобы противодействовать вносимому изменению

Explore · ⁨Исследовать⁩

Shifting an equilibrium · ⁨Смещение равновесия⁩

Change the temperature, pressure or concentration and watch the equilibrium shift to oppose your change — Le Chatelier's principle in action. · ⁨Измените температуру, давление или концентрацию и наблюдайте, как равновесие смещается в сторону противодействия вашему изменению — принцип Ле Шателье в действии.⁩

7.1

Equilibrium constants · ⁨Константы равновесия⁩

English

For a reaction at equilibrium, the equilibrium constant 平衡常数 links the amounts of products and reactants. For the reaction $a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}$:

$$K_c = \frac{[\text{C}]^c\,[\text{D}]^d}{[\text{A}]^a\,[\text{B}]^b}$$

where the square brackets mean concentration in $\text{mol dm}^{-3}$.

Worked example. At equilibrium the mixture $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$ has $[\text{H}_2] = 0.20$, $[\text{I}_2] = 0.20$ and $[\text{HI}] = 1.6\ \text{mol dm}^{-3}$. Find $K_c$.

$$K_c = \frac{[\text{HI}]^2}{[\text{H}_2][\text{I}_2]} = \frac{1.6^2}{0.20 \times 0.20} = 64$$

(no units here, because the concentration powers cancel top and bottom).

Worked example (ICE table). $1.00\ \text{mol}$ each of $\text{H}_2$ and $\text{I}_2$ are sealed in a $1.00\ \text{dm}^3$ flask; at equilibrium $0.20\ \text{mol}$ of $\text{H}_2$ remains. Set out an ICE table (Initial, Change, Equilibrium):

	$\text{H}_2$	$\text{I}_2$	$2\text{HI}$
Initial	1.00	1.00	0
Change	$-0.80$	$-0.80$	$+1.60$
Equilibrium	0.20	0.20	1.60

$0.80\ \text{mol}$ of $\text{H}_2$ reacted, so $2\times0.80 = 1.60\ \text{mol}$ HI formed. In the $1.00\ \text{dm}^3$ flask the concentrations equal the moles, so $K_c = \dfrac{1.60^2}{0.20\times0.20} = 64$.

For reactions of gases, we use partial pressure 分压 instead of concentration. The partial pressure of a gas is the share of the total pressure that it provides. It is found from the mole fraction 摩尔分数 (the fraction of all the moles that are that gas):

$$\text{partial pressure} = \text{mole fraction} \times \text{total pressure}$$

The constant written with partial pressures is $K_p$.

Worked example. A gas mixture holds $2.0\ \text{mol}$ of $\text{N}_2$ and $6.0\ \text{mol}$ of $\text{H}_2$ at a total pressure of $200\ \text{kPa}$. Find the partial pressure of each gas.

There are $8.0\ \text{mol}$ in total, so

$$p(\text{N}_2) = \frac{2.0}{8.0} \times 200 = 50\ \text{kPa}, \qquad p(\text{H}_2) = \frac{6.0}{8.0} \times 200 = 150\ \text{kPa}.$$

Worked example (a numeric $K_p$). For $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ the equilibrium partial pressures are $p(\text{N}_2)=20$, $p(\text{H}_2)=40$ and $p(\text{NH}_3)=10\ \text{kPa}$. Then

$$K_p = \frac{p(\text{NH}_3)^2}{p(\text{N}_2)\,p(\text{H}_2)^3} = \frac{10^2}{20\times40^3} = 7.8\times10^{-5}\ \text{kPa}^{-2},$$

the units coming from $\dfrac{\text{kPa}^2}{\text{kPa}\times\text{kPa}^3}=\text{kPa}^{-2}$.

Only temperature changes the value of $K_c$ or $K_p$. Changing concentration or pressure shifts the position of equilibrium but leaves the constant unchanged; adding a catalyst changes neither the constant nor the position — it only makes equilibrium arrive faster.

Русский

Для реакции в состоянии равновесия константа равновесия связывает количества продуктов и реагентов. Для реакции $a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}$:

$$K_c = \frac{[\text{C}]^c\,[\text{D}]^d}{[\text{A}]^a\,[\text{B}]^b}$$

где квадратные скобки означают концентрацию в $\text{mol dm}^{-3}$.

Разобранный пример. В равновесной смеси $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$ находятся концентрации $[\text{H}_2] = 0.20$, $[\text{I}_2] = 0.20$ и $[\text{HI}] = 1.6\ \text{mol dm}^{-3}$. Найдите $K_c$.

$$K_c = \frac{[\text{HI}]^2}{[\text{H}_2][\text{I}_2]} = \frac{1.6^2}{0.20 \times 0.20} = 64$$

(нет единиц измерения, так как степени концентрации сокращаются в числителе и знаменателе).

Разобранный пример (таблица ICE). $1.00\ \text{mol}$ каждого из веществ $\text{H}_2$ и $\text{I}_2$ помещены в колбу объемом $1.00\ \text{dm}^3$; в состоянии равновесия остается $0.20\ \text{mol}$ вещества $\text{H}_2$. Составьте таблицу ICE (Initial, Change, Equilibrium — Начальная, Изменение, Равновесная):

	$\text{H}_2$	$\text{I}_2$	$2\text{HI}$
Начальная	1.00	1.00	0
Изменение	$-0.80$	$-0.80$	$+1.60$
Равновесная	0.20	0.20	1.60

$0.80\ \text{mol}$ вещества $\text{H}_2$ прореагировало, поэтому образовалось $2\times0.80 = 1.60\ \text{mol}$ HI. В колбе объемом $1.00\ \text{dm}^3$ концентрации равны количеству вещества (в молях), следовательно, $K_c = \dfrac{1.60^2}{0.20\times0.20} = 64$.

Для реакций газов вместо концентрации используется парциальное давление. Парциальное давление газа — это доля общего давления, которую оно вносит. Оно определяется через молярную долю (долю от общего количества вещества, приходящуюся на этот газ):

$$\text{partial pressure} = \text{mole fraction} \times \text{total pressure}$$

Константа, записанная через парциальные давления, обозначается как $K_p$.

Разобранный пример. Газовая смесь содержит $2.0\ \text{mol}$ вещества $\text{N}_2$ и $6.0\ \text{mol}$ вещества $\text{H}_2$ при общем давлении $200\ \text{kPa}$. Найдите парциальное давление каждого газа.

Всего имеется $8.0\ \text{mol}$ моль, поэтому

$$p(\text{N}_2) = \frac{2.0}{8.0} \times 200 = 50\ \text{kPa}, \qquad p(\text{H}_2) = \frac{6.0}{8.0} \times 200 = 150\ \text{kPa}.$$

Разобранный пример (числовое значение $K_p$). Для реакции $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ парциальные давления в равновесии составляют $p(\text{N}_2)=20$, $p(\text{H}_2)=40$ и $p(\text{NH}_3)=10\ \text{kPa}$. Тогда

$$K_p = \frac{p(\text{NH}_3)^2}{p(\text{N}_2)\,p(\text{H}_2)^3} = \frac{10^2}{20\times40^3} = 7.8\times10^{-5}\ \text{kPa}^{-2},$$

единицы измерения, получаемые из $\dfrac{\text{kPa}^2}{\text{kPa}\times\text{kPa}^3}=\text{kPa}^{-2}$.

Только температура изменяет значение константы $K_c$ или $K_p$. Изменение концентрации или давления смещает положение равновесия, но не меняет саму константу; добавление катализатора не изменяет ни константу, ни положение равновесия — он лишь ускоряет достижение равновесия.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Le Chatelier and Kc · ⁨Ле Шателье и Kc⁩

Change temperature, pressure or concentration and watch the equilibrium shift to oppose it — Kc itself only changes with temperature. · ⁨Измените температуру, давление или концентрацию и наблюдайте сдвиг равновесия для противодействия ему — само значение Kc меняется только при изменении температуры.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
partial pressure/ˈpɑːʃl ˈpreʃə/	парциальное давление
mole fraction/məʊl ˈfrækʃn/	мольная доля
Haber process/ˈheɪbə ˈprəʊses/	Процесс Габера
Contact process/ˈkɒntækt ˈprəʊses/	Процесс Контакта
proton/ˈprəʊtɒn/	протон

7.1

The Haber and Contact processes · ⁨Процесс Габера и процесс Контакта⁩

English

These two industrial processes are chosen by balancing yield, rate and cost using Le Chatelier's principle.

the Haber process 哈伯法 makes ammonia: $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ (exothermic). It uses about $450\,°\text{C}$, $200\ \text{atm}$ and an iron catalyst. A low temperature would give more ammonia but too slowly, so a moderate temperature is a compromise.
the Contact process 接触法 makes sulfur trioxide: $2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{SO}_3$ (exothermic). It uses about $450\,°\text{C}$, near $1$–$2\ \text{atm}$ and a vanadium(V) oxide catalyst.

Русский

Большой промышленный химический комплекс — Аммиак для удобрений производится по процессу Габера на крупных промышленных предприятиях, подобных этому.

Эти два промышленных процесса выбираются путем баланса выхода, скорости и стоимости с использованием принципа Ле Шателье.

процесс Габера производит аммиак: $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ (экзотермическая реакция). Используются примерно $450\,°\text{C}$, $200\ \text{atm}$ и железный катализатор. Низкая температура дала бы больше аммиака, но слишком медленно, поэтому умеренная температура является компромиссом.
процесс Контакта производит оксид серы(VI): $2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{SO}_3$ (экзотермическая реакция). Используются примерно $450\,°\text{C}$, близкие к $1$–$2\ \text{atm}$ и катализатор из оксида ванадия(V).

График выхода аммиака в зависимости от температуры для трех давлений: выход падает с ростом температуры и растет с повышением давления; отмечена рабочая точка — Равновесие Габера дает больше аммиака при более низкой температуре и более высоком давлении; рабочий компромисс составляет около $450\,°$ °C и $200$ атм

Explore · ⁨Исследовать⁩

The Haber & Contact processes · ⁨Процесс Габера и процесс Контакта⁩

compromise: yield vs rate · ⁨компромисс: выход против скорости⁩

High pressure boosts yield; high temperature speeds it up but lowers yield — a compromise. · ⁨Высокое давление повышает выход; высокая температура ускоряет процесс, но снижает выход — это компромисс.⁩

7.2

Acids and bases: the Brønsted–Lowry theory · ⁨Кислоты и основания: теория Бренстеда–Лоури⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

state the names and formulas of the common acids, limited to hydrochloric acid, $\text{HCl}$, sulfuric acid, $\text{H}_2\text{SO}_4$, nitric acid, $\text{HNO}_3$, ethanoic acid, $\text{CH}_3\text{COOH}$
state the names and formulas of the common alkalis, limited to sodium hydroxide, $\text{NaOH}$, potassium hydroxide, $\text{KOH}$, ammonia, $\text{NH}_3$
describe the Brønsted–Lowry theory of acids and bases
describe strong acids and strong bases as fully dissociated in aqueous solution and weak acids and weak bases as partially dissociated in aqueous solution
appreciate that water has pH of 7, acid solutions pH of below 7 and alkaline solutions pH of above 7
explain qualitatively the differences in behaviour between strong and weak acids including the reaction with a reactive metal and difference in pH values by use of a pH meter, universal indicator or conductivity
understand that neutralisation reactions occur when $\text{H}^+(\text{aq})$ and $\text{OH}^-(\text{aq})$ form $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$
understand that salts are formed in neutralisation reactions
sketch the pH titration curves of titrations using combinations of strong and weak acids with strong and weak alkalis
select suitable indicators for acid-alkali titrations, given appropriate data ($\text{p}K_a$ values will not be used)

Русский

называть и записывать формулы распространенных кислот, ограничиваясь соляной кислотой, $\text{HCl}$, серной кислотой, $\text{H}_2\text{SO}_4$, азотной кислотой, $\text{HNO}_3$, уксусной кислотой, $\text{CH}_3\text{COOH}$
укажите названия и формулы распространенных щелочей, ограничиваясь гидроксидом натрия, $\text{NaOH}$, гидроксидом калия, $\text{KOH}$, аммиаком, $\text{NH}_3$
описывать теорию Бренстеда–Лоури кислот и оснований
описывать сильные кислоты и сильные основания как полностью диссоциирующие в водном растворе, а слабые кислоты и слабые основания как частично диссоциирующие в водном растворе
понимать, что вода имеет pH 7, кислотные растворы имеют pH ниже 7, а щелочные растворы имеют pH выше 7
объяснять качественную разницу в поведении сильных и слабых кислот, включая реакцию с активным металлом и различие в значениях pH, используя pH-метр, универсальный индикатор или электропроводность
понимать, что реакции нейтрализации происходят, когда $\text{H}^+(\text{aq})$ и $\text{OH}^-(\text{aq})$ образуют $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$
понимать, что соли образуются в реакциях нейтрализации
схематически изображать кривые титрования по pH для титрований с использованием комбинаций сильных и слабых кислот со сильными и слабыми щелочами
выбирать подходящие индикаторы для кислотно-щелочного титрования, имея соответствующие данные (значения $\text{p}K_a$ использоваться не будут)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

A proton 质子 is simply an $\text{H}^+$ ion. The Brønsted–Lowry theory defines acids and bases by what they do with protons:

an acid 酸 is a proton donor 质子供体 (it gives away $\text{H}^+$).
a base 碱 is a proton acceptor 质子受体 (it takes $\text{H}^+$). A base that dissolves in water is called an alkali.

Common acids you must know: hydrochloric acid ($\text{HCl}$), sulfuric acid ($\text{H}_2\text{SO}_4$), nitric acid ($\text{HNO}_3$) and ethanoic acid ($\text{CH}_3\text{COOH}$). Common alkalis: sodium hydroxide ($\text{NaOH}$), potassium hydroxide ($\text{KOH}$) and ammonia ($\text{NH}_3$).

Русский

Протон — это просто ион $\text{H}^+$. Теория Бренстеда–Лоури определяет кислоты и основания по их отношению к протонам:

кислота — это донор протона (она отдает $\text{H}^+$).
основание — это акцептор протона (оно принимает $\text{H}^+$). Основание, растворимое в воде, называют щелочью.

Хлористый водород отдает протон молекуле воды, образуя гидроксониевый и хлорид-ионы; выделены две сопряженные пары — Бренстед–Лоури: кислота отдает протон ($\text{H}^+$) основанию, образуя две сопряженные кислотно-основные пары

Распространенные кислоты, которые нужно знать: соляная кислота ($\text{HCl}$), серная кислота ($\text{H}_2\text{SO}_4$), азотная кислота ($\text{HNO}_3$) и уксусная кислота ($\text{CH}_3\text{COOH}$). Распространенные щелочи: гидроксид натрия ($\text{NaOH}$), гидроксид калия ($\text{KOH}$) и аммиак ($\text{NH}_3$).

Explore · ⁨Исследовать⁩

The pH scale · ⁨Шкала pH⁩

Slide the pH or tap a substance — each step down in pH means ten times more H⁺ ions; acids are below 7, alkalis above. · ⁨Переместите ползунок pH или выберите вещество — каждый шаг вниз по шкале pH означает в десять раз больше ионов H⁺; кислоты имеют pH ниже 7, щелочи выше.⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

7.2

Strong and weak acids and bases · ⁨Сильные и слабые кислоты и основания⁩

English

This is about how fully an acid or base splits up in water — not how concentrated it is.

a strong acid 强酸 or strong base 强碱 is fully dissociated 解离 in water (almost every molecule splits into ions).
a weak acid 弱酸 or weak base 弱碱 is only partly dissociated (most molecules stay whole).

The pH scale measures how acidic a solution is: pure water is pH 7, acids are below 7, and alkalis are above 7. A strong acid has a lower pH than a weak acid of the same concentration.

You can tell strong and weak acids apart by:

reaction with a reactive metal: a strong acid fizzes faster.
pH: measured with a pH meter or universal indicator 通用指示剂.
electrical conductivity: a strong acid conducts better, because it has more ions.

Русский

Речь идет о том, насколько полностью кислота или основание распадаются в воде — а не о их концентрации.

сильная кислота или сильное основание полностью диссоциирует в воде (почти каждая молекула распадается на ионы).
слабая кислота или слабое основание диссоциирует лишь частично (большинство молекул остаются целыми).

Два стакана с одинаковой концентрацией: в сильной кислоте много отдельных ионов, в слабой кислоте много целых молекул и лишь немного ионов — Одинаковая концентрация, разная степень ионизации: сильная кислота полностью диссоциирует на ионы; слабая кислота остается преимущественно в виде целых молекул

Шкала pH показывает кислотность раствора: чистая вода имеет pH 7, кислоты имеют pH ниже 7, а щелочи — выше 7. Сильная кислота имеет более низкий pH, чем слабая кислота той же концентрации.

Сильные и слабые кислоты можно различить по:

реакции с активным металлом: сильная кислота шипит быстрее.
pH: измеряется с помощью pH-метра или универсального индикатора.
электропроводности: сильная кислота проводит ток лучше, так как содержит больше ионов.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Strong vs weak acids · ⁨Сильные и слабые кислоты⁩

A strong acid fully ionises (low pH); a weak acid only partly ionises, so at the same concentration its pH is higher. Slide to compare. · ⁨Сильная кислота полностью ионизируется (низкий pH); слабая кислота ионизируется лишь частично, поэтому при той же концентрации её pH выше. Сдвиньте для сравнения.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
acid/ˈæsɪd/	кислотный
proton donor/ˈprəʊtɒn ˈdəʊnə/	донор протона
base/beɪs/	основанием
proton acceptor/ˈprəʊtɒn əkˈseptə/	акцептор протона
strong acid/strɒŋ ˈæsɪd/	сильной кислоты
strong base/strɒŋ beɪs/	сильное основание
dissociated/dɪˈsəʊsɪeɪtɪd/	диссоциированный
weak acid/wiːk ˈæsɪd/	слабой кислоты
weak base/wiːk beɪs/	слабое основание
universal indicator/ˌjuːnɪˈvɜːsl ˈɪndɪkeɪtə/	универсальный индикатор
Neutralisation/ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/	Нейтрализация
salt/sɒlt/	соль

7.2

Neutralisation, salts and titration curves · ⁨Нейтрализация, соли и титровальные кривые⁩

English

Neutralisation 中和 happens when the hydrogen ions from an acid react with the hydroxide ions from an alkali:

$$\text{H}^+(\text{aq}) + \text{OH}^-(\text{aq}) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\text{l})$$

A salt 盐 is also formed, from the rest of the acid and base.

In a titration 滴定 you add one solution to another and follow the pH. The titration curve 滴定曲线 has a steep, almost vertical jump near the end point. The exact shape depends on whether each reactant is strong or weak.

To pick an indicator 指示剂, choose one whose colour change falls inside that steep jump. For a strong acid with a strong base most indicators work; for a weak acid with a strong base you need one that changes in the higher pH range.

Русский

Нейтрализация происходит, когда ионы водорода из кислоты реагируют с гидроксид-ионами из щелочи:

$$\text{H}^+(\text{aq}) + \text{OH}^-(\text{aq}) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(\text{l})$$

Также образуется соль, состоящая из оставшейся части кислоты и основания.

При титровании вы добавляете один раствор к другому и отслеживаете pH. Кривая титрования имеет крутой, почти вертикальный скачок вблизи точки эквивалентности. Точная форма зависит от того, является ли каждый реагент сильным или слабым.

Чтобы выбрать индикатор, выберите тот, чья смена цвета попадает в этот крутой скачок. Для сильной кислоты со сильным основанием подходит большинство индикаторов; для слабой кислоты со сильным основанием нужен такой, который меняет цвет в более высоком диапазоне pH.

Две кривые титрования pH в зависимости от добавленного основания, каждая с крутым скачком в точке эквивалентности; кривая слабой кислоты имеет скачок в более высоком диапазоне pH, заштрихована полоса индикатора — Кривые титрования имеют крутой скачок pH в точке эквивалентности. Скачок для слабой кислоты расположен выше, поэтому индикатор должен менять цвет именно в этом диапазоне

Explore · ⁨Исследовать⁩

A titration curve · ⁨Титровальная кривая⁩

Add alkali to acid and watch the pH climb. The steep jump is the equivalence point, where the acid is just neutralised. · ⁨Добавляйте щёлочь к кислоте и наблюдайте, как растёт pH. Резкий скачок — это эквивалентная точка, когда кислота полностью нейтрализована.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
titration/taɪˈtreɪʃn/	титрование
titration curve/taɪˈtreɪʃn kɜːv/	кривая титрования
indicator/ˈɪndɪkeɪtə/	индикатор

7.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Define dynamic equilibrium with all three points: forward and reverse rates equal, concentrations constant, closed system.
Answer Le Chatelier questions by stating the change, the direction of shift, and the reason; a catalyst does not shift the position (it speeds both rates).
Write $K_c$ as products over reactants, each raised to its balancing number; include state symbols to decide what appears.
Justify Haber/Contact conditions as a compromise between yield, rate and cost — do not just quote them.
Brønsted: acid = proton donor, base = proton acceptor; conjugate pairs differ by one $\text{H}^+$.

Русский

Дайте определение динамического равновесия с учетом всех трех пунктов: скорости прямой и обратной реакций равны, концентрации постоянны, замкнутая система.
Отвечайте на вопросы по принципу Ле Шателье, указывая изменение, направление смещения и причину; катализатор не смещает положение равновесия (он ускоряет обе реакции).
Запишите $K_c$ как продукты над реагентами, возведенными в степени, соответствующие их стехиометрическим коэффициентам; включите символы агрегатных состояний, чтобы определить, что входит в выражение.
Обоснуйте условия процесса Габера/Контакта как компромисс между выходом, скоростью и стоимостью — не просто цитируйте их.
Бренстед: кислота = донор протона, основание = акцептор протона; сопряженные пары отличаются одним $\text{H}^+$.

Reaction kinetics · ⁨Кинетика химических реакций⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

8.1

Rate of reaction · ⁨Скорость реакции⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

explain and use the term rate of reaction, frequency of collisions, effective collisions and non-effective collisions
explain qualitatively, in terms of frequency of effective collisions, the effect of concentration and pressure changes on the rate of a reaction
use experimental data to calculate the rate of a reaction

Русский

объяснять и использовать термин скорость реакции, частота столкновений, эффективные столкновения и неэффективные столкновения
объяснять качественно, с точки зрения частоты эффективных столкновений, влияние изменений концентрации и давления на скорость реакции
использовать экспериментальные данные для расчета скорости реакции

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Collision theory: energy and orientation

The rate of reaction 反应速率 is how fast reactants turn into products. We measure it as the change in concentration (or amount) in each unit of time.

To react, particles must collide 碰撞. The collision frequency 碰撞频率 is how often the particles hit each other. But not every collision leads to a reaction:

an effective collision 有效碰撞 has enough energy and the correct direction, so a reaction happens.
a non-effective collision 无效碰撞 does not have enough energy, or the particles hit at the wrong angle, so nothing happens.

So the rate depends on the frequency of effective collisions — how many useful collisions happen each second.

Concentration and pressure

If you increase the concentration of a solution (or the pressure of a gas), the particles are packed closer together. They collide more often, so there are more effective collisions each second, and the rate goes up.

You can calculate a rate from experimental data — for example, the volume of gas made divided by the time taken.

Worked example. A reaction gives off carbon dioxide. In the first $30\ \text{s}$, $48\ \text{cm}^3$ of gas is collected. Find the average rate of reaction over this time.

$$\text{average rate} = \frac{\text{volume of gas}}{\text{time}} = \frac{48}{30} = 1.6\ \text{cm}^3\,\text{s}^{-1}.$$

The rate is fastest at the start (the graph is steepest there) because the reactants are most concentrated, then it slows as they are used up.

Русский

Теория столкновений: энергия и ориентация

Скорость реакции — это то, насколько быстро реагенты превращаются в продукты. Мы измеряем её как изменение концентрации (или количества) в единицу времени.

Для реакции частицы должны сталкиваться. Частота столкновений — это то, как часто частицы ударяются друг о друга. Но не каждое столкновение приводит к реакции:

Эффективное столкновение обладает достаточной энергией и правильной ориентацией, поэтому реакция происходит.
Неэффективное столкновение не обладает достаточной энергией, или частицы ударяются под неправильным углом, поэтому ничего не происходит.

Таким образом, скорость зависит от частоты эффективных столкновений — сколько полезных столкновений происходит каждую секунду.

Две молекулы сталкиваются: когда их реактивные концы совпадают, происходит реакция, но при неправильной ориентации реакции нет — Реакция происходит только при правильной ориентации и достаточной энергии (окрашенные концы = реактивная часть)

Концентрация и давление

Если вы увеличиваете концентрацию раствора (или давление газа), частицы упаковываются плотнее. Они сталкиваются чаще, поэтому количество эффективных столкновений в секунду возрастает, и скорость увеличивается.

Два ящика одинакового размера, во втором больше частиц, которые поэтому сталкиваются чаще — Больше частиц в том же объёме → чаще столкновения → рост скорости

Вы можете рассчитать скорость по экспериментальным данным — например, объем полученного газа, деленный на затраченное время.

Разобранное решение. В ходе реакции выделяется углекислый газ. За первые $30\ \text{s}$ собирают $48\ \text{cm}^3$ газа. Найдите среднюю скорость реакции за это время.

$$\text{average rate} = \frac{\text{volume of gas}}{\text{time}} = \frac{48}{30} = 1.6\ \text{cm}^3\,\text{s}^{-1}.$$

Скорость максимальна в начале (график там наиболее крутой), потому что концентрация реагентов максимальна, затем она снижается по мере расходования реагентов.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Rate of reaction · ⁨Скорость реакции⁩

[A] = [A]₀·bᵗ

Reactant concentration falls over time as it's used up. · ⁨Концентрация реагента падает со временем по мере его расхода.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
rate of reaction/reɪt ɒv rɪˈækʃn/	скорость реакции
collide/kəˈlaɪd/	столкновение
collision frequency/kəˈlɪʒn ˈfriːkwənsi/	частота столкновений
effective collision/ɪˈfektɪv kəˈlɪʒn/	эффективное столкновение
non-effective collision/nɒn ɪˈfektɪv kəˈlɪʒn/	неэффективное столкновение
activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/	энергия активации

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

8.2

Temperature and activation energy · ⁨Температура и энергия активации⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define activation energy, $E_A$, as the minimum energy required for a collision to be effective
sketch and use the Boltzmann distribution to explain the significance of activation energy
explain qualitatively, in terms both of the Boltzmann distribution and of frequency of effective collisions, the effect of temperature change on the rate of a reaction

Русский

определять энергию активации, $E_A$, как минимальную энергию, необходимую для того, чтобы столкновение было эффективным
схематически изображать и использовать распределение Больцмана для объяснения значимости энергии активации
объяснять качественно, с точки зрения как распределения Больцмана, так и частоты эффективных столкновений, влияние изменения температуры на скорость реакции

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Maxwell-Boltzmann distribution

The activation energy 活化能 ($E_A$) is the minimum energy a collision needs in order to be effective.

The Boltzmann distribution 玻尔兹曼分布 is a graph showing how the energies of the molecules are spread out at one temperature. The curve starts at the origin, rises to a peak, then falls away in a long tail. The total area under the curve is the total number of molecules. Only the molecules to the right of $E_A$ have enough energy to react.

When you raise the temperature:

the curve flattens and spreads to the right, so a much larger fraction of molecules now have energy greater than $E_A$.
the molecules also move faster and collide more often.

The first effect is the bigger one. This is why a small rise in temperature gives a large rise in rate.

Русский

Распределение Максвелла-Больцмана

Энергия активации ($E_A$) — это минимальная энергия, необходимая столкновению для того, чтобы стать эффективным.

Распределение Больцмана — это график, показывающий, как распределены энергии молекул при одной температуре. Кривая начинается в начале координат, поднимается до пика, а затем плавно спадает, образуя длинный хвост. Общая площадь под кривой равна общему числу молекул. Только молекулы справа от $E_A$ обладают достаточной энергией для реакции.

Когда вы повышаете температуру:

кривая уплощается и растягивается вправо, так что гораздо большая доля молекул теперь имеет энергию больше, чем $E_A$.
молекулы также движутся быстрее и сталкиваются чаще.

Первый эффект является более значительным. Именно поэтому небольшое повышение температуры дает большой рост скорости реакции.

Кривые распределения Больцмана при более низкой и более высокой температуре, с отмеченной энергией активации и заштрихованной долей реагирующих частиц — При повышении температуры кривая смещается вправо, поэтому большая доля молекул может вступить в реакцию

Explore · ⁨Исследовать⁩

Why heat speeds up reactions · ⁨Почему тепло ускоряет реакции⁩

Raise the temperature: the curve spreads right, so more molecules have at least the activation energy and can react. · ⁨Повысьте температуру: кривая смещается вправо, так что больше молекул имеют как минимум энергию активации и могут вступить в реакцию.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
Boltzmann distribution/ˈbɒltsmən ˌdɪstrɪˈbjuːʃn/	распределение Больцмана

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

8.3

Catalysts · ⁨Катализаторы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

explain and use the terms catalyst and catalysis: (a) explain that, in the presence of a catalyst, a reaction has a different mechanism, i.e. one of lower activation energy (b) explain this catalytic effect in terms of the Boltzmann distribution (c) construct and interpret a reaction pathway diagram, for a reaction in the presence and absence of an effective catalyst

Русский

объяснять и использовать термины катализатор и катализ: (a) объяснять, что в присутствии катализатора реакция протекает по другому механизму, т.е. с более низкой энергией активации (b) объяснять этот каталитический эффект с точки зрения распределения Больцмана (c) составлять и интерпретировать диаграмму пути реакции для процесса в присутствии и отсутствии эффективного катализатора

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Reaction profile: a catalyst's lower-energy route

A catalyst 催化剂 speeds up a reaction but is not used up itself. Catalysis 催化作用 is the name for this action.

A catalyst works by giving the reaction a different reaction mechanism 反应机理 — a new route with a lower activation energy. On the Boltzmann distribution, lowering $E_A$ moves the line to the left, so more molecules now have enough energy. This means more effective collisions each second, and a faster rate.

On a reaction pathway diagram 反应路径图, the catalysed route has a lower energy "hill". The enthalpy change of the reaction, $\Delta H$, is not changed by the catalyst.

There are two types:

a homogeneous catalyst 均相催化剂 is in the same physical state as the reactants — for example, an acid catalyst dissolved in a solution of liquids.
a heterogeneous catalyst 多相催化剂 is in a different state from the reactants — for example, solid iron speeding up the reaction of gases in the Haber process.

Русский

Профиль реакции: путь катализатора с меньшей энергией

Катализатор ускоряет реакцию, но сам при этом не расходуется. Катализ — это название этого процесса.

Катализатор работает, предоставляя реакции другой механизм реакции — новый путь с меньшей энергией активации. На распределении Больцмана снижение $E_A$ смещает линию влево, так что теперь больше молекул имеют достаточную энергию. Это означает больше эффективных столкновений в секунду и более высокую скорость.

На диаграмме пути реакции каталитический путь имеет более низкую энергетическую «горку». Энтальпия реакции, $\Delta H$, не изменяется катализатором.

Диаграмма пути реакции, сравнивающая каталитический и некаталитический пути: для каталитического пути гора энергии активации ниже, а изменение энтальпии одинаково — Катализатор предоставляет путь с низкой энергией активации; изменение энтальпии остаётся неизменным

Есть два типа:

гомогенный катализатор находится в том же агрегатном состоянии, что и реагенты — например, кислотный катализатор, растворенный в растворе жидкостей.
гетерогенный катализатор находится в ином состоянии, чем реагенты — например, твердый железо ускоряет реакцию газов в процессе Габера.

Две панели: гомогенный катализатор, смешанный с частицами реагентов в том же состоянии, и гетерогенный катализатор как отдельная твердая поверхность с реагентами над ней — Гомогенный катализатор смешан с реагентами (то же состояние); гетерогенный катализатор — это отдельная поверхность (разное состояние), где реагенты встречаются и реагируют

Цилиндрический блок каталитического нейтрализатора с тонкой сотовой поверхностью — реальный гетерогенный катализатор — Каталитический нейтрализатор автомобиля является гетерогенным катализатором; его сотовая структура обеспечивает огромную площадь поверхности

Explore · ⁨Исследовать⁩

Catalysts · ⁨Катализаторы⁩

a catalyst lowers Ea · ⁨катализатор снижает Ea⁩

A catalyst lowers Ea, so a bigger fraction of molecules can react — without heating. · ⁨Катализатор снижает Ea, поэтому большая доля молекул может реагировать — без нагревания.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

How a catalyst works · ⁨Как работает катализатор⁩

Add a catalyst and watch the activation-energy barrier drop — it gives an easier route, without changing ΔH. · ⁨Добавьте катализатор и наблюдайте, как снижается барьер энергии активации — он открывает более лёгкий путь, не изменяя ΔH.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
catalyst/ˈkætəlɪst/	катализатором
catalysis/kæˈtæləsɪs/	катализ
reaction mechanism/rɪˈækʃn ˈmekənɪzəm/	механизм реакции
reaction pathway diagram/rɪˈækʃn ˈpæθweɪ ˈdaɪəɡræm/	диаграмма пути химической реакции
homogeneous catalyst/həˈməʊdʒnɪəs ˈkætəlɪst/	гомогенный катализатор
heterogeneous catalyst/ˌhetrəˈdʒiːnɪəs ˈkætəlɪst/	гетерогенный катализатор

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

8.3

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Explain rate changes with collision theory — more frequent and/or more energetic effective collisions.
On a Boltzmann distribution mark $E_A$, shade to its right, and show the curve flatten and shift right at higher temperature; it starts at the origin and never touches the axis.
A catalyst gives an alternative route with lower $E_A$ and does not change $\Delta H$.
Say why a small temperature rise gives a large rate rise: a much greater proportion of molecules now exceed $E_A$ (the main effect).

Русский

Объясните изменения скорости с помощью теории столкновений — более частые и/или более энергичные эффективные столкновения.
На распределении Больцмана отметьте $E_A$, заштрихуйте область справа от него и покажите, что кривая становится положе и смещается вправо при более высокой температуре; она начинается в начале координат и никогда не касается оси.
Катализатор предоставляет альтернативный путь с более низкой $E_A$ и не изменяет $\Delta H$.
Объясните, почему небольшое повышение температуры приводит к значительному увеличению скорости: теперь гораздо большая доля молекул превышает $E_A$ (основной эффект).

The Periodic Table: chemical periodicity · ⁨Периодическая таблица: химическая периодичность⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

9.1

Physical properties across Period 3 · ⁨Физические свойства вдоль периода 3⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe qualitatively (and indicate the periodicity in) the variations in atomic radius, ionic radius, melting point and electrical conductivity of the elements
explain the variation in melting point and electrical conductivity in terms of the structure and bonding of the elements

Русский

описывать качественно (и указывать периодичность) изменения атомного радиуса, ионного радиуса, температуры плавления и электропроводности элементов
объяснять изменения температуры плавления и электропроводности с точки зрения строения и связей элементов

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Periodicity 周期性 means that properties repeat in a regular pattern as you go across each period 周期 of the Periodic Table. Period 3 (Na to Ar) is the standard example.

Property	Trend across Period 3
atomic radius 原子半径	gets smaller (more nuclear charge pulls the same shell in)
ionic radius 离子半径	positive ions are small; from $\text{P}^{3-}$ onwards the negative ions are larger
melting point 熔点	rises to a peak at silicon, then falls sharply
electrical conductivity 导电性	high for Na, Mg, Al; almost zero from Si onwards

The melting point and conductivity follow from the structure and bonding:

Na, Mg, Al are giant metallic 金属晶体. Melting points rise (Na → Al) because each atom gives more delocalised electrons and the ions get smaller, so the bonding is stronger. They conduct well.
Si is giant molecular 原子晶体 (giant covalent). It has the highest melting point, because strong covalent bonds must be broken. It barely conducts.
P, S, Cl, Ar are simple molecular 分子晶体 (or single atoms). Their melting points are low, because the only forces that break are the weak van der Waals' forces 范德华力 between the molecules - the strong covalent bonds inside each molecule are never broken at all. They do not conduct.

Name van der Waals' forces when you explain that drop: it is the marking point, and "the covalent bonds are weak" is the error that loses it. Melting $\text{S}_8$ pulls whole molecules apart from each other; it does not touch a single $\text{S–S}$ bond. Their sizes still follow the molecule: $\text{S}_8$ melts higher than $\text{P}_4$ because it is bigger, with more electrons and so stronger van der Waals' forces, while $\text{Ar}$ (a single atom) is lowest of all.

Русский

Экран периодической таблицы — Свойства повторяются в регулярной закономерности вдоль каждого периода таблицы.

Периодичность означает, что свойства повторяются в регулярной закономерности при переходе через каждый период Периодической таблицы. Период 3 (от Na до Ar) является стандартным примером.

Ряд атомов от натрия до хлора, уменьшающихся слева направо, с ростом заряда ядра от +11 до +17 — Атомный радиус уменьшается вдоль периода 3: растущий заряд ядра притягивает ту же внешнюю оболочку внутрь

Свойство	Закономерность вдоль периода 3
атомный радиус	уменьшается (больший заряд ядра притягивает ту же оболочку ближе)
ионный радиус	положительные ионы маленькие; начиная со $\text{P}^{3-}$ отрицательные ионы больше
температура плавления	растет до пика у кремния, затем резко падает
электрическая проводимость	высокая у Na, Mg, Al; почти нулевая начиная с Si

Температура плавления и проводимость обусловлены структурой и связями:

Na, Mg, Al имеют гигантскую металлическую структуру. Температуры плавления растут (Na → Al), так как каждый атом отдает больше делокализованных электронов, а ионы становятся меньше, поэтому связь становится сильнее. Они хорошо проводят ток.
Si имеет гигантскую молекулярную (гигантскую ковалентную) структуру. У него самая высокая температура плавления, потому что нужно разрушать прочные ковалентные связи. Он плохо проводит ток.
P, S, Cl, Ar — простые молекулы (или отдельные атомы). Их температуры плавления низкие, так как разрушаются только слабые силы Ван-дер-Ваальса между молекулами — прочные ковалентные связи внутри каждой молекулы вообще не разрываются. Они не проводят ток.

Называйте силы Ван-дер-Ваальса, когда объясняете этот спад: это ключевой момент для оценивания, а фраза «ковалентные связи слабые» является ошибкой, из-за которой баллы снимаются. Плавление $\text{S}_8$ отрывает целые молекулы друг от друга; оно не затрагивает ни одной $\text{S–S}$ связи. Их размеры все еще следуют размеру молекулы: $\text{S}_8$ плавится выше, чем $\text{P}_4$, потому что он больше, содержит больше электронов и, следовательно, обладает более сильными силами Ван-дер-Ваальса, в то время как $\text{Ar}$ (отдельный атом) имеет самую низкую температуру плавления.

График температуры плавления вдоль периода 3, растущий через металлы до острого пика у кремния, затем падающий до простых молекулярных элементов — Температура плавления вдоль периода 3 достигает пика у кремния (гигантская ковалентная); она высока для металлов и низка для простых молекулярных элементов

Explore · ⁨Исследовать⁩

Trends across Period 3 · ⁨Тренды в периоде 3⁩

Switch between atomic radius, ionisation energy and melting point, and step across Period 3 to see each periodic trend. · ⁨Переключайтесь между атомным радиусом, энергией ионизации и температурой плавления и двигайтесь по периоду 3, чтобы увидеть каждую периодическую закономерность.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
periodicity/ˌpɪərɪˌɒˈdɪsɪti/	периодичность
period/ˈpɪərɪəd/	периода
atomic radius/əˈtɒmɪk ˈreɪdɪəs/	атомный радиус
ionic radius/aɪˈɒnɪk ˈreɪdɪəs/	ионный радиус
melting point/ˈmeltɪŋ pɔɪnt/	температура плавления
electrical conductivity/ɪˈlektrɪkl kɒndəkˈtɪvɪti/	электропроводность
giant metallic/ˈdʒaɪənt məˈtælɪk/	металлическая кристаллическая
giant molecular/ˈdʒaɪənt məˈlekjʊlə/	гигантская молекулярная структура
simple molecular/ˈsɪmpl məˈlekjʊlə/	простая молекулярная
oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/	степени окисления
valence shell/ˈveɪləns ʃel/	валентная оболочка
electron/ɪˈlektrɒn/	электрон

9.2

Chemical properties across Period 3 · ⁨Химические свойства вдоль периода 3⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe, and write equations for, the reactions of the elements with oxygen (to give $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$), chlorine (to give $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$) and water ($\text{Na}$ and $\text{Mg}$ only)
state and explain the variation in the oxidation number of the oxides ($\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ and $\text{SO}_3$ only) and chlorides ($\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$ only) in terms of their outer shell (valence shell) electrons
describe, and write equations for, the reactions, if any, of the oxides $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{SiO}_2$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ and $\text{SO}_3$ with water including the likely pHs of the solutions obtained
describe, explain, and write equations for, the acid/base behaviour of the oxides $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ and $\text{SO}_3$ and the hydroxides $\text{NaOH}$, $\text{Mg(OH)}_2$ and $\text{Al(OH)}_3$ including, where relevant, amphoteric behaviour in reactions with acids and bases (sodium hydroxide only)
describe, explain, and write equations for, the reactions of the chlorides $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$ with water including the likely pHs of the solutions obtained
explain the variations and trends in 9.2.2, 9.2.3, 9.2.4 and 9.2.5 in terms of bonding and electronegativity
suggest the types of chemical bonding present in the chlorides and oxides from observations of their chemical and physical properties

Русский

описывать и записывать уравнения реакций элементов с кислородом (для получения $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$), хлором (для получения $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$) и водой (только $\text{Na}$ и $\text{Mg}$)
указывать и объяснять изменение степени окисления оксидов (только $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ и $\text{SO}_3$) и хлоридов (только $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$) с точки зрения их внешних оболочек (валентных электронов)
описывать и записывать уравнения реакций, если таковые имеются, оксидов $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{SiO}_2$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ и $\text{SO}_3$ с водой, включая ожидаемые значения pH полученных растворов
описывать, объяснять и записывать уравнения кислотосплавного поведения оксидов $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{MgO}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{P}_4\text{O}_{10}$, $\text{SO}_2$ и $\text{SO}_3$ и гидроксидов $\text{NaOH}$, $\text{Mg(OH)}_2$ и $\text{Al(OH)}_3$, включая, где уместно, амфотерное поведение в реакциях с кислотами и основаниями (только гидроксидом натрия)
опишите, объясните и запишите уравнения реакций хлоридов $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$ с водой, включая предполагаемые значения pH полученных растворов
объяснять вариации и тенденции в разделах 9.2.2, 9.2.3, 9.2.4 и 9.2.5 с точки зрения химической связи и электроотрицательности
определять типы химической связи в хлоридах и оксидах на основе наблюдений их химических и физических свойств

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Reactions with oxygen, chlorine and water

With oxygen:

$$4\text{Na} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{Na}_2\text{O} \qquad 2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO} \qquad 4\text{Al} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Al}_2\text{O}_3$$

$$\text{P}_4 + 5\text{O}_2 \rightarrow \text{P}_4\text{O}_{10} \qquad \text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2$$

With chlorine:

$$2\text{Na} + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{NaCl} \qquad \text{Mg} + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{MgCl}_2 \qquad 2\text{Al} + 3\text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{AlCl}_3$$

$$\text{Si} + 2\text{Cl}_2 \rightarrow \text{SiCl}_4 \qquad 2\text{P} + 5\text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{PCl}_5$$

With water (only Na and Mg react):

$$2\text{Na} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2 \qquad \text{Mg} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2 + \text{H}_2$$

Sodium reacts fast; magnesium reacts only very slowly with cold water.

Oxidation number of the oxides and chlorides

The oxidation number 氧化数 of the Period 3 element in its oxide or chloride rises across the period, because it equals the number of outer-shell (valence shell 价层) electrons 电子 the atom uses in bonding:

Oxides	$\text{Na}_2\text{O}$	$\text{MgO}$	$\text{Al}_2\text{O}_3$	$\text{P}_4\text{O}_{10}$	$\text{SO}_2$ / $\text{SO}_3$
oxidation number	$+1$	$+2$	$+3$	$+5$	$+4$ / $+6$

The chlorides $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$ show oxidation numbers $+1$ to $+5$ in the same way.

Oxides with water, and acid–base behaviour

Across the period the oxides 氧化物 change from basic to acidic:

Oxide	With water	Acid–base nature	Approximate pH
$\text{Na}_2\text{O}$	$\text{Na}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH}$	basic	13–14
$\text{MgO}$	$\text{MgO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2$	basic	9–10
$\text{Al}_2\text{O}_3$	insoluble	amphoteric 两性	7
$\text{SiO}_2$	insoluble	weakly acidic	7
$\text{P}_4\text{O}_{10}$	$\text{P}_4\text{O}_{10} + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{H}_3\text{PO}_4$	acidic	1–2
$\text{SO}_3$	$\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$	strongly acidic	0–1

Metal oxides (left) are basic; non-metal oxides (right) are acidic. $\text{Al}_2\text{O}_3$ and its hydroxide 氢氧化物 $\text{Al(OH)}_3$ are amphoteric — they react with both acids and bases:

$$\text{Al}_2\text{O}_3 + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

$$\text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{NaOH} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaAl(OH)}_4$$

Chlorides with water

$\text{NaCl}$ and $\text{MgCl}_2$ are ionic. They simply dissolve, giving a near-neutral solution.
$\text{SiCl}_4$ and $\text{PCl}_5$ are covalent. They undergo hydrolysis 水解 (react with water) to make acidic solutions and fumes of $\text{HCl}$:

$$\text{SiCl}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{SiO}_2 + 4\text{HCl} \qquad \text{PCl}_5 + 4\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_3\text{PO}_4 + 5\text{HCl}$$

Explaining the trends

These trends follow from the change in bonding and electronegativity 电负性. On the left, the elements are metals with low electronegativity, so their oxides and chlorides are ionic and basic (or neutral). On the right, the elements are non-metals with high electronegativity, so their oxides and chlorides are covalent and acidic. You can use a chloride's or oxide's properties (melting point, conductivity, effect on water) to suggest whether its bonding is ionic or covalent.

Worked example. Predict the pH when $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$ and $\text{SO}_3$ are each added to water. Acid-base character follows the metal to non-metal change across Period 3. $\text{Na}_2\text{O}$ is ionic and basic: it dissolves to give $\text{NaOH}$, so the pH is about 13. $\text{SO}_3$ is covalent and acidic: it reacts to give $\text{H}_2\text{SO}_4$, so the pH is about 1. $\text{Al}_2\text{O}_3$ sits at the changeover - it is amphoteric and essentially insoluble in water, so the pH stays about 7. The trap is that last one: amphoteric does not mean neutral, it means the oxide reacts with acids and with alkalis - it simply does not react with water.

Русский

Реакции с кислородом, хлором и водой

С кислородом:

$$4\text{Na} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{Na}_2\text{O} \qquad 2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO} \qquad 4\text{Al} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{Al}_2\text{O}_3$$

$$\text{P}_4 + 5\text{O}_2 \rightarrow \text{P}_4\text{O}_{10} \qquad \text{S} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_2$$

С хлором:

$$2\text{Na} + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{NaCl} \qquad \text{Mg} + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{MgCl}_2 \qquad 2\text{Al} + 3\text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{AlCl}_3$$

$$\text{Si} + 2\text{Cl}_2 \rightarrow \text{SiCl}_4 \qquad 2\text{P} + 5\text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{PCl}_5$$

С водой (реагируют только Na и Mg):

$$2\text{Na} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2 \qquad \text{Mg} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2 + \text{H}_2$$

Натрий реагирует быстро; магний реагирует с холодной водой лишь очень медленно.

Степень окисления оксидов и хлоридов

Степень окисления элемента периода 3 в его оксиде или хлориде растет вдоль периода, так как она равна числу внешних (валентных) электронов, которые атом использует в связях:

Оксиды	$\text{Na}_2\text{O}$	$\text{MgO}$	$\text{Al}_2\text{O}_3$	$\text{P}_4\text{O}_{10}$	$\text{SO}_2$ / $\text{SO}_3$
степень окисления	$+1$	$+2$	$+3$	$+5$	$+4$ / $+6$

Хлориды $\text{NaCl}$, $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{SiCl}_4$, $\text{PCl}_5$ показывают степени окисления $+1$ до $+5$ аналогичным образом.

Оксиды с водой и кислотнo-оснóвное поведение

Вдоль периода оксиды меняют свое свойство от основного к кислотному:

Цветная полоса, разделённая на области основных, амфотерных и кислотных оксидов, с расположенными вдоль неё оксидами Периода 3 от Na2O до SO3 и приблизительными значениями pH — Оксиды периода 3 меняют свое свойство от основных (металлы) через амфотерные (Al$_2$O$_3$) к кислотным (неметаллы)

Оксид	С водой	Кислотно-основная природа	Приблизительный pH
$\text{Na}_2\text{O}$	$\text{Na}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH}$	основной	13–14
$\text{MgO}$	$\text{MgO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2$	основной	9–10
$\text{Al}_2\text{O}_3$	нерастворим	амфотерный	7
$\text{SiO}_2$	нерастворим	слабый кислотный	7
$\text{P}_4\text{O}_{10}$	$\text{P}_4\text{O}_{10} + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{H}_3\text{PO}_4$	кислотный	1–2
$\text{SO}_3$	$\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$	сильно кислотный	0–1

Металлические оксиды (слева) являются основными; неметаллические оксиды (справа) — кислотными. $\text{Al}_2\text{O}_3$ и его гидроксид $\text{Al(OH)}_3$ являются амфотерными — они реагируют как с кислотами, так и с основаниями:

$$\text{Al}_2\text{O}_3 + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

$$\text{Al}_2\text{O}_3 + 2\text{NaOH} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaAl(OH)}_4$$

Оксид алюминия в центре, реагирующий влево с кислотой и вправо с основанием — Оксид алюминия является амфотерным — он реагирует с кислотами (ведя себя как основание) и с основаниями (ведя себя как кислота)

Хлориды с водой

$\text{NaCl}$ и $\text{MgCl}_2$ — ионные. Они просто растворяются, образуя раствор с нейтральной реакцией.
$\text{SiCl}_4$ и $\text{PCl}_5$ — ковалентные. Они подвергаются гидролизу (реакции с водой), образуя кислые растворы и пары $\text{HCl}$:

$$\text{SiCl}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{SiO}_2 + 4\text{HCl} \qquad \text{PCl}_5 + 4\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_3\text{PO}_4 + 5\text{HCl}$$

Два пути: ионные хлориды растворяются до получения нейтрального раствора, тогда как ковалентные хлориды гидролизуются до получения кислого раствора и паров HCl — Ионные хлориды лишь растворяются (нейтральный раствор); ковалентные хлориды реагируют с водой (гидролиз) с образованием кислого раствора и паров HCl

Объяснение закономерностей

Эти закономерности обусловлены изменением типа химической связи и электроотрицательности. Слева находятся металлы с низкой электроотрицательностью, поэтому их оксиды и хлориды ионные и основные (или нейтральные). Справа находятся неметаллы с высокой электроотрицательностью, поэтому их оксиды и хлориды ковалентные и кислотные. По физическим свойствам хлорида или оксида (температура плавления, проводимость, взаимодействие с водой) можно определить характер связи — ионный или ковалентный.

Разобранный пример. Предскажите pH при добавлении в воду $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{Al}_2\text{O}_3$ и $\text{SO}_3$. Кислотно-основные свойства следуют за переходом от металла к неметаллу в Периоде 3. $\text{Na}_2\text{O}$ ионный и основной: он растворяется, образуя $\text{NaOH}$, поэтому pH составляет около 13. $\text{SO}_3$ ковалентный и кислотный: он реагирует, образуя $\text{H}_2\text{SO}_4$, поэтому pH составляет около 1. $\text{Al}_2\text{O}_3$ находится на границе перехода — он амфотерный и практически нерастворим в воде, поэтому pH остается около 7. Подвох заключается в последнем пункте: амфотерность не означает нейтральную реакцию; это означает, что оксид реагирует и с кислотами, и со щелочами — он просто не реагирует с водой.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Period 3 reaction lab · ⁨Лабораторная работа по реакциям 3-го периода⁩

Classify Period 3 reactions by what they reveal about bonding and acidity. · ⁨Классифицируйте реакции 3-го периода по тому, что они раскрывают о связях и кислотности.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Oxide and chloride hydrolysis route · ⁨Путь гидролиза оксидов и хлоридов⁩

Follow how Period 3 oxides and chlorides change pH in water. · ⁨Отследите, как pH воды меняется при взаимодействии с оксидами и хлоридами 3-го периода.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
oxide/ˈɒksaɪd/	оксид
amphoteric/ˌæmfəʊˈterɪk/	амфотерными
hydroxide/haɪˈdrɒksaɪd/	гидроксид-ионы
hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/	гидролиз
electronegativity/ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/	электроотрицательность
van der Waals' forces/ˈvændɜː wɑːlz ˈfɔːsɪz/	силы Ван-дер-Ваальса

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

9.3

Periodicity of other elements · ⁨Периодичность других элементов⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

predict the characteristic properties of an element in a given group by using knowledge of chemical periodicity
deduce the nature, possible position in the Periodic Table and identity of unknown elements from given information about physical and chemical properties

Русский

предсказывать характерные свойства элемента в заданной группе, используя знания о химической периодичности
выводить природу, возможное положение в Периодической таблице и идентификацию неизвестных элементов на основе данных о физических и химических свойствах

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

The same idea works for any group. If you know the pattern down a group and across a period, you can:

predict the properties of an element from its position (for example, a Group 1 element will be a reactive metal forming a $+1$ ion).
deduce the likely position and identity of an unknown element from its physical and chemical properties.

Русский

Та же логика применима к любой группе. Зная закономерности по вертикали группы и по горизонтали периода, вы можете:

предсказывать свойства элемента по его положению в таблице (например, элемент Группы 1 будет активным металлом, образующим ион $+1$).
выводить вероятное положение и название неизвестного элемента на основе его физических и химических свойств.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Periodic trends · ⁨Периодические закономерности⁩

Step across Period 3 to see a property rise or fall, then repeat in the next period — that recurring pattern is periodicity. · ⁨Перейдите через Период 3, чтобы увидеть рост или падение свойства, затем повторите в следующем периоде — эта повторяющаяся закономерность называется периодичностью.⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

9.3

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Always pair the trend with its reason: atomic radius falls across Period 3 (rising nuclear charge, similar shielding).
Explain the melting-point pattern by structure: giant metallic (Na→Al), giant covalent (Si, highest), then simple molecular ($\text{P}_4$, $\text{S}_8$, $\text{Cl}_2$) and monatomic (Ar).
Oxides go basic → amphoteric ($\text{Al}_2\text{O}_3$) → acidic across the period; link to ionic-to-covalent bonding.
For reactions of oxides/chlorides with water, give the products and the resulting pH.

Русский

Всегда связывайте закономерность с её причиной: атомный радиус уменьшается в Периоде 3 (растущий заряд ядра, схожий экранирование).
Объяснить закономерность температур плавления через структуру: гигантская металлическая (Na→Al), гигантская ковалентная (Si, самая высокая), затем простые молекулярные ($\text{P}_4$, $\text{S}_8$, $\text{Cl}_2$) и одноатомные (Ar).
Оксиды меняют свои свойства от основных → амфотерных ($\text{Al}_2\text{O}_3$) → кислотных вдоль периода; это связано с переходом от ионной к ковалентной связи.
При реакциях оксидов/хлоридов с водой указывайте продукты реакции и resulting pH.

Group 2 · ⁨2-я группа⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

10.1

The Group 2 metals · ⁨Металлы Группы 2⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe, and write equations for, the reactions of the elements with oxygen, water and dilute hydrochloric and sulfuric acids
describe, and write equations for, the reactions of the oxides, hydroxides and carbonates with water and dilute hydrochloric and sulfuric acids
describe, and write equations for, the thermal decomposition of the nitrates and carbonates, to include the trend in thermal stabilities
describe, and make predictions from, the trends in physical and chemical properties of the elements involved in the reactions in 10.1.1 and the compounds involved in 10.1.2, 10.1.3 and 10.1.5
state the variation in the solubilities of the hydroxides and sulfates

Русский

описывать и писать уравнения реакций элементов с кислородом, водой и разбавленными соляной и серной кислотами
описывать и писать уравнения реакций оксидов, гидроксидов и карбонатов с водой и разбавленными соляной и серной кислотами
описывать и писать уравнения термического разложения нитратов и карбонатов, включая тенденцию в термической стабильности
описывать и делать прогнозы на основе закономерностей физических и химических свойств элементов, участвующих в реакциях из пункта 10.1.1, и соединений, участвующих в реакциях из пунктов 10.1.2, 10.1.3 и 10.1.5
указывать изменение растворимости гидроксидов и сульфатов

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Group 族 2 holds the metals magnesium, calcium, strontium and barium. They all have two outer electrons, which they lose to form $2+$ ions. Going down the group, the atoms get larger and the outer electrons are easier to lose, so the metals get more reactive — their reactivity 反应活性 increases down the group.

Reactions of the elements

With oxygen, they burn to form an oxide:

$$2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$$

With water, they form a hydroxide and hydrogen. The reaction gets faster down the group:

$$\text{Ca} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2 + \text{H}_2$$

Magnesium is slow with cold water but reacts fast with steam, giving $\text{MgO}$ and $\text{H}_2$.

With dilute hydrochloric or sulfuric acid, they form a salt and hydrogen:

$$\text{Mg} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + \text{H}_2 \qquad \text{Mg} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{MgSO}_4 + \text{H}_2$$

With sulfuric acid the reaction slows down the group, because the sulfates 硫酸盐 formed (such as $\text{BaSO}_4$) are insoluble and coat the metal.

Reactions of the compounds

The oxides 氧化物 and hydroxides 氢氧化物 are basic. They react with water and with dilute acids:

$$\text{MgO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2 \qquad \text{Mg(OH)}_2 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$

The carbonates 碳酸盐 react with dilute acids to give a salt, water and carbon dioxide:

$$\text{CaCO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$

Thermal decomposition

Thermal decomposition 热分解 means breaking a compound apart by heating it.

the carbonates break into the oxide and carbon dioxide:

$$\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$$

the nitrates 硝酸盐 break into the oxide, brown nitrogen dioxide gas and oxygen:

$$2\text{Ca(NO}_3)_2 \rightarrow 2\text{CaO} + 4\text{NO}_2 + \text{O}_2$$

The thermal stability 热稳定性 of both the carbonates and the nitrates increases down the group. A larger metal ion pulls less on the carbonate or nitrate ion, so the compound is harder to break apart — it needs a higher temperature. So magnesium carbonate decomposes most easily, and barium carbonate is the hardest.

Trends in solubility

Compound	Trend in solubility 溶解度 down the group
hydroxides	increase (Mg(OH)$_2$ almost insoluble; Ba(OH)$_2$ soluble)
sulfates	decrease (MgSO$_4$ soluble; BaSO$_4$ insoluble)

From these trends you can predict the properties of the next element down, radium, and of its compounds.

Worked example. $\text{MgCO}_3$ decomposes at about $540\ °\text{C}$ and $\text{BaCO}_3$ at about $1360\ °\text{C}$. Explain the trend and predict where $\text{CaCO}_3$ sits. Going down Group 2 the cation gets larger, so its charge is spread over a bigger surface and its polarising power falls. A less polarising cation distorts the carbonate ion less, so the $\text{C-O}$ bond is weakened less and more heat is needed to break it. Thermal stability therefore increases down the group, and $\text{CaCO}_3$, lying between Mg and Ba, decomposes at an intermediate temperature of about $900\ °\text{C}$. Argue the whole chain - cation size, then polarising power, then distortion of the anion; "it is more reactive" explains nothing here.

Русский

Прибрежные известняковые утёсы из карбоната кальция — Известняк — это карбонат кальция, соединение металла кальция Группы 2.

Группа 2 включает магний, кальций, стронций и барий. У всех них два валентных электрона, которые они отдают, образуя ионы $2+$. При движении вниз по группе атомы увеличиваются в размере, а внешние электроны легче отщепляются, поэтому металлы становятся более реакционноспособными — их реакционная способность возрастает вниз по группе.

Атомы Группы 2, увеличивающиеся в размере от магния к барию, рядом со стрелкой, направленной вниз, подписанной «реакционная способность увеличивается» — Реакционная способность возрастает вниз по Группе 2: более крупные атомы слабее удерживают свои два внешних электрона, поэтому они отщепляются легче

Реакции элементов

С кислородом они горят, образуя оксид:

$$2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$$

Полоска магния, удерживаемого щипцами, горит ослепительно белым светом, выделяя белый дым оксида магния — Магний горит на воздухе ярким белым пламенем, образуя белый оксид магния

С водой они образуют гидроксид и водород. Реакция ускоряется вниз по группе:

$$\text{Ca} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2 + \text{H}_2$$

Магний медленно реагирует с холодной водой, но быстро реагирует с водяным паром, образуя $\text{MgO}$ и $\text{H}_2$.

С разбавленными соляной или серной кислотами они образуют соль и водород:

$$\text{Mg} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + \text{H}_2 \qquad \text{Mg} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{MgSO}_4 + \text{H}_2$$

При реакции с серной кислотой реакция замедляется вниз по группе, потому что образующиеся сульфаты (например, $\text{BaSO}_4$) нерастворимы и покрывают металл.

Реакции соединений

Оксиды и гидроксиды являются основными. Они реагируют с водой и разбавленными кислотами:

$$\text{MgO} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2 \qquad \text{Mg(OH)}_2 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$$

Карбонаты реагируют с разбавленными кислотами, образуя соль, воду и углекислый газ:

$$\text{CaCO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow \text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$

Термическое разложение

Термическое разложение — это распад соединения под действием нагрева.

карбонаты распадаются на оксид и углекислый газ:

$$\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$$

нитраты распадаются на оксид, бурый диоксид азота и кислород:

$$2\text{Ca(NO}_3)_2 \rightarrow 2\text{CaO} + 4\text{NO}_2 + \text{O}_2$$

Термическая устойчивость как карбонатов, так и нитратов возрастает вниз по группе. Больший ион металла слабее притягивает карбонат- или нитрат-ион, поэтому соединение труднее разложить — требуется более высокая температура. Так, карбонат магния разлагается最容易, а карбонат бария —最难分解。

Маленький ион магния сильно искажает карбонат-ион, рядом с большим ионом бария, который почти не искажает его — Термическая устойчивость возрастает вниз по группе: малый катион поляризует (искажает) карбонат-ион сильнее, ослабляя его, поэтому он разлагается легче

Закономерности растворимости

Соединение	Закономерность растворимости вниз по группе
гидроксиды	увеличивается (Mg(OH)$_2$ почти нерастворим; Ba(OH)$_2$ растворим)
сульфаты	уменьшается (MgSO$_4$ растворим; BaSO$_4$ нерастворим)

Два логарифмические линии, пересекающиеся: растворимость гидроксидов растёт от Mg до Ba, а растворимость сульфатов падает — Вниз по Группе 2 гидроксиды становятся более растворимыми, а сульфаты — менее растворимыми (обратите внимание на логарифмическую шкалу)

По этим закономерностям можно предсказать свойства следующего элемента вниз — радия — и его соединений.

Разбор примера. $\text{MgCO}_3$ разлагается приблизительно при $540\ °\text{C}$, а $\text{BaCO}_3$ — при $1360\ °\text{C}$. Объясните эту закономерность и определите, где находится $\text{CaCO}_3$. При движении вниз по Группе 2 катион становится больше, поэтому его заряд распределяется по большей поверхности, и его поляризующая способность снижается. Меньее поляризующий катион меньше искажает карбонат-ион, поэтому связь в $\text{C-O}$ ослабляется меньше, и для её разрыва требуется больше тепла. Следовательно, термическая стабильность возрастает вниз по группе, и $\text{CaCO}_3$, находящийся между Mg и Ba, разлагается при промежуточной температуре около $900\ °\text{C}$. Аргументируйте всю цепочку причинно-следственных связей: размер катиона → поляризующая способность → искажение аниона; фразу «он более реакционноспособен» здесь использовать нельзя.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Group 2 reactivity ladder · ⁨Лестница реактивности 2-й группы⁩

Move down Group 2 and see why reactions become more vigorous. · ⁨Двигаясь вниз по 2-й группе, посмотрите, почему реакции становятся более бурными.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Group 2 trend lab · ⁨Лабораторная работа по тенденциям 2-й группы⁩

Compare thermal stability and solubility trends down Group 2. · ⁨Сравните тенденции термической стабильности и растворимости вниз по 2-й группе.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
group/ɡruːp/	группа
reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/	химическая активность
sulfate/ˈsʌlfeɪt/	сульфат
oxide/ˈɒksaɪd/	оксид
hydroxide/haɪˈdrɒksaɪd/	гидроксид-ионы
carbonate/ˈkɑːbəneɪt/	карбонат
thermal decomposition/ˈθɜːml ˌdiːkɒmpəˈzɪʃn/	термическое разложение
nitrate/ˈnaɪtreɪt/	нитрат
thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/	термическая устойчивость
solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/	растворимость

10.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Reactivity increases down Group 2: ionisation energy falls as atoms get larger, so electrons are lost more easily.
Reactions with water become more vigorous down the group; Mg reacts slowly with cold water but fast with steam (→ MgO).
Hydroxides get more soluble down the group; sulfates get less soluble ($\text{BaSO}_4$ insoluble — the basis of the sulfate test).
Write equations with the correct $+2$ ion and state the observations (fizzing, dissolving).

Русский

Реакционная способность возрастает вниз по Группе 2: энергия ионизации снижается по мере увеличения атомов, поэтому электроны отдают легче.
Реакции с водой становятся более интенсивными вниз по группе; Mg медленно реагирует с холодной водой, но быстро — с водяным паром (→ MgO).
Гидроксиды становятся более растворимыми вниз по группе; сульфаты — менее растворимыми ($\text{BaSO}_4$ нерастворим — это основа теста на сульфат).
Напишите уравнения с правильным $+2$ и укажите наблюдения (шипение, растворение).

Group 17 · ⁨17-я группа⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

11.1

Physical properties of the halogens · ⁨Физические свойства галогенов⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe the colours and the trend in volatility of chlorine, bromine and iodine
describe and explain the trend in the bond strength of the halogen molecules
interpret the volatility of the elements in terms of instantaneous dipole–induced dipole forces

Русский

описывать цвета и тенденцию в летучести хлора, брома и йода
описывать и объяснять тенденцию в прочности связи молекул галогенов
интерпретировать летучесть элементов с точки зрения сил мгновенного диполя–индуцированного диполя

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

The halogens 卤素 are the Group 族 17 elements. They exist as diatomic molecules ($\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$). Going down the group:

Element	Colour and state at room temperature
chlorine	pale green gas
bromine	red-brown liquid
iodine	grey-black solid (purple vapour)

The volatility 挥发性 (how easily a substance turns to vapour) decreases down the group: chlorine is a gas, but iodine is a solid. This is because the molecules get larger and have more electrons, so the instantaneous dipole 瞬时偶极 and induced dipole 诱导偶极 forces between them get stronger. Stronger forces are harder to break, so the boiling point rises and volatility falls.

The bond energy 键能 (bond strength) of the $\text{X}\text{–}\text{X}$ molecules generally falls from $\text{Cl}_2$ to $\text{I}_2$, because the shared electrons are further from the nuclei in the larger atoms.

Русский

Бром: тёмная жидкость, выделяющая оранжевый пар в запечатанной ампуле — Бром — галоген Группы 17: тёмная жидкость, выделяющая оранжевый пар.

Галогены — элементы Группы 17. Они существуют в виде двухатомных молекул ($\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$). При движении вниз по группе:

Элемент	Цвет и агрегатное состояние при комнатной температуре
хлор	бледно-зелёный газ
бром	красно-коричневая жидкость
йод	серо-чёрное твердое вещество (фиолетовый пар)

Летучесть (легкость перехода вещества в пар) снижается вниз по группе: хлор — газ, а йод — твердое вещество. Это происходит потому, что молекулы увеличиваются в размерах и содержат больше электронов, поэтому силы мгновенного диполя и индуцированного диполя между ними усиливаются. Более сильные связи труднее разорвать, поэтому температура кипения повышается, а летучесть падает.

Три газовых колбы: хлор как бледно-зелёный газ, бром как красно-коричневая жидкость, йод как серо-чёрное твердое вещество — Вниз по Группе 17 галогены меняют цвет и агрегатное состояние: от бледно-зелёного газа к красно-коричневой жидкости и серо-чёрному твердому веществу по мере снижения летучести

Энергия связи (прочность связи) в молекулах $\text{X}\text{–}\text{X}$ обычно снижается от $\text{Cl}_2$ до $\text{I}_2$, так как общие электроны находятся дальше от ядер в более крупных атомах.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Halogen physical trend lab · ⁨Лабораторная работа: физические тренды галогенов⁩

Follow halogens down the group and link state, colour and volatility. · ⁨Идите вниз по группе галогенов и связайте агрегатное состояние, цвет и летучесть.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
halogen/ˈhælədʒn/	галоген
group/ɡruːp/	группа
volatility/ˌvɒləˈtɪlɪti/	летучесть
instantaneous dipole/ˌɪnstənˈteɪnɪəs ˈdaɪpəʊl/	мгновенный диполь
induced dipole/ɪnˈdjuːst ˈdaɪpəʊl/	индуцированный диполь
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/	энергия связи
oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/	окислитель
hydrogen halide/ˈhaɪdrədʒn ˈhælaɪd/	водородный галогенид
thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/	термическая устойчивость
halide ion/ˈhælaɪd ˈaɪɒn/	галогенид-ион
reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/	восстановитель
ammonia/æˈməʊnɪə/	аммиак

11.2

Chemical properties of the halogens and hydrogen halides · ⁨Химические свойства галогенов и водородных галогенидов⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe the relative reactivity of the elements as oxidising agents
describe the reactions of the elements with hydrogen and explain their relative reactivity in these reactions
describe the relative thermal stabilities of the hydrogen halides and explain these in terms of bond strengths

Русский

описывать относительную реакционную способность элементов как окислителей
описывать реакции элементов с водородом и объяснять их относительную реакционную способность в этих реакциях
описывать относительную термическую стабильность водородных галогенидов и объяснять её с точки зрения прочности связей

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Halogens as oxidising agents

Each halogen reacts by gaining one electron to form a $1-$ ion, so it acts as an oxidising agent 氧化剂. This power decreases down the group, because the larger atoms attract an extra electron less strongly. A more reactive halogen can push out a less reactive one from its salt:

$$\text{Cl}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2$$

Reactions with hydrogen

Each halogen reacts with hydrogen to form a hydrogen halide 卤化氢:

$$\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$$

The reaction gets less vigorous down the group: chlorine reacts explosively in light, bromine needs heat, and iodine reacts slowly and only partly.

Thermal stability of the hydrogen halides

The thermal stability 热稳定性 of the hydrogen halides decreases down the group. The H–X bond gets weaker as the halogen atom gets larger, so HI breaks apart on gentle heating while HCl is very stable.

Русский

Галогены как окислители

Каждый галоген реагирует, принимая один электрон и образуя ион $1-$, поэтому он выступает в роли окислителя. Эта способность снижается вниз по группе, так как крупные атомы притягивают дополнительный электрон слабее. Более реакционноспособный галоген может вытеснить менее реакционноспособный из его соли:

Добавление хлора к бесцветному бромиду калия превращает раствор в оранжевый, так как вытесняется бром — Хлор вытесняет бром: раствор становится оранжевым

$$\text{Cl}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2$$

Реакции с водородом

Каждый галоген реагирует с водородом, образуя водородный галогенид:

$$\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$$

Реакция становится менее интенсивной вниз по группе: хлор реагирует взрывчато на свету, бром требует нагрева, а йод реагирует медленно и лишь частично.

Термическая стабильность водородных галогенидов

Термическая стабильность водородных галогенидов снижается вниз по группе. Связь H–X становится weaker по мере увеличения атома галогена, поэтому HI разлагается даже при слабом нагревании, тогда как HCl очень стабилен.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Halogen and hydrogen halide lab · ⁨Лабораторная работа: галогены и галогеноводороды⁩

Classify halogen chemistry by oxidising and reducing strength. · ⁨Классифицируйте химию галогенов по окислительной и восстановительной способности.⁩

11.3

Reactions of the halide ions · ⁨Реакции галогенид-ионов⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe the relative reactivity of halide ions as reducing agents
describe and explain the reactions of halide ions with: (a) aqueous silver ions followed by aqueous ammonia (the formation and formula of the $[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ complex is not required) (b) concentrated sulfuric acid, to include balanced chemical equations

Русский

описывать относительную реакционную способность галогенид-ионов как восстановителей
описывать и объяснять реакции галогенид-ионов с: (a) водным раствором ионов серебра, за которым следует водный раствор аммиака (образование и формула комплекса $[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ не требуются) (b) концентрированной серной кислотой, включая сбалансированные химические уравнения

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Halide ions as reducing agents

A halide ion 卤离子 (such as $\text{Cl}^-$) can give away an electron, acting as a reducing agent 还原剂. This power increases down the group, because a larger ion holds its outer electron less tightly.

Reaction with aqueous silver ions

Add aqueous silver nitrate, then aqueous ammonia 氨, to identify the halide from the colour of the silver halide precipitate 沉淀:

Halide	Precipitate with $\text{Ag}^+$	Solubility in ammonia
$\text{Cl}^-$	white	dissolves in dilute ammonia
$\text{Br}^-$	cream	dissolves only in concentrated ammonia
$\text{I}^-$	yellow	insoluble in ammonia

Reaction with concentrated sulfuric acid

All the halides first give the hydrogen halide. The lower halides are then oxidised by the acid, because they are stronger reducing agents:

$$\text{NaCl} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{HCl}$$

chloride gives only $\text{HCl}$ (no redox).
bromide also gives some brown $\text{Br}_2$ and $\text{SO}_2$.
iodide gives $\text{I}_2$ and the smelly gases $\text{H}_2\text{S}$ and $\text{SO}_2$, because $\text{I}^-$ is the strongest reducing agent.

Русский

Галогенид-ионы как восстановители

Галогенид-ион (например, $\text{Cl}^-$) может отдавать электрон, выступая в роли восстановителя. Эта способность возрастает вниз по группе, так как крупный ион удерживает свой валентный электрон менее прочно.

Два столбца вниз по группе: галогены со стрелкой вниз (снижение окислительной способности), галогенид-ионы со стрелкой вверх (рост восстановительной способности) — Две противоположные тенденции: окислительная способность галогенов снижается вниз по группе, а восстановительная способность галогенид-ионов возрастает

Реакция с водными растворами серебра

Добавьте нитрат серебра в растворе, затем аммиачный раствор, чтобы определить галогенид по цвету осадка银 галогенида:

Галогенид	Осадок с $\text{Ag}^+$	Растворимость в аммиаке
$\text{Cl}^-$	белый	растворяется в разбавленном аммиаке
$\text{Br}^-$	кремовый	растворяется только в концентрированном аммиаке
$\text{I}^-$	жёлтый	нерастворим в аммиаке

Три пробирки с осадками银 галогенидов: белый хлорид серебра, кремовый бромид серебра и жёлтый иодид серебра — Осадки银 галогенидов: AgCl белый, AgBr кремовый и AgI жёлтый — их растворимость в аммиаке подтверждает наличие конкретного галогенида

Три реальные пробирки в деревянной стойке, подписанные AgCl, AgBr и AgI, содержащие белый, светло-кремовый и светло-жёлтый осадки слева направо — Тест на галогениды серебра: AgCl белый, AgBr кремовый, AgI жёлтый

Реакция с концентрированной серной кислотой

Все галогениды сначала образуют водородный галогенид. Нижние галогениды затем окисляются кислотой, так как они являются более сильными восстановителями:

$$\text{NaCl} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{HCl}$$

хлорид даёт только $\text{HCl}$ (нет окислительно-восстановительной реакции).
бромид также даёт часть коричневого $\text{Br}_2$ и $\text{SO}_2$.
иодид даёт $\text{I}_2$ и газы с резким запахом $\text{H}_2\text{S}$ и $\text{SO}_2$, потому что $\text{I}^-$ является самым сильным восстановителем.

Три строки: хлорид даёт только HCl, бромид также даёт бром и диоксид серы, иодид даёт йод, сероводород и диоксид серы; стрелка показывает рост восстановительной способности вниз по группе — С концентрированной серной кислотой хлорид даёт только HCl, но бромид и иодид (более сильные восстановители) также окисляются до свободного галогена

Explore · ⁨Исследовать⁩

Halide ion test lab · ⁨Лабораторный тест на галогенид-ионы⁩

Match halide ion evidence to the ion present. · ⁨Соотнесите признаки галогенид-иона с присутствующим ионом.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/	осадком
oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/	степени окисления
disproportionation/ˌdɪsprəˈpɔːʃəneɪʃn/	диспропорционирование
water purification/ˈwɔːtə ˌpjʊərɪfɪˈkeɪʃn/	очистка воды
bacteria/bækˈtɪərɪə/	бактериями

11.4

Reactions of chlorine · ⁨Реакции хлора⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe and interpret, in terms of changes in oxidation number, the reaction of chlorine with cold and with hot aqueous sodium hydroxide and recognise these as disproportionation reactions
explain, including by use of an equation, the use of chlorine in water purification to include the production of the active species $\text{HOCl}$ and $\text{ClO}^-$ which kill bacteria

Русский

описывать и интерпретировать, с точки зрения изменения степени окисления, реакцию хлора с холодным и горячим водным раствором гидроксида натрия, распознавая их как реакции диспропорционирования
объяснять, включая использование уравнения, применение хлора в очистке воды, включая образование активных видов $\text{HOCl}$ и $\text{ClO}^-$, которые убивают бактерии

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

With sodium hydroxide

With cold, dilute sodium hydroxide, chlorine reacts to form chloride and chlorate(I):

$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$$

With hot, concentrated sodium hydroxide, it forms chloride and chlorate(V):

$$3\text{Cl}_2 + 6\text{NaOH} \rightarrow 5\text{NaCl} + \text{NaClO}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

In both, the oxidation number 氧化数 of chlorine goes both up and down (from $0$), so both are disproportionation 歧化 reactions.

Chlorine in water purification

A little chlorine is added to water for water purification 水净化. It reacts with water:

$$\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HOCl} + \text{HCl}$$

The active species $\text{HOCl}$ and $\text{ClO}^-$ kill bacteria 细菌, making the water safe to drink.

Worked example. Solid $\text{NaCl}$, $\text{NaBr}$ and $\text{NaI}$ are each warmed with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$. Predict the products. Reducing power increases down the group, so how far each halide reduces the sulfuric acid differs. $\text{Cl}^{-}$ is too weak to reduce it at all, so you get only steamy $\text{HCl}$ - an acid-base reaction. $\text{Br}^{-}$ reduces it a little: $\text{HBr}$ plus brown $\text{Br}_2$ and $\text{SO}_2$. $\text{I}^{-}$ is the strongest reducing agent: $\text{HI}$ plus $\text{I}_2$, and it drives the sulfur all the way down to $\text{H}_2\text{S}$, with its bad-egg smell. Every halide gives the hydrogen halide first; the extra products appear only where the halide is a strong enough reducing agent to attack the sulfur.

Русский

Контейнеры с жидким хлором для бассейнов — Хлор добавляют в воду бассейна для уничтожения микроорганизмов.

С гидроксидом натрия

С холодным разбавленным гидроксидом натрия хлор реагирует, образуя хлорид и хлорит(I):

$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$$

С горячим концентрированным гидроксидом натрия он образует хлорид и хлорат(V):

$$3\text{Cl}_2 + 6\text{NaOH} \rightarrow 5\text{NaCl} + \text{NaClO}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

В обоих случаях степень окисления хлора одновременно возрастает и понижается (от $0$), поэтому обе реакции являются реакциями диспропорционирования.

Хлор в очистке воды

Небольшое количество хлора добавляют в воду для её очистки. Он реагирует с водой:

$$\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HOCl} + \text{HCl}$$

Активные частицы $\text{HOCl}$ и $\text{ClO}^-$ убивают бактерии, делая воду безопасной для питья.

Разобранное решение. Твёрдые вещества $\text{NaCl}$, $\text{NaBr}$ и $\text{NaI}$ каждый нагревают с концентрированной $\text{H}_2\text{SO}_4$. Предположите продукты. Восстановительная способность увеличивается при движении по группе вниз, поэтому степень восстановления серной кислоты каждым галогенидом различна. $\text{Cl}^{-}$ слишком слаб, чтобы восстанавливать её вообще, поэтому выделяется только парообразный $\text{HCl}$ — реакция кислота-основание. $\text{Br}^{-}$ восстанавливает её частично: $\text{HBr}$ плюс коричневый $\text{Br}_2$ и $\text{SO}_2$. $\text{I}^{-}$ — самый сильный восстановитель: $\text{HI}$ plus $\text{I}_2$, и он восстанавливает серу полностью до $\text{H}_2\text{S}$, имеющего запах тухлых яиц. Каждый галогенид сначала даёт водородный галогенид; дополнительные продукты появляются только там, где галогенид является достаточно сильным восстановителем, чтобы атаковать серу.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Chlorine reaction route · ⁨Путь реакции хлора⁩

Follow chlorine from water treatment to redox reactions. · ⁨Отслеживайте хлор: от обработки воды до окислительно-восстановительных реакций.⁩

11.4

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Halogens get less reactive down the group (harder to gain an electron); oxidising power decreases.
Displacement: a more reactive halogen displaces a less reactive halide — state the colour change.
Test halide ions with $\text{AgNO}_3$: white ($\text{Cl}^-$), cream ($\text{Br}^-$), yellow ($\text{I}^-$), then confirm with dilute/concentrated ammonia.
Chlorine with water and with cold $\text{NaOH}$ are disproportionation — show the oxidation-number changes.

Русский

Галогены становятся менее реакционноспособными при движении по группе вниз (труднее принять электрон); окислительная способность уменьшается.
Вытеснение: более активный галоген вытесняет менее активный галогенид — укажите изменение цвета.
Проверка ионов галогенидов с помощью $\text{AgNO}_3$: белый осадок ($\text{Cl}^-$), кремовый ($\text{Br}^-$), жёлтый ($\text{I}^-$), затем подтверждение разбавленным/концентрированным аммиаком.
Взаимодействие хлора с водой и холодным $\text{NaOH}$ является диспропорционированием — покажите изменения степеней окисления.

Nitrogen and sulfur · ⁨Азот и сера⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

12.1

Why nitrogen is unreactive · ⁨Почему азот неактивен⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

explain the lack of reactivity of nitrogen, with reference to triple bond strength and lack of polarity
describe and explain: (a) the basicity of ammonia, using the Brønsted–Lowry theory (b) the structure of the ammonium ion and its formation by an acid–base reaction (c) the displacement of ammonia from ammonium salts by an acid–base reaction
state and explain the natural and man-made occurrences of oxides of nitrogen and their catalytic removal from the exhaust gases of internal combustion engines
understand that atmospheric oxides of nitrogen ($\text{NO}$ and $\text{NO}_2$) can react with unburned hydrocarbons to form peroxyacetyl nitrate, PAN, which is a component of photochemical smog
describe the role of $\text{NO}$ and $\text{NO}_2$ in the formation of acid rain both directly and in their catalytic role in the oxidation of atmospheric sulfur dioxide

Русский

объяснять отсутствие реакционной способности азота, ссылаясь на прочность тройной связи и отсутствие полярности
описывать и объяснять: (a) основные свойства аммиака, используя теорию Бренстеда–Лоури (b) строение аммоний-иона и его образование в кислотно-основной реакции (c) вытеснение аммиака из аммониевых солей в кислотно-основной реакции
указывать и объяснять природное и антропогенное появление оксидов азота и их каталитическое удаление из выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания
понимать, что атмосферные оксиды азота ($\text{NO}$ и $\text{NO}_2$) могут реагировать с несгоревшими углеводородами, образуя пероксиацильный нитрат, PAN, который является компонентом фотохимического смога
описывать роль $\text{NO}$ и $\text{NO}_2$ в образовании кислотных дождей как непосредственно, так и в их каталитической роли в окислении атмосферного диоксида серы

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Nitrogen gas, $\text{N}_2$, makes up most of the air but reacts with very little. There are two reasons:

the two nitrogen atoms are joined by a triple bond 三键, which has a very high bond energy 键能. A lot of energy is needed to break it.
the molecule has no polarity 极性 — it is perfectly symmetrical, so nothing pulls other molecules towards it.

Русский

Азотистый газ, $\text{N}_2$, составляет большую часть воздуха, но реагирует очень слабо. На это есть две причины:

два атома азота соединены тройной связью, которая обладает очень высокой энергией связи. Для её разрыва требуется много энергии.
молекула не имеет полярности — она идеально симметрична, поэтому ничто не притягивает другие молекулы к ней.

Два атома азота, соединённых тройной связью, каждый с неподелённой электронной парой, подписаны как сильная связь и симметричная неполярная молекула — Азот неактивен по двум причинам: очень прочная тройная связь и симметричная неполярная молекула

Explore · ⁨Исследовать⁩

The shape of ammonia · ⁨Форма аммиака⁩

Ammonia has three bonding pairs and one lone pair — the lone pair pushes the bonds down into a pyramidal shape (about 107°). · ⁨У аммиака три связывающие пары и одна неподеленная пара — неподеленная пара давит на связи вниз, формируя пирамидальную форму (около 107°).⁩

12.1

Ammonia and the ammonium ion · ⁨Аммиак и аммониевый ион⁩

English

Basicity of ammonia

The basicity 碱性 of ammonia (its ability to act as a base) comes from the lone pair 孤对电子 of electrons on the nitrogen atom. Using the Brønsted–Lowry theory, ammonia is a base because this lone pair can accept a proton 质子 ($\text{H}^+$):

$$\text{NH}_3 + \text{H}^+ \rightarrow \text{NH}_4^+$$

The ammonium ion

When the lone pair forms a bond to $\text{H}^+$, it makes the ammonium ion 铵离子, $\text{NH}_4^+$. Because both shared electrons came from the nitrogen, this new bond is a coordinate bond 配位键. The ion has four identical N–H bonds and a tetrahedral shape.

Displacement of ammonia from its salts

If you warm an ammonium salt with a base (such as sodium hydroxide), you push out ammonia gas. This is an acid–base displacement 置换:

$$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

The sharp smell of ammonia, and damp red litmus turning blue, is a test for an ammonium salt.

Русский

Основность аммиака

Основность аммиака (его способность действовать как основание) обусловлена неподелённой парой электронов на атоме азота. Согласно теории Брёнстеда–Лоури, аммиак является основанием, потому что эта неподелённая пара может принимать протон ($\text{H}^+$):

$$\text{NH}_3 + \text{H}^+ \rightarrow \text{NH}_4^+$$

Аммониевый ион

Когда неподелённая пара образует связь с $\text{H}^+$, образуется аммониевый ион, $\text{NH}_4^+$. Поскольку оба разделённых электрона принадлежали азоту, эта новая связь является донорно-акцепторной связью. Ион имеет четыре одинаковые связи N–H и тетраэдрическую форму.

Вытеснение аммиака из его солей

Если нагреть аммонийную соль со щелочью (например, с гидроксидом натрия), выделяется газ аммиака. Это кислотно-основное вытеснение:

$$\text{NH}_4\text{Cl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

Резкий запах аммиака и окрашивание влажной красной лакмусовой бумаги в синий цвет — это тест на наличие аммонийной соли.

12.1

Oxides of nitrogen and air pollution · ⁨Оксиды азота и загрязнение воздуха⁩

English

Where they come from

Oxides of nitrogen ($\text{NO}$ and $\text{NO}_2$, together called $\text{NO}_x$) come from two sources:

natural: lightning gives enough energy for nitrogen and oxygen in the air to combine.
man-made: the high temperature inside an internal combustion engine 内燃机 makes nitrogen and oxygen react:

$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}$$

Removing them from car exhaust

A catalytic converter 催化转化器 cleans the exhaust gases 尾气. It lets the harmful gases react together to form harmless ones:

$$2\text{NO} + 2\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\text{CO}_2$$

Photochemical smog

In sunlight, $\text{NO}$ and $\text{NO}_2$ react with unburned hydrocarbons to form peroxyacetyl nitrate (PAN). PAN is a harmful part of photochemical smog 光化学烟雾, the brown haze seen over busy cities.

Acid rain

The oxides of nitrogen also help make acid rain 酸雨 in two ways:

directly: $\text{NO}_2$ dissolves in rain to form nitric acid.
as a catalyst: $\text{NO}_2$ speeds up the oxidation of atmospheric sulfur dioxide 二氧化硫 ($\text{SO}_2$) into $\text{SO}_3$, which then forms sulfuric acid in the rain.

Worked example. A white solid is warmed with aqueous $\text{NaOH}$, and a gas is released that turns damp red litmus blue. Identify the gas and the ion in the solid, and explain the reaction. The only common gas that turns damp red litmus blue is ammonia, $\text{NH}_3$, so the solid contains the ammonium ion, $\text{NH}_4^{+}$. The hydroxide ion is the stronger base, so it takes the proton back from the ammonium ion:

$$\text{NH}_4^{+} + \text{OH}^{-} \rightarrow \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

This is the standard test for $\text{NH}_4^{+}$. Always say the litmus is damp: the ammonia must dissolve in the water before it can show its basicity, so dry litmus would give no colour change at all.

Русский

Откуда они берутся

Оксиды азота ($\text{NO}$ и $\text{NO}_2$, вместе называемые $\text{NO}_x$) поступают из двух источников:

естественного происхождения: молния выделяет достаточно энергии для соединения азота и кислорода в воздухе.
антропогенного происхождения: высокая температура внутри двигателя внутреннего сгорания заставляет азот и кислород реагировать:

$$\text{N}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}$$

Удаление их из выхлопных газов автомобиля

Каталитический нейтрализатор очищает выхлопные газы. Он позволяет вредным газам реагировать друг с другом, образуя безвредные:

$$2\text{NO} + 2\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\text{CO}_2$$

Вредные газы NO и CO проходят через катализатор и выходят в виде безвредных азота и углекислого газа — В катализаторе вредные газы NO и CO реагируют над катализатором, образуя безвредные N$_2$ и CO$_2$

Фотохимический смог

На свету $\text{NO}$ и $\text{NO}_2$ реагируют с несгоревшими углеводородами, образуя пероксиацилинитрат (PAN). PAN — вредный компонент фотохимического смога, коричневатой дымки, видимой над оживлёнными городами.

Панорамный вид большого города с выраженным коричнево-серым слоем дымки над зданиями под ясным голубым небом — Фотохимический смог над крупным городом. Коричневый слой задерживается низко, прямо там, где находятся выхлопные газы транспорта — солнечный свет превращает те оксиды азота и несгоревшие углеводороды в дымку, которую вы видите

Кислотные дожди

Оксиды азота также способствуют образованию кислотных дождей двумя способами:

напрямую: $\text{NO}_2$ растворяется в дождевой воде, образуя азотную кислоту.
как катализатор: $\text{NO}_2$ ускоряет окисление атмосферного сернистого газа ($\text{SO}_2$) до $\text{SO}_3$, который затем образует серную кислоту в дожде.

Блок-схема: NO2 образует азотную кислоту, SO2 образует серную кислоту, причём NO2 также катализирует путь серы, оба процесса приводят к кислотным дождям — Оксиды азота и серы вызывают кислотные дожди: NO$_2$ образует азотную кислоту напрямую, а также катализирует окисление SO$_2$ до серной кислоты

Разобранный пример. Белый твердый продукт нагревают с водным $\text{NaOH}$, при этом выделяется газ, который окрашивает влажную красную лакмусовую бумагу в синий цвет. Определите газ и ион в твердом веществе, а также объясните реакцию. Единственным распространенным газом, который окрашивает влажную красную лакмусовую бумагу в синий цвет, является аммиак, $\text{NH}_3$, поэтому в твердом веществе содержится ион аммония, $\text{NH}_4^{+}$. Гидроксид-ион является более сильной основью, поэтому он отнимает протон у иона аммония:

$$\text{NH}_4^{+} + \text{OH}^{-} \rightarrow \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

Это стандартный тест на $\text{NH}_4^{+}$. Всегда указывайте, что лакмусовая бумага влажная: аммиак должен раствориться в воде, чтобы проявить свои основные свойства, поэтому сухая лакмусовая бумага не изменит свой цвет.

Explore · ⁨Исследовать⁩

NOx pollution route · ⁨Путь загрязнения NOx⁩

Trace nitrogen oxides from hot engines to environmental harm. · ⁨Следовые оксиды азота от горячих двигателей до экологического вреда.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
triple bond/ˈtrɪpl bɒnd/	тройная связь
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/	энергия связи
polarity/pəʊˈlærɪti/	полярность
basicity/beɪˈsɪsɪti/	основность
lone pair/ləʊn peə/	несвязывающая пара ( lone pair )
proton/ˈprəʊtɒn/	протон
ammonium ion/æˈməʊnɪəm ˈaɪɒn/	аммоний-ион
coordinate bond/kəʊˈɔːdɪnət bɒnd/	донорно-акцепторная связь
displacement/dɪˈspleɪsmənt/	перемещение
internal combustion engine/ɪnˈtɜːnl kəmˈbʌstʃn ˈendʒɪn/	двигатель внутреннего сгорания
catalytic converter/ˌkætəˈlɪtɪk kənˈvɜːtə/	каталитический нейтрализатор
exhaust gases/eɡˈzɔːst ˈɡæsɪz/	выхлопные газы
photochemical smog/ˌfəʊtəʊˈkemɪkl smɒɡ/	фотохимический смог
acid rain/ˈæsɪd reɪn/	кислотные дожди
sulfur dioxide/ˈsʌlfɜː daɪˈɒksaɪd/	диоксидом серы

12.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

$\text{N}_2$ is unreactive because of its strong triple bond (very high bond energy) — state this exactly.
Ammonia is a base and a ligand because of its lone pair; the ammonium ion forms by a dative bond.
Explain how oxides of nitrogen form (high temperature in engines) and their link to acid rain and photochemical smog.
Give balanced equations and correct observations for reactions of ammonia and the ammonium ion.

Русский

$\text{N}_2$ инертен из-за своей прочной тройной связи (очень высокая энергия связи) — укажите это точно.
Аммиак является основанием и лигандом благодаря неподеленной электронной паре; ион аммония образуется по донорно-акцепторному механизму.
Объясните, как образуются оксиды азота (высокая температура в двигателях) и их связь с кислотными дождями и фотохимическим смогом.
Приведите сбалансированные уравнения и правильные наблюдения для реакций аммиака и иона аммония.

An introduction to AS Level organic chemistry · ⁨Введение в органическую химию уровня AS⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

13.1

Formulas, functional groups and naming · ⁨Формулы, функциональные группы и номенклатура⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define the term hydrocarbon as a compound made up of C and H atoms only
understand that alkanes are simple hydrocarbons with no functional group
understand that the compounds in the table on pages 29 and 30 contain a functional group which dictates their physical and chemical properties
interpret and use the general, structural, displayed and skeletal formulas of the classes of compound stated in the table on pages 29 and 30
understand and use systematic nomenclature of simple aliphatic organic molecules with functional groups detailed in the table on pages 29 and 30, up to six carbon atoms (six plus six for esters, straight chains only for esters and nitriles)
deduce the molecular and/or empirical formula of a compound, given its structural, displayed or skeletal formula

Русский

определить термин углеводород как соединение, состоящее только из атомов C и H
понимать, что алканы — это простые углеводороды без функциональной группы
понимать, что соединения в таблице на страницах 29 и 30 содержат функциональную группу, которая диктует их физические и химические свойства
интерпретировать и использовать общие, структурные, развернутые и скелетные формулы классов соединений, указанных в таблице на страницах 29 и 30
понимать и использовать систематическую номенклатуру простых алифатических органических молекул с функциональными группами, детально описанными в таблице на страницах 29 и 30, до шести атомов углерода (шесть плюс шесть для эфиров, только прямые цепи для эфиров и нитрилов)
выводить молекулярную и/или эмпирическую формулу соединения, зная его структурную, развернутую или скелетную формулу

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

A hydrocarbon 碳氢化合物 is a compound of only carbon and hydrogen. Alkanes 烷烃 are the simplest hydrocarbons and have no functional group.

A functional group 官能团 is the reactive part of a molecule. It decides the physical and chemical properties of the compound, so molecules with the same functional group behave alike (for example the $\text{–OH}$ group in alcohols).

Types of formula

Formula	What it shows
general formula 通式	the pattern for a whole family, e.g. alkanes are $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$
molecular formula 分子式	the actual number of each atom, e.g. $\text{C}_4\text{H}_{10}$
structural formula 结构式	the groups in order, e.g. $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3$
displayed formula 展开式	every atom and every bond drawn out
skeletal formula 骨架式	lines for bonds; carbons at corners, hydrogens on carbon not shown

You can read off the empirical formula 实验式 (simplest ratio) from any of these.

Naming

Use systematic nomenclature 命名法: a stem for the number of carbons (meth-, eth-, prop-, but-, pent-, hex- for 1 to 6), an ending for the functional group, and numbers to show where groups are.

Русский

Образец темной сырой нефти — Сырая нефть — это сложная смесь углеводородов, являющаяся исходным сырьем для органической химии.

Углеводород — это соединение, состоящее только из углерода и водорода. Алканы — простейшие углеводороды и не имеют функциональной группы.

Функциональная группа — это реакционная часть молекулы. Она определяет физические и химические свойства соединения, поэтому молекулы с одной и той же функциональной группой ведут себя аналогично (например, группа $\text{–OH}$ в спиртах).

Типы формул

Формула	Что показывает
общая формула	закономерность для целого семейства, например, алканы имеют $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$
молекулярная формула	фактическое количество каждого атома, например, $\text{C}_4\text{H}_{10}$
структурная формула	группы в порядке следования, например, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3$
пространственная (развернутая) формула	все атомы и все связи изображены полностью
скелетная формула	линии обозначают связи; углерод находится в углах, атомы водорода у углерода не показываются

Бутан, нарисованный четырьмя способами: молекулярная формула, структурная формула, развернутая формула со всеми атомами и связями, и скелетная зигзагообразная — Одна и та же молекула (бутан), показанная четырьмя способами — молекулярная, структурная, развернутая и скелетная — каждый последующий способ скрывает больше деталей, чем предыдущий

Вы можете определить эмпирическую формулу (простейшее соотношение) из любой из них.

Номенклатура

Используйте систематическую номенклатуру: корень для количества атомов углерода (мет-, эт-, проп-, бут-, пент-, гекс- для 1–6), окончание для функциональной группы и цифры для указания положения групп.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Functional group lab · ⁨Лаборатория функциональных групп⁩

Sort organic molecules by the group that controls their reactions. · ⁨Отсортируйте органические молекулы по группе, определяющей их реакции.⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

13.2

Characteristic organic reactions · ⁨Характерные органические реакции⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

interpret and use the following terminology associated with types of organic compounds and reactions: (a) homologous series (b) saturated and unsaturated (c) homolytic and heterolytic fission (d) free radical, initiation, propagation, termination (e) nucleophile, electrophile, nucleophilic, electrophilic (f) addition, substitution, elimination, hydrolysis, condensation (g) oxidation and reduction (in equations for organic redox reactions, the symbol [O] can be used to represent one atom of oxygen from an oxidising agent and the symbol [H] to represent one atom of hydrogen from a reducing agent)
understand and use the following terminology associated with types of organic mechanisms: (a) free-radical substitution (b) electrophilic addition (c) nucleophilic substitution (d) nucleophilic addition (in organic reaction mechanisms, the use of curly arrows to represent movement of electron pairs is expected; the arrow should begin at a bond or a lone pair of electrons)

Русский

интерпретировать и использовать следующую терминологию, связанную с типами органических соединений и реакций: (a) гомологический ряд (b) насыщенные и ненасыщенные (c) гомолитическое и гетеролитическое расщепление (d) свободный радикал, инициирование, распространение, завершение (e) нуклеофил, электрофил, нуклеофильный, электрофильный (f) присоединение, замещение, элиминирование, гидролиз, конденсация (g) окисление и восстановление (в уравнениях органических окислительно-восстановительных реакций символ [O] может использоваться для обозначения одного атома кислорода из окислителя, а символ [H] — для обозначения одного атома водорода из восстановителя)
понимать и использовать следующую терминологию, связанную с типами органических механизмов: (a) свободно-радикальное замещение (b) электрофильное присоединение (c) нуклеофильное замещение (d) нуклеофильное присоединение (в механизмах органических реакций ожидается использование изогнутых стрелок для обозначения движения пар электронов; стрелка должна начинаться от связи или неподеленной пары электронов)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Some key terms

a homologous series 同系列 is a family of compounds with the same functional group and general formula, where each member differs by $\text{CH}_2$.
a saturated 饱和 compound has only single C–C bonds; an unsaturated 不饱和 compound has a C=C double bond (or a triple bond).

Breaking bonds

A covalent bond can break in two ways:

homolytic fission 均裂: the bond splits evenly, one electron to each atom. This makes two free radicals 自由基 (species with an unpaired electron).
heterolytic fission 异裂: the bond splits unevenly, both electrons going to one atom. This makes two ions.

Attacking species

a nucleophile 亲核试剂 is a species with a lone pair that is attracted to a positive (electron-poor) centre.
an electrophile 亲电试剂 is a species attracted to a negative (electron-rich) centre, such as a C=C double bond.

Types of reaction

Reaction	What happens
addition 加成	two molecules join to make one
substitution 取代	one atom or group is swapped for another
elimination 消去	a small molecule is removed, making a double bond
hydrolysis 水解	a molecule is split apart by water
condensation 缩合	two molecules join and a small molecule (such as water) is lost

For organic redox, the symbol $[\text{O}]$ stands for one oxygen atom from an oxidising agent, and $[\text{H}]$ for one hydrogen atom from a reducing agent.

Types of mechanism

A free-radical reaction happens in three steps: initiation 引发 (radicals are made), propagation 增长 (radicals react and make new radicals), and termination 终止 (two radicals join and stop the chain).

The main mechanisms you meet are free-radical substitution 自由基取代 (alkanes), electrophilic addition 亲电加成 (alkenes), nucleophilic substitution 亲核取代 (halogenoalkanes) and nucleophilic addition 亲核加成 (carbonyls). In mechanisms, a curly arrow 弯箭头 shows a pair of electrons moving; it starts at a bond or a lone pair 孤对电子.

Русский

Некоторые ключевые термины

гомологический ряд — это семейство соединений с одинаковой функциональной группой и общей формулой, где каждый следующий член отличается на $\text{CH}_2$.
насыщенное соединение имеет только одинарные C–C связи; ненасыщенное соединение содержит двойную C=C связь (или тройную связь).

Разрыв связей

Ковалентная связь может разрываться двумя способами:

гомолитический разрыв: связь расщепляется поровну, по одному электрону к каждому атому. При этом образуются два свободных радикала (частицы с неспаренным электроном).
гетеролитический разрыв: связь расщепляется неравномерно, оба электрона переходят к одному атому. При этом образуются два иона.

Гомолитический разрыв, разделяющий Cl–Cl связь на два хлорных радикала; гетеролитический разрыв, направленный на бром, передающий обе связывающие электроны и образующий два иона — Гомолитический разрыв дает по одному электрону каждому атому (два радикала); гетеролитический разрыв дает оба электрона одному атому (два иона)

Атакующие частицы

нуклеофил — это частица с неподеленной электронной парой, которая привлекается к положительному (дефицитному по электронам) центру.
электрофил — это частица, привлекающаяся к отрицательному (богатому электронами) центру, такому как двойная связь C=C.

Нуклеофил использует свою неподеленную пару для атаки на слегка положительный углерод; электрофил притягивается к двойной связи C=C — Нуклеофил использует свою неподеленную пару для атаки на дефицитный по электронам центр; электрофил притягивается к богатому электронами центру, такому как двойная связь C=C

Типы реакций

Реакция	Что происходит
присоединение	две молекулы соединяются, образуя одну
замещение	один атом или группа заменяется другим
элиминирование	удаляется малая молекула, образуется двойная связь
гидролиз	молекула расщепляется под действием воды
конденсация	две молекулы соединяются, и выделяется небольшая молекула (например, вода)

Для органического окисления-восстановления символ $[\text{O}]$ обозначает один атом кислорода от окислителя, а $[\text{H}]$ — один атом водорода от восстановителя.

Типы механизмов

Реакция свободного радикала протекает в три этапа: инициация (образуются радикалы), пропагация (радикалы реагируют и образуют новые радикалы) и терминация (два радикала соединяются, останавливая цепь).

Основные изучаемые механизмы — свободно-радикальное замещение (алканы), электрофильное присоединение (алкены), нуклеофильное замещение (галогеналканы) и нуклеофильное присоединение (карбонильные соединения). В механизмах изогнутая стрелка показывает движение пары электронов; она начинается от связи или от неподеленной электронной пары.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Bond fission and attack route · ⁨Разрыв связей и маршрут атаки⁩

Watch a polar bond lead to electrophiles, nucleophiles and radicals. · ⁨Посмотрите, как полярная связь приводит к образованию электрофилов, нуклеофилов и радикалов.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Organic reaction type lab · ⁨Лаборатория типов органических реакций⁩

Classify reaction examples by the pattern of bonds changing. · ⁨Классифицируйте примеры реакций по паттерну изменения связей.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
hydrocarbon/ˈhaɪdrəkɑːbən/	углеводород
alkane/ˈælkeɪn/	алкан
functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/	функциональная группа
general formula/ˈdʒenərəl ˈfɔːmjʊlə/	общая формула
molecular formula/məˈlekjʊlə ˈfɔːmjʊlə/	молекулярная формула
structural formula/ˈstrʌktʃərəl ˈfɔːmjʊlə/	структурная формула
displayed formula/dɪˈspleɪd ˈfɔːmjʊlə/	развернутая формула
skeletal formula/ˈskelɪtl ˈfɔːmjʊlə/	скелетная формула
empirical formula/emˈpɪrɪkl ˈfɔːmjʊlə/	эмпирическая формула
nomenclature/nəˈmeŋklətʃə/	номенклатура
homologous series/həˈmɒləɡəs ˈsɪəriːz/	гомологический ряд
saturated/ˈsætʃəreɪtɪd/	насыщенным
unsaturated/ʌnˈsætʃəreɪtɪd/	ненасыщенным
homolytic fission/ˌhɒməˈlɪtɪk ˈfɪʃn/	гомолитический разрыв
free radical/friː ˈrædɪkl/	свободный радикал
heterolytic fission/ˌhetrəˈlɪtɪk ˈfɪʃn/	гетеролитический разрыв
nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/	нуклеофил
electrophile/ɪˌlektrəʊˈfaɪl/	электрофил
addition/əˈdɪʃn/	присоединение
substitution/ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	замещение
elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/	элиминирование
hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/	гидролиз
condensation/kɒndenˈseɪʃn/	конденсация
initiation/ɪˌnɪʃɪˈeɪʃn/	инициация
propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/	пропагация
termination/ˌtɜːmɪˈneɪʃn/	терминация
free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	замещение свободными радикалами
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/	электрофильное присоединение
nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	нуклеофильное замещение
nucleophilic addition/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk əˈdɪʃn/	нуклеофильное присоединение
curly arrow/ˈkɜːli ˈærəʊ/	кривая стрелка
lone pair/ləʊn peə/	несвязывающая пара ( lone pair )
cyclic/ˈsaɪklɪk/	циклическое

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

13.3

Shapes of organic molecules · ⁨Пространственные формы органических молекул⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe organic molecules as either straight-chained, branched or cyclic
describe and explain the shape of, and bond angles in, molecules containing $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ and $\text{sp}^3$ hybridised atoms
describe the arrangement of $\sigma$ and $\pi$ bonds in molecules containing $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ and $\text{sp}^3$ hybridised atoms
understand and use the term planar when describing the arrangement of atoms in organic molecules, for example ethene

Русский

описывать органические молекулы как прямоцепные, разветвленные или циклические
описывать и объяснять форму и валентные углы в молекулах, содержащих $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ и $\text{sp}^3$ гибридизованные атомы
описывать расположение $\sigma$ и $\pi$ связей в молекулах, содержащих $\text{sp}$, $\text{sp}^2$ и $\text{sp}^3$ гибридизованные атомы
понимать и использовать термин плоскостность при описании расположения атомов в органических молекулах, например, этена

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Organic molecules can be straight-chained, branched or cyclic 环状 (in a ring).

The shape around a carbon depends on its hybridisation 杂化:

Hybridisation	Bonds	Shape	Angle
$\text{sp}^3$	4 single	tetrahedral	$109.5°$
$\text{sp}^2$	1 double + 2 single	planar 平面 (flat)	$120°$
$\text{sp}$	1 triple (or 2 doubles)	linear	$180°$

Every single bond is a sigma bond σ键, made by direct overlap. A double bond is one sigma bond plus one pi bond π键, made by sideways overlap of p orbitals. Ethene is planar because of its $\text{sp}^2$ carbons.

Русский

Органические молекулы могут быть линейными, разветвленными или циклическими (в кольце).

Форма вокруг атома углерода зависит от его гибридизации:

Гибридизация	Связи	Форма	Угол
$\text{sp}^3$	4 одинарная	тетраэдрическая	$109.5°$
$\text{sp}^2$	1 двойная + 2 одинарные	плоская (плоская геометрия)	$120°$
$\text{sp}$	1 тройная (или 2 двойные)	линейная	$180°$

Каждая одинарная связь — это сигма-связь σ, образованная прямым перекрыванием. Двойная связь состоит из одной сигма-связи и одной пи-связи π, образованной боковым перекрыванием p-орбиталей. Этилен является плоским молекулой благодаря своим $\text{sp}^2$ атомам углерода.

Три атома углерода: sp3-гибридизованный углерод в тетраэдрическом метане, sp2-гибридизованный углерод в плоском этене и sp-гибридизованный углерод в линейном этине, каждый со своим углом связи — Форма вокруг атома углерода определяется его гибридизацией: sp$^3$ — тетраэдрическая ($109.5°$), sp$^2$ — плоская ($120°$), sp — линейная ($180°$)

Explore · ⁨Исследовать⁩

Shapes of organic molecules · ⁨Формы органических молекул⁩

VSEPR around each carbon · ⁨VSEPR вокруг каждого атома углерода⁩

Around a single-bonded carbon the four pairs are tetrahedral (109.5°). · ⁨Вокруг одинарно связанного атома углерода четыре пары расположены тетраэдрически (109.5°).⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
hybridisation/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/	гибридизация
planar/ˈpleɪnə/	плоский
sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/	σ-связь
pi bond/paɪ bɒnd/	пи-связь

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

13.4

Isomerism · ⁨Изомерия⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe structural isomerism and its division into chain, positional and functional group isomerism
describe stereoisomerism and its division into geometrical (cis/trans) and optical isomerism (use of E/Z nomenclature is acceptable but is not required)
describe geometrical (cis/trans) isomerism in alkenes, and explain its origin in terms of restricted rotation due to the presence of $\pi$ bonds
explain what is meant by a chiral centre and that such a centre gives rise to two optical isomers (enantiomers) (Candidates should appreciate that compounds can contain more than one chiral centre, but knowledge of meso compounds, or nomenclature such as diastereoisomers is not required.)
identify chiral centres and geometrical (cis/trans) isomerism in a molecule of given structural formula including cyclic compounds
deduce the possible isomers for an organic molecule of known molecular formula

Русский

описывать структурную изомерию и ее деление на углеродный скелет, позиционную и функционально-групповую изомерию
описывать стереоизомерию и ее деление на геометрическую (цис/транс) и оптическую изомерию (использование номенклатуры E/Z допустимо, но не требуется)
описывать геометрическую (цис/транс) изомерию в алкенах и объяснять её возникновение с точки зрения ограниченного вращения из-за наличия $\pi$ связей
объяснять, что понимается под хиральным центром и что такой центр порождает две оптические изомера (энантиомеры) (Кандидаты должны понимать, что соединения могут содержать более одного хирального центра, но знание мезо-соединений или номенклатуры, такой как диастереоизомеры, не требуется.)
определять хиральные центры и геометрическую (цис/транс) изомерию в молекуле по заданной структурной формуле, включая циклические соединения
выводить возможные изомеры для органической молекулы с известной молекулярной формулой

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Isomers are compounds with the same molecular formula but a different arrangement of atoms. This is called isomerism 异构.

Structural isomerism

In structural isomerism 结构异构 the atoms are joined in a different order. There are three kinds:

chain isomerism 链异构: the carbon chain is branched in different ways.
positional isomerism 位置异构: the functional group is on a different carbon.
functional group isomerism 官能团异构: the atoms form a different functional group (for example an alcohol and an ether).

Stereoisomerism

In stereoisomerism 立体异构 the atoms are joined in the same order but point in different directions in space.

geometrical isomerism 几何异构 (cis/trans) happens at a C=C double bond. The pi bond stops the two carbons rotating (restricted rotation 受限旋转), so groups are fixed on the same side (cis 顺式) or opposite sides (trans 反式).

optical isomerism 旋光异构 happens at a chiral 手性 carbon — a chiral centre 手性中心 is a carbon with four different groups attached. Such a carbon gives two mirror-image forms called enantiomers 对映体. A molecule may have more than one chiral centre.

From a molecular formula you can deduce the possible isomers by trying different chains, positions and functional groups.

Worked example. Explain why but-2-ene shows cis-trans (E/Z) isomerism but but-1-ene does not. Stereoisomerism at a C=C needs two things: restricted rotation about the double bond (both alkenes have that), and two different groups on each of the two double-bond carbons. In but-2-ene, $\text{CH}_3\text{CH=CHCH}_3$, each double-bond carbon carries an $\text{H}$ and a $\text{CH}_3$ - different, so the methyl groups can sit on the same side (cis / Z) or on opposite sides (trans / E). In but-1-ene, $\text{CH}_2\text{=CHCH}_2\text{CH}_3$, the first carbon carries two hydrogens - identical, so swapping them changes nothing and only one form exists. Test each double-bond carbon separately: two identical groups on either carbon kills the isomerism, however different the other carbon may be.

Русский

Изомеры — это соединения с одинаковой молекулярной формулой, но разным расположением атомов. Это называется изомерией.

Структурная изомерия

При структурной изомерии атомы соединены в разном порядке. Выделяют три вида:

цепная изомерия: углеродная цепь разветвляется по-разному.
позиционная изомерия: функциональная группа находится у другого атома углерода.
изомерия функциональных групп: атомы образуют разные функциональные группы (например, спирт и эфир).

Три пары скелетных структур: бутан против 2-метилпропана, пропан-1-ол против пропан-2-ола и этанол против метоксиметана — Три вида структурной изомерии — цепная, позиционная и функциональной группы — каждая пара имеет одинаковую молекулярную формулу

Стереоизомеризм

При стереоизомерии атомы соединены в одном порядке, но направлены в разные стороны пространства.

геометрическая изомерия (цис/транс) возникает при двойной связи C=C. Пи-связь препятствует вращению двух атомов углерода (ограниченное вращение), поэтому группы фиксируются на одной стороне (цис) или на противоположных сторонах (транс).

Бут-2-ен нарисован дважды: цис с обеими метильными группами по одну сторону от двойной связи, транс — по разные стороны — Цис–транс изомерия при связи C=C: метильные группы зафиксированы по одну сторону (цис) или по противоположным сторонам (транс), так как связь не может вращаться

оптическая изомерия возникает у хирального атома углерода — хиральный центр это атом углерода с четырьмя различными заместителями. Такой атом дает две зеркально-отраженные формы, называемые энантиомерами. Молекула может иметь более одного хирального центра.

Атом углерода, связанный с четырьмя разными атомами (F, H, Cl, Br), нарисованный рядом со своим зеркальным отражением; две формы не совмещаются — Оптическая изомерия: атом углерода с четырьмя различными группами образует две зеркально-отраженные формы (энантиомеры), которые невозможно совместить

По молекулярной формуле можно определить возможные изомеры, пробуя различные цепи, положения и функциональные группы.

Разобранное решение. Объясните, почему бут-2-ен проявляет цис–транс (E/Z) изомерию, а бут-1-ен — нет. Для стереоизомерии при C=C нужны два условия: ограниченное вращение вокруг двойной связи (это есть у обоих алкенов), и наличие двух различных групп у каждого из двух атомов углерода двойной связи. В бут-2-ене, $\text{CH}_3\text{CH=CHCH}_3$, каждый атом углерода двойной связи несет $\text{H}$ и $\text{CH}_3$ — они различны, поэтому метильные группы могут находиться по одну сторону (цис / Z) или по противоположные стороны (транс / E). В бут-1-ене, $\text{CH}_2\text{=CHCH}_2\text{CH}_3$, первый атом углерода несет два атома водорода — они идентичны, поэтому их обмен ничего не меняет, и существует только одна форма. Проверяйте каждый атом углерода двойной связи отдельно: наличие двух одинаковых групп у любого атома углерода исключает изомерию, какой бы ни был другой атом.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Structural isomerism lab · ⁨Лабораторная работа: структурная изомерия⁩

Compare molecules with the same formula but different structures. · ⁨Сравните молекулы с одинаковой формулой, но разной структурой.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
isomerism/ˈaɪsəmərɪzəm/	изомерия
structural isomerism/ˈstrʌktʃərəl ˈaɪsəmərɪzəm/	структурная изомерия
chain isomerism/tʃeɪn ˈaɪsəmərɪzəm/	цепной изомерии
positional isomerism/pəˈzɪʃənl ˈaɪsəmərɪzəm/	позиционной изомерии
functional group isomerism/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp ˈaɪsəmərɪzəm/	изомерии функциональных групп
stereoisomerism/ˈsterɪəʊɪsəmərɪzəm/	стереоизомерия
geometrical isomerism/ˌdʒiːəʊˈmetrɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/	геометрической изомерии
restricted rotation/rɪˈstrɪktɪd rəʊˈteɪʃn/	ограниченное вращение
cis/sɪs/	цис-
trans/trænz/	транс-
optical isomerism/ˈɒptɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/	оптическая изомерия
chiral/ˈkaɪrəl/	хиральным
chiral centre/ˈkaɪrəl ˈsentə/	хиральный центр
enantiomers/eˈnæntɪəməz/	энантиомеры

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

13.4

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Know the difference between general, molecular, structural, displayed and skeletal formulas — questions ask for a specific one.
Name systematically: longest chain, lowest locants, substituents alphabetical; a wrong locant loses the mark.
Classify each reaction by type and reagent (addition, substitution, elimination, oxidation).
E/Z isomerism needs restricted rotation about a $\text{C}=\text{C}$ and two different groups on each carbon.

Русский

Знать разницу между общей, молекулярной, структурной, развернутой и скелетной формулами — вопросы требуют конкретный вид.
Называть систематически: самая длинная цепь, наименьшие локальные номера, заместители по алфавиту; неверный локальный номер лишает балла.
Классифицировать каждую реакцию по типу и реагенту (присоединение, замещение, отщепление, окисление).
E/Z изомерия требует ограниченного вращения вокруг $\text{C}=\text{C}$ и наличия двух различных групп у каждого атома.

Hydrocarbons · ⁨Углеводороды⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

14.1

Alkanes · ⁨Алканы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions (reagents and conditions) by which alkanes can be produced: (a) addition of hydrogen to an alkene in a hydrogenation reaction, $\text{H}_2\text{(g)}$ and $\text{Pt/Ni}$ catalyst and heat (b) cracking of a longer chain alkane, heat with $\text{Al}_2\text{O}_3$
describe: (a) the complete and incomplete combustion of alkanes (b) the free-radical substitution of alkanes by $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in the presence of ultraviolet light, as exemplified by the reactions of ethane
describe the mechanism of free-radical substitution with reference to the initiation, propagation and termination steps
suggest how cracking can be used to obtain more useful alkanes and alkenes of lower $M_r$ from heavier crude oil fractions
understand the general unreactivity of alkanes, including towards polar reagents in terms of the strength of the $\text{C–H}$ bonds and their relative lack of polarity
recognise the environmental consequences of carbon monoxide, oxides of nitrogen and unburnt hydrocarbons arising from the combustion of alkanes in the internal combustion engine and of their catalytic removal

Русский

вспоминать реакции (реагенты и условия), с помощью которых можно получить алканы: (a) присоединение водорода к алкену в реакции гидрирования, $\text{H}_2\text{(g)}$ и $\text{Pt/Ni}$ катализатор и нагревание (b) крекинг алкана с более длинной цепью, нагревание с $\text{Al}_2\text{O}_3$
описывать: (a) полное и неполное горение алканов (b) свободно-радикальное замещение алканов $\text{Cl}_2$ или $\text{Br}_2$ в присутствии ультрафиолетового света, как это показано на примерах реакций этана
описывать механизм свободно-радикального замещения со ссылкой на этапы инициации, распространения и завершения
предлагать, как крекинг может быть использован для получения более полезных алканов и алкенов с меньшей $M_r$ из тяжелых фракций сырой нефти
понимать общую инертность алканов, включая их неактивность по отношению к полярным реагентам, с точки зрения прочности $\text{C–H}$ связей и их относительной неполярности
распознавать экологические последствия оксида углерода, оксидов азота и несгоревших углеводородов, возникающих при сгорании алканов в двигателе внутреннего сгорания, а также их каталитического удаления

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Alkanes 烷烃 are saturated hydrocarbons (general formula $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$).

Making alkanes

hydrogenation 氢化: add hydrogen to an alkene 烯烃, using a $\text{Pt}$ or $\text{Ni}$ catalyst and heat.
cracking 裂化: break a long-chain alkane into shorter ones by heating with $\text{Al}_2\text{O}_3$.

Combustion

In combustion 燃烧 an alkane burns in oxygen:

complete combustion 完全燃烧 (plenty of oxygen) gives carbon dioxide and water.
incomplete combustion 不完全燃烧 (not enough oxygen) gives water plus toxic carbon monoxide 一氧化碳 ($\text{CO}$) and soot (carbon).

You are often asked to write the balanced equation. Balance it in a fixed order - carbon first, then hydrogen, and oxygen last - because oxygen is the only element left on just one side:

$$\text{C}_6\text{H}_{14} + 9\tfrac{1}{2}\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 7\,\text{H}_2\text{O}$$

The 6 carbons fix $6\,\text{CO}_2$; the 14 hydrogens fix $7\,\text{H}_2\text{O}$; counting the oxygens on the right gives $12 + 7 = 19$, so the left needs $19 \div 2 = 9\tfrac{1}{2}$. A half of $\text{O}_2$ is perfectly acceptable in this equation - and if the question asks for whole numbers, simply double everything ($2\,\text{C}_6\text{H}_{14} + 19\,\text{O}_2 \rightarrow 12\,\text{CO}_2 + 14\,\text{H}_2\text{O}$).

Free-radical substitution

Alkanes react with chlorine or bromine by free-radical substitution 自由基取代, in ultraviolet light 紫外线. For ethane and chlorine the mechanism has three steps:

initiation 引发 — UV light splits the halogen into two free radicals 自由基: $\;\text{Cl}_2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ This kind of break is homolytic fission 均裂: the bond splits evenly, one electron going to each atom, which is what makes two radicals. (The opposite, heterolytic fission 异裂, sends both electrons to one atom and makes a pair of ions - that is what happens in the polar mechanisms such as electrophilic addition.) Examiners ask for this word by name, so use it.
propagation 增长 — radicals react and make new radicals:
$$\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_6 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{HCl} \qquad \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} + \text{Cl}\cdot$$
termination 终止 — two radicals join, ending the chain: $\;\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_5\cdot \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$

Why cracking is useful, and why alkanes are unreactive

Cracking turns heavy fractions of crude oil 原油 into more useful, lower-$M_r$ alkanes and alkenes. (A fraction 馏分 is a group of molecules with a similar boiling-point range.)

Alkanes are generally unreactive, especially towards polar reagents. This is because the C–H and C–C bonds are strong and have little polarity 极性, so there is no charge to attract an attacking species.

Environmental effects

Burning alkanes in an internal combustion engine gives off carbon monoxide, oxides of nitrogen and unburnt hydrocarbons. A catalytic converter removes these by turning them into harmless gases.

Русский

Синее пламя на газовой плите — Природный газ — преимущественно метан, самый простой алкан — горит на плите.

Алканы — это насыщенные углеводороды (общая формула $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$).

Получение алканов

гидрирование: присоединение водорода к алкену с использованием катализатора $\text{Pt}$ или $\text{Ni}$ и нагревания.
крекинг: разрыв длинноцепочечного алкана на более короткие путем нагревания с $\text{Al}_2\text{O}_3$.

Горение

При горении алкан сгорает в кислороде:

полное горение (достаточно кислорода) дает диоксид углерода и воду.
неполное горение (недостаточно кислорода) дает воду, токсичный угарный газ ($\text{CO}$) и сажу (углерод).

Вам часто предлагают написать уравнение реакции. Уравняйте его в строгом порядке: сначала углерод, затем водород и кислород в последнюю очередь, так как кислород остается единственным элементом, присутствующим только на одной стороне уравнения:

$$\text{C}_6\text{H}_{14} + 9\tfrac{1}{2}\,\text{O}_2 \rightarrow 6\,\text{CO}_2 + 7\,\text{H}_2\text{O}$$

Атомы углерода 6 фиксируют $6\,\text{CO}_2$; атомы водорода 14 фиксируют $7\,\text{H}_2\text{O}$; подсчет атомов кислорода справа дает $12 + 7 = 19$, значит, слева нужно $19 \div 2 = 9\tfrac{1}{2}$. Половина $\text{O}_2$ абсолютно приемлема в этом уравнении — и если вопрос требует целые числа, просто умножьте всё на два ($2\,\text{C}_6\text{H}_{14} + 19\,\text{O}_2 \rightarrow 12\,\text{CO}_2 + 14\,\text{H}_2\text{O}$).

Свободно-радикальное замещение

Алканы реагируют с хлором или бромом по механизму свободно-радикального замещения под действием ультрафиолетового света. Для этана и хлора механизм состоит из трех этапов:

инициация — ультрафиолетовый свет расщепляет галоген на два свободных радикала: $\;\text{Cl}_2 \rightarrow 2\,\text{Cl}\cdot$ Такой тип распада называется гомолитическим разрывом: связь разрывается равномерно, по одному электрону переходит к каждому атому, что и порождает два радикала. (Противоположный процесс, гетеролитический разрыв, направляет оба электрона к одному атому и образует пару ионов — именно это происходит в полярных механизмах, таких как электрофильное присоединение). Экзаменаторы требуют этого термина, поэтому используйте его.
Пропагация — радикалы реагируют и образуют новые радикалы:
$$\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_6 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{HCl} \qquad \text{C}_2\text{H}_5\cdot + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} + \text{Cl}\cdot$$
терминация — два радикала соединяются, завершая цепную реакцию: $\;\text{Cl}\cdot + \text{C}_2\text{H}_5\cdot \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$

Три этапа радикального замещения: инициирование — расщепление хлора на радикалы, распространение — перенос цепи и завершение — соединение двух радикалов — Радикальное замещение в три этапа: инициирование образует радикалы, распространение поддерживает цепь, а завершение её прекращает

Почему крекинг полезен, и почему алканы неактивны

Крекинг превращает тяжёлые фракции сырой нефти в более ценные алканы и алкены с меньшим числом $M_r$. (Фракция — это группа молекул с похожим диапазоном температур кипения.)

Алканы в целом инертны, особенно по отношению к полярным реагентам. Это происходит потому, что связи C–H и C–C прочны и имеют малую полярность, поэтому нет заряда для привлечения атакующей частицы.

Влияние на окружающую среду

Сжигание алканов в двигателе внутреннего сгорания выделяет угарный газ, оксиды азота и несгоревшие углеводороды. Каталитический нейтрализатор удаляет их, превращая в безвредные газы.

Explore · ⁨Исследовать⁩

The tetrahedral carbon · ⁨Тетраэдрический углерод⁩

Each carbon in an alkane has four bonding pairs and no lone pairs — they spread as far apart as possible into a tetrahedron (109.5°). · ⁨Каждый атом углерода в алкане имеет четыре связывающие пары и нет неподеленных электронов — они располагаются максимально далеко друг от друга, образуя тетраэдр (109.5°).⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Free-radical substitution · ⁨Свободно-радикальное замещение⁩

Methane reacts with chlorine in UV light by a chain of radical steps. · ⁨Метан реагирует с хлором под действием УФ-излучения по механизму цепной реакции радикальных стадий.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
alkane/ˈælkeɪn/	алкан
hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/	водорождение
alkene/ˈælkiːn/	алкен
cracking/ˈkrækɪŋ/	крекинга
combustion/kəmˈbʌstʃn/	горение
complete combustion/kəmˈpliːt kəmˈbʌstʃn/	полное сгорание
incomplete combustion/ɪŋkəmˈpliːt kəmˈbʌstʃn/	неполное сгорание
carbon monoxide/ˈkɑːbən mʌˈnɒksaɪd/	угарным газом
free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	замещение свободными радикалами
ultraviolet light/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt laɪt/	ультрафиолетовый свет
initiation/ɪˌnɪʃɪˈeɪʃn/	инициация
free radical/friː ˈrædɪkl/	свободный радикал
propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/	пропагация
termination/ˌtɜːmɪˈneɪʃn/	терминация
crude oil/kruːd ɔɪl/	сырая нефть
fraction/ˈfrækʃn/	дроби ( фракции при перегонке )
polarity/pəʊˈlærɪti/	полярность
elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/	элиминирование
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/	галогеналкан
dehydration/ˌdiːhaɪˈdreɪʃn/	дегидратация
alcohol/ˈælkəhɒl/	спирт

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

14.2

Alkenes · ⁨Алкены⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions (including reagents and conditions) by which alkenes can be produced: (a) elimination of $\text{HX}$ from a halogenoalkane by ethanolic $\text{NaOH}$ and heat (b) dehydration of an alcohol, by using a heated catalyst (e.g. $\text{Al}_2\text{O}_3$) or a concentrated acid (e.g. concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$) (c) cracking of a longer chain alkane
describe the following reactions of alkenes: (a) the electrophilic addition of (i) hydrogen in a hydrogenation reaction, $\text{H}_2\text{(g)}$ and $\text{Pt/Ni}$ catalyst and heat (ii) steam, $\text{H}_2\text{O(g)}$ and $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst (iii) a hydrogen halide, $\text{HX(g)}$, at room temperature (iv) a halogen, $\text{X}_2$ (b) the oxidation by cold dilute acidified $\text{KMnO}_4$ to form the diol (c) the oxidation by hot concentrated acidified $\text{KMnO}_4$ leading to the rupture of the carbon–carbon double bond and the identities of the subsequent products to determine the position of alkene linkages in larger molecules (d) addition polymerisation exemplified by the reactions of ethene and propene
describe the use of aqueous bromine to show the presence of a C=C bond
describe the mechanism of electrophilic addition in alkenes, using bromine/ethene and hydrogen bromide/propene as examples
describe and explain the inductive effects of alkyl groups on the stability of primary, secondary and tertiary cations formed during electrophilic addition (this should be used to explain Markovnikov addition)

Русский

вспомните реакции (включая реагенты и условия), с помощью которых можно получить алкены: (a) элиминирование $\text{HX}$ из галогеналкана с помощью этанольного $\text{NaOH}$ и нагревания (b) дегидратация спирта с использованием нагретого катализатора (например, $\text{Al}_2\text{O}_3$) или концентрированной кислоты (например, концентрированной $\text{H}_2\text{SO}_4$) (c) крекинг алкана с более длинной цепью
описывать следующие реакции алкенов: (a) электрофильное присоединение (i) водорода в реакции гидрирования, $\text{H}_2\text{(g)}$ и $\text{Pt/Ni}$ катализатор и нагревание (ii) водяного пара, $\text{H}_2\text{O(g)}$ и $\text{H}_3\text{PO}_4$ катализатор (iii) галогеноводорода, $\text{HX(g)}$, при комнатной температуре (iv) галогена, $\text{X}_2$ (b) окисление холодным разбавленным кислым раствором $\text{KMnO}_4$ для образования диола (c) окисление горячим концентрированным кислым раствором $\text{KMnO}_4$, приводящее к разрыву двойной связи углерод–углерод и определению последующих продуктов для установления положения алкеновой связи в больших молекулах (d) аддитивная полимеризация, проиллюстрированная реакциями этена и пропена
описывать использование водного раствора брома для обнаружения связи C=C
описывать механизм электрофильного присоединения в алкенах, используя примеры бром/этен и бромистый водород/пропен
описывать и объяснять индуктивные эффекты алкильных групп на стабильность первичных, вторичных и третичных катионов, образующихся при электрофильном присоединении (это следует использовать для объяснения присоединения по Марковникову)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Alkenes have a C=C double bond (general formula $\text{C}_n\text{H}_{2n}$). The double bond is the functional group, so alkenes are reactive.

Making alkenes

elimination 消去 of $\text{HX}$ from a halogenoalkane 卤代烷, using $\text{NaOH}$ dissolved in ethanol, with heat.
dehydration 脱水 of an alcohol 醇, using a hot $\text{Al}_2\text{O}_3$ catalyst or concentrated sulfuric acid.
cracking of a longer-chain alkane.

Reactions of alkenes

Most reactions are electrophilic addition 亲电加成 across the double bond:

Reagent and conditions	Product
$\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ catalyst, heat	alkane
steam 水蒸气 ($\text{H}_2\text{O}$), $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst	alcohol
a hydrogen halide 卤化氢 ($\text{HX}$), room temperature	halogenoalkane
a halogen $\text{X}_2$	a di-substituted alkane

There are also two oxidation reactions with acidified $\text{KMnO}_4$:

cold, dilute $\text{KMnO}_4$ adds two $\text{–OH}$ groups to give a diol 二醇.
hot, concentrated $\text{KMnO}_4$ breaks the C=C bond right apart, and what each half turns into tells you exactly where the double bond used to be.

That second reaction is worth learning properly, because it is how the exam asks you to locate a double bond in a large molecule. Oxidation is written with $[\text{O}]$, meaning "an oxygen atom from the oxidising agent". Cut the molecule at the C=C, then look at what each of the two carbons was carrying:

The C=C carbon carries	It becomes
two alkyl groups ($\text{=CR}_2$)	a ketone 酮, $\text{R}_2\text{C=O}$
one alkyl and one $\text{H}$ ($\text{=CHR}$)	a carboxylic acid 羧酸, $\text{RCOOH}$
two hydrogens ($\text{=CH}_2$)	$\text{CO}_2$ and water

The pattern is simply how many hydrogens that carbon had: none stops at a ketone, one is pushed on to an acid, and two are oxidised all the way to $\text{CO}_2$.

Worked example. Give the products when $(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3$ is heated with hot concentrated acidified $\text{KMnO}_4$. Cut at the C=C and take each carbon separately. The left carbon carries two methyl groups and no hydrogen, so it stops at a ketone: $(\text{CH}_3)_2\text{C=O}$, which is propanone. The right carbon carries one methyl and one H, so it goes on to a carboxylic acid: $\text{CH}_3\text{COOH}$, ethanoic acid. So:

$$(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3 + 3[\text{O}] \rightarrow \text{CH}_3\text{COCH}_3 + \text{CH}_3\text{COOH}$$

Now run it backwards, which is the way the question is usually set. Given the products, rebuild the alkene by putting the two carbonyl carbons back together as a C=C: a ketone means that carbon had two alkyl groups, an acid means one alkyl and one H, and $\text{CO}_2$ means the chain ended in $\text{=CH}_2$. Getting $\text{CO}_2$ is the strongest clue of all - it can only come from a terminal double bond.

Test for a C=C bond

Shake the compound with orange bromine water 溴水. An alkene decolourises it (turns it colourless) by electrophilic addition. An alkane does not.

Addition polymerisation

In addition polymerisation 加成聚合, many alkene molecules join into one long chain, with no other product. Ethene gives poly(ethene). The long-chain product is a polymer 聚合物.

The mechanism and Markovnikov's rule

In electrophilic addition (for example bromine with ethene), the electron-rich C=C attracts the electrophile. This forms a positive intermediate called a carbocation 碳正离子, which the negative part then attacks.

Alkyl groups push electrons towards the positive carbon — this is the inductive effect 诱导效应. So a carbocation with more alkyl groups is more stable: tertiary is more stable than secondary, which is more stable than primary. When $\text{HBr}$ adds to propene, the more stable carbocation forms, so hydrogen adds to the carbon that already has more hydrogens. This pattern is Markovnikov's rule 马氏规则.

Worked example. Predict the major product when $\text{HBr}$ adds to propene, $\text{CH}_3\text{CH=CH}_2$. The $\text{H}^{+}$ adds first, and it adds in whichever way makes the more stable carbocation. Adding the $\text{H}$ to the end carbon puts the positive charge on the middle carbon, giving a secondary carbocation, which is stabilised by electron-releasing alkyl groups on two sides. Adding it to the middle carbon would leave a less stable primary carbocation. The bromide ion then attacks the secondary carbocation, so the major product is 2-bromopropane. That is Markovnikov's rule - but quote the reason (carbocation stability: tertiary > secondary > primary), because the rule on its own is not the explanation.

Русский

Нефтеперерабатывающий завод — Крекинг тяжёлых фракций на нефтезаводе даёт алкены для производства пластмасс и топлива.

Алкены содержат двойную связь C=C (общая формула $\text{C}_n\text{H}_{2n}$). Двойная связь является функциональной группой, поэтому алкены реакционноспособны.

Получение алкенов

элиминирование $\text{HX}$ из галогеналкана с использованием $\text{NaOH}$, растворённого в этаноле, при нагревании.
дегидратация спирта с использованием горячего $\text{Al}_2\text{O}_3$-катализатора или концентрированной серной кислоты.
крекинг алкана с более длинной цепью.

Реакции алкенов

Большинство реакций — это электрофильное присоединение по двойной связи:

Реагент и условия	Продукт
$\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$-катализатор, нагревание	алкан
водяной пар ($\text{H}_2\text{O}$), $\text{H}_3\text{PO}_4$-катализатор	спирт
водородный галогенид ($\text{HX}$), комнатная температура	галогеналкан
галоген $\text{X}_2$	дизамещённый алкан

Также существуют две реакции окисления с подкислённым $\text{KMnO}_4$:

холодный, разбавленный $\text{KMnO}_4$ добавляет две группы $\text{–OH}$, образуя диол.
горячий, концентрированный $\text{KMnO}_4$ полностью разрывает связь C=C, и то, во что превращается каждая половина, точно указывает на местоformer двойной связи.

Эту вторую реакцию стоит выучить хорошо, так именно так экзаменаторы просят вам найти двойную связь в большой молекуле. Окисление записывается через $[\text{O}]$, что означает «атом кислорода от окислителя». Разорвите молекулу по C=C, затем посмотрите, что было связано с каждым из двух атомов углерода:

Что связан с атомом C=C	Превращается в
две алкильные группы ($\text{=CR}_2$)	кетон, $\text{R}_2\text{C=O}$
один алкил и одна $\text{H}$ ($\text{=CHR}$)	карбоновая кислота, $\text{RCOOH}$
два атома водорода ($\text{=CH}_2$)	$\text{CO}_2$ и вода

Закономерность проста: сколько водородных атомов было у этого углерода. Отсутствие водорода останавливает процесс на кетоне, один водород толкает его до кислоты, а два окисляются полностью до $\text{CO}_2$.

Разобранное решение. Назовите продукты при нагревании $(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3$ с горячим концентрированным кислым раствором $\text{KMnO}_4$. Разорвите связь C=C и рассмотрите каждый атом углерода отдельно. Левый атом углерода связан с двумя метильными группами и не имеет водорода, поэтому реакция останавливается на стадии кетона: $(\text{CH}_3)_2\text{C=O}$, который является пропаноном. Правый атом углерода связан с одним метильным остатком и одним водородом, поэтому окисление продолжается до образования карбоновой кислоты: $\text{CH}_3\text{COOH}$, уксусной (этановой) кислоты. Таким образом:

$$(\text{CH}_3)_2\text{C=CHCH}_3 + 3[\text{O}] \rightarrow \text{CH}_3\text{COCH}_3 + \text{CH}_3\text{COOH}$$

Теперь действуйте в обратном направлении, как обычно ставится задача. Зная продукты, восстановите алкен, соединив два карбонильных атома обратно в C=C: кетон означает, что у этого атома были две алкильные группы, кислота — одна алкильная и один H, а $\text{CO}_2$ означает, что цепь заканчивалась на $\text{=CH}_2$. Получение $\text{CO}_2$ — самый надёжный признак: оно может возникнуть только из терминальной двойной связи.

Тест на наличие C=C связи

Встряхните соединение с оранжевой бромной водой. Алкен обесцвечивает её (делает бесцветной) путём электрофильного присоединения. Алкан не реагирует.

Две пробирки с оранжевой бромной водой: в пробирке с алкеном жидкость обесцвечилась, в пробирке с алканом она осталась оранжевой — Тест с бромной водой: алкен обесцвечивает оранжевую бромную воду, тогда как алкан оставляет её оранжевой

Присоединительная полимеризация

При присоединительной полимеризации множество молекул алкена объединяются в одну длинную цепь без образования других продуктов. Этилен образует поли(этилен). Продукт с длинной цепью называется полимером.

n молекул этилена с двойными связями слева превращаются в повторяющееся单元 поли(этилен) в скобках справа — Присоединительная полимеризация: многие молекулы этилена раскрывают свои двойные связи и объединяются в длинную цепь поли(этилена)

Механизм и правило Марковникова

При электрофильном присоединении (например, брома с этиленом) электронно-богатая C=C притягивает электрофил. Образуется положительный промежуточный продукт — карбокатион, на который затем атакует отрицательная часть.

Механизм присоединения брома к этилену: изогнутые стрелки показывают, как C=C атакует один атом брома, образуется карбокатион, затем бромид-ион атакует его, образуя 1,2-дибромэтан — Электрофильное присоединение брома к этилену: C=C атакует Br$^{\delta+}$, образуется карбокатион, затем Br$^-$ атакует его

Алкильные группы отталкивают электроны к положительному атому углерода — это индуктивный эффект. Поэтому карбокатион с большим числом алкильных групп более стабилен: третичный стабильнее вторичного, который стабильнее первичного. Когда $\text{HBr}$ присоединяется к пропену, образуется более стабильный карбокатион, поэтому водород присоединяется к атому углерода, у которого уже больше водородов. Эта закономерность называется правилом Марковникова.

Первичные, вторичные и третичные карбокатионы со стрелками, показывающими, как алкильные группы смещают электроны к положительно заряженному атому углерода; устойчивость возрастает слева направо — Стабильность карбокатиона возрастает от первичного к третичному, поскольку алкильные группы pushed electrons in — это основа правила Марковникова

Разобранный пример. Предскажите основной продукт при $\text{HBr}$ присоединении к пропену, $\text{CH}_3\text{CH=CH}_2$. Сначала присоединяется $\text{H}^{+}$, и он присоединяется так, чтобы образовался более стабильный карбокатион. Присоединение $\text{H}$ к концевому атому углерода переносит положительный заряд на средний атом углерода, образуя вторичный карбокатион, который стабилизируется электрон-донорными алкильными группами с двух сторон. Присоединение его к среднему атому углерода привело бы к менее стабильному первичному карбокатиону. Затем бромид-ион атакует вторичный карбокатион, поэтому основным продуктом является 2-бромпропан. Это правило Марковникова, но укажите причину (стабильность карбокатиона: третичный > вторичный > первичный), так как само по себе правило не является объяснением.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Alkene addition route · ⁨Маршрут присоединения к алкену⁩

Follow how the C=C bond opens and new atoms add. · ⁨Отследите, как раскрывается связь C=C и присоединяются новые атомы.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/	электрофильное присоединение
steam/stiːm/	пар
hydrogen halide/ˈhaɪdrədʒn ˈhælaɪd/	водородный галогенид
diol/dɪˈɒl/	диол
bromine water/ˈbrəʊmaɪn ˈwɔːtə/	бромная вода
addition polymerisation/əˈdɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/	полимеризация присоединения
polymer/ˈpɒlɪmə/	полимер
carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/	карбокатион
inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/	индуктивный эффект
Markovnikov's rule/ˈmɑːkəvnɪkɒvz ruːl/	Правило Марковникова
homolytic fission/ˌhɒməˈlɪtɪk ˈfɪʃn/	гомолитический разрыв
heterolytic fission/ˌhetrəˈlɪtɪk ˈfɪʃn/	гетеролитический разрыв
ketone/ˈketəʊn/	кетон
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/	карбоновая кислота

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

14.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Alkanes: free-radical substitution needs UV light — show initiation, propagation and termination with the radical dots.
Alkenes: electrophilic addition via a carbocation; draw curly arrows from the $\text{C}=\text{C}$.
Markovnikov: H adds to the carbon with more H's, via the more stable carbocation (alkyl groups are electron-releasing).
Test for $\text{C}=\text{C}$: bromine water decolourises (orange → colourless) — state the observation.

Русский

Алканы: свободнорадикальное замещение требует УФ-излучения — покажите инициирование, распространение цепи и завершение реакции с точками радикалов.
Алкены: электрофильное присоединение через карбокатион; нарисуйте изогнутые стрелки от $\text{C}=\text{C}$.
Марковников: H присоединяется к атому углерода с большим числом H, через более стабильный карбокатион (алкильные группы являются донорами электронов).
Тест на $\text{C}=\text{C}$: бромная вода обесцвечивается (оранжевый → бесцветный) — укажите наблюдение.

Halogen compounds · ⁨Галогенпроизводные⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

15.1

Halogenoalkanes · ⁨Галогеналканы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions (reagents and conditions) by which halogenoalkanes can be produced: (a) the free-radical substitution of alkanes by $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in the presence of ultraviolet light, as exemplified by the reactions of ethane (b) electrophilic addition of an alkene with a halogen, $\text{X}_2$, or hydrogen halide, $\text{HX(g)}$, at room temperature (c) substitution of an alcohol, e.g. by reaction with $\text{HX(g)}$; or with $\text{KCl}$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ or concentrated $\text{H}_3\text{PO}_4$; or with $\text{PCl}_3$ and heat; or with $\text{PCl}_5$; or with $\text{SOCl}_2$
classify halogenoalkanes into primary, secondary and tertiary
describe the following nucleophilic substitution reactions: (a) the reaction with $\text{NaOH(aq)}$ and heat to produce an alcohol (b) the reaction with $\text{KCN}$ in ethanol and heat to produce a nitrile (c) the reaction with $\text{NH}_3$ in ethanol heated under pressure to produce an amine (d) the reaction with aqueous silver nitrate in ethanol as a method of identifying the halogen present as exemplified by bromoethane
describe the elimination reaction with $\text{NaOH}$ in ethanol and heat to produce an alkene as exemplified by bromoethane
describe the $\text{S}_\text{N}1$ and $\text{S}_\text{N}2$ mechanisms of nucleophilic substitution in halogenoalkanes including the inductive effects of alkyl groups
recall that primary halogenoalkanes tend to react via the $\text{S}_\text{N}2$ mechanism; tertiary halogenoalkanes via the $\text{S}_\text{N}1$ mechanism; and secondary halogenoalkanes by a mixture of the two, depending on structure
describe and explain the different reactivities of halogenoalkanes (with particular reference to the relative strengths of the C–X bonds as exemplified by the reactions of halogenoalkanes with aqueous silver nitrates)

Русский

вспомнить реакции (реагенты и условия), с помощью которых можно получить галогеналканы: (a) свободнорадикальное замещение алканов $\text{Cl}_2$ или $\text{Br}_2$ в присутствии ультрафиолетового света, как показано на примере реакций этана; (b) электрофильное присоединение алкена к галогену, $\text{X}_2$, или галогеноводороду, $\text{HX(g)}$, при комнатной температуре; (c) замещение спирта, например, реакцией со $\text{HX(g)}$; или со $\text{KCl}$ и концентрированной $\text{H}_2\text{SO}_4$ или концентрированной $\text{H}_3\text{PO}_4$; или со $\text{PCl}_3$ и нагреванием; или со $\text{PCl}_5$; или со $\text{SOCl}_2$
классифицировать галогеналканы на первичные, вторичные и третичные
описать следующие реакции нуклеофильного замещения: (a) реакция со $\text{NaOH(aq)}$ и нагреванием для получения спирта; (b) реакция со $\text{KCN}$ в этаноле при нагревании для получения нитрила; (c) реакция со $\text{NH}_3$ в этаноле при нагревании под давлением для получения амина; (d) реакция с водным раствором нитрата серебра в этаноле как метод идентификации присутствующего галогена, как показано на примере бромэтана
описать реакцию элиминирования со $\text{NaOH}$ в этаноле при нагревании для получения алкена, как показано на примере бромэтана
опишите механизмы $\text{S}_\text{N}1$ и $\text{S}_\text{N}2$ нуклеофильного замещения в галогеналканах, включая индуктивные эффекты алкильных групп
помнить, что первичные галогеналканы реагируют преимущественно по механизму $\text{S}_\text{N}2$; третичные галогеналканы — по механизму $\text{S}_\text{N}1$; а вторичные галогеналканы реагируют смесью обоих механизмов в зависимости от структуры
описать и объяснить различную реакционную способность галогеналканов (с особым акцентом на относительную прочность связей C–X, как показано на примере реакций галогеналканов с водными растворами нитрата серебра)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

A halogenoalkane 卤代烷 is an alkane with one or more halogen atoms in place of hydrogen (a C–X bond, where X is a halogen).

Making halogenoalkanes

free-radical substitution 自由基取代 of an alkane with $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in ultraviolet light.
electrophilic addition 亲电加成 of an alkene with a halogen $\text{X}_2$ or a hydrogen halide $\text{HX}$.
substitution of an alcohol 醇, for example by $\text{HX}$, by $\text{PCl}_5$, by $\text{PCl}_3$ with heat, or by $\text{SOCl}_2$.

Three classes

A halogenoalkane is primary 伯, secondary 仲 or tertiary 叔, depending on how many carbon atoms are joined to the carbon that holds the halogen (one, two or three).

Русский

Галогеналкан — это алкан, в котором один или несколько атомов водорода заменены атомами галогена (связь C–X, где X — галоген).

Баночка со спреем для морозилки, выделяющим холодный пар галогеналкана — Летучие галогеналканы когда-то широко использовались в качестве хладагентов и пропеллентов для аэрозолей

Получение галогеналканов

Свободнорадикальное замещение алкана с $\text{Cl}_2$ или $\text{Br}_2$ под действием ультрафиолетового света.
Электрофильное присоединение алкена с галогеном $\text{X}_2$ или водородным галогенидом $\text{HX}$.
Замещение спирта, например с помощью $\text{HX}$, с помощью $\text{PCl}_5$, с помощью $\text{PCl}_3$ при нагревании или с помощью $\text{SOCl}_2$.

Три класса

Галогеналкан является первичным, вторичным или третичным в зависимости от того, сколько атомов углерода связаны с атомом углерода, несущим галоген (один, два или три).

Три структуры, где атом углерода, связанный с бромом, выделен: первичный с одним связанным атомом углерода, вторичный с двумя, третичный с тремя — Первичные, вторичные и третичные галогеналканы определяются количеством атомов углерода, связанных с атомом углерода, несущим галоген

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/	галогеналкан
free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	замещение свободными радикалами
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/	электрофильное присоединение
alcohol/ˈælkəhɒl/	спирт
primary/ˈpraɪməri/	первичный
secondary/ˈsekəndəri/	вторичный
tertiary/ˈtɜːʃjəri/	третичный
nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	нуклеофильное замещение
nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/	нуклеофил
nitrile/ˈnaɪtraɪl/	нитрил
amine/ˈæmaɪn/	амин
silver nitrate/ˈsɪlvə ˈnaɪtreɪt/	нитрат серебра
precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/	осадком

15.1

Nucleophilic substitution · ⁨Нуклеофильное замещение⁩

English

The C–X bond is polar, so the carbon is slightly positive. A nucleophilic substitution 亲核取代 happens when a nucleophile 亲核试剂 (a lone-pair species) attacks that carbon and replaces the halogen.

Reagent and conditions	Product
$\text{NaOH(aq)}$, heat	an alcohol
$\text{KCN}$ in ethanol, heat	a nitrile 腈 (adds one carbon to the chain)
$\text{NH}_3$ in ethanol, heated under pressure	an amine 胺

To identify the halogen, warm the halogenoalkane with silver nitrate 硝酸银 in ethanol. A silver halide precipitate 沉淀 forms, and its colour shows which halogen is present (white $\text{AgCl}$, cream $\text{AgBr}$, yellow $\text{AgI}$).

Русский

Связь C–X полярна, поэтому атом углерода имеет частичный положительный заряд. Нуклеофильное замещение происходит, когда нуклеофил (вид с неподелённой электронной парой) атакует этот атом углерода и заменяет галоген.

Круглодонная колба с кипящей жидкостью и вертикальный холодильник, возвращающий пары — Многие реакции галогеналканов проводят нагреванием смеси под обратным холодильником

Реагент и условия	Продукт
$\text{NaOH(aq)}$, нагрев	спирт
$\text{KCN}$ в этаноле, нагревание	нитрил (добавляет один атом углерода к цепи)
$\text{NH}_3$ в этаноле, нагревание под давлением	амин

Ротационный испаритель: круглая колба с раствором вращается в тёплой водяной бане, пары растворителя конденсируются в отдельную приемную колбу — Ротационный испаритель удаляет растворитель под пониженным давлением — это этап после реакции

Чтобы определить галоген, нагрейте галогеналкан с нитратом серебра в этаноле. Образуется осадок галогенида серебра, и его цвет указывает на наличие какого галогена (белый $\text{AgCl}$, кремовый $\text{AgBr}$, жёлтый $\text{AgI}$).

Explore · ⁨Исследовать⁩

Nucleophilic substitution · ⁨Нуклеофильное замещение⁩

A nucleophile swaps in for the leaving group on a halogenoalkane. · ⁨Нуклеофил заменяет уходящую группу в галогеналкане.⁩

15.1

Elimination · ⁨Элиминирование⁩

English

The same halogenoalkane can instead undergo elimination 消去 to form an alkene 烯烃. The conditions decide which reaction wins:

$\text{NaOH}$ in water → nucleophilic substitution → an alcohol.
$\text{NaOH}$ in ethanol, heated → elimination → an alkene.

$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$

Русский

Тот же галогеналкан может вместо этого претерпеть элиминирование с образованием алкена. Условия определяют, какая реакция преобладает:

$\text{NaOH}$ в воде → нуклеофильное замещение → спирт.
$\text{NaOH}$ в этаноле, нагревание → элиминирование → алкен.

$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$

Блок-схема: бромоэтан с водным гидроксидом натрия даёт спирт путём замещения, но с гидроксидом натрия в этаноле даёт алкен путём элиминирования — Один и тот же галогеналкан: NaOH в воде замещает до спирта, тогда как NaOH в этаноле (с нагреванием) элиминирует до алкена

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/	элиминирование
alkene/ˈælkiːn/	алкен
transition state/trænˈsɪʃn steɪt/	Ea =

15.1

The S$_\text{N}$1 and S$_\text{N}$2 mechanisms · ⁨Механизмы S$_\text{N}$1 и S$_\text{N}$2⁩

English

Nucleophilic substitution can follow two routes:

S$_\text{N}$2: one step. The nucleophile attacks at the same time as the halogen leaves, passing through a crowded transition state 过渡态 where both are half-bonded. The rate depends on both the halogenoalkane and the nucleophile.
S$_\text{N}$1: two steps. First the C–X bond breaks to give a carbocation 碳正离子; then the nucleophile attacks it. The rate depends only on the halogenoalkane.

Alkyl groups push electrons towards the positive carbon (the inductive effect 诱导效应), so they stabilise the carbocation. This is why:

primary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$2.
tertiary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$1 (their carbocation is well stabilised).
secondary halogenoalkanes use a mixture of the two.

Русский

Нуклеофильное замещение может протекать по двум путям:

S$_\text{N}$2: один шаг. Нуклеофил атакует одновременно с уходом галогена, проходя через перегруженное переходное состояние, где оба атома частично связаны. Скорость зависит как от галогеналкана, так и от нуклеофила.
S$_\text{N}$1: два шага. Сначала разрывается связь C–X с образованием карбокатиона; затем нуклеофил атакует его. Скорость зависит только от галогеналкана.

S N 2 показан как один шаг, где нуклеофил атакует по мере ухода галогена через переходное состояние; S N 1 показан как два шага через карбокатион — S$_\text{N}$2 — одношаговый процесс через перегруженное переходное состояние; S$_\text{N}$1 — двухшаговый процесс через карбокатион

Алкильные группы pushes electrons towards the positive carbon (the inductive effect), thus stabilising the carbocation. This is why:

Первичные галогеналканы в основном реагируют по механизму S$_\text{N}$2.
Третичные галогеналканы в основном реагируют по механизму S$_\text{N}$1 (их карбокатион хорошо стабилизирован).
Вторичные галогеналканы используют смесь обоих механизмов.

Explore · ⁨Исследовать⁩

The SN2 mechanism, step by step · ⁨Механизм SN2, шаг за шагом⁩

Step through nucleophilic substitution. The nucleophile attacks from behind as the halide leaves — all in one smooth step, flipping the molecule inside-out. · ⁨Проход через нуклеофильное замещение. Нуклеофил атакует сзади, пока галогид уходит — всё это в один плавный шаг, переворачивая молекулу «внутрь наружу».⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/	карбокатион
inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/	индуктивный эффект
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/	энергия связи

15.1

Different reactivities · ⁨Различная реакционная способность⁩

English

How fast a halogenoalkane reacts depends on the strength of the C–X bond, measured by its bond energy 键能. The C–I bond is the weakest, so iodoalkanes react fastest; the C–Cl bond is the strongest of the three, so chloroalkanes react slowest. So when tested with silver nitrate, an iodoalkane gives its precipitate first — its higher reactivity 反应活性 comes from the weaker C–X bond.

Worked example. Predict the mechanism for the hydrolysis of 1-bromobutane and of 2-bromo-2-methylpropane. Classify the halogenoalkane first. 1-bromobutane is primary: the carbon carrying the $\text{Br}$ is barely shielded, so the nucleophile can attack the back of it and the mechanism is $\text{S}_\text{N}2$ - one step, with the rate depending on both the halogenoalkane and the nucleophile. 2-bromo-2-methylpropane is tertiary: three bulky methyl groups block that attack, but they also stabilise the carbocation formed once the $\text{Br}$ leaves, so it goes $\text{S}_\text{N}1$ - two steps, with the rate depending on the halogenoalkane only. Decide from the class (primary → $\text{S}_\text{N}2$, tertiary → $\text{S}_\text{N}1$), and note that the tertiary one hydrolyses faster despite being the more crowded.

Русский

Скорость реакции галогеналкана зависит от прочности связи C–X, измеряемой её энергией связи. Связь C–I является наиболее слабой, поэтому йодоалканы реагируют быстрее всего; связь C–Cl является наиболее прочной из трёх, поэтому хлороалканы реагируют медленнее всего. Поэтому при тестировании с нитратом серебра йодоалкан образует осадок первым — его более высокая реакционная способность обусловлена более слабой связью C–X.

Столбчатая диаграмма энергии связи C–X, убывающая от C–F до C–I, со стрелкой, указывающей на то, что более слабая связь реагирует быстрее — Чем weaker связь C–X, тем быстрее реагирует галогеналкан — поэтому йодалканы реагируют быстрее всего, а хлоралканы медленнее

Разобранное решение. Предскажите механизм гидролиза 1-бромбутана и 2-бром-2-метилпропана. Сначала классифицируйте галогеналкан. 1-бромбутан является первичным: углерод, несущий $\text{Br}$, почти не экранирован, поэтому нуклеофил может атаковать его сзади, и механизм является $\text{S}_\text{N}2$ — одностадийный, скорость зависит от обоих галогеналкана и нуклеофила. 2-бром-2-метилпропан является третичным: три объемные метильные группы блокируют эту атаку, но они также стабилизируют образующийся карбокатион после ухода $\text{Br}$, поэтому он протекает по механизму $\text{S}_\text{N}1$ — двухстадийный, скорость зависит только от галогеналкана. Определите из класса (первичный → $\text{S}_\text{N}2$, третичный → $\text{S}_\text{N}1$) и注意, что третичный гидролизуется быстрее, несмотря на большую стерическую затрудненность.

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/	химическая активность

15.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Draw nucleophilic substitution with a curly arrow from the nucleophile's lone pair to the $\delta+$ carbon and one from the $\text{C-X}$ bond.
Match mechanism to class: $S_\text{N}1$ (tertiary, carbocation, two steps) vs $S_\text{N}2$ (primary, one step, transition state).
Reactivity is set by bond enthalpy: $\text{C-I}$ is weakest, so iodoalkanes react fastest (not electronegativity).
Elimination (hot, ethanolic KOH) vs substitution (warm, aqueous KOH) — the conditions decide the product; state them.

Русский

Нарисуйте нуклеофильное замещение с изогнутой стрелкой от неподеленной пары электронов нуклеофила к углероду $\delta+$ и еще одной от связи $\text{C-X}$.
Сопоставьте механизм с классом: $S_\text{N}1$ (третичный, карбокатион, два этапа) против $S_\text{N}2$ (первичный, один этап, переходное состояние).
Реакционная способность определяется энтальпией связи: $\text{C-I}$ — самая слабая, поэтому йодалканы реагируют быстрее всего (не электроотрицательность).
Элиминирование (горячий этанольный KOH) против замещения (теплый водный KOH) — условия определяют продукт; укажите их.

Hydroxy compounds · ⁨Гидроксисоединения⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

16.1

Alcohols · ⁨Спирты⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions (reagents and conditions) by which alcohols can be produced: (a) electrophilic addition of steam to an alkene, $\text{H}_2\text{O(g)}$ and $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst (b) reaction of alkenes with cold dilute acidified potassium manganate(VII) to form a diol (c) substitution of a halogenoalkane using $\text{NaOH(aq)}$ and heat (d) reduction of an aldehyde or ketone using $\text{NaBH}_4$ or $\text{LiAlH}_4$ (e) reduction of a carboxylic acid using $\text{LiAlH}_4$ (f) hydrolysis of an ester using dilute acid or dilute alkali and heat
describe: (a) the reaction with oxygen (combustion) (b) substitution to form halogenoalkanes, e.g. by reaction with $\text{HX(g)}$; or with $\text{KCl}$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ or concentrated $\text{H}_3\text{PO}_4$; or with $\text{PCl}_3$ and heat; or with $\text{PCl}_5$; or with $\text{SOCl}_2$ (c) the reaction with $\text{Na(s)}$ (d) oxidation with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ to: (i) carbonyl compounds by distillation (ii) carboxylic acids by refluxing (primary alcohols give aldehydes which can be further oxidised to carboxylic acids, secondary alcohols give ketones, tertiary alcohols cannot be oxidised) (e) dehydration to an alkene, by using a heated catalyst, e.g. $\text{Al}_2\text{O}_3$ or a concentrated acid (f) formation of esters by reaction with carboxylic acids and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst as exemplified by ethanol
(a) classify alcohols as primary, secondary and tertiary alcohols, to include examples with more than one alcohol group (b) state characteristic distinguishing reactions, e.g. mild oxidation with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, colour change from orange to green
deduce the presence of a $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-$ group in an alcohol, $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-\text{R}$, from its reaction with alkaline $\text{I}_2\text{(aq)}$ to form a yellow precipitate of tri-iodomethane and an ion, $\text{RCO}_2^-$
explain the acidity of alcohols compared with water

Русский

вспомнить реакции (реагенты и условия), с помощью которых можно получить спирты: (a) электрофильное присоединение водяного пара к алкену, $\text{H}_2\text{O(g)}$ и катализатор $\text{H}_3\text{PO}_4$; (b) реакция алкенов с холодным разбавленным кислым перманганатом(VII) калия для образования диола; (c) замещение галогеналкана с использованием $\text{NaOH(aq)}$ и нагревания; (d) восстановление альдегида или кетона с использованием $\text{NaBH}_4$ или $\text{LiAlH}_4$; (e) восстановление карбоновой кислоты с использованием $\text{LiAlH}_4$; (f) гидролиз эфира с использованием разбавленной кислоты или разбавленного щелочного раствора и нагревания
опишите: (a) реакцию с кислородом (горение) (b) замещение для образования галогеналканов, например, с помощью реакции со $\text{HX(g)}$; или со $\text{KCl}$ и концентрированной $\text{H}_2\text{SO}_4$ или концентрированной $\text{H}_3\text{PO}_4$; или со $\text{PCl}_3$ и нагреванием; или со $\text{PCl}_5$; или со $\text{SOCl}_2$ (c) реакцию со $\text{Na(s)}$ (d) окисление подкисленной $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ или подкисленной $\text{KMnO}_4$ до: (i) карбонильных соединений перегонкой (ii) карбоновых кислот при отгонке (первичные спирты дают альдегиды, которые могут быть дополнительно окислены до карбоновых кислот; вторичные спирты дают кетоны; третичные спирты не окисляются) (e) дегидратацию до алкена с использованием нагретого катализатора, например, $\text{Al}_2\text{O}_3$ или концентрированной кислоты (f) образование эфиров реакцией с карбоновыми кислотами и концентрированной $\text{H}_2\text{SO}_4$ в качестве катализатора, как показано на примере этанола
(a) классифицировать спирты как первичные, вторичные и третичные спирты, включая примеры с несколькими гидроксильными группами; (b) указать характерные отличительные реакции, например, мягкое окисление кислым $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, изменение цвета с оранжевого на зеленый
определить наличие группы $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-$ в спирте, $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-\text{R}$, по его реакции со щелочным $\text{I}_2\text{(aq)}$ с образованием желтого осадка трииодометана и иона, $\text{RCO}_2^-$
объяснить кислотные свойства спиртов по сравнению с водой

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

An alcohol 醇 has the $\text{–OH}$ (hydroxyl) functional group.

Making alcohols

Method	Reagents and conditions
addition of steam to an alkene	$\text{H}_2\text{O(g)}$, $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst (electrophilic addition 亲电加成)
an alkene 烯烃 with cold dilute $\text{KMnO}_4$	gives a diol 二醇 (two $\text{–OH}$ groups)
substitution of a halogenoalkane 卤代烷	$\text{NaOH(aq)}$, heat
reduction 还原 of an aldehyde 醛 or ketone 酮	$\text{NaBH}_4$ or $\text{LiAlH}_4$
reduction of a carboxylic acid 羧酸	$\text{LiAlH}_4$
hydrolysis 水解 of an ester 酯	dilute acid or alkali, heat

Reactions of alcohols

combustion: alcohols burn in oxygen to give carbon dioxide and water.
substitution to a halogenoalkane, for example with $\text{HX}$, $\text{PCl}_5$, $\text{PCl}_3$ and heat, or $\text{SOCl}_2$.
with sodium: alcohols react with sodium metal to give hydrogen and a sodium alkoxide — like water, but more slowly.
oxidation 氧化 with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ (or $\text{KMnO}_4$). The product depends on the class of alcohol (see below).
dehydration 脱水 to an alkene, using a hot $\text{Al}_2\text{O}_3$ catalyst or concentrated acid.
ester formation: an alcohol reacts with a carboxylic acid (with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ catalyst) to make an ester.

Three classes and how oxidation tells them apart

An alcohol is primary 伯, secondary 仲 or tertiary 叔, depending on how many carbons are joined to the carbon holding the $\text{–OH}$. Some molecules have more than one $\text{–OH}$ group.

Class	Oxidation product
primary	aldehyde (by distillation 蒸馏), then carboxylic acid (by reflux 回流)
secondary	a ketone
tertiary	not oxidised

In a quick test, acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ turns from orange to green with a primary or secondary alcohol, but stays orange with a tertiary alcohol.

distillation removes the aldehyde as it forms, before it can be oxidised further.
reflux keeps boiling the mixture and returning the vapour, so the alcohol is fully oxidised to the carboxylic acid.

The iodoform test

If you warm an alcohol that contains the $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-$ group with alkaline aqueous iodine, you get a pale yellow precipitate of tri-iodomethane 三碘甲烷 ($\text{CHI}_3$) and the ion $\text{RCO}_2^-$. This is a useful test for that group.

Acidity of alcohols

The $\text{–OH}$ group makes alcohols very weakly acidic: they can lose the $\text{H}^+$ to form an $\text{RO}^-$ ion. But their acidity 酸性 is lower than that of water. This is because the alkyl group pushes electron density onto the oxygen, which makes the $\text{RO}^-$ ion less stable, so the alcohol holds onto its $\text{H}^+$ more tightly.

Worked example. Three unlabelled bottles hold butan-1-ol, butan-2-ol and 2-methylpropan-2-ol. How does warming each with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ tell them apart? What matters is how many hydrogens sit on the carbon carrying the $\text{OH}$. Butan-1-ol is primary (two such hydrogens): the orange dichromate turns green, and by distilling you collect an aldehyde (butanal), or by refluxing you get the carboxylic acid (butanoic acid). Butan-2-ol is secondary (one such hydrogen): also green, but the product is a ketone (butanone), which will not oxidise further. 2-methylpropan-2-ol is tertiary (no such hydrogen): there is nothing to remove, so the dichromate stays orange. The colour only separates the tertiary from the other two - to split primary from secondary you must identify the product (an aldehyde gives a silver mirror with Tollens', a ketone does not).

Русский

Спирт имеет функциональную группу $\text{–OH}$ (гидроксильную).

Бутылочка для дезинфекции рук — Этанол, содержащийся в средстве для дезинфекции рук, уничтожает микроорганизмы

Получение спиртов

Метод	Реагенты и условия
присоединение водяного пара к алкену	$\text{H}_2\text{O(g)}$, $\text{H}_3\text{PO}_4$ катализатор (электрофильное присоединение)
алкен с холодным разбавленным $\text{KMnO}_4$	дает диол (две группы $\text{–OH}$)
замещение галогеналкана	$\text{NaOH(aq)}$, нагревание
восстановление альдегида или кетона	$\text{NaBH}_4$ или $\text{LiAlH}_4$
восстановление карбоновой кислоты	$\text{LiAlH}_4$
гидролиз эфира	разбавленная кислота или щелочь, нагревание

Конические колбы с мутной жидкостью, закупоренные фольгой, ферментирующие в лаборатории — Промышленно этанол также получают путем брожения сахара; затем фракционная перегонка отделяет его от воды

Реакции спиртов

горение: спирты горят в кислороде с образованием углекислого газа и воды.
замещение на галогеналкан, например с $\text{HX}$, $\text{PCl}_5$, $\text{PCl}_3$ и нагреванием, или $\text{SOCl}_2$.
с натрием: спирты реагируют с металлическим натрием с образованием водорода и натрийспиртового основания — как вода, но медленнее.
окисление с подкисленным $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ (или $\text{KMnO}_4$). Продукт зависит от класса спирта (см. ниже).
дегидратация до алкена с использованием горячего катализатора $\text{Al}_2\text{O}_3$ или концентрированной кислоты.
образование эфира: спирт реагирует с карбоновой кислотой (с концентрированным $\text{H}_2\text{SO}_4$ катализатором) для получения эфира.

Спирт, реагирующий четырьмя способами: горение, дегидратация на алкен, эфирификация и окисление — Спирт может гореть, претерпевать дегидратацию, этерификацию или окисление

Три класса и различие по окислению

Спирт является первичным, вторичным или третичным в зависимости от того, сколько углеродов присоединено к углероду, несущему $\text{–OH}$. Некоторые молекулы имеют более одной группы $\text{–OH}$.

Три центральных углерода, каждый с группой OH: первичный имеет одну R-группу и два водорода, вторичный две R-группы и один водород, третичный три R-группы — Класс определяется углеродом, несущим –OH: одна R-группа делает его первичным, две — вторичным, три — третичным, что определяет способ окисления

Класс	Продукт окисления
первичный	альдегид (путем перегонки), затем карбоновая кислота (путем отгона с обратным конденсатором)
вторичный	кетон
третичный	не окисляется

Схема: первичный спирт окисляется до альдегида, затем до карбоновой кислоты, вторичный спирт до кетона, а третичный спирт не окисляется — Окисление по классам: первичный спирт дает альдегид, затем карбоновую кислоту, вторичный дает кетон, третичный не окисляется

В быстром тесте кислый раствор $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ меняет цвет с оранжевого на зеленый при взаимодействии с первичным или вторичным спиртом, но остается оранжевым с третичным спиртом.

Две пробирки с оранжевым дихроматом: в той, где первичный или вторичный спирт, раствор стал зеленым, в той, где третичный спирт, остался оранжевым — Подкисленный дихромат меняет цвет с оранжевого на зеленый при реакции с первичным или вторичным спиртом, но остается оранжевым с третичным спиртом

перегонка удаляет альдегид по мере его образования, прежде чем он сможет быть окислен дальше.
отгон с обратным конденсатором поддерживает кипячение смеси и возврат паров, так что спирт полностью окисляется до карбоновой кислоты.

Два набора аппаратуры: отгон с обратным конденсатором с вертикальным конденсатором, возвращающим пары в колбу, и перегонка с наклонным конденсатором, ведущим к приемнику — Перегонка удаляет альдегид по мере образования; отгон с обратным конденсатором поддерживает кипение и возврат паров, полностью окисляя до кислоты

Лабораторная колонна для фракционной перегонки с термометром и водяным конденсатором — Реальная установка перегонки: пары выкипают, охлаждаются в конденсаторе и собираются — тот же принцип используется для разделения этанола из бродильной смеси

Йодоформный тест

Если нагреть спирт, содержащий группу $\text{CH}_3\text{CH(OH)}-$, с щелочным водным раствором иода, образуется бледно-желтый осадок трийодометана ($\text{CHI}_3$) и ион $\text{RCO}_2^-$. Это полезный тест на наличие этой группы.

Кислотные свойства спиртов

Группа $\text{–OH}$ делает спирты очень слабыми кислотами: они могут отдавать $\text{H}^+$, образуя $\text{RO}^-$-ион. Однако их кислотность ниже, чем у воды. Это происходит потому, что алкильная группа отталкивает электронную плотность к кислороду, что делает $\text{RO}^-$-ион менее устойчивым, поэтому спирт удерживает свой $\text{H}^+$ более прочно.

Разобранное решение. В трех непромаркированных флаконах находятся бутан-1-ол, бутан-2-ол и 2-метилпропан-2-ол. Как различить их, нагревая каждый с кислым раствором $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$? Важна лишь количество атомов водорода, связанных с углеродом, несущим группу $\text{OH}$. Бутан-1-ол является первичным (два таких атома водорода): оранжевый дихромат становится зеленым, и при перегонке вы получаете альдегид (бутаналь), а при отгонке — карбоновую кислоту (бутановую). Бутан-2-ол является вторичным (один такой атом водорода): также становится зеленым, но продуктом является кетон (бутанон), который не окисляется далее. 2-метилпропан-2-ол является третичным (нет таких атомов водорода): нечего отщепить, поэтому дихромат остается оранжевым. Цвет позволяет отличить третичный спирт от двух других — чтобы разделить первичный и вторичный, необходимо идентифицировать продукт реакции (альдегид дает «серебряное зеркало» с реактивом Толленса, кетон — нет).

Explore · ⁨Исследовать⁩

Alcohol reaction map · ⁨Карта реакций спиртов⁩

Choose what happens to alcohols under different reagents. · ⁨Выберите, что происходит со спиртами под действием различных реагентов.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Alcohol oxidation test lab · ⁨Лабораторная работа по окислению спиртов⁩

Classify alcohols by oxidation product and observation. · ⁨Классифицируйте спирты по продукту окисления и наблюдению.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
alcohol/ˈælkəhɒl/	спирт
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/	электрофильное присоединение
alkene/ˈælkiːn/	алкен
diol/dɪˈɒl/	диол
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/	галогеналкан
reduction/rɪˈdʌkʃn/	восстановление
aldehyde/ˈældɪhaɪd/	альдегид
ketone/ˈketəʊn/	кетон
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/	карбоновая кислота
hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/	гидролиз
ester/ˈestə/	эфирная
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/	окисления
dehydration/ˌdiːhaɪˈdreɪʃn/	дегидратация
primary/ˈpraɪməri/	первичный
secondary/ˈsekəndəri/	вторичный
tertiary/ˈtɜːʃjəri/	третичный
distillation/dɪstɪˈleɪʃn/	дистилляцию
reflux/ˈriːflʌks/	отгонку
tri-iodomethane/traɪ ˈaɪədəʊmθeɪn/	трииодометан
acidity/æˈsɪdɪti/	кислотность

16.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Classify the alcohol as primary, secondary or tertiary first — it decides the oxidation product.
Oxidation with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ (orange → green): primary → aldehyde (distil) → acid (reflux); secondary → ketone; tertiary → no reaction.
Distinguish the conditions for aldehyde vs acid from a primary alcohol (distillation vs reflux).
Name esters correctly (the acid part comes second, ending "-oate").

Русский

Сначала классифицируйте спирт как первичный, вторичный или третичный — это определяет продукт окисления.
Окисление кислым раствором $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ (оранжевый → зеленый): первичный → альдегид (перегонка) → кислота (отгонка); вторичный → кетон; третичный → реакции нет.
Различайте условия для получения альдегида vs кислоты из первичного спирта (перегонка против кипячения с обратным конденсатором).
Правильно называйте эфиры (название кислотной части идет второй, заканчивается на «-oate»).

Carbonyl compounds · ⁨Карбонильные соединения⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

17.1

Aldehydes and ketones · ⁨Альдегиды и кетоны⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions (reagents and conditions) by which aldehydes and ketones can be produced: (a) the oxidation of primary alcohols using acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ and distillation to produce aldehydes (b) the oxidation of secondary alcohols using acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ and distillation to produce ketones
describe: (a) the reduction of aldehydes and ketones using $\text{NaBH}_4$ or $\text{LiAlH}_4$ to produce alcohols (b) the reaction of aldehydes and ketones with $\text{HCN}$, $\text{KCN}$ as catalyst, and heat to produce hydroxynitriles as exemplified by ethanal and propanone
describe the mechanism of the nucleophilic addition reactions of hydrogen cyanide with aldehydes and ketones in 17.1.2(b)
describe the use of 2,4-dinitrophenylhydrazine (2,4-DNPH reagent) to detect the presence of carbonyl compounds
deduce the nature (aldehyde or ketone) of an unknown carbonyl compound from the results of simple tests (Fehling's and Tollens' reagents; ease of oxidation)
deduce the presence of a $\text{CH}_3\text{CO}-$ group in an aldehyde or ketone, $\text{CH}_3\text{CO}-\text{R}$, from its reaction with alkaline $\text{I}_2(\text{aq})$ to form a yellow precipitate of tri-iodomethane and an ion, $\text{RCO}_2^-$

Русский

вспомнить реакции (реагенты и условия), с помощью которых можно получить альдегиды и кетоны: (a) окисление первичных спиртов с использованием кислого $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ или кислого $\text{KMnO}_4$ и дистилляции для получения альдегидов; (b) окисление вторичных спиртов с использованием кислого $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ или кислого $\text{KMnO}_4$ и дистилляции для получения кетонов
опишите: (a) восстановление альдегидов и кетонов с использованием $\text{NaBH}_4$ или $\text{LiAlH}_4$ для получения спиртов (b) реакцию альдегидов и кетонов со $\text{HCN}$, $\text{KCN}$ в качестве катализатора и при нагревании для получения гидроксинитрилов, как показано на примере этаналя и пропанона
описать механизм реакций нуклеофильного присоединения цианидоводорода с альдегидами и кетонами из раздела 17.1.2(b)
описать использование 2,4-динитрофенилгидразина (реагент 2,4-DNPH) для обнаружения наличия карбонильных соединений
определить природу (альдегид или кетон) неизвестного карбонильного соединения на основе результатов простых тестов (реагенты Фейлинга и Толленса; легкость окисления)
определить наличие группы $\text{CH}_3\text{CO}-$ в альдегиде или кетоне, $\text{CH}_3\text{CO}-\text{R}$, по его реакции со щелочным $\text{I}_2(\text{aq})$ с образованием желтого осадка трииодометана и иона, $\text{RCO}_2^-$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Aldehydes and ketones are carbonyl compounds 羰基化合物 — they contain the C=O carbonyl 羰基 group.

in an aldehyde 醛 the carbonyl carbon is on the end of the chain (it also carries an H), written $\text{–CHO}$.
in a ketone 酮 the carbonyl carbon is in the middle, between two other carbons.

Making aldehydes and ketones

Both are made by the oxidation 氧化 of an alcohol 醇 with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or $\text{KMnO}_4$:

a primary alcohol, with distillation 蒸馏, gives an aldehyde.
a secondary alcohol gives a ketone.

Reactions

reduction 还原 with $\text{NaBH}_4$ or $\text{LiAlH}_4$ turns a carbonyl compound back into an alcohol (an aldehyde gives a primary alcohol; a ketone gives a secondary alcohol).
reaction with hydrogen cyanide 氰化氢 ($\text{HCN}$), with $\text{KCN}$ as catalyst and heat, adds $\text{H}$ and $\text{CN}$ across the C=O to make a hydroxynitrile 羟基腈. This adds one carbon to the chain.

The mechanism: nucleophilic addition

The reaction with $\text{HCN}$ is a nucleophilic addition 亲核加成. The carbonyl carbon is slightly positive (oxygen pulls the electrons away). So:

the $\text{CN}^-$ ion (a nucleophile) attacks the slightly positive carbon.
this breaks the C=O double bond, leaving a negative oxygen ($\text{O}^-$).
the $\text{O}^-$ takes an $\text{H}^+$ (from $\text{HCN}$) to finish the hydroxynitrile.

Русский

Альдегиды и кетоны являются карбонильными соединениями — они содержат карбонильную группу C=O.

в альдегиде карбонильный углерод находится на конце цепи (он также связан с атомом H), записывается как $\text{–CHO}$.
в кетоне карбонильный углерод находится в середине, между двумя другими атомами углерода.

Флакон жидкости для снятия лака рядом с ватными дисками — Пропанон (ацетон), самый простой кетон, является растворителем в средстве для снятия лака

Этаналь с атомом C=O на конце, несущем H, рядом с пропаноном, где атом C=O находится между двумя атомами углерода — Оба имеют карбонильную группу C=O: в альдегиде она находится на конце цепи (–CHO), в кетоне — в середине

Получение альдегидов и кетонов

Оба получаются путем окисления спирта подкисленным $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ или $\text{KMnO}_4$:

первичный спирт при перегонке дает альдегид.
вторичный спирт дает кетон.

Реакции

восстановление с помощью $\text{NaBH}_4$ или $\text{LiAlH}_4$ превращает карбонильное соединение обратно в спирт (альдегид дает первичный спирт; кетон дает вторичный спирт).
реакция с цианидом водорода ($\text{HCN}$), при использовании $\text{KCN}$ в качестве катализатора и нагревании, присоединяет $\text{H}$ и $\text{CN}$ по двойной связи C=O, образуя гидроксинитрил. Это увеличивает цепь на один атом углерода.

Механизм: нуклеофильное присоединение

Реакция с $\text{HCN}$ является нуклеофильным присоединением. Карбонильный углерод имеет частичный положительный заряд (кислород оттягивает на себя электроны). Поэтому:

$\text{CN}^-$-ион (нуклеофил) атакует частично положительный углерод.
это разрывает двойную связь C=O, оставляя отрицательный кислород ($\text{O}^-$).
$\text{O}^-$ принимает $\text{H}^+$ (от $\text{HCN}$), завершая образование гидроксинитрила.

Механизм присоединения HCN: цианид-ион атакует слегка положительный карбонильный углерод, связь C=O разрывается, образуя отрицательный кислород, затем кислород принимает протон — Нуклеофильное присоединение HCN: CN$^-$ атакует $\delta+$ карбонильный углерод, C=O разрывается до O$^-$, затем O$^-$ принимает H$^+$

Explore · ⁨Исследовать⁩

Carbonyl compound lab · ⁨Лабораторная работа с карбонильными соединениями⁩

Sort carbonyl reactions by what they reveal. · ⁨Отсортируйте реакции карбонильных соединений по тому, что они выявляют.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
aldehyde/ˈældɪhaɪd/	альдегид
ketone/ˈketəʊn/	кетон
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/	окисления
alcohol/ˈælkəhɒl/	спирт
distillation/dɪstɪˈleɪʃn/	дистилляцию
reduction/rɪˈdʌkʃn/	восстановление
hydrogen cyanide/ˈhaɪdrədʒn ˈsaɪənaɪd/	цианистый водород
hydroxynitrile/haɪˈdrɒksɪnaɪtraɪl/	гидроксинитрил
nucleophilic addition/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk əˈdɪʃn/	нуклеофильное присоединение
Fehling's reagent/ˈfeɪlɪŋz rɪˈeɪdʒənt/	реагент Фелинга
Tollens' reagent/ˈtəʊlənz rɪˈeɪdʒənt/	Реагент Толленса
tri-iodomethane/traɪ ˈaɪədəʊmθeɪn/	трииодометан

17.1

Tests for carbonyl compounds · ⁨Тесты на карбонильные соединения⁩

English

Detecting any carbonyl

Add 2,4-DNPH reagent (2,4-dinitrophenylhydrazine). An orange precipitate confirms that the compound is an aldehyde or a ketone.

Telling an aldehyde from a ketone

Aldehydes are easily oxidised to carboxylic acids, but ketones are not. Two tests use this difference:

Test	Aldehyde	Ketone
Fehling's reagent 斐林试剂 (blue solution)	turns to a brick-red precipitate	no change
Tollens' reagent 托伦试剂 (colourless)	gives a silver mirror	no change

The iodoform test

If the compound has the $\text{CH}_3\text{CO}-$ group, warming it with alkaline aqueous iodine gives a pale yellow precipitate of tri-iodomethane 三碘甲烷 ($\text{CHI}_3$) and the ion $\text{RCO}_2^-$.

Worked example. A liquid gives an orange precipitate with 2,4-DNPH, gives no silver mirror with Tollens' reagent, and gives a yellow precipitate with alkaline aqueous iodine. Identify it. Take the tests one at a time, using each for exactly what it proves. The orange precipitate with 2,4-DNPH proves a carbonyl group is present - an aldehyde or a ketone, nothing else. No silver mirror with Tollens' rules out an aldehyde, so it must be a ketone. The yellow precipitate in the iodoform test proves a $\text{CH}_3\text{CO}-$ group next to the carbonyl. The simplest compound satisfying all three is propanone, $\text{CH}_3\text{COCH}_3$. Keep the roles straight: 2,4-DNPH finds any carbonyl, Tollens' separates aldehyde from ketone, and iodoform detects the methyl group beside the C=O.

Русский

Обнаружение любой карбонильной группы

Добавьте реагент 2,4-DNPH (2,4-динитрофенилгидразин). Оранжевый осадок подтверждает, что соединение является альдегидом или кетоном.

Различение альдегида и кетона

Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот, тогда как кетоны нет. Для выявления этой разницы используются два теста:

Тест	Альдегид	Кетон
Раствор Фелинга (синий раствор)	превращается в кирпично-красный осадок	без изменений
Реактив Толленса (бесцветный)	образует серебряное зеркало	без изменений

Две пробирки: раствор Фелинга дает кирпично-красный осадок, реактив Толленса дает серебряное зеркало, оба теста проводились с альдегидом — Различение альдегида и кетона: альдегид дает кирпично-красный осадок с раствором Фелинга и серебряное зеркало с реактивом Толленса; кетон не дает изменений

Пробирка, внутренняя стенка которой покрыта ярким блестящим серебристым слоем, похожим на зеркало — Положительная проба Толленса: альдегид покрывает пробирку блестящим серебряным зеркалом

Йодоформный тест

Если соединение содержит группу $\text{CH}_3\text{CO}-$, при нагревании с щелочным водным раствором йода образуется бледно-желтый осадок трииодометана ($\text{CHI}_3$) и ион $\text{RCO}_2^-$.

Разобранный пример. Жидкость образует оранжевый осадок с 2,4-ДНФГ, не даёт серебряного зеркала с реактивом Толленса и образует жёлтый осадок со щелочным водным раствором йода. Определите его. Проводите тесты по очереди, используя каждый только для того, что он доказывает. Оранжевый осадок с 2,4-ДНФГ доказывает наличие карбонильной группы — это альдегид или кетон, ничего другого. Отсутствие серебряного зеркала с реактивом Толленса исключает альдегид, следовательно, это должен быть кетон. Жёлтый осадок в иодоформном тесте доказывает наличие $\text{CH}_3\text{CO}-$ группы рядом с карбонилом. Самым простым соединением, удовлетворяющим всем трём условиям, является пропанон, $\text{CH}_3\text{COCH}_3$. Не перепутайте роли: 2,4-ДНФГ обнаруживает любую карбонильную группу, Толленс отделяет альдегид от кетона, а иодоформная реакция выявляет метильную группу рядом с C=O.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Carbonyl test lab · ⁨Лаборатория по тестам на карбонильные группы⁩

Match observations to aldehydes and ketones. · ⁨Соотнесите наблюдения с альдегидами и кетонами.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
carbonyl compound/ˈkɑːbənaɪl ˈkɒmpaʊnd/	карбонильное соединение
carbonyl/ˈkɑːbənaɪl/	карбонильная группа

17.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

2,4-DNPH gives an orange precipitate with any carbonyl — it tests for $\text{C}=\text{O}$.
Tollens' (silver mirror) and Fehling's (brick-red) are positive for aldehydes only — this is how you tell aldehydes from ketones.
Nucleophilic addition of HCN adds one carbon (→ hydroxynitrile); show the curly arrows.
The iodoform (tri-iodomethane) test is positive for $\text{CH}_3\text{CO}-$ groups.

Русский

2,4-ДНФГ образует оранжевый осадок с любой карбонильной группой — он тестирует на $\text{C}=\text{O}$.
Реактив Толленса (серебряное зеркало) и раствор Фейлинга (кирпично-красный) положительны только для альдегидов — именно так отличают альдегиды от кетонов.
Нуклеофильное присоединение HCN добавляет один углерод (→ гидроксинитрил); покажите изогнутые стрелки.
Тест на иодоформ (трииодометан) положителен для групп $\text{CH}_3\text{CO}-$.

Carboxylic acids and derivatives · ⁨Карбоновые кислоты и их производные⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

18.1

Carboxylic acids · ⁨Карбоновые кислоты⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions by which carboxylic acids can be produced: (a) oxidation of primary alcohols and aldehydes with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ and refluxing (b) hydrolysis of nitriles with dilute acid or dilute alkali followed by acidification (c) hydrolysis of esters with dilute acid or dilute alkali and heat followed by acidification
describe: (a) the redox reaction with reactive metals to produce a salt and $\text{H}_2(\text{g})$ (b) the neutralisation reaction with alkalis to produce a salt and $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ (c) the acid–base reaction with carbonates to produce a salt and $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ and $\text{CO}_2(\text{g})$ (d) esterification with alcohols with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst (e) reduction by $\text{LiAlH}_4$ to form a primary alcohol

Русский

вспомнить реакции, с помощью которых можно получить карбоновые кислоты: (a) окисление первичных спиртов и альдегидов с использованием кислого $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ или кислого $\text{KMnO}_4$ и перегонки с обратным конденсатором; (b) гидролиз нитрилов с использованием разбавленной кислоты или разбавленного щелочного раствора с последующим подкислением; (c) гидролиз эфиров с использованием разбавленной кислоты или разбавленного щелочного раствора и нагревания с последующим подкислением
описать: (a) окислительно-восстановительную реакцию с активными металлами для получения соли и $\text{H}_2(\text{g})$; (b) реакцию нейтрализации со щелочами для получения соли и $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$; (c) кислотно-основную реакцию с карбонатами для получения соли, $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ и $\text{CO}_2(\text{g})$; (d) эфиробразование со спиртами с концентрированной $\text{H}_2\text{SO}_4$ в качестве катализатора; (e) восстановление с использованием $\text{LiAlH}_4$ для образования первичного спирта

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

A carboxylic acid 羧酸 has the $\text{–COOH}$ (carboxyl) functional group. It is a weak acid.

Making carboxylic acids

oxidation 氧化 of a primary alcohol 醇 or an aldehyde 醛 with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or $\text{KMnO}_4$, with reflux 回流 (so it is fully oxidised).
hydrolysis 水解 of a nitrile 腈 with dilute acid or alkali, then acidifying.
hydrolysis of an ester 酯 with dilute acid or alkali and heat, then acidifying.

Reactions of carboxylic acids

These reactions all show that carboxylic acids are acids:

with a reactive metal (a redox 氧化还原 reaction): gives a salt 盐 and hydrogen.

$$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Mg} \rightarrow (\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg} + \text{H}_2$$

with an alkali (a neutralisation 中和): gives a salt and water.

$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O}$$

with a carbonate 碳酸盐: gives a salt, water and carbon dioxide. The fizzing of $\text{CO}_2$ is a test for a carboxylic acid.

$$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$

Two reactions change the functional group:

esterification 酯化 with an alcohol (concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ catalyst) gives an ester.
reduction 还原 by $\text{LiAlH}_4$ gives a primary alcohol.

Русский

У карбоновой кислоты есть функциональная группа $\text{–COOH}$ (карбоксильная). Это слабая кислота.

Бутылочки уксуса на полке — Уксус — это разбавленный раствор этановой кислоты, карбоновой кислоты

Получение карбоновых кислот

Окисление первичного спирта или альдегида подкисленным $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ или $\text{KMnO}_4$ при отгонке (чтобы окисление было полным).
Гидролиз нитрила разбавленной кислотой или щелочью, затем подкисление.
Гидролиз эфира разбавленной кислотой или щелочью с нагреванием, затем подкисление.

Реакции карбоновых кислот

Эти реакции показывают, что карбоновые кислоты являются кислотами:

С активным металлом (редокс-реакция): образуются соль и водород.

$$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Mg} \rightarrow (\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg} + \text{H}_2$$

Со щелочью (нейтрализация): образуется соль и вода.

$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O}$$

С карбонатом: образуются соль, вода и углекислый газ. Шипение $\text{CO}_2$ является пробой на карбоновую кислоту.

$$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$

Ветвящаяся диаграмма, показывающая реакцию карбоновой кислоты с активным металлом, щелочью и карбонатом с образованием обозначенных продуктов — Карбоновые кислоты ведут себя как кислоты: соль с металлом (+ H$_2$), со щелочью (+ вода) или с карбонатом (+ вода + CO$_2$ — шипение является пробой)

Две реакции изменяют функциональную группу:

Этерификация со спиртом (концентрированный $\text{H}_2\text{SO}_4$ катализатор) дает эфир.
Восстановление с помощью $\text{LiAlH}_4$ дает первичный спирт.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Carboxylic acid reaction map · ⁨Схема реакций карбоновых кислот⁩

Follow carboxylic acids through neutralisation, esterification and reduction. · ⁨Изучите реакции карбоновых кислот: нейтрализацию, этерификацию и восстановление.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/	карбоновая кислота
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/	окисления
alcohol/ˈælkəhɒl/	спирт
aldehyde/ˈældɪhaɪd/	альдегид
reflux/ˈriːflʌks/	отгонку

18.2

Esters · ⁨Эфиры⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reaction (reagents and conditions) by which esters can be produced: (a) the condensation reaction between an alcohol and a carboxylic acid with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst
describe the hydrolysis of esters by dilute acid and by dilute alkali and heat

Русский

вспомнить реакцию (реагенты и условия), с помощью которой можно получить эфиры: (a) реакция конденсации между спиртом и карбоновой кислотой с концентрированной $\text{H}_2\text{SO}_4$ в качестве катализатора
описать гидролиз эфиров разбавленной кислотой и разбавленным щелочным раствором под действием тепла

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

An ester has the $\text{–COO–}$ group. It often smells sweet or fruity.

Making esters

An ester forms in a condensation 缩合 reaction between an alcohol and a carboxylic acid, with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst. A water molecule is lost, and the reaction is reversible:

$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$

Hydrolysis of esters

Hydrolysis splits the ester back apart. The conditions change the products:

dilute acid and heat: reversible. Gives back the carboxylic acid and the alcohol.
dilute alkali and heat: not reversible. Gives the alcohol and the salt of the carboxylic acid (the carboxylate ion).

Worked example. Name the ester made from ethanol and propanoic acid, and say which part comes from which. In an ester name the alcohol gives the first word (the alkyl part) and the acid gives the second (the -oate part). Ethanol supplies $\text{C}_2\text{H}_5-$ and propanoic acid supplies $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}-$, so the ester is ethyl propanoate, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOC}_2\text{H}_5$. It is made by refluxing the two with a concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ catalyst, and the reaction is reversible, so the yield is never complete. The trap is naming it backwards: propyl ethanoate is a completely different ester (made from propan-1-ol and ethanoic acid). Alcohol first, acid second.

Русский

У эфира есть группа $\text{–COO–}$. Он часто имеет сладкий или фруктовый запах.

Роскошная выточенная стеклянная флакон духов — Эфиры придают многим фруктам и духам сладкий аромат

Получение эфиров

Эфир образуется в реакции конденсации между спиртом и карбоновой кислотой при использовании концентрированного $\text{H}_2\text{SO}_4$ в качестве катализатора. Выделяется молекула воды, и реакция обратима:

$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$

Уравнение этерификации, где OH от кислоты и H от спирта выделены как атомы, покидающие систему в виде воды, а новая связь кислорода эфира подчеркнута — Этерификация — это конденсация: –OH от кислоты и –H от спирта покидают систему в виде воды, образуя связь C–O–C эфира

Гидролиз эфиров

Гидролиз расщепляет эфир обратно. Условия определяют продукты:

разбавленная кислота и нагревание: обратимо. Образуются исходные карбоновая кислота и спирт.
разбавленная щелочь и нагревание: необратимо. Образуются спирт и соль карбоновой кислоты (карбоксилат-ион).

Ветвящаяся диаграмма: гидролиз эфира разбавленной кислотой дает карбоновую кислоту и спирт, разбавленной щелочью — карбоксилатную соль и спирт — Гидролиз эфира: разбавленная кислота (обратимо) дает карбоновую кислоту и спирт; разбавленная щелочь (необратимо) дает карбоксилатную соль и спирт

Разобранный пример. Назовите эфир, полученный из этанола и пропановой кислоты, и укажите, какая часть происходит от чего. В названии эфира спирт дает первое слово (алкильная часть), а кислота — второе (часть -oate). Этанол дает $\text{C}_2\text{H}_5-$, а пропановая кислота дает $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}-$, поэтому эфир называется пропиловый пропаноат, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOC}_2\text{H}_5$. Его получают при отгонке смеси этих двух веществ с концентрированным $\text{H}_2\text{SO}_4$ катализатором, и реакция обратима, поэтому выход никогда не бывает полным. Ловушка заключается в неправильном порядке названия: пропиловый этаноат — это совершенно другой эфир (полученный из пропан-1-ола и этановой кислоты). Сначала спирт, потом кислота.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Ester route lab · ⁨Лаборатория синтеза эфиров⁩

Follow ester formation and hydrolysis as reversible paths. · ⁨Изучите образование эфиров и гидролиз как обратимые процессы.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/	гидролиз
nitrile/ˈnaɪtraɪl/	нитрил
ester/ˈestə/	эфирная
redox/rɪˈdɒks/	окислительно-восстановительная реакция (редокс)
salt/sɒlt/	соль
neutralisation/ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/	中和反应 (нейтрализация)
carbonate/ˈkɑːbəneɪt/	карбонат
esterification/ˌestəˌrɪfɪˈkeɪʃn/	этерификация
reduction/rɪˈdʌkʃn/	восстановление
condensation/kɒndenˈseɪʃn/	конденсация

18.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Carboxylic acids react with carbonates to give $\text{CO}_2$ (fizzing) — this distinguishes them from phenols.
Explain acid strength via the delocalised carboxylate ion; electron-withdrawing groups (e.g. Cl) increase strength.
Esterification (with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$) is reversible; name esters as alkyl alkanoate.
Know the products of acid vs alkaline hydrolysis of an ester (they differ).

Русский

Карбоновые кислоты реагируют с карбонатами, выделяя $\text{CO}_2$ (шипение) — это отличает их от фенолов.
Объясните силу кислоты через ** делокализованный карбоксилат-ион**; электроноакцепторные группы (например, Cl) увеличивают силу.
Этерификация (с концентрированным $\text{H}_2\text{SO}_4$) обратима; называйте эфиры как алкил алканой.
Знать продукты кислотного против щелочного гидролиза эфира (они различаются).

Nitrogen compounds · ⁨Соединения азота⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

19.1

Primary amines · ⁨Первичные амины⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions by which amines can be produced: (a) reaction of a halogenoalkane with $\text{NH}_3$ in ethanol heated under pressure Classification of amines will not be tested at AS Level.

Русский

вспомнить реакции, с помощью которых можно получить амины: (a) реакция галогеналкана со $\text{NH}_3$ в этаноле при нагревании под давлением Классификация аминов не будет проверяться на уровне AS.

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

An amine 胺 has an $\text{–NH}_2$ group (the nitrogen replaces a hydrogen of ammonia).

Making a primary amine

Heat a halogenoalkane 卤代烷 with ammonia dissolved in ethanol, under pressure:

$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NH}_3 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{NH}_2 + \text{HBr}$$

This is a nucleophilic substitution 亲核取代: the lone pair on the nitrogen of ammonia attacks the slightly positive carbon and pushes out the halogen. You use an excess of ammonia, or the amine made can react again.

Русский

Мотки шерсти, окрашенные в красный, синий, желтый и кремовый цвета, высушенные на деревянной рейке — Окрашивание тканей: азотная и аминная химия — то, что придает волокнам стойкий яркий цвет

У амина есть группа $\text{–NH}_2$ (азот заменяет один атом водорода аммиака).

Получение первичного амина

Нагревайте галогеноалкан с аммиаком, растворенным в этаноле, под давлением:

$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NH}_3 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{NH}_2 + \text{HBr}$$

Это нуклеофильное замещение: неподелённая электронная пара на атоме азота аммиака атакует слегка положительный углерод и вытесняет галоген. Используется избыток аммиака, иначе образующийся амин может вступить в реакцию снова.

Галогеналкан реагирует с аммиаком: неподелённая пара азота атакует слегка положительный углерод, бром уходит, образуя первичный амин и HBr — Получение первичного амина: неподелённая пара аммиака атакует δ+ углерод и вытесняет галоген — нуклеофильное замещение

Explore · ⁨Исследовать⁩

Amine reaction lab · ⁨Лабораторная работа по реакциям аминов⁩

Classify amine examples by basicity and nucleophilic behaviour. · ⁨Классифицируйте примеры аминов по основности и нуклеофильному поведению.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
amine/ˈæmaɪn/	амин
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/	галогеналкан
nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	нуклеофильное замещение

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

19.2

Nitriles and hydroxynitriles · ⁨Нитрилы и гидроксинитрилы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions by which nitriles can be produced: (a) reaction of a halogenoalkane with $\text{KCN}$ in ethanol and heat
recall the reactions by which hydroxynitriles can be produced: (a) the reaction of aldehydes and ketones with $\text{HCN}$, $\text{KCN}$ as catalyst, and heat
describe the hydrolysis of nitriles with dilute acid or dilute alkali followed by acidification to produce a carboxylic acid

Русский

вспомнить реакции, с помощью которых можно получить нитрилы: (a) реакция галогеналкана со $\text{KCN}$ в этаноле при нагревании
вспомнить реакции, с помощью которых можно получить гидроксинитрилы: (a) реакция альдегидов и кетонов со $\text{HCN}$, $\text{KCN}$ в качестве катализатора и теплом
описать гидролиз нитрилов разбавленной кислотой или разбавленным щелочным раствором с последующим подкислением для получения карбоновой кислоты

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Making a nitrile

Heat a halogenoalkane with potassium cyanide ($\text{KCN}$) in ethanol:

$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{KCN} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{CN} + \text{KBr}$$

This is also a nucleophilic substitution, with the $\text{CN}^-$ ion as the nucleophile. It is useful because it adds one carbon to the chain. The product is a nitrile 腈.

Making a hydroxynitrile

Add $\text{HCN}$ (with $\text{KCN}$ as catalyst, and heat) to an aldehyde 醛 or ketone 酮. The $\text{H}$ and $\text{CN}$ add across the C=O bond to give a hydroxynitrile 羟基腈. The reagent is hydrogen cyanide 氰化氢, and the mechanism is nucleophilic addition 亲核加成.

Hydrolysis of nitriles

Warm a nitrile with dilute acid (or dilute alkali, then acidify). This hydrolysis 水解 turns the $\text{–CN}$ group into a $\text{–COOH}$ group, giving a carboxylic acid 羧酸:

$$\text{CH}_3\text{CN} + 2\text{H}_2\text{O} + \text{HCl} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH} + \text{NH}_4\text{Cl}$$

A nitrile can also be reduced by hydrogen and a catalyst to form an amine, which is the reduction 还原 route to a longer-chain amine.

Worked example. Starting from bromoethane, make propanoic acid. Compare the carbons first: bromoethane has 2, propanoic acid has 3, so a carbon must be added - and the $\text{KCN}$ step is the reaction that does it. Step 1: warm bromoethane with ethanolic $\text{KCN}$; nucleophilic substitution gives propanenitrile, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CN}$, which now has 3 carbons because the $\text{CN}$ carbon joins the chain. Step 2: reflux the nitrile with dilute $\text{HCl}$; hydrolysis gives propanoic acid. Count the carbons before you plan: whenever the target has exactly one more than the starting material, the nitrile route is almost always the intended answer, and remember the $\text{CN}$ carbon is part of the new chain.

Русский

Получение нитрила

Нагревайте галогеналкан с цианидом калия ($\text{KCN}$) в этаноле:

$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{KCN} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{CN} + \text{KBr}$$

Это также нуклеофильное замещение, где нуклеофилом является ион $\text{CN}^-$. Это полезно, потому что оно добавляет один атом углерода к цепи. Продуктом является нитрил.

Получение гидроксинитрила

Добавьте $\text{HCN}$ (с $\text{KCN}$ в качестве катализатора и нагрев) к альдегиду или кетону. $\text{H}$ и $\text{CN}$ присоединяются по двойной связи C=O, образуя гидроксинитрил. Реагентом является циановодород, а механизм — нуклеофильное присоединение.

Две реакции: ион цианида замещает галогеналкан до нитрила, а циановодород присоединяется к карбонилу до гидроксинитрила — Два способа добавления углерода цианидом: KCN с галогеналканом дает замещение до нитрила; HCN с карбонилом дает присоединение до гидроксинитрила

Гидролиз нитрилов

Подогревайте нитрил с разбавленной кислотой (или разбавленным щелочью, затем подкислите). Этот гидролиз превращает группу $\text{–CN}$ в группу $\text{–COOH}$, образуя карбоновую кислоту:

$$\text{CH}_3\text{CN} + 2\text{H}_2\text{O} + \text{HCl} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH} + \text{NH}_4\text{Cl}$$

Нитрил также можно восстановить водородом и катализатором до амина; это путь восстановления для получения амина с более длинной цепью.

Схема: галогеналкан превращается в нитрил с помощью KCN (добавляя один углерод), затем нитрил гидролизуется до карбоновой кислоты или восстанавливается до амина — Нитрилы — полезный узел: KCN добавляет углерод, образуя нитрил, который затем гидролизуется до карбоновой кислоты или восстанавливается до амина

Пакет нейлоновых чулок — Восстановление нитрила дает амин; амины и дикарбоновые кислоты связываются, образуя полиамиды, такие как нейлон — волокно, впервые прославившееся в чулках

Разобранный пример. Начиная с бромоэтана, получите пропановую кислоту. Сначала сравните количество атомов углерода: в бромоэтане их 2, в пропановой кислоте — 3, значит, необходимо добавить углерод — и шаг с $\text{KCN}$ выполняет эту функцию. Шаг 1: подогревайте бромоэтан со спиртовым раствором $\text{KCN}$; нуклеофильное замещение дает пропанонитрил, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CN}$, который теперь имеет 3 атома углерода, так как $\text{CN}$ атом углерода присоединяется к цепи. Шаг 2: перегоняйте нитрил с разбавленной $\text{HCl}$; гидролиз дает пропановую кислоту. Считайте углероды до составления плана: когда целевое соединение имеет ровно на один атом углерода больше исходного, маршрут через нитрил почти всегда является ожидаемым ответом, и помните, что $\text{CN}$ атом углерода становится частью новой цепи.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Nitrile synthesis route · ⁨Маршрут синтеза нитрилов⁩

Follow nitriles and hydroxynitriles as carbon-chain extension tools. · ⁨Рассмотрите нитрилы и гидроксинитрилы как инструменты удлинения углеродной цепи.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
nitrile/ˈnaɪtraɪl/	нитрил
aldehyde/ˈældɪhaɪd/	альдегид
ketone/ˈketəʊn/	кетон
hydroxynitrile/haɪˈdrɒksɪnaɪtraɪl/	гидроксинитрил
hydrogen cyanide/ˈhaɪdrədʒn ˈsaɪənaɪd/	цианистый водород
nucleophilic addition/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk əˈdɪʃn/	нуклеофильное присоединение
hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/	гидролиз
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/	карбоновая кислота
reduction/rɪˈdʌkʃn/	восстановление

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

19.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Amines are bases (the N lone pair accepts $\text{H}^+$); aliphatic amines are stronger bases than ammonia.
Making amines: reduce a nitrile, or react a halogenoalkane with excess ammonia.
KCN adds one carbon (halogenoalkane → nitrile) — track the carbon count carefully in synthesis routes.
State reagents and conditions precisely for each conversion.

Русский

Амины являются основаниями (неподелённая пара N принимает $\text{H}^+$); алифатические амины — более сильные основания, чем аммиак.
Получение аминов: восстановите нитрил или реагируйте галогеналкан с избытком аммиака.
KCN добавляет один атом углерода (галогеналкан → нитрил) — внимательно отслеживайте количество атомов углерода в синтезе.
Точно указывайте реагенты и условия для каждой трансформации.

Polymerisation · ⁨Полимеризация⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

20.1

Addition polymerisation · ⁨Полимеризация присоединения⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe addition polymerisation as exemplified by poly(ethene) and poly(chloroethene), PVC
deduce the repeat unit of an addition polymer obtained from a given monomer
identify the monomer(s) present in a given section of an addition polymer molecule
recognise the difficulty of the disposal of poly(alkene)s, i.e. non-biodegradability and harmful combustion products

Русский

описывать полимеризацию присоединения на примере полиэтена и полихлорэтена, ПВХ
выводить повторяющееся звено добавки полимера, полученного из данного мономера
идентифицировать мономеры, присутствующие в данном участке молекулы добавочного полимера
распознавать сложность утилизации поли(алкенов), т.е. небиоразлагаемость и вредные продукты горения

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

In addition polymerisation 加成聚合, many small molecules join into one very long chain, with no other product made.

Each small molecule is a monomer 单体. It must be unsaturated — it has a C=C double bond. The double bond opens up so that the monomers can link together. The long chain that forms is the polymer 聚合物.

Repeat units

The repeat unit 重复单元 is the small part that is copied again and again along the chain. To find it, take the monomer, change the C=C to a single C–C, and draw bonds going out at each end.

poly(ethene) 聚乙烯 is made from ethene:

$$n\,\text{CH}_2{=}\text{CH}_2 \rightarrow -(\text{CH}_2{-}\text{CH}_2)_n-$$

poly(chloroethene) 聚氯乙烯 (PVC) is made from chloroethene:

$$n\,\text{CH}_2{=}\text{CHCl} \rightarrow -(\text{CH}_2{-}\text{CHCl})_n-$$

Finding the monomer

To go the other way, look at one repeat unit of the polymer, and put the C=C double bond back in. That gives you the monomer.

Worked example. A polymer has the repeat unit $-(\text{CH}_2{-}\text{CH}(\text{CH}_3))_n-$. Identify the monomer and name the polymer. Reverse the rule you used to build it: rub out the bonds sticking out at each end, and turn the single C-C in the backbone back into a C=C. That gives $\text{CH}_2{=}\text{CH}(\text{CH}_3)$, which is propene - so the polymer is poly(propene). Two checks catch most errors: the monomer must have the same molecular formula as the repeat unit (addition polymerisation adds nothing and loses nothing), and the double bond goes back into the backbone, never into the side group.

Русский

При полимеризации присоединения множество малых молекул соединяются в одну очень длинную цепь без образования других продуктов.

Каждая малая молекула — это мономер. Он должен быть ненасыщенным — иметь двойную связь C=C. Двойная связь раскрывается, чтобы мономеры могли соединяться друг с другом. Образующаяся длинная цепь называется полимером.

Несколько мономеров этилена, каждый из которых имеет двойную связь C=C, раскрывает её и соединяется торцами в одну длинную полимерную цепь одинарных связей — Двойная связь каждого мономера раскрывается, и мономеры соединяются торцами в одну длинную цепь — без образования других продуктов

Кучка маленьких полупрозрачных гранул поли(этилен) рядом с линейкой, показывающей, что они имеют несколько миллиметров в диаметре — Поли(этилен), распространенный полимер присоединения, поставляется в виде крошечных гранул диаметром несколько миллиметров; их затем расплавляют и формуют в бутылки, пакеты и другие изделия

Повторяющееся звено

Повторяющееся звено — это небольшая часть, которая многократно копируется вдоль цепи. Чтобы найти его, возьмите мономер, замените C=C на одинарную C–C и нарисуйте связи, выходящие за пределы звена с обеих сторон.

поли(этилен) получают из этилена:

$$n\,\text{CH}_2{=}\text{CH}_2 \rightarrow -(\text{CH}_2{-}\text{CH}_2)_n-$$

поли(хлорэтилен) (ПВХ) получают из хлорэтилена:

$$n\,\text{CH}_2{=}\text{CHCl} \rightarrow -(\text{CH}_2{-}\text{CHCl})_n-$$

Хлорэтилен с двойной связью слева и заключенное в скобки повторяющееся звено ПВХ справа, со стрелками для раскрытия C=C и его восстановления — Нахождение повторяющегося звена: замените C=C мономера на одинарную связь и нарисуйте связи outward с обеих сторон; выполните обратную операцию, чтобы найти мономер

Нахождение мономера

Чтобы сделать обратное, посмотрите на одно повторяющееся звено полимера и восстановите в нем двойную связь C=C. Это даст вам мономер.

Разобранное решение. Полимер имеет повторяющуюся единицу $-(\text{CH}_2{-}\text{CH}(\text{CH}_3))_n-$. Определите мономер и назовите полимер. Примените обратную логику того правила, которым он был синтезирован: удалите связи, торчащие на концах, и преобразуйте одинарную связь C-C в основной цепи обратно в двойную связь C=C. Это даст структуру $\text{CH}_2{=}\text{CH}(\text{CH}_3)$, которая является пропиленом — следовательно, полимер называется полипропилен. Два контроля помогут избежать большинства ошибок: мономер должен иметь ту же молекулярную формулу, что и повторяющаяся единица (при полимеризации присоединением ничего не добавляется и ничего не теряется), а двойная связь возвращается именно в основную цепь, а не в боковую группу.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Addition polymerisation route · ⁨Маршрут аддитивной полимеризации⁩

Watch alkene monomers join by opening their double bonds. · ⁨Посмотрите, как мономеры алкенов соединяются, открывая свои двойные связи.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
addition polymerisation/əˈdɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/	полимеризация присоединения
monomer/ˈmɒnəʊmə/	мономер
polymer/ˈpɒlɪmə/	полимер
repeat unit/rɪˈpiːt ˈjuːnɪt/	повторяющееся звено
poly(ethene)/ˈpɒlɪ/	полиэтилен
poly(chloroethene)/ˈpɒlɪ/	поливинилхлорид
non-biodegradable/nɒn ˌbaɪəʊdɪˈɡreɪdəbl/	небиоразлагаемый
combustion/kəmˈbʌstʃn/	горение

20.1

The problem of disposal · ⁨Проблема утилизации⁩

English

Poly(alkene)s are very hard to get rid of:

they are non-biodegradable 不可生物降解 — microbes cannot break them down, so they stay in the ground for a very long time.
their combustion 燃烧 (burning) can release harmful gases. For example, burning PVC gives off toxic hydrogen chloride.

Русский

Поли(алкены) очень трудно утилизировать:

они не разлагаются микроорганизмами — микробы не могут их расщепить, поэтому они остаются в почве очень долго.
при их горении (сжигании) выделяются вредные газы. Например, при горении ПВХ выделяется токсичный хлороводород.

Пластиковые отходы, выброшенные на берег — Большинство полимеров присоединения не разлагаются микроорганизмами, поэтому они накапливаются в окружающей среде в виде отходов

Схема, показывающая, что отходы поли(алкена) приводят к двум проблемам: небиоразлагаемые отходы остаются на свалках, а горение ПВХ выделяет токсичный HCl — Отходы полиалкена трудно утилизировать: они не разлагаются микроорганизмами, а при сжигании ПВХ выделяется токсичный хлороводород

20.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Draw the repeat unit in brackets with the two bonds crossing them and $n$ outside; keep the backbone carbons.
Deduce the monomer from a polymer (and vice versa) — a very common question.
Addition polymers are inert and non-biodegradable — link to landfill, recycling and incineration issues.
Do not confuse with condensation (no small molecule is lost in addition polymerisation).

Русский

Нарисуйте повторяющееся звено в скобках с двумя связями, пересекающими скобки, и $n$ снаружи; сохраните углеродную цепь.
Определяйте мономер по полимеру (и наоборот) — это очень частый вопрос.
Полимеры присоединения являются инертными и не разлагаются микроорганизмами, что связано с проблемами захоронения на свалках, переработки и сжигания.
Не путайте с конденсацией (при полимеризации присоединением не выделяется малая молекула).

Organic synthesis · ⁨Органический синтез⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

21.1

Organic synthesis · ⁨Органический синтез⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

for an organic molecule containing several functional groups: (a) identify organic functional groups using the reactions in the syllabus (b) predict properties and reactions
devise multi-step synthetic routes for preparing organic molecules using the reactions in the syllabus
analyse a given synthetic route in terms of type of reaction and reagents used for each step of it, and possible by-products

Русский

для органической молекулы, содержащей несколько функциональных групп: (a) идентифицировать органические функциональные группы с помощью реакций из программы (b) предсказывать свойства и реакции
разрабатывать многоступенчатые синтетические маршруты для получения органических молекул с использованием реакций из программы
анализировать данный синтетический маршрут с точки зрения типа реакции и реагентов, использованных на каждом этапе, а также возможных побочных продуктов

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

This topic does not add new reactions. Instead it asks you to join up the reactions you already know, so you can build a target molecule in several steps.

Identifying functional groups

A molecule may have more than one functional group 官能团. Use the test reactions from the syllabus to identify each one, and then predict how the molecule will behave. For example:

decolourises bromine water → a C=C double bond (an alkene 烯烃).
gives a precipitate with silver nitrate → a halogenoalkane 卤代烷.
orange $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ turns green → a primary or secondary alcohol 醇.
orange precipitate with 2,4-DNPH → an aldehyde 醛 or ketone 酮.
fizzes with a carbonate → a carboxylic acid 羧酸.

A map of the AS reactions

Each row turns one functional group into another. Learn it as a map you can travel around:

Start	Reagent and conditions	Product
alkene	$\text{H}_2$, Ni	alkane
alkene	$\text{HX}$, or $\text{X}_2$	halogenoalkane
alkene	steam, $\text{H}_3\text{PO}_4$	alcohol
halogenoalkane	$\text{NaOH(aq)}$, heat	alcohol
halogenoalkane	$\text{KCN}$ in ethanol, heat	a nitrile 腈 (adds one carbon)
halogenoalkane	$\text{NH}_3$ in ethanol, pressure	an amine 胺
alcohol	$\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, distil / reflux	aldehyde / carboxylic acid
alcohol	concentrated acid, heat	alkene
aldehyde or ketone	$\text{NaBH}_4$	alcohol
aldehyde or ketone	$\text{HCN}$, $\text{KCN}$	hydroxynitrile
nitrile	dilute acid, heat	carboxylic acid
carboxylic acid + alcohol	concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$	an ester 酯

Planning a multi-step route

To devise a synthetic route 合成路线:

compare the target with the starting material — what has changed (the functional group, the number of carbons)?
work backwards from the target: which single reaction could make it, and from what?
repeat until you reach the starting material.
write each step with its reagent 试剂 and conditions.

If you need to add a carbon, the $\text{KCN}$ step is the key — it is the only AS reaction that lengthens the chain.

Analysing a route

When you are given a route, for each step state the type of reaction (such as oxidation 氧化, reduction 还原, substitution, addition or elimination) and the reagent used. Also think about possible by-products 副产物 — for example, making an amine from a halogenoalkane also gives a mixture of further-substituted amines, so the yield of the simple amine is low.

Worked example. Devise a route from propene to propanone, $\text{CH}_3\text{COCH}_3$. Work backwards from the target. A ketone comes from oxidising a secondary alcohol, so the step before propanone is propan-2-ol with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ under reflux. Propan-2-ol comes from propene by adding steam over an $\text{H}_3\text{PO}_4$ catalyst - and Markovnikov's rule conveniently puts the $\text{OH}$ on the middle carbon, which is exactly the secondary alcohol needed. So the route is: propene, then steam with $\text{H}_3\text{PO}_4$, giving propan-2-ol; then acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ under reflux, giving propanone. Give a reagent and its conditions on every arrow: a route with the right intermediates but no reagents scores very little.

Русский

Эта тема не добавляет новых реакций. Вместо этого она требует от вас объединить уже известные реакции, чтобы собрать целевую молекулу за несколько этапов.

Белые таблетки в фольгированных блистерных упаковках — Лекарства создаются из простых исходных веществ путем многоступенчатого органического синтеза

Определение функциональных групп

Молекула может иметь более одной функциональной группы. Используйте тест-реакции из программы курса для определения каждой из них, а затем предскажите поведение молекулы. Например:

обесцвечивает бромную воду → двойная связь C=C (алкен).
дает осадок с нитратом серебра → галогеналкан.
оранжевый $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ зеленеет → первичный или вторичный спирт.
оранжевый осадок с 2,4-ДНФГ → альдегид или кетон.
шипение с карбонатом → карбоновая кислота.

Трехколоночная таблица, перечисляющая каждый реагент для анализа, наблюдаемый результат и функциональную группу, которую он выявляет — Стандартные идентификационные тесты: каждый реагент дает характерное наблюдение, указывающее на одну функциональную группу

Карта реакций AS

Каждая строка превращает одну функциональную группу в другую. Изучите её как карту, по которой можно перемещаться:

Исходное вещество	Реагент и условия	Продукт
алкен	$\text{H}_2$, Ni	алкан
алкен	$\text{HX}$, или $\text{X}_2$	галогеналкан
алкен	пар, $\text{H}_3\text{PO}_4$	спирт
галогеналкан	$\text{NaOH(aq)}$, нагревание	спирт
галогеналкан	$\text{KCN}$ в этаноле, нагревание	нитрил (добавляет один атом углерода)
галогеналкан	$\text{NH}_3$ в этаноле, давление	амин
спирт	$\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, дистилляция / рефлюкс	альдегид / карбоновая кислота
спирт	концентрированная кислота, нагревание	алкен
альдегид или кетон	$\text{NaBH}_4$	спирт
альдегид или кетон	$\text{HCN}$, $\text{KCN}$	гидроксинитрил
нитрил	разбавленная кислота, нагревание	карбоновая кислота
карбоновая кислота + спирт	концентрированная $\text{H}_2\text{SO}_4$	эфир

Сетевая диаграмма, соединяющая алкен, алкан, галогеналкан, спирт, альдегид, нитрил, амин, карбоновую кислоту и сложноэфир стрелками, подписанными названиями реагентов — Карта реакций AS: каждая стрелка превращает одну функциональную группу в другую. Двигайтесь от цели назад, чтобы спланировать маршрут

Планирование многоступенчатого маршрута

Для разработки синтетического маршрута:

сравните целевое соединение с исходным материалом — что изменилось (функциональная группа, количество атомов углерода)?
двигайтесь назад от целевого соединения: какая одна реакция могла бы его получить, и из чего?
повторяйте, пока не достигнете исходного материала.
запишите каждый этап вместе с его реагентом и условиями.

Если нужно добавить атом углерода, ключевой является шаг $\text{KCN}$ — это единственная реакция AS, удлиняющая углеродную цепь.

Цепочка синтеза от этилена до пропановой кислоты с реагентами на каждом прямом шаге и большая стрелка назад, показывающая планирование от целевого вещества к исходному — Планируйте маршрут, двигаясь назад от целевого соединения, по одной реакции за раз, пока не достигнете исходного материала

Анализ маршрута

Когда вам дан маршрут, для каждого этапа укажите тип реакции (например, окисление, восстановление, замещение, присоединение или отщепление) и использованный реагент. Также подумайте о возможных побочных продуктах — например, получение амина из галогеналкана также дает смесь дальнейших производных амина, поэтому выход простого амина низкий.

Разделительная воронка, закрепленная над стаканом, содержащая два несмешивающихся окрашенных жидких слоя — Разделительная воронка разделяет два несмешивающихся слоя — так получают органический продукт из реакционной смеси

Для каждого этапа заданного маршрута задайте три вопроса: тип реакции, реагент и условия, а также снижают ли побочные продукты выход продукта — Для каждого этапа данного маршрута задайте вопросы о типе реакции, реагентах и побочных продуктах

Пять типов реакций с описанием того, что делает каждая: окисление, восстановление, замещение, присоединение и элиминирование — Назовите тип реакции на каждом этапе: окисление, восстановление, замещение, присоединение или отщепление

Разобранный пример. Разработайте маршрут превращения пропена в пропанон, $\text{CH}_3\text{COCH}_3$. Работайте с конца от целевого продукта. Кетон получается при окислении вторичного спирта, поэтому шаг перед образованием пропанона — это пропан-2-ол с подкислённым $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ при нагревании на обратном холодильнике. Пропан-2-ол образуется из пропена путём присоединения водяного пара над $\text{H}_3\text{PO}_4$ катализатором — и правило Марковникова удобно направляет $\text{OH}$ на средний атом углерода, что как раз и даёт необходимый вторичный спирт. Таким образом, маршрут таков: пропен, затем водяной пар с $\text{H}_3\text{PO}_4$, дающий пропан-2-ол; затем подкислённый $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ при нагревании на обратном холодильнике, дающий пропанон. Укажите реагент и условия на каждой стрелке: маршрут с правильными промежуточными продуктами, но без реагентов, оценивается очень низко.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Reaction map lab · ⁨Лабораторная работа: карта реакций⁩

Classify clues that identify functional groups and reaction pathways. · ⁨Классифицируйте подсказки, идентифицирующие функциональные группы и пути реакций.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Synthetic route planning lab · ⁨Лабораторная работа: планирование синтетического маршрута⁩

Follow how a target molecule is planned backwards then made forwards. · ⁨Проследите, как целевая молекула планируется обратно, а затем синтезируется прямо.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/	функциональная группа
alkene/ˈælkiːn/	алкен
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/	галогеналкан
alcohol/ˈælkəhɒl/	спирт
aldehyde/ˈældɪhaɪd/	альдегид
ketone/ˈketəʊn/	кетон
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/	карбоновая кислота
nitrile/ˈnaɪtraɪl/	нитрил
amine/ˈæmaɪn/	амин
ester/ˈestə/	эфирная
synthetic route/sɪnˈθetɪk ruːt/	синтетический путь
reagent/rɪˈeɪdʒənt/	реагент
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/	окисления
reduction/rɪˈdʌkʃn/	восстановление
by-product/baɪ ˈprɒdʌkt/	побочный продукт

21.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Learn the reagents and conditions for each conversion — that is exactly what synthesis questions test.
Plan multi-step routes by functional group and watch the carbon count (KCN adds one carbon).
Choose the shortest valid route and state every reagent and condition.

Русский

Выучите реагенты и условия для каждого превращения — именно это проверяют задания по синтезу.
Планируйте многоэтапные маршруты по функциональным группам и следите за количеством атомов углерода (KCN добавляет один атом углерода).
Выбирайте самый короткий допустимый маршрут и указывайте каждый реагент и условие.

Analytical techniques · ⁨Аналитические методы⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

22.1

Infrared spectroscopy

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

analyse an infrared spectrum of a simple molecule to identify functional groups (see the Data section for the functional groups required)

Русский

анализировать инфракрасный спектр простой молекулы для идентификации функциональных групп (см. раздел данных для требуемых функциональных групп)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

Infrared spectroscopy 红外光谱 helps you find the functional group 官能团 in a molecule. Each kind of bond soaks up (absorbs) infrared radiation at its own range of frequencies. Where the bond shows strong absorption 吸收, the spectrum has a dip.

A benchtop infrared spectrometer in a laboratory — An infrared spectrometer shines infrared through a sample and records which wavenumbers its bonds absorb

The position is measured in wavenumber 波数 (in $\text{cm}^{-1}$). You are given a data table, so you do not memorise the numbers. You just match the dips to bonds:

a broad dip around $3200$–$3650\ \text{cm}^{-1}$ → an O–H bond in an alcohol.
a dip around $1700\ \text{cm}^{-1}$ → a C=O bond (aldehyde, ketone, acid or ester).
a broad dip $2500$–$3000\ \text{cm}^{-1}$ together with a C=O dip → a carboxylic acid.

This is useful for checking a reaction. For example, if propene has been turned into propan-2-ol, the C=C dip should be gone and an O–H dip should appear.

An infrared spectrum with transmittance dipping at a broad O-H band and a sharp C=O band — An infrared spectrum: each bond gives a dip at its own wavenumber. A broad O–H dip together with a C=O dip identifies a carboxylic acid

Explore · ⁨Исследовать⁩

IR spectroscopy lab · ⁨Лабораторная работа: ИК-спектроскопия⁩

Match an absorption to the bond or functional group it reveals. · ⁨Сопоставьте поглощение с связью или функциональной группой, которую оно обнаруживает.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
infrared spectroscopy/ˌɪnfrəˈred spekˈtrɒskəpi/	инфракрасная спектроскопия
functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/	функциональная группа
absorption/əbˈsɔːpʃn/	поглощение
wavenumber/ˈweɪvnʌmbə/	волновое число

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

22.2

Mass spectrometry

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

analyse mass spectra in terms of $m/e$ values and isotopic abundances (knowledge of the working of the mass spectrometer is not required)
calculate the relative atomic mass of an element given the relative abundances of its isotopes, or its mass spectrum
deduce the molecular mass of an organic molecule from the molecular ion peak in a mass spectrum
suggest the identity of molecules formed by simple fragmentation in a given mass spectrum
deduce the number of carbon atoms, $n$, in a compound using the $[M + 1]^+$ peak and the formula
$$n = \frac{100 \times \text{abundance of } [M + 1]^+ \text{ ion}}{1.1 \times \text{abundance of } M^+ \text{ ion}}$$
deduce the presence of bromine and chlorine atoms in a compound using the $[M + 2]^+$ peak

Русский

анализировать масс-спектры с точки зрения значений $m/e$ и изотопного содержания (знание принципа работы масс-спектрометра не требуется)
вычислять относительную атомную массу элемента, зная его относительное содержание изотопов или масс-спектр
выводить молекулярную массу органической молекулы по пiku молекулярного иона в масс-спектре
предполагать идентичность молекул, образовавшихся в результате простой фрагментации в данном масс-спектре
выводить число атомов углерода, $n$, в соединении, используя $[M + 1]^+$ пик и формулу
$$n = \frac{100 \times \text{abundance of } [M + 1]^+ \text{ ion}}{1.1 \times \text{abundance of } M^+ \text{ ion}}$$
выводить наличие атомов брома и хлора в соединении, используя $[M + 2]^+$ пик

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

In mass spectrometry 质谱, a molecule is turned into ions and sorted by its mass-to-charge ratio 质荷比 ($m/e$). The spectrum is a set of peaks at different $m/e$ values.

A scientist in a laboratory loading a small sample into a large modern mass spectrometer — A modern mass spectrometer: the sample is loaded at the front, then the machine ionises it and sorts the ions by their mass-to-charge ratio to give the spectrum

Relative atomic mass from isotopes

An element's isotope 同位素 mixture gives several peaks. From the isotopic abundance 同位素丰度 (how common each isotope is) you can find the relative atomic mass 相对原子质量 — a weighted average:

$$A_r = \frac{\sum (\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{\sum \text{abundance}}$$

For example, chlorine is 75% $^{35}\text{Cl}$ and 25% $^{37}\text{Cl}$, giving $A_r = \dfrac{35 \times 75 + 37 \times 25}{100} = 35.5$.

The molecular ion and fragmentation

The peak at the highest $m/e$ (the molecular ion 分子离子 peak, or molecular ion peak 分子离子峰, $M^+$) gives the relative molecular mass of the whole molecule.

The molecule also breaks into smaller pieces — this is fragmentation 碎裂. The gap between two peaks tells you the mass of the lost piece, so you can suggest each fragment 碎片. For example, a loss of 15 means a $\text{CH}_3$ group was lost, and a loss of 29 means $\text{CHO}$ or $\text{C}_2\text{H}_5$.

A mass spectrum of ethanol with peaks at several m/e values, the molecular ion at 46 marked and a gap of 15 from 46 to 31 labelled as the loss of a methyl group — A mass spectrum: the highest-$m/e$ peak is the molecular ion ($M^+$, the $M_r$); the gaps between peaks give the masses of the lost fragments

The [M + 1] and [M + 2] peaks

a small [M + 1] peak comes from the $^{13}\text{C}$ isotope. The number of carbon atoms $n$ is:

$$n = \frac{100 \times \text{abundance of } [M + 1]^+}{1.1 \times \text{abundance of } M^+}$$

an [M + 2] peak shows chlorine or bromine. One chlorine gives an $[M + 2]$ peak about one third the height of $M^+$ (from $^{37}\text{Cl}$); one bromine gives an $[M + 2]$ peak about the same height as $M^+$ (from $^{81}\text{Br}$).

Two pairs of mass-spectrum peaks two units apart: a chlorine pair in a 3 to 1 ratio and a bromine pair in a 1 to 1 ratio — An $[M+2]$ peak two mass units above $M^+$ shows a halogen: one chlorine gives a $3:1$ ratio, one bromine a $1:1$ ratio

Worked example. A compound shows a molecular ion at $m/e = 108$ and a peak of almost equal height at $m/e = 110$. Its infrared spectrum shows no broad absorption near $3300\ \text{cm}^{-1}$. Deduce its identity. Two peaks two units apart with roughly equal heights are the $1:1$ signature of one bromine atom (from $^{79}\text{Br}$ and $^{81}\text{Br}$); one chlorine would have given a $3:1$ ratio instead. Take the bromine away from the molecular ion: $108 - 79 = 29$, which fits a $\text{C}_2\text{H}_5$ fragment. The absence of a broad peak near $3300\ \text{cm}^{-1}$ rules out an $\text{O-H}$, so there is no alcohol group. The compound is bromoethane, $\text{C}_2\text{H}_5\text{Br}$. Read the $[M+2]$ ratio rather than merely noting the peak: $1:1$ means bromine, $3:1$ means chlorine.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Mass spectrometry route · ⁨Маршрут масс-спектрометрии⁩

Follow a molecule through ionisation, separation and detection. · ⁨Проследите за молекулой на этапах ионизации, разделения и детектирования.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
mass spectrometry/mæs spekˈtrɒmətri/	масс-спектрометрия
mass-to-charge ratio/mæs tə tʃɑːdʒ ˈreɪʃɪəʊ/	отношение заряда к массе
isotope/ˈaɪsətəʊp/	изотопом
isotopic abundance/ˌaɪsəˈtɒpɪk əˈbʌndəns/	изотопная распространенность
relative atomic mass/ˈrelətɪv əˈtɒmɪk mæs/	относительная атомная масса
molecular ion/məˈlekjʊlə ˈaɪɒn/	ион молекулярной массы
molecular ion peak/məˈlekjʊlə ˈaɪɒn piːk/	пик молекулярного иона
fragmentation/ˌfræɡmənˈteɪʃn/	фрагментация
fragment/ˈfræɡmənt/	фрагмент

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

22.2

Exam tips

On an IR spectrum quote the wavenumber and the bond (O-H broad $\sim 3200-3600$, C=O $\sim 1700$); use the data booklet.
The peak at the highest $m/z$ is the molecular ion $\text{M}^+$ and gives the $M_r$.
Explain fragmentation: the gap between peaks is the lost fragment (loss of 15 = $\text{CH}_3$, 29 = $\text{C}_2\text{H}_5$ or CHO).
Learn common isotope patterns (Cl gives M and M+2 in about 3:1; M+1 from $^{13}\text{C}$).

Chemical energetics · ⁨Химическая энергетика⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

23.1

Lattice energy and Born–Haber cycles · ⁨Энергия решётки и циклы Борна–Габера⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define and use the terms: (a) enthalpy change of atomisation, $\Delta H_{\text{at}}$ (b) lattice energy, $\Delta H_{\text{latt}}$ (the change from gas phase ions to solid lattice)
(a) define and use the term first electron affinity, EA (b) explain the factors affecting the electron affinities of elements (c) describe and explain the trends in the electron affinities of the Group 16 and Group 17 elements
construct and use Born–Haber cycles for ionic solids (limited to +1 and +2 cations, –1 and –2 anions)
carry out calculations involving Born–Haber cycles
explain, in qualitative terms, the effect of ionic charge and of ionic radius on the numerical magnitude of a lattice energy

Русский

определять и использовать термины: (a) энтальпия атомизации, $\Delta H_{\text{at}}$ (b) энергия кристаллической решетки, $\Delta H_{\text{latt}}$ (изменение от газообразных ионов к твердой решетке)
(a) определять и использовать термин первая электронная аффинность, EA (b) объяснять факторы, влияющие на электронные аффинности элементов (c) описывать и объяснять тенденции в электронных аффинностях элементов 16-й и 17-й групп
составлять и использовать циклы Борна-Габера для ионных твердых веществ (ограничено катионами +1 и +2, анионами –1 и –2)
выполнять вычисления, связанные с циклами Борна-Габера
объяснять, в качественных терминах, влияние заряда иона и радиуса иона на числовое значение энергии кристаллической решетки

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

These cycles use several enthalpy changes 焓变 ($\Delta H$). Two new ones are:

the enthalpy change of atomisation 原子化焓变, $\Delta H_{\text{at}}$ — the energy to make one mole of gaseous atoms from an element. It is always positive (bonds must break).
the lattice energy 晶格能, $\Delta H_{\text{latt}}$ — the energy change when one mole of a solid ionic lattice forms from its gaseous ions. It is always negative (strong bonds form).

Electron affinity

The first electron affinity 电子亲和能 (EA) is the energy change when one mole of gaseous atoms each gain one electron to form one mole of $1-$ ions. The first EA is usually negative.

The same factors as ionisation energy apply (nuclear charge, atomic radius, shielding). Going down Group 16 or 17, the EA becomes less exothermic, because the atom is larger and pulls the extra electron in less strongly. (The very top element is an exception: its atom is so small that electron repulsion makes its EA less exothermic than the one below it.)

Born–Haber cycles

A Born–Haber cycle 玻恩哈伯循环 is an energy cycle that links the enthalpy change of formation of an ionic solid with its atomisation, ionisation energy, electron affinity and lattice energy. Using Hess's law, you go round the cycle to find any one unknown step. (You only need $+1$ and $+2$ cations and $-1$ and $-2$ anions.)

Worked example. Find the lattice energy of sodium chloride from these data (kJ mol⁻¹): enthalpy of formation $\Delta H_f = -411$; atomisation $\Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) = +107$ and $\Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) = +122$; first ionisation energy of Na $= +496$; electron affinity of Cl $= -349$.

By Hess's law the direct formation route equals the route up and round the cycle:

$$\Delta H_f = \Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) + \Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) + \text{IE}_1 + \text{EA} + \Delta H_{\text{latt}},$$

so $\Delta H_{\text{latt}} = -411 - (107 + 122 + 496 - 349) = -787\ \text{kJ mol}^{-1}.$

What controls the size of a lattice energy

The lattice energy is more negative (stronger) when:

the ionic charge is higher (e.g. $\text{Mg}^{2+}$ beats $\text{Na}^+$).
the ionic radius is smaller.

Both make the attraction between the ions stronger.

Русский

Эти циклы используют несколько изменений энтальпии ($\Delta H$). Два новых из них:

энтальпия атомизации, $\Delta H_{\text{at}}$ — энергия, необходимая для получения одного моля газообразных атомов из элемента. Она всегда положительна (разрываются связи).
энергия кристаллической решётки, $\Delta H_{\text{latt}}$ — изменение энергии при образовании одного моля твёрдого ионного кристалла из газообразных ионов. Она всегда отрицательна (образуются прочные связи).

Чистые кубические кристаллы галита (поваренной соли) — Ионное твердое вещество, такое как хлорид натрия, представляет собой гигантскую регулярную решетку ионов — энергия кристаллической решётки выделяется при его образовании

Электронная сродство

Первое электронное сродство (EA) — это изменение энергии, когда один моль газообразных атомов каждый принимает один электрон, образуя один моль $1-$-ионов. Первое EA обычно отрицательно.

Газообразный атом принимает электрон, образуя ион 1-, обычно с выделением энергии — Газообразный атом принимает электрон, обычно выделяя энергию

На него влияют те же факторы, что и на энергию ионизации: заряд ядра, радиус атома, экранирование. При движении вниз по 16-й или 17-й группам EA становится менее экзотермичным, так как атом больше и притягивает дополнительный электрон слабее. (Верхний элемент группы является исключением: его атом настолько мал, что отталкивание электронов делает его EA менее экзотермичным, чем у расположенного ниже.)

Циклы Борна–Габера

Цикл Борна–Габера — это энергетический цикл, связывающий энтальпию образования ионного твердого вещества с его атомизацией, энергией ионизации, электронным сродством и энергией кристаллической решётки. Используя закон Гесса, можно пройти по циклу, чтобы найти любой неизвестный шаг. (Требуется только $+1$ и $+2$-катионы и $-1$ и $-2$-анионы.)

Диаграмма уровней энергии для хлорида натрия, показывающая шаги вверх (атомизация, ионизация) и вниз (электронное сродство, энергия решётки), а также прямой путь образования — Цикл Борна–Габера для NaCl: движение вверх требует затрат энергии (атомизация, ионизация); движение вниз её выделяет (электронное сродство и большая энергия решётки)

Разбор примера. Найдите энергию кристаллической решётки хлорида натрия по следующим данным (кДж/моль): энтальпия образования $\Delta H_f = -411$; атомизация $\Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) = +107$ и $\Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) = +122$; первая энергия ионизации Na $= +496$; электронное сродство Cl $= -349$.

По закону Гесса прямой путь образования равен пути вверх и вокруг цикла:

$$\Delta H_f = \Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) + \Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) + \text{IE}_1 + \text{EA} + \Delta H_{\text{latt}},$$

поэтому $\Delta H_{\text{latt}} = -411 - (107 + 122 + 496 - 349) = -787\ \text{kJ mol}^{-1}.$

Что определяет величину энергии кристаллической решётки

Энергия кристаллической решётки более отрицательна (сильнее), когда:

Меньшие ионы и более высокие заряды обеспечивают более высокую энергию решетки

заряд иона выше (например, $\text{Mg}^{2+}$ превосходит $\text{Na}^+$).
ионный радиус меньше.

Оба фактора усиливают притяжение между ионами.

Explore · ⁨Исследовать⁩

The Born–Haber cycle · ⁨Цикл Борна–Габера⁩

Lattice energy can't be measured directly, so it is found from a cycle of measurable steps. · ⁨Энергию кристаллической решетки нельзя измерить напрямую, поэтому ее находят из цикла измеримых этапов.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/	энтальпия реакции (изменение энтальпии)
enthalpy change of atomisation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv əˌtɒmaɪˈzeɪʃn/	изменение энтальпии атомизации
lattice energy/ˈlætɪs ˈenədʒi/	энергия кристаллической решетки
electron affinity/ɪˈlektrɒn əˈfɪnɪti/	электронная аффинность
Born–Haber cycle/bɔːn ˈheɪbə ˈsaɪkl/	цикл Борна–Габера
enthalpy change of hydration/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdreɪʃn/	изменение энтальпии гидратации
enthalpy change of solution/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv səˈluːʃn/	изменение энтальпии растворения

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

23.2

Enthalpies of solution and hydration · ⁨Энтальпии растворения и гидратации⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define and use the term enthalpy change with reference to hydration, $\Delta H_{\text{hyd}}$, and solution, $\Delta H_{\text{sol}}$
construct and use an energy cycle involving enthalpy change of solution, lattice energy and enthalpy change of hydration
carry out calculations involving the energy cycles in 23.2.2
explain, in qualitative terms, the effect of ionic charge and of ionic radius on the numerical magnitude of an enthalpy change of hydration

Русский

определять и использовать терм энтальпии изменения с учетом гидратации, $\Delta H_{\text{hyd}}$, и растворения, $\Delta H_{\text{sol}}$
составлять и использовать энергетический цикл, включающий энтальпию растворения, энергию кристаллической решетки и энтальпию гидратации
выполнять расчёты, связанные с энергетическими циклами в 23.2.2
объяснять, используя качественные термины, влияние ионного заряда и радиуса иона на численное значение изменения энтальпии гидратации

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

the enthalpy change of hydration 水合焓变, $\Delta H_{\text{hyd}}$ — the energy change when one mole of gaseous ions is surrounded by water to form aqueous ions. It is exothermic.
the enthalpy change of solution 溶解焓变, $\Delta H_{\text{sol}}$ — the energy change when one mole of solute dissolves fully in water.

An energy cycle links the three:

$$\Delta H_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$

(To dissolve, you first pull the lattice apart, then hydrate the ions.) Like lattice energy, $\Delta H_{\text{hyd}}$ is more exothermic for ions with a higher charge and a smaller radius.

Русский

энтальпия гидратации, $\Delta H_{\text{hyd}}$ — изменение энергии при окружении одного моля газообразных ионов водой до образования водных ионов. Этот процесс экзотермичен.
энтальпия растворения, $\Delta H_{\text{sol}}$ — изменение энергии при полном растворении одного моля растворимого вещества в воде.

Энергетический цикл связывает три величины:

$$\Delta H_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$

(Чтобы растворить вещество, нужно сначала разорвать кристаллическую решетку, затем гидрировать ионы.) Как и энергия кристаллической решётки, $\Delta H_{\text{hyd}}$ становится более экзотермичным для ионов с большим зарядом и меньшим радиусом.

Триугольный энергетический цикл, связывающий ионное твердое вещество, газообразные ионы и водные ионы через энтальпии решётки, гидратации и растворения — Цикл растворения: разорвите кристаллическую решетку (обратная энергия решётки), затем гидрируйте газообразные ионы, поэтому $\Delta H_\text{sol} = -\Delta H_\text{latt} + \Delta H_\text{hyd}$

Explore · ⁨Исследовать⁩

Enthalpy of solution lab · ⁨Лабораторная работа по энтальпии растворения⁩

deltaHsol = lattice + hydration terms · ⁨deltaHsol = энергия решетки + члены гидратации⁩

Change hydration strength and see solution enthalpy shift. · ⁨Изменить силу гидратации и увидеть сдвиг энтальпии раствора.⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

23.3

Entropy change, ΔS · ⁨Изменение энтропии, ΔS⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define the term entropy, $S$, as the number of possible arrangements of the particles and their energy in a given system
predict and explain the sign of the entropy changes that occur: (a) during a change in state, e.g. melting, boiling and dissolving (and their reverse) (b) during a temperature change (c) during a reaction in which there is a change in the number of gaseous molecules
calculate the entropy change for a reaction, $\Delta S$, given the standard entropies, $S^\ominus$, of the reactants and products, $\Delta S^\ominus = \Sigma S^\ominus \text{(products)} - \Sigma S^\ominus \text{(reactants)}$ (use of $\Delta S^\ominus = \Delta S^\ominus_{\text{surr}} + \Delta S^\ominus_{\text{sys}}$ is not required)

Русский

определить термин энтропия, $S$, как количество возможных расположений частиц и их энергии в данной системе
предсказывать и объяснять знак изменений энтропии, которые происходят: (a) при изменении агрегатного состояния, например, плавлении, кипении и растворении (и обратных процессах) (b) при изменении температуры (c) при реакции, в которой изменяется число газообразных молекул
вычислите изменение энтропии для реакции, $\Delta S$, зная стандартные энтропии, $S^\ominus$, исходных веществ и продуктов, $\Delta S^\ominus = \Sigma S^\ominus \text{(products)} - \Sigma S^\ominus \text{(reactants)}$ (использование $\Delta S^\ominus = \Delta S^\ominus_{\text{surr}} + \Delta S^\ominus_{\text{sys}}$ не требуется)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Entropy 熵 ($S$) measures the number of ways the particles and their energy can be arranged in a system. More ways means more "disorder".

The entropy change 熵变 ($\Delta S$) is positive when disorder increases, and negative when it falls:

Change	Sign of $\Delta S$
solid → liquid → gas (melting, boiling), or dissolving	positive
a rise in temperature	positive
a reaction that makes more gas molecules	positive
a reaction that makes fewer gas molecules	negative

You can calculate it from standard entropies:

$$\Delta S^{\ominus} = \sum S^{\ominus}(\text{products}) - \sum S^{\ominus}(\text{reactants})$$

Русский

Энтропия ($S$) измеряет количество способов, которыми частицы и их энергия могут быть расположены в системе. Больше способов означает больше «беспорядка».

Три коробки с частицами: упорядоченная твердая сетка, скопленная жидкость и рассеянный газ со стрелками, показывающими рост энтропии — Энтропия возрастает от твердого состояния к жидкому, а затем к газовому по мере того, как частицы занимают больше возможных положений, поэтому $\Delta S$ положительно

Изменение энтропии ($\Delta S$) является положительным, когда беспорядок увеличивается, и отрицательным, когда он уменьшается:

Изменение	Знак $\Delta S$
твердое → жидкое → газообразное (плавление, кипение) или растворение	положительное
повышение температуры	положительное
реакция, в которой образуется больше молекул газа	положительное
реакция, в которой образуется меньше молекул газа	отрицательное

Его можно рассчитать по стандартным значениям энтропии:

$$\Delta S^{\ominus} = \sum S^{\ominus}(\text{products}) - \sum S^{\ominus}(\text{reactants})$$

Explore · ⁨Исследовать⁩

Entropy change lab · ⁨Лабораторная работа по изменению энтропии⁩

deltaS = products disorder - reactants disorder · ⁨deltaS = беспорядок продуктов - беспорядок реагентов⁩

Increase disorder and see entropy change become more positive. · ⁨Увеличить беспорядок и увидеть, что изменение энтропии становится более положительным.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
entropy/ˈentrəpi/	энтропии
entropy change/ˈentrəpi tʃeɪndʒ/	изменение энтропии
Gibbs free energy/ɡɪbz friː ˈenədʒi/	Энергия Гиббса

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

23.4

Gibbs free energy change, ΔG · ⁨Изменение свободной энергии Гиббса, ΔG⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

state and use the Gibbs equation $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$
perform calculations using the equation $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$
state whether a reaction or process will be feasible by using the sign of $\Delta G$
predict the effect of temperature change on the feasibility of a reaction, given standard enthalpy and entropy changes

Русский

формулировать и использовать уравнение Гиббса $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$
выполнять расчёты с использованием уравнения $\Delta G^\ominus = \Delta H^\ominus - T\Delta S^\ominus$
определите, будет ли реакция или процесс возможным, используя знак $\Delta G$
предсказывать влияние изменения температуры на спонтанность реакции, зная стандартные изменения энтальпии и энтропии

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

The Gibbs free energy 吉布斯自由能 change decides whether a reaction can happen on its own:

$$\Delta G^{\ominus} = \Delta H^{\ominus} - T\Delta S^{\ominus}$$

Here $T$ is the temperature in kelvin. A reaction is feasible (it can happen) when $\Delta G$ is negative or zero. The feasibility 可行性 therefore depends on temperature:

$\Delta H$	$\Delta S$	When feasible
negative	positive	at all temperatures
positive	positive	only at high temperature
negative	negative	only at low temperature
positive	negative	never

To find the changeover temperature, set $\Delta G = 0$, which gives $T = \Delta H / \Delta S$.

Worked example. A reaction has $\Delta H = +120\ \text{kJ mol}^{-1}$ and $\Delta S = +200\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Find $\Delta G$ at $298\ \text{K}$, and the temperature above which the reaction becomes feasible.

First match the units: $\Delta S = +0.200\ \text{kJ K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Then

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S = 120 - 298 \times 0.200 = +60\ \text{kJ mol}^{-1}\quad(\text{positive, so not yet feasible}).$$

Setting $\Delta G = 0$ gives $T = \Delta H/\Delta S = 120/0.200 = 600\ \text{K}$, so the reaction is feasible above $600\ \text{K}$.

Русский

Изменение свободной энергии Гиббса определяет, может ли реакция протекать самопроизвольно:

$$\Delta G^{\ominus} = \Delta H^{\ominus} - T\Delta S^{\ominus}$$

Здесь $T$ — температура в кельвинах. Реакция возможна (происходит) при отрицательном или нулевом значении $\Delta G$. Следовательно, возможность реакции зависит от температуры:

$\Delta H$	$\Delta S$	Когда возможна
отрицательное	положительное	при любых температурах
положительное	положительное	только при высокой температуре
отрицательное	отрицательное	только при низкой температуре
положительное	отрицательное	никогда

Сетка 2×2 со знаками изменения энтальпии и изменения энтропии; в каждой ячейке указано, когда реакция протекает самопроизвольно — Возможность реакции ($\Delta G \leq 0$) зависит от знаков $\Delta H$ и $\Delta S$, а иногда и от температуры

Чтобы найти температуру перехода, приравняйте $\Delta G = 0$ к нулю, что даст значение $T = \Delta H / \Delta S$.

Разбор примера. Реакция имеет $\Delta H = +120\ \text{kJ mol}^{-1}$ и $\Delta S = +200\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Найдите $\Delta G$ при $298\ \text{K}$, а также температуру, выше которой реакция станет возможной.

Сначала приведите единицы измерения к соответствию: $\Delta S = +0.200\ \text{kJ K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Затем

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S = 120 - 298 \times 0.200 = +60\ \text{kJ mol}^{-1}\quad(\text{positive, so not yet feasible}).$$

Приравнивание $\Delta G = 0$ к нулю дает $T = \Delta H/\Delta S = 120/0.200 = 600\ \text{K}$, следовательно, реакция возможна выше $600\ \text{K}$.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Gibbs free energy lab · ⁨Лабораторная работа по энергии Гиббса⁩

deltaG = deltaH - T deltaS

Move temperature and see when deltaG becomes negative. · ⁨Изменяйте температуру и наблюдайте, когда deltaG становится отрицательным.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
feasibility/ˌfiːzɪˈbɪlɪti/	возможность (feasibility)

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

23.4

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

In a Born-Haber cycle get each step's direction and sign right (atomisation, ionisation $+$; electron affinity, lattice formation $-$) and apply Hess's law around it.
Lattice energy is more exothermic for smaller, more highly charged ions (higher charge density).
Predict the sign of $\Delta S$ from the state changes (more gas moles = more disorder).
Use $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$; feasible when $\Delta G \le 0$ — convert $\Delta S$ from $\text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$ ($\div 1000$).

Русский

В цикле Борна–Габера правильно определите направление и знак каждого шага (атомизация, ионизация $+$; электронное сродство, образование решётки $-$) и примените закон Гесса.
Энергия решётки более экзотермична для меньших ионов с более высоким зарядом (более высокая плотность заряда).
Определите знак $\Delta S$ по изменениям агрегатного состояния (увеличение числа молей газа = увеличение беспорядка).
Используйте $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$; процесс возможен при $\Delta G \le 0$ — преобразуйте $\Delta S$ из $\text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$ ($\div 1000$).

Electrochemistry · ⁨Электрохимия⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

24.1

Electrolysis · ⁨Электролиз⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

predict the identities of substances liberated during electrolysis from the state of electrolyte (molten or aqueous), position in the redox series (electrode potential) and concentration
state and apply the relationship $F = Le$ between the Faraday constant, $F$, the Avogadro constant, $L$, and the charge on the electron, $e$
calculate: (a) the quantity of charge passed during electrolysis, using $Q = It$ (b) the mass and/or volume of substance liberated during electrolysis
describe the determination of a value of the Avogadro constant by an electrolytic method

Русский

предсказывать вещества, выделяющиеся при электролизе, по состоянию электролита (расплав или водный раствор), положению в ряду редокс-потенциалов (электродный потенциал) и концентрации
формулировать и применять соотношение $F = Le$ между постоянной Фарадея, $F$, постоянной Авогадро, $L$, и зарядом электрона, $e$
вычислять: (a) величину заряда, прошедшего во время электролиза, используя $Q = It$ (b) массу и/или объём вещества, выделившегося при электролизе
описывать определение значения постоянной Авогадро электролитическим методом

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Electrolysis: ions discharge at the electrodes

Electrolysis 电解 uses electricity to break down a molten or aqueous electrolyte 电解质. Positive ions move to the negative electrode and negative ions move to the positive electrode.

At each electrode 电极 a half-reaction happens:

at the cathode 阴极 (negative): positive ions gain electrons (reduction).
at the anode 阳极 (positive): negative ions lose electrons (oxidation).

Predicting the products

a molten electrolyte gives the metal at the cathode and the non-metal at the anode.
an aqueous electrolyte also contains water. At the cathode, a less reactive metal is released, but for a reactive metal you get hydrogen instead. At the anode you usually get oxygen, but a concentrated halide solution gives the halogen.

Calculations

The charge on one mole of electrons is the Faraday constant 法拉第常量, linked to the Avogadro constant 阿伏伽德罗常量 ($L$) and the charge on one electron ($e$) by $F = Le$.

The charge passed is $Q = It$ (current $\times$ time). Then:

moles of electrons $= Q / F$.
use the half-equation to find moles of product.
find the mass ($\times M_r$) or the gas volume.

Measuring the mass deposited for a known charge lets you work back to a value of the Avogadro constant.

Worked example. A current of $2.0\ \text{A}$ flows for $30$ minutes through copper(II) sulfate solution, depositing copper at the cathode: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. Find the mass of copper deposited. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$, $A_r$ Cu $= 64$.)

Charge passed: $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. Moles of electrons $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. From the half-equation, $2\ \text{mol}$ of electrons give $1\ \text{mol}$ of Cu, so $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ and

$$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$

Русский

Электролиз: ионы разряжаются на электродах

Электролиз использует электрический ток для разложения расплавленного или водного электролита. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательные ионы — к положительному.

На каждом электроде протекает полуреакция:

на катоде (отрицательном): положительные ионы принимают электроны (восстановление).
на аноде (положительном): отрицательные ионы отдают электроны (окисление).

Ячейка электролиза: источник постоянного тока подключен к двум электродам в электролите, положительные ионы движутся к катоду, отрицательные — к аноду — Электролиз: источник постоянного тока направляет положительные ионы к катоду (восстановление) и отрицательные ионы к аноду (окисление)

Стеклянный вольтампер Hofmann на штативе, подключенный к источнику питания, с трубками для сбора газов по обеим сторонам — Вольтампер Hofmann для электролиза воды: источник питания пропускает ток через два электрода, газ, образующийся на каждом, собирается в соответствующей трубке

Прогнозирование продуктов

расплавленный электролит дает металл на катоде и неметалл на аноде.
водный электролит также содержит воду. На катоде выделяется менее активный металл, но если металл активный, вместо него выделяется водород. На аноде обычно выделяется кислород, но концентрированный раствор галогенида дает галоген.

Расплавленный электролит дает металл и неметалл; водный раствор также содержит воду

Расчеты

Заряд одного моля электронов — это постоянная Фарадея, связанная с постоянной Авогадро ($L$) и зарядом одного электрона ($e$) соотношением $F = Le$.

Пройденный заряд равен $Q = It$ (сила тока $\times$ × время). Затем:

количество вещества электронов $= Q / F$.
используйте полуреакцию для нахождения количества вещества продукта.
найдите массу ($\times M_r$) или объем газа.

Измерение массы осадка при известном заряде позволяет вычислить значение постоянной Авогадро.

Разобранный пример. Ток силой $2.0\ \text{A}$ течет в течение $30$ минут через раствор сульфата меди(II), выделяя медь на катоде: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$. Найдите массу осажденной меди. ($F = 96\,500\ \text{C mol}^{-1}$, $A_r$ Cu $= 64$.)

Пройденный заряд: $Q = It = 2.0 \times (30 \times 60) = 3600\ \text{C}$. Количество вещества электронов $= Q/F = 3600/96\,500 = 0.0373\ \text{mol}$. Из полуреакции следует, что $2\ \text{mol}$ моль электронов дают $1\ \text{mol}$ моль Cu, следовательно, $n(\text{Cu}) = 0.0187\ \text{mol}$ и

$$m = nM = 0.0187 \times 64 \approx 1.2\ \text{g}.$$

Машина для бочкового гальванопластического покрытия, наносящая покрытие на мелкие детали — Электролиз используется для нанесения тонкого блестящего слоя металла, такого как хром, на изделие методом электропокрытий

Explore · ⁨Исследовать⁩

Faraday's first law · ⁨Первый закон Фарадея⁩

m = k·Q

Mass deposited is proportional to the charge passed (Faraday's law). · ⁨Масса осажденного вещества пропорциональна прошедшему заряду (закон Фарадея).⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Inside an electrolysis cell · ⁨Внутри электролитической ячейки⁩

Choose an electrolyte and watch the ions move: cations to the cathode, anions to the anode, where they are discharged. · ⁨Выберите электролит и наблюдайте движение ионов: катионы — к катоду, анионы — к аноду, где они разряжаются.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/	электролиза
electrolyte/ɪˈlektrəlaɪt/	электролиту

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

24.2

Standard electrode potentials and cell potentials · ⁨Стандартные потенциалы электродов и потенциалы ячеек⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define the terms: (a) standard electrode (reduction) potential (b) standard cell potential
describe the standard hydrogen electrode
describe methods used to measure the standard electrode potentials of: (a) metals or non-metals in contact with their ions in aqueous solution (b) ions of the same element in different oxidation states
calculate a standard cell potential by combining two standard electrode potentials
use standard cell potentials to: (a) deduce the polarity of each electrode and hence explain/deduce the direction of electron flow in the external circuit of a simple cell (b) predict the feasibility of a reaction
deduce from $E^{\ominus}$ values the relative reactivity of elements, compounds and ions as oxidising agents or as reducing agents
construct redox equations using the relevant half-equations
predict qualitatively how the value of an electrode potential, $E$, varies with the concentrations of the aqueous ions
use the Nernst equation, e.g. $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$, to predict quantitatively how the value of an electrode potential varies with the concentrations of the aqueous ions; examples include $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
understand and use the equation $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$

Русский

определить термины: (a) стандартный электродный (восстановительный) потенциал (b) стандартный потенциал ячейки
описывать стандартный водородный электрод
описывать методы, используемые для измерения стандартных электродных потенциалов: (a) металлов или неметаллов в контакте с их ионами в водном растворе (b) ионов одного элемента в различных степенях окисления
вычислять стандартный потенциал ячейки, объединяя два стандартных электродных потенциала
использовать стандартные потенциалы ячеек для: (a) определения полярности каждого электрода и, следовательно, объяснения/определения направления потока электронов во внешней цепи простого гальванического элемента (b) предсказания спонтанности реакции
выводить относительную реакционную способность элементов, соединений и ионов как окислителей или восстановителей из значений $E^{\ominus}$
составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций, используя соответствующие полуреакции
качественно предсказывать, как меняется значение электродного потенциала, $E$, в зависимости от концентраций водных ионов
использовать уравнение Нернста, напр. $E = E^{\ominus} + (0.059/z) \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$, для количественного предсказания того, как меняется значение электродного потенциала в зависимости от концентраций водных ионов; примеры включают $\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{Cu}(\text{s})$, $\text{Fe}^{3+}(\text{aq}) + \text{e}^- \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+}(\text{aq})$
поймите и используйте уравнение $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

The electrode potential 电极电势 ($E$) of a half-cell shows how easily it is reduced. We measure it against a reference, under standard conditions, to get the standard electrode potential 标准电极电势 ($E^{\ominus}$), always written as a reduction.

The reference is the standard hydrogen electrode 标准氢电极: hydrogen gas at $1\ \text{atm}$ over platinum in $1\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{H}^+$, defined as exactly $0.00\ \text{V}$.

To measure an $E^{\ominus}$, connect the half-cell to the standard hydrogen electrode and read the voltage. A metal sits in a solution of its ions; for two ions of the same element (such as $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$), a platinum electrode dips into a solution containing both.

Combining half-cells

The standard cell potential 标准电池电势 is the difference between the two standard electrode potentials:

$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$

Worked example. Find the standard cell potential of a cell built from the $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ half-cell ($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$) and the $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ half-cell ($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$).

$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive}) = (+0.34) - (-0.76) = 1.10\ \text{V}.$$

From $E^{\ominus}$ values you can:

find the polarity: the more negative electrode is the negative terminal, and electrons flow from it through the external circuit to the positive electrode.
judge reactivity: a more positive $E^{\ominus}$ means a better oxidising agent 氧化剂 (easily reduced); a more negative $E^{\ominus}$ means a better reducing agent 还原剂.

Feasibility and redox equations

A reaction is feasible when $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ is positive. To build the full equation, take the two half-equations 半反应方程式, reverse the one that is oxidised, and add them so the electrons cancel. This $E^{\ominus}$ test tells you the feasibility 可行性 of the reaction.

You can also link it to free energy: $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$, where $n$ is the moles of electrons.

The Nernst equation

If the concentrations are not standard, the electrode potential changes. Raising the concentration of the oxidised species makes $E$ more positive. The Nernst equation 能斯特方程 gives the exact value:

$$E = E^{\ominus} + \frac{0.059}{z} \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$$

where $z$ is the number of electrons in the half-equation.

Русский

Потенциал электрода ($E$) полуэлемента показывает легкость его восстановления. Мы измеряем его относительно эталона при стандартных условиях, чтобы получить стандартный потенциал электрода ($E^{\ominus}$), который всегда записывается как восстановление.

Эталонным является стандартный водородный электрод: водородный газ при $1\ \text{atm}$ над платиной в растворе $1\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{H}^+$, которому присваивается значение ровно $0.00\ \text{V}$.

Пузырьки газообразного водорода над платиновым электродом в кислоте внутри стеклянной трубки, вся ячейка подписана как 0.00 вольт — Стандартный водородный электрод: H$_2$ при 1 атм над платиной в растворе 1 моль дм$^{-3}$ H$^+$, является $0.00$ В эталоном для всех электродных потенциалов

Чтобы измерить $E^{\ominus}$, подключите полуэлемент к стандартному водородному электроду и снимите показания напряжения. Металл находится в растворе своих ионов; для двух ионов одного элемента (например, $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$) платиновый электрод погружают в раствор, содержащий оба вида.

Объединение полуэлементов

Стандартный потенциал ячейки — это разница между двумя стандартными потенциалами электродов:

$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$$

Цинковый полуэлемент и медный полуэлемент, соединенные солевой мостик и вольтметр, электроны текут от цинка к меди по проводу — Простая гальваническая ячейка: два полуэлемента, соединенных солевым мостиком, с вольтметром. Электроны текут от отрицательного (Zn) электрода к положительному (Cu)

Разобранный пример. Найдите стандартный потенциал ячейки, собранной из полуэлемента $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ ($E^{\ominus} = -0.76\ \text{V}$) и полуэлемента $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ ($E^{\ominus} = +0.34\ \text{V}$).

$$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive}) = (+0.34) - (-0.76) = 1.10\ \text{V}.$$

По значениям $E^{\ominus}$ можно:

определить полярность: более отрицательный электрод является отрицательным полюсом, и электроны текут от него через внешнюю цепь к положительному электроду.
судить о реакционной способности: более положительный $E^{\ominus}$ означает лучший окислитель (легко восстанавливается); более отрицательный $E^{\ominus}$ означает лучший восстановитель.

Вертикальная шкала стандартных потенциалов электродов от фтора сверху до натрия снизу, стрелки указывают на более сильный окислитель вверх и более сильный восстановитель вниз — Электрохимический ряд: более положительный $E^{\ominus}$ (сверху) — более сильный окислитель; более отрицательный $E^{\ominus}$ (снизу) — более сильный восстановитель

Самостоятельность реакций и уравнения редокс

Реакция возможна, когда $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ имеет положительный знак. Чтобы составить полное уравнение, возьмите две полуреакции, измените знак у той, которая происходит окисление, и сложите их так, чтобы электроны сократились. Это $E^{\ominus}$ критерий определяет возможность протекания реакции.

Его также можно связать со свободной энергией: $\Delta G^{\ominus} = -n E^{\ominus}_{\text{cell}} F$, где $n$ — количество вещества электронов.

Уравнение Нернста

Если концентрации не стандартные, электродный потенциал изменяется. Повышение концентрации окисленной формы делает $E$ более положительным. Уравнение Нернста дает точное значение:

$$E = E^{\ominus} + \frac{0.059}{z} \log \frac{[\text{oxidised species}]}{[\text{reduced species}]}$$

где $z$ — число электронов в полуреакции.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Electrode potential lab · ⁨Лабораторная работа по потенциалу электрода⁩

Ecell = Eright - Eleft · ⁨Ecell = Eправый - Eлевый⁩

Change cell potential and see oxidising power increase. · ⁨Измените потенциал ячейки и увидите рост окислительной способности.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
electrode/ɪˈlektrəʊd/	электрод
cathode/ˈkæθəʊd/	катод
anode/ˈænəʊd/	анод
Faraday constant/ˈfærədeɪ ˈkɒnstənt/	постоянная Фарадея
Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/	Постоянная Авогадро
electrode potential/ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/	потенциал электрода
standard electrode potential/ˈstændəd ɪˈlektrəʊd pəˈtenʃl/	стандартный электродный потенциал
standard hydrogen electrode/ˈstændəd ˈhaɪdrədʒn ɪˈlektrəʊd/	стандартный водородный электрод
standard cell potential/ˈstændəd sel pəˈtenʃl/	стандартный потенциал элемента
oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/	окислитель
reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/	восстановитель
half-equation/hɑːf ɪˈkweɪʒn/	полуреакция ( полууравнение )
feasibility/ˌfiːzɪˈbɪlɪti/	возможность (feasibility)
Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/	Уравнение Нернста

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

24.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; a positive $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ means the reaction is feasible.
Standard conditions for $E^{\ominus}$: 298 K, $1\ \text{mol dm}^{-3}$, 100 kPa, platinum electrode — state them if asked.
A more negative electrode potential means a stronger reducing agent; use the series to predict the direction.
For electrolysis quantities use $Q = It$ and moles of electrons $= Q/F$.

Русский

$E^{\ominus}_{\text{cell}} = E^{\ominus}(\text{more positive}) - E^{\ominus}(\text{less positive})$; положительное $E^{\ominus}_{\text{cell}}$ означает, что реакция протекает самопроизвольно.
Стандартные условия для $E^{\ominus}$: 298 K, $1\ \text{mol dm}^{-3}$, 100 кПа, платиновый электрод — укажите их при запросе.
Более отрицательный электродный потенциал означает более сильный восстановитель; используйте ряд для определения направления реакции.
Для расчета количеств при электролизе используйте $Q = It$ и количество вещества электронов $= Q/F$.

Equilibria · ⁨Равновесие⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

25.1

Conjugate acids and bases · ⁨Конъюгированные кислоты и основания⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

understand and use the terms conjugate acid and conjugate base
define conjugate acid–base pairs, identifying such pairs in reactions
define mathematically the terms pH, $K_a$, $\text{p}K_a$ and $K_w$ and use them in calculations ($K_b$ and the equation $K_w = K_a \times K_b$ will not be tested)
calculate $[\text{H}^+(\text{aq})]$ and pH values for: (a) strong acids (b) strong alkalis (c) weak acids
(a) define a buffer solution (b) explain how a buffer solution can be made (c) explain how buffer solutions control pH; use chemical equations in these explanations (d) describe and explain the uses of buffer solutions, including the role of $\text{HCO}_3^-$ in controlling pH in blood
calculate the pH of buffer solutions, given appropriate data
understand and use the term solubility product, $K_{\text{sp}}$
write an expression for $K_{\text{sp}}$
calculate $K_{\text{sp}}$ from concentrations and vice versa
(a) understand and use the common ion effect to explain the different solubility of a compound in a solution containing a common ion (b) perform calculations using $K_{\text{sp}}$ values and concentration of a common ion

Русский

понимать и использовать термины сопряжённая кислота и сопряжённое основание
определять пары сопряжённых кислотно-основных пар, выявляя такие пары в реакциях
математически определить термины pH, $K_a$, $\text{p}K_a$ и $K_w$ и использовать их в расчётах ($K_b$ и уравнение $K_w = K_a \times K_b$ не будут проверяться)
вычислять значения $[\text{H}^+(\text{aq})]$ и pH для: (a) сильных кислот (b) сильных щелочей (c) слабых кислот
(a) определить буферный раствор (b) объяснить, как можно приготовить буферный раствор (c) объяснить, как буферные растворы контролируют pH; использовать химические уравнения в этих объяснениях (d) описать и объяснить применение буферных растворов, включая роль $\text{HCO}_3^-$ в контроле pH в крови
вычислять pH буферных растворов, зная соответствующие данные
понимать и использовать термин произведение растворимости, $K_{\text{sp}}$
записать выражение для $K_{\text{sp}}$
вычислять $K_{\text{sp}}$ по концентрациям и обратно
(a) понимать и использовать эффект общего иона для объяснения разной растворимости соединения в растворе, содержащем общий ион (b) выполнять расчёты, используя значения $K_{\text{sp}}$ и концентрацию общего иона

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Titration curve and equivalence point

When a Brønsted acid loses an $\text{H}^+$, what is left is its conjugate base 共轭碱. When a base gains an $\text{H}^+$, it becomes its conjugate acid 共轭酸. The two species that differ by just one $\text{H}^+$ form a conjugate acid–base pair 共轭酸碱对.

For example, in $\text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+$, the pair is $\text{CH}_3\text{COOH}$ (acid) and $\text{CH}_3\text{COO}^-$ (its conjugate base).

Русский

Титрационная кривая и точка эквивалентности

Когда кислота Бренстеда теряет $\text{H}^+$, остается ее конъюгированное основание. Когда основание приобретает $\text{H}^+$, оно становится его конъюгированной кислотой. Два вида, отличающиеся ровно на один $\text{H}^+$, образуют конъюгированную кислотно-основную пару.

Например, в $\text{CH}_3\text{COOH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+$ пара состоит из $\text{CH}_3\text{COOH}$ (кислота) и $\text{CH}_3\text{COO}^-$ (ее конъюгированное основание).

Уксусная кислота отдает протон своему сопряженному основанию, а аммиак принимает протон, образуя сопряженную кислоту; сопряженная пара выделена скобками — Конъюгированные пары отличаются одним протоном: кислота теряет H$^+$, образуя конъюгированное основание; основание принимает H$^+$, образуя конъюгированную кислоту

Explore · ⁨Исследовать⁩

pH and H⁺ concentration · ⁨pH и концентрация H⁺⁩

pH = −log[H⁺]: slide it and watch [H⁺] change tenfold per unit. A conjugate acid–base pair differ by a single proton. · ⁨pH = −log[H⁺]: перемещайте ползунок и наблюдайте, как концентрация [H⁺] изменяется в десять раз на каждую единицу. Кислотно-основная сопряженная пара отличается одним протоном.⁩

25.1

pH and the equilibrium constants · ⁨pH и константы равновесия⁩

English

pH measures acidity: $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$, so $[\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}}$.
the acid dissociation constant 酸解离常数 of a weak acid $\text{HA}$ is $K_a = \dfrac{[\text{H}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}$, and $\text{p}K_a = -\log K_a$. A larger $K_a$ (smaller $\text{p}K_a$) means a stronger acid.
the ionic product of water 水的离子积 is $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$ at $298\ \text{K}$.

Calculating pH

strong acid 强酸: fully ionised, so $[\text{H}^+]$ equals the acid concentration; then take $-\log$.
strong alkali 强碱: find $[\text{OH}^-]$ from the concentration, then use $[\text{H}^+] = K_w / [\text{OH}^-]$.
weak acid 弱酸: only partly ionised, so use $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]}$.

Worked example. Find the pH of $0.050\ \text{mol dm}^{-3}$ hydrochloric acid (a strong acid).

It is fully ionised, so $[\text{H}^+] = 0.050\ \text{mol dm}^{-3}$, giving $\text{pH} = -\log(0.050) = 1.30$.

Worked example. Find the pH of $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ sodium hydroxide (a strong base). ($K_w = 1.0 \times 10^{-14}$.)

$[\text{OH}^-] = 0.10$, so $[\text{H}^+] = K_w/[\text{OH}^-] = (1.0 \times 10^{-14})/0.10 = 1.0 \times 10^{-13}$, giving $\text{pH} = 13.0$.

Worked example. Find the pH of $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ ethanoic acid (a weak acid). ($K_a = 1.8 \times 10^{-5}$.)

$$[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]} = \sqrt{(1.8 \times 10^{-5})(0.10)} = 1.3 \times 10^{-3}, \qquad \text{pH} = -\log(1.3 \times 10^{-3}) = 2.87.$$

Русский

pH измеряет кислотность: $\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$, следовательно, $[\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}}$.
константа диссоциации кислоты слабой кислоты $\text{HA}$ равна $K_a = \dfrac{[\text{H}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}$, а $\text{p}K_a = -\log K_a$. Большее $K_a$ (меньшее $\text{p}K_a$) означает более сильную кислоту.
ионное произведение воды равно $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$ при $298\ \text{K}$.

Шкала pH охватывает диапазон от кислой через нейтральную к щелочной среде, где pH = -log концентрации ионов водорода — Шкала pH: pH = -log концентрации ионов водорода

Полоски индикаторной бумаги рядом с цветовой шкалой — Индикаторная бумага определяет приблизительное pH раствора по изменению цвета

Расчет pH

сильная кислота: полностью ионизирована, поэтому $[\text{H}^+]$ равна концентрации кислоты; затем возьмите $-\log$.
сильное основание: найдите $[\text{OH}^-]$ по концентрации, затем используйте $[\text{H}^+] = K_w / [\text{OH}^-]$.
слабая кислота: ионизируется лишь частично, поэтому используйте $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]}$.

Разобранное решение. Найдите pH $0.050\ \text{mol dm}^{-3}$ соляной кислоты (сильная кислота).

Она полностью ионизирована, поэтому $[\text{H}^+] = 0.050\ \text{mol dm}^{-3}$, что дает $\text{pH} = -\log(0.050) = 1.30$.

Разобранное решение. Найдите pH $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ гидроксида натрия (сильное основание). ($K_w = 1.0 \times 10^{-14}$.)

$[\text{OH}^-] = 0.10$, значит $[\text{H}^+] = K_w/[\text{OH}^-] = (1.0 \times 10^{-14})/0.10 = 1.0 \times 10^{-13}$, что дает $\text{pH} = 13.0$.

Пример решения. Найдите pH раствора $0.10\ \text{mol dm}^{-3}$ уксусной кислоты (слабая кислота). ($K_a = 1.8 \times 10^{-5}$.)

$$[\text{H}^+] = \sqrt{K_a \times [\text{HA}]} = \sqrt{(1.8 \times 10^{-5})(0.10)} = 1.3 \times 10^{-3}, \qquad \text{pH} = -\log(1.3 \times 10^{-3}) = 2.87.$$

25.1

Buffer solutions · ⁨Буферные растворы⁩

English

A buffer solution 缓冲溶液 resists a change in pH when a small amount of acid or alkali is added. You make one from a weak acid and its conjugate base (for example ethanoic acid and sodium ethanoate).

It works because the mixture holds a store of both partners:

added $\text{H}^+$ is removed by the conjugate base: $\text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}$.
added $\text{OH}^-$ is removed by the weak acid: $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O}$.

To find the pH, put the concentrations of the acid and its salt into the $K_a$ expression. Buffers are important in living things — for example, $\text{HCO}_3^-$ keeps the pH of blood close to $7.4$.

Русский

Буферный раствор противостоит изменению pH при добавлении небольшого количества кислоты или основания. Его готовят из слабой кислоты и её конъюгированного основания (например, уксусной кислоты и этаноата натрия).

Он работает потому, что смесь содержит запас обоих компонентов:

добавленный $\text{H}^+$ удаляется сопряженным основанием: $\text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}^+ \rightarrow \text{CH}_3\text{COOH}$.
добавленный $\text{OH}^-$ удаляется слабой кислотой: $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_2\text{O}$.

Буферная система HA и A-, куда добавленные H+ связываются A-, а добавленные OH- связываются HA — Буфер содержит запас слабой кислоты и её конъюгированного основания: добавленный H$^+$ поглощается A$^-$, а добавленный OH$^-$ — HA, поэтому pH почти не меняется

Чтобы найти pH, подставьте концентрации кислоты и её соли в выражение $K_a$. Буферы важны в живых организмах — например, $\text{HCO}_3^-$ поддерживает pH крови близким к $7.4$.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Buffers and the titration curve · ⁨Буферные растворы и титровальная кривая⁩

Add alkali to acid: the flat part is where a buffer resists pH change, and the steep jump is the equivalence point. · ⁨Добавляйте щёлочь к кислоте: плоская часть — это зона, где буфер сопротивляется изменению pH, а резкий скачок — эквивалентная точка.⁩

25.1

Solubility product · ⁨Произведение растворимости⁩

English

For a salt that barely dissolves, the solubility product 溶度积 ($K_{\text{sp}}$) is the product of the ion concentrations in a saturated solution, each raised to the power of its number in the formula:

$$K_{\text{sp}} = [\text{Ag}^+][\text{Cl}^-] \qquad K_{\text{sp}} = [\text{Ca}^{2+}][\text{F}^-]^2$$

You can find $K_{\text{sp}}$ from the solubility, or the solubility from $K_{\text{sp}}$.

The common ion effect

The common ion effect 同离子效应 is the way a salt becomes less soluble in a solution that already contains one of its ions. The extra ion pushes the dissolving equilibrium back (Le Chatelier), so less salt dissolves. You can calculate the new solubility using $K_{\text{sp}}$ and the concentration of the common ion.

Русский

Для малорастворимой соли произведение растворимости ($K_{\text{sp}}$) равно произведению концентраций ионов в насыщенном растворе, возведенных в степень, соответствующую их числу в формуле:

$$K_{\text{sp}} = [\text{Ag}^+][\text{Cl}^-] \qquad K_{\text{sp}} = [\text{Ca}^{2+}][\text{F}^-]^2$$

Вы можете найти $K_{\text{sp}}$ по растворимости, либо растворимость по $K_{\text{sp}}$.

Спелеотемы, свисающие с потолка пещеры — Спелеотемы растут, когда растворенный карбонат кальция медленно выпадает из раствора — это реальный пример равновесия растворимости

Эффект общего иона

Эффект общего иона — это снижение растворимости соли в растворе, который уже содержит один из её ионов. Избыточный ион смещает равновесие растворения обратно (по принципу Ле Шателье), поэтому растворяется меньше соли. Новую растворимость можно рассчитать, используя $K_{\text{sp}}$ и концентрацию общего иона.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Solubility product lab · ⁨Лабораторная работа: произведение растворимости⁩

ionic product compared with Ksp · ⁨ионное произведение по сравнению с Ksp⁩

Increase ion concentration and see when precipitation becomes likely. · ⁨Увеличьте концентрацию ионов и наблюдайте, когда выпадение осадка станет вероятным.⁩

25.2

Partition coefficients · ⁨Коэффициенты распределения⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

state what is meant by the term partition coefficient, $K_{\text{pc}}$
calculate and use a partition coefficient for a system in which the solute is in the same physical state in the two solvents
understand the factors affecting the numerical value of a partition coefficient in terms of the polarities of the solute and the solvents used

Русский

объяснить, что понимается под термином коэффициент распределения, $K_{\text{pc}}$
вычислять и использовать коэффициент распределения для системы, в которой растворённое вещество находится в одинаковом физическом состоянии в обоих растворителях
понимать факторы, влияющие на численное значение коэффициента распределения, с точки зрения полярности растворённого вещества и используемых растворителей

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

When a solute is shaken with two solvents that do not mix, it spreads between them. The partition coefficient 分配系数 ($K_{\text{pc}}$) is the ratio of its concentrations in the two layers (at constant temperature):

$$K_{\text{pc}} = \frac{[\text{solute in solvent 1}]}{[\text{solute in solvent 2}]}$$

This works when the solute 溶质 is in the same physical state in both solvents. The value depends on the polarity 极性 of the solute and of each solvent 溶剂: a non-polar solute dissolves more in the non-polar solvent, while a polar solute prefers the polar solvent.

Русский

Когда растворимое вещество встряхивают с двумя несмешивающимися растворителями, оно распределяется между ними. Коэффициент распределения ($K_{\text{pc}}$) равен отношению его концентраций в двух слоях (при постоянной температуре):

$$K_{\text{pc}} = \frac{[\text{solute in solvent 1}]}{[\text{solute in solvent 2}]}$$

Это справедливо, когда растворенное вещество находится в одинаковом физическом состоянии в обоих растворителях. Значение зависит от полярности растворенного вещества и каждого растворителя: неполярное вещество лучше растворяется в неполярном растворителе, а полярное предпочитает полярный растворитель.

Два несмешивающихся слоя растворителя с растворенным веществом, распределенным между ними: больше в неполярном верхнем слое, чем в воде ниже — Растворенное вещество, встряхнутое с двумя несмешивающимися растворителями, распределяется между ними; коэффициент распределения равен отношению его концентраций в двух слоях

Explore · ⁨Исследовать⁩

Partition coefficient lab · ⁨Лабораторная работа по коэффициентам распределения⁩

Kpc = concentration organic / concentration aqueous · ⁨Kpc = концентрация в органической фазе / концентрация в водной фазе⁩

Change organic-layer concentration and see the partition ratio. · ⁨Измените концентрацию в органическом слое и определите коэффициент распределения.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
conjugate base/ˈkɒndʒuːɡeɪt beɪs/	сопряженного основания
conjugate acid/ˈkɒndʒuːɡeɪt ˈæsɪd/	сопряженная кислота
conjugate acid–base pair/ˈkɒndʒuːɡeɪt ˈæsɪd beɪs peə/	сопряженная кислотно-основная пара
acid dissociation constant/ˈæsɪd dɪˌsəʊsɪˈeɪʃn ˈkɒnstənt/	константа диссоциации кислоты
ionic product of water/aɪˈɒnɪk ˈprɒdʌkt ɒv ˈwɔːtə/	ионное произведение воды
strong acid/strɒŋ ˈæsɪd/	сильной кислоты
strong alkali/strɒŋ ˈælkəlaɪ/	сильный щелочь
weak acid/wiːk ˈæsɪd/	слабой кислоты
buffer solution/ˈbʌfə səˈluːʃn/	буферный раствор
solubility product/ˌsɒljuːˈbɪlɪti ˈprɒdʌkt/	произведение растворимости
common ion effect/ˈkɒmən ˈaɪɒn ɪˈfekt/	эффект общего иона
partition coefficient/pɑːˈtɪʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/	коэффициент распределения
solute/ˈsɒljuːt/	растворённым веществом
polarity/pəʊˈlærɪti/	полярность
solvent/ˈsɒlvənt/	растворитель

25.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

$\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$; for a strong acid $[\text{H}^+]$ = concentration, for a weak acid use $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a[\text{HA}]}$.
For a base, get $[\text{H}^+]$ from $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$.
For a buffer use $[\text{H}^+] = K_a \times [\text{acid}]/[\text{salt}]$ and explain how it removes added $\text{H}^+$/$\text{OH}^-$.
Write the $K_{sp}$ expression with the correct powers; the number of decimal places in a pH equals the significant figures of $[\text{H}^+]$.

Русский

$\text{pH} = -\log[\text{H}^+]$; для сильной кислоты $[\text{H}^+]$ = концентрации, для слабой кислоты используйте $[\text{H}^+] = \sqrt{K_a[\text{HA}]}$.
Для основания получите $[\text{H}^+]$ из $K_w = [\text{H}^+][\text{OH}^-] = 1.0 \times 10^{-14}$.
Для буфера используйте $[\text{H}^+] = K_a \times [\text{acid}]/[\text{salt}]$ и объясните, как он нейтрализует добавленные $\text{H}^+$/$\text{OH}^-$.
Запишите выражение для $K_{sp}$ с правильными степенями; количество знаков после запятой в pH равно значащим цифрам $[\text{H}^+]$.

Reaction kinetics · ⁨Кинетика химических реакций⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

26.1

Rate equations and orders · ⁨Уравнения скоростей и порядок реакции⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

explain and use the terms rate equation, order of reaction, overall order of reaction, rate constant, half-life, rate-determining step and intermediate
(a) understand and use rate equations of the form $\text{rate} = k [\text{A}]^m[\text{B}]^n$ (for which $m$ and $n$ are 0, 1 or 2) (b) deduce the order of a reaction from concentration–time graphs or from experimental data relating to the initial rates method and half-life method (c) interpret experimental data in graphical form, including concentration–time and rate–concentration graphs (d) calculate an initial rate using concentration data (e) construct a rate equation
(a) show understanding that the half-life of a first-order reaction is independent of concentration (b) use the half-life of a first-order reaction in calculations
calculate the numerical value of a rate constant, for example by: (a) using the initial rates and the rate equation (b) using the half-life, $t_{\frac{1}{2}}$, and the equation $k = 0.693/t_{\frac{1}{2}}$
for a multi-step reaction: (a) suggest a reaction mechanism that is consistent with the rate equation and the equation for the overall reaction (b) predict the order that would result from a given reaction mechanism and rate-determining step (c) deduce a rate equation using a given reaction mechanism and rate-determining step for a given reaction (d) identify an intermediate or catalyst from a given reaction mechanism (e) identify the rate determining step from a rate equation and a given reaction mechanism
describe qualitatively the effect of temperature change on the rate constant and hence the rate of a reaction

Русский

объяснять и использовать термины кинетическое уравнение, порядок реакции, суммарный порядок реакции, константа скорости, период полураспада, лимитирующая стадия и промежуточное соединение
(a) понимать и использовать кинетические уравнения вида $\text{rate} = k [\text{A}]^m[\text{B}]^n$ (для которых $m$ и $n$ равны 0, 1 или 2) (b) выводить порядок реакции из графиков «концентрация–время» или из экспериментальных данных, полученных методами начальных скоростей и полураспада (c) интерпретировать экспериментальные данные в графической форме, включая графики «концентрация–время» и «скорость–концентрация» (d) вычислять начальную скорость, используя данные о концентрации (e) составлять кинетическое уравнение
(a) показать понимание того, что период полураспада реакции первого порядка не зависит от концентрации (b) использовать период полураспада реакции первого порядка в расчётах
вычислить числовое значение константы скорости, например, с помощью: (a) начальных скоростей и уравнения скорости; (b) времени полуразложения $t_{\frac{1}{2}}$ и уравнения $k = 0.693/t_{\frac{1}{2}}$
для многоступенчатой реакции: (a) предложить механизм реакции, согласующийся с уравнением скорости и уравнением суммарной реакции; (b) предсказать порядок реакции, который следует из данного механизма и лимитирующей стадии; (c) вывести уравнение скорости, используя данный механизм реакции и лимитирующую стадию для конкретной реакции; (d) определить промежуточное соединение или катализатор по данному механизму реакции; (e) выявить лимитирующую стадию на основе уравнения скорости и данного механизма реакции
описать качественное влияние изменения температуры на константу скорости и, следовательно, на скорость реакции

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

A rate equation 速率方程 shows how the rate depends on the concentrations of the reactants:

$$\text{rate} = k\,[\text{A}]^m[\text{B}]^n$$

$m$ is the order of reaction 反应级数 with respect to A, and $n$ the order with respect to B. Each is $0$, $1$ or $2$.
the overall order of reaction 总反应级数 is $m + n$.
$k$ is the rate constant 速率常数. The rate equation can only be found by experiment, not from the balanced equation.

Finding the order

initial rates method: change one concentration at a time and see how the starting rate changes. If doubling $[\text{A}]$ doubles the rate, the order in A is 1; if it quadruples the rate, the order is 2; if the rate is unchanged, the order is 0.

Worked example. In experiments on $\text{A} + \text{B} \rightarrow$ products, doubling $[\text{A}]$ (with $[\text{B}]$ fixed) doubles the rate, and doubling $[\text{B}]$ (with $[\text{A}]$ fixed) quadruples the rate. Write the rate equation and give the overall order.

Doubling $[\text{A}]$ doubles the rate, so first order in A. Doubling $[\text{B}]$ quadruples ($2^2$) the rate, so second order in B. Hence

$$\text{rate} = k[\text{A}][\text{B}]^2, \qquad \text{overall order} = 1 + 2 = 3.$$

graphs: a concentration–time graph for a first-order reaction has a constant half-life 半衰期 (the time for the concentration to halve). A rate–concentration graph is a straight line through the origin for first order, and a curve for second order.

Half-life and the rate constant

For a first-order reaction the half-life is constant — it does not depend on the concentration. You can find the rate constant from it:

$$k = \frac{0.693}{t_{\frac{1}{2}}}$$

Worked example. A first-order reaction has a half-life of $120\ \text{s}$. Find its rate constant.

$$k = \frac{0.693}{t_{1/2}} = \frac{0.693}{120} = 5.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}.$$

You can also find $k$ by putting initial-rate data into the rate equation.

Русский

Уравнение скорости показывает, как скорость зависит от концентраций реагентов:

$$\text{rate} = k\,[\text{A}]^m[\text{B}]^n$$

$m$ — порядок реакции по веществу A, а $n$ — порядок по B. Каждый из них равен $0$, $1$ или $2$.
общий порядок реакции равен $m + n$.
$k$ — это постоянная скорости. Уравнение скорости можно найти только экспериментально, а не из сбалансированного уравнения.

Стеклянный газовый шприц — Газовый шприц измеряет объем образующегося газа со временем, что позволяет определить скорость реакции

Определение порядка реакции

метод начальных скоростей: изменяйте одну концентрацию за раз и смотрите, как меняется начальная скорость. Если удвоение $[\text{A}]$ удваивает скорость, порядок по A равен 1; если скорость увеличивается в четыре раза, порядок равен 2; если скорость не изменяется, порядок равен 0.

Разобранное решение. В опытах на продукты $\text{A} + \text{B} \rightarrow$ удвоение $[\text{A}]$ (при фиксированном $[\text{B}]$) удваивает скорость, а удвоение $[\text{B}]$ (при фиксированном $[\text{A}]$) увеличивает скорость в четыре раза. Запишите уравнение скорости и укажите суммарный порядок.

Удвоение $[\text{A}]$ удваивает скорость, значит первый порядок по A. Удвоение $[\text{B}]$ увеличивает скорость в четыре раза ($2^2$), значит второй порядок по B. Следовательно,

$$\text{rate} = k[\text{A}][\text{B}]^2, \qquad \text{overall order} = 1 + 2 = 3.$$

графики: график зависимости концентрации от времени для реакции первого порядка имеет постоянную половину распада (время, за которое концентрация уменьшается вдвое). График зависимости скорости от концентрации представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат, для первого порядка, и кривую для второго порядка.

Три линии зависимости скорости от концентрации: горизонтальная линия для нулевого порядка, прямая линия через начало координат для первого порядка и восходящая кривая для второго порядка — Зависимость скорости от концентрации: нулевой порядок — горизонтальная линия, первый порядок — прямая линия через начало координат, второй порядок — восходящая кривая

Половина распада и постоянная скорости

Для реакции первого порядка половина распада является постоянной — она не зависит от концентрации. Вы можете найти постоянную скорости из нее:

$$k = \frac{0.693}{t_{\frac{1}{2}}}$$

Кривая затухания концентрации от времени с тремя равными интервалами половины распада, отмеченными на графике; концентрация уменьшается вдвое каждый раз — Реакция первого порядка имеет постоянную половину распада: концентрация уменьшается вдвое за одно и то же время $t_{1/2}$ снова и снова, независимо от начального значения

Разобранное решение. Реакция первого порядка имеет половину распада $120\ \text{s}$. Найдите ее постоянную скорости.

$$k = \frac{0.693}{t_{1/2}} = \frac{0.693}{120} = 5.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}.$$

Вы также можете найти $k$, подставив данные о начальной скорости в уравнение скорости.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Rate equations & orders · ⁨Уравнения скорости и порядки⁩

[A] = [A]₀·bᵗ

A first-order reaction decays exponentially — equal half-lives. · ⁨Первого порядка реакция распадается экспоненциально — постоянные полупериоды.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
rate equation/reɪt ɪˈkweɪʒn/	уравнение скорости реакции
order of reaction/ˈɔːdə ɒv rɪˈækʃn/	порядок реакции
overall order of reaction/ˌəʊvəˈrɔːl ˈɔːdə ɒv rɪˈækʃn/	общий порядок реакции
rate constant/reɪt ˈkɒnstənt/	константа скорости
half-life/hɑːf laɪf/	период полураспада

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

26.1

Reaction mechanisms · ⁨Механизмы реакций⁩

English

Most reactions happen in several steps. The slowest step is the rate-determining step 决速步骤, and it controls the overall rate. Only the species involved up to and including this step appear in the rate equation.

an intermediate 中间体 is a species made in one step and then used up in a later step. It is not in the overall equation.
you can suggest a mechanism that fits both the rate equation and the overall equation, predict the order from a given mechanism, or pick out the rate-determining step.

If you compare the initial rate 初始速率 of different mixtures, you can deduce the rate equation, and from that work out the mechanism.

Effect of temperature

Raising the temperature increases the rate constant $k$ (more molecules pass the activation energy), so the rate goes up.

Русский

Большинство реакций протекают в несколько стадий. Самая медленная стадия — это определяющая скорость стадия, и именно она контролирует общую скорость. В уравнение скорости входят только виды, участвующие до этой стадии и включая её.

Энергетический профиль реакции с двумя пиками: высокий первый барьер, отмеченный как медленная определяющая скорость стадия, яма для промежуточного продукта, затем меньший второй барьер — Двухстадийный профиль: более медленная стадия имеет больший барьер и является определяющей скорость стадией; провал между двумя барьерами — это промежуточный продукт

промежуточный продукт — это вид, который образуется на одной стадии, а затем расходуется на последующей. Его нет в общем уравнении реакции.
вы можете предложить механизм, соответствующий как уравнению скорости, так и общему уравнению, предсказать порядок по данному механизму или выделить определяющую скорость стадию.

Если сравнить начальные скорости различных смесей, можно вывести уравнение скорости, а из него — механизм реакции.

Влияние температуры

Повышение температуры увеличивает постоянную скорости $k$ (больше молекул преодолевает энергию активации), поэтому скорость возрастает.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Organic mechanism route · ⁨Маршрут органического механизма⁩

Trace electron-pair movement from reagent to product. · ⁨Отследите движение электронной пары от реагента к продукту.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
rate-determining step/reɪt dɪˈtɜːmɪnɪŋ step/	определяющего скорость этапа
intermediate/ˌɪntəˈmiːdɪət/	промежуточное соединение
initial rate/ɪˈnɪʃl reɪt/	начальная скорость

26.2

Catalysts · ⁨Катализаторы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

explain that catalysts can be homogeneous or heterogeneous
describe the mode of action of a heterogeneous catalyst to include adsorption of reactants, bond weakening and desorption of products, for example: (a) iron in the Haber process (b) palladium, platinum and rhodium in the catalytic removal of oxides of nitrogen from the exhaust gases of car engines
describe the mode of action of a homogeneous catalyst by being used in one step and reformed in a later step, for example: (a) atmospheric oxides of nitrogen in the oxidation of atmospheric sulfur dioxide (b) $\text{Fe}^{2+}$ or $\text{Fe}^{3+}$ in the $\text{I}^- / \text{S}_2\text{O}_8^{2-}$ reaction

Русский

объяснить, что катализаторы могут быть гомогенными или гетерогенными
описать механизм действия гетерогенного катализатора, включая адсорбцию реагентов, ослабление связей и десорбцию продуктов, например: (a) железо в процессе Габера–Боша; (b) палладий, платина и родий при каталитическом удалении оксидов азота из выхлопных газов автомобильных двигателей
опишите механизм действия гомогенного катализатора, который участвует в одной стадии и регенерируется на более поздней стадии, например: (a) атмосферные оксиды азота при окислении атмосферного диоксида серы (b) $\text{Fe}^{2+}$ или $\text{Fe}^{3+}$ в реакции $\text{I}^- / \text{S}_2\text{O}_8^{2-}$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Catalysts 催化剂 can be homogeneous or heterogeneous.

Heterogeneous catalysts

A heterogeneous catalyst 多相催化剂 is in a different physical state from the reactants (usually a solid with gases). It works in three stages:

adsorption 吸附: reactant molecules stick to the catalyst surface.
the bonds in the reactants are weakened, so they react more easily.
desorption 脱附: the product molecules leave the surface.

Examples are iron in the Haber process, and platinum, palladium and rhodium in a catalytic converter.

Homogeneous catalysts

A homogeneous catalyst 均相催化剂 is in the same physical state as the reactants. It is used up in one step and then reformed in a later step, so it comes back unchanged. Examples are oxides of nitrogen helping to oxidise atmospheric sulfur dioxide, and $\text{Fe}^{2+}$ or $\text{Fe}^{3+}$ speeding up the reaction between $\text{I}^-$ and $\text{S}_2\text{O}_8^{2-}$.

Русский

Катализаторы могут быть гомогенными или гетерогенными.

Гетерогенные катализаторы

Гетерогенный катализатор находится в другом физическом состоянии, чем реагенты (обычно твердое вещество с газами). Он работает в три этапа:

адсорбция: молекулы реагентов прикрепляются к поверхности катализатора.
связи в реагентах ослабевают, поэтому они реагируют легче.
десорбция: молекулы продуктов покидают поверхность.

Три этапа на поверхности катализатора: два атома реагентов адсорбируются на ней, реагируют с ослабленными связями, затем продукт десорбируется — Гетерогенный катализатор работает в три этапа: реагенты адсорбируются на поверхности, их ослабленные связи позволяют им реагировать, затем продукт десорбируется

Лоток, заполненный множеством мелких керамических кусочков катализатора различной формы: сплошные цилиндры, кольца, рифленые стержни и диски с отверстиями — Настоящие гетерогенные катализаторы изготавливаются в виде маленьких формованных гранул, колец и перфорированных дисков, что обеспечивает большую площадь поверхности для прикрепления реагентов

Примерами являются железо в процессе Габера, а также платина, палладий и родий в каталитическом нейтрализаторе.

Гомогенные катализаторы

Гомогенный катализатор находится в том же физическом состоянии, что и реагенты. Он расходуется на одной стадии, а затем восстанавливается на последующей, поэтому возвращается неизменным. Примеры: оксиды азота, способствующие окислению атмосферного диоксида серы, а также $\text{Fe}^{2+}$ или $\text{Fe}^{3+}$, ускоряющие реакцию между $\text{I}^-$ и $\text{S}_2\text{O}_8^{2-}$.

Explore · ⁨Исследовать⁩

How a catalyst speeds a reaction · ⁨Как катализатор ускоряет реакцию⁩

Turn the catalyst on and watch the rate jump — it gives more successful collisions per second by offering a lower-energy path. · ⁨Включите катализатор и наблюдайте скачок скорости — он обеспечивает больше успешных столкновений в секунду, предлагая путь с меньшей энергией.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
catalyst/ˈkætəlɪst/	катализатором
heterogeneous catalyst/ˌhetrəˈdʒiːnɪəs ˈkætəlɪst/	гетерогенный катализатор
adsorption/ədˈsɔːpʃn/	адсорбция
desorption/dɪˈsɔːpʃn/	десорбция
homogeneous catalyst/həˈməʊdʒnɪəs ˈkætəlɪst/	гомогенный катализатор

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

26.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Find orders from initial-rate data: doubling a concentration that doubles the rate is first order, quadruples it is second order, no change is zero order.
Write $\text{rate} = k[\text{A}]^m[\text{B}]^n$ and work out the units of $k$ from it.
The rate-determining step contains the species (and orders) in the rate equation — use this to test a mechanism.
A constant half-life means first order.

Русский

Определите порядки по данным о начальных скоростях: удвоение концентрации, при котором скорость удваивается, соответствует первому порядку, увеличение в четыре раза — второму порядку, отсутствие изменений — нулевому порядку.
Запишите $\text{rate} = k[\text{A}]^m[\text{B}]^n$ и определите единицы измерения $k$ из него.
Определяющая скорость стадия содержит виды (и порядки), входящие в уравнение скорости — используйте это для проверки механизма.
Постоянная половина распада указывает на первый порядок.

Group 2 · ⁨2-я группа⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

27.1

Thermal stability of the nitrates and carbonates · ⁨Термическая стабильность нитратов и карбонатов⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe and explain qualitatively the trend in the thermal stability of the nitrates and carbonates including the effect of ionic radius on the polarisation of the large anion
describe and explain qualitatively the variation in solubility and of enthalpy change of solution, $\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}}$, of the hydroxides and sulfates in terms of relative magnitudes of the enthalpy change of hydration and the lattice energy

Русский

описать и объяснить качественно закономерность термической стабильности нитратов и карбонатов, включая влияние ионного радиуса на поляризацию крупного аниона
описать и объяснить качественно изменение растворимости и энтальпии растворения $\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}}$ гидроксидов и сульфатов с учетом относительных величин энтальпии гидратации и решеточной энергии

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

The thermal stability 热稳定性 of the Group 2 nitrates 硝酸盐 and carbonates 碳酸盐 increases down the group. Here is the reason, in terms of how the ions affect each other.

A small cation 阳离子 with a small ionic radius 离子半径 has a high charge density. It pulls on the electrons of the nearby anion and distorts its shape — this is polarisation 极化. Distorting the large anion 阴离子 (the carbonate or nitrate ion) weakens a bond inside it, so the compound breaks down more easily.

Going down the group, the cation gets larger. Its charge density drops, so it polarises the anion less. The anion is less distorted, so the compound is harder to break down — it is more thermally stable and needs a higher temperature to decompose.

Worked example. Down Group 2 the hydroxides become more soluble while the sulfates become less soluble. Explain why the two trends run in opposite directions. Solubility is a contest between the lattice energy holding the solid together and the hydration energy rewarding the ions for dissolving. Both get less exothermic as the cation grows, so whichever falls faster decides the trend. With the small hydroxide ion, the lattice energy depends strongly on the cation's size, so it falls faster than the hydration energy: the lattice gets relatively easier to break and solubility rises. With the large sulfate ion, the lattice energy is already dominated by that big anion and barely changes down the group, while the cation's hydration energy still falls - so solubility falls. Name both energies and say which one falls faster; simply restating the trends earns no explanation marks.

Русский

Термическая стабильность нитратов и карбонатов группы 2 увеличивается при движении вниз по группе. Вот причина, объясненная через взаимодействие ионов друг с другом.

Ротационная печь на известково-содовом заводе — Нагревание мела (карбоната кальция) в печи разлагает его на оксид кальция — это термическое разложение

Маленький катион с малым ионным радиусом обладает высокой плотностью заряда. Он притягивает электроны близлежащего аниона и искажает его форму — это поляризация. Искажение большого аниона (карбонат- или нитрат-иона) ослабляет связь внутри него, поэтому соединение разлагается легче.

При движении вниз по группе катион увеличивается в размере. Его плотность заряда снижается, поэтому он поляризует анион менее. Анион меньше искажается, поэтому соединение труднее разложить — оно более термически устойчиво и требует более высокой температуры для разложения.

Два сценария: маленький катион магния сильно искажает электронное облако карбонат-аниона до формы капли, тогда как большой катион бария практически не искажает его — Маленький катион имеет высокую плотность заряда, поэтому сильнее искажает (поляризует) большой анион — ослабляя его, из-за чего соединение менее устойчиво

Разобранное решение. При движении вниз по группе 2 гидроксиды становятся более растворимыми, а сульфаты — менее растворимыми. Объясните, почему эти две тенденции идут в противоположных направлениях. Растворимость — это конкуренция между энергией кристаллической решётки, удерживающей твердое вещество, и энергией гидратации, выделяющейся при растворении ионов. Обе величины становятся менее экзотермичными по мере увеличения катиона, поэтому та, которая падает быстрее, определяет тенденцию. С маленьким гидроксид-ионом энергия решётки сильно зависит от размера катиона, поэтому она падает быстрее энергии гидратации: решетку относительно легче разрушить, и растворимость возрастает. С большим сульфат-ионом энергия решётки уже определяется этим крупным анионом и почти не меняется в группе, тогда как энергия гидратации катиона продолжает снижаться — поэтому растворимость падает. Назовите обе энергии и укажите, какая из них падает быстрее; простое повторение тенденций не дает баллов за объяснение.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Group 2 thermal stability ladder · ⁨Лестница термической устойчивости группы 2⁩

Move down Group 2 and see why carbonates become harder to decompose. · ⁨Двигайтесь вниз по группе 2 и посмотрите, почему карбонаты становится труднее разложить.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Group 2 solubility lab · ⁨Опыт по растворимости группы 2⁩

Classify Group 2 compounds by solubility trend. · ⁨Классифицируйте соединения группы 2 по тренду растворимости.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/	термическая устойчивость
nitrate/ˈnaɪtreɪt/	нитрат
carbonate/ˈkɑːbəneɪt/	карбонат
cation/ˈkætaɪən/	катион
ionic radius/aɪˈɒnɪk ˈreɪdɪəs/	ионный радиус
polarisation/ˌpəʊləraɪˈzeɪʃn/	поляризация
anion/ˈænaɪən/	анион
enthalpy change of solution/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv səˈluːʃn/	изменение энтальпии растворения
lattice energy/ˈlætɪs ˈenədʒi/	энергия кристаллической решетки
enthalpy change of hydration/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdreɪʃn/	изменение энтальпии гидратации

27.1

Solubility of the hydroxides and sulfates · ⁨Растворимость гидроксидов и сульфатов⁩

English

When an ionic solid dissolves, two energy changes compete. The enthalpy change of solution 溶解焓变 is the sum of them:

$$\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$

you must first pull the lattice apart (this needs the lattice energy 晶格能).
then water surrounds the ions (this releases the enthalpy change of hydration 水合焓变).

If the energy released on hydration roughly matches (or beats) the energy needed to break the lattice, the solid dissolves easily.

Going down the group, both the lattice energy and the hydration enthalpy get smaller (less negative), because the cation is larger. But they shrink at different rates, and this explains the opposite trends:

Compound	Trend in solubility 溶解度 down the group	Why
hydroxides 氢氧化物	increases	the $\text{OH}^-$ ion is small, so the lattice energy falls a lot down the group; this change outweighs the fall in hydration energy
sulfates 硫酸盐	decreases	the $\text{SO}_4^{2-}$ ion is large, so the lattice energy stays almost the same; the fall in hydration energy then dominates, so dissolving becomes less favourable

Русский

При растворении ионного твердого вещества конкурируют два изменения энергии. Тепловой эффект раствора равен их сумме:

При движении вниз по группе 2 гидроксиды становятся более растворимыми, а сульфаты — менее растворимыми — Вниз по группе 2 гидроксиды становятся более растворимыми, а сульфаты — менее

$$\Delta H^{\ominus}_{\text{sol}} = -\Delta H_{\text{latt}} + \Delta H_{\text{hyd}}$$

сначала нужно разобрать решетку (для этого требуется энергия кристаллической решётки).
затем воду окружают ионы (это высвобождает тепловой эффект гидратации).

Если энергия, выделяющаяся при гидратации, примерно равна (или превышает) энергию, необходимую для разрушения решетки, твердое вещество легко растворяется.

Бледно-голубой желеобразный осадок гидроксида меди(II) — Нерастворимый гидроксид металла образуется в виде желеобразного осадка, когда его энергия кристаллической решетки слишком велика для возмещения энергией гидратации

При движении вниз по группе и энергия кристаллической решетки, и энтальпия гидратации становятся меньше (менее отрицательными), так как катион больше. Но они уменьшаются с разной скоростью, что и объясняет противоположные тенденции:

Два блока, сравнивающие гидроксиды и сульфаты: для гидроксидов энергия решетки значительно падает, для сульфатов остается постоянной, что дает противоположные тенденции растворимости — Почему тенденции противоположны: энергия решетки маленького OH$^-$ значительно падает в группе (гидроксиды растворяются лучше), но энергия решетки большого SO$_4^{2-}$ почти не меняется (сульфаты растворяются хуже)

Вещество	Тенденция растворимости вниз по группе	Почему
гидроксиды	возрастает	ион $\text{OH}^-$ маленький, поэтому энергия решетки сильно падает вниз по группе; это изменение перевешивает снижение энергии гидратации
сульфаты	уменьшается	ион $\text{SO}_4^{2-}$ большой, поэтому энергия решетки остается почти неизменной; тогда доминирует снижение энергии гидратации, и растворение становится менее выгодным

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/	растворимость
hydroxide/haɪˈdrɒksaɪd/	гидроксид-ионы
sulfate/ˈsʌlfeɪt/	сульфат

27.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Thermal stability of carbonates and nitrates increases down the group — larger cations polarise the anion less.
Give the decomposition products: carbonates → oxide + $\text{CO}_2$; nitrates → oxide + $\text{NO}_2$ + $\text{O}_2$ (brown gas).
Hydroxides get more soluble and sulfates less soluble down the group.
Explain trends with cation charge density (polarising power), not just size.

Русский

Термическая устойчивость карбонатов и нитратов возрастает вниз по группе — большие катионы поляризуют анион меньше.
Назовите продукты разложения: карбонаты → оксид + $\text{CO}_2$; нитраты → оксид + $\text{NO}_2$ + $\text{O}_2$ (коричневый газ).
Гидроксиды становятся более растворимыми, а сульфаты — менее растворимыми вниз по группе.
Объясняйте тенденции через плотность заряда катиона (поляризующую способность), а не только размер.

Chemistry of transition elements · ⁨Химия переходных элементов⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

28.1

Transition elements · ⁨Переходные элементы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define a transition element as a d-block element which forms one or more stable ions with incomplete d orbitals
sketch the shape of a $3\text{d}_{xy}$ orbital and $3\text{d}_{z^2}$ orbital
understand that transition elements have the following properties: (a) they have variable oxidation states (b) they behave as catalysts (c) they form complex ions (d) they form coloured compounds
explain why transition elements have variable oxidation states in terms of the similarity in energy of the 3d and the 4s sub-shells
explain why transition elements behave as catalysts in terms of having more than one stable oxidation state, and vacant d orbitals that are energetically accessible and can form dative bonds with ligands
explain why transition elements form complex ions in terms of vacant d orbitals that are energetically accessible

Русский

определить переходный элемент как d-элемент, образующий один или несколько устойчивых ионов с незаполненными d-орбиталями
схематически изобразить форму d-орбитали $3\text{d}_{xy}$ и f-орбитали $3\text{d}_{z^2}$
понимать, что переходные элементы обладают следующими свойствами: (a) они имеют переменные степени окисления; (b) они действуют как катализаторы; (c) они образуют комплексные ионы; (d) они образуют окрашенные соединения
объяснить, почему переходные элементы имеют переменные степени окисления, с учетом близости энергий подуровней 3d и 4s
объяснить, почему переходные элементы действуют как катализаторы, с учетом наличия более одной устойчивой степени окисления и вакантных d-орбиталей, энергетически доступных для образования донорно-акцепторных связей с лигандами
объяснить, почему переходные элементы образуют комплексные ионы, с учетом вакантных d-орбиталей, энергетически доступных

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

A transition element 过渡元素 is a d-block element that forms one or more stable ions with incomplete d orbitals. (Scandium and zinc are in the d-block but are not transition elements, because their stable ions have empty or full d orbitals.)

The 3d orbitals 轨道 have set shapes: the $3\text{d}_{xy}$ orbital has four lobes pointing between the axes, and the $3\text{d}_{z^2}$ orbital has two lobes along the $z$-axis with a ring around the middle.

Four key properties (and why)

Property	Reason
variable oxidation state 氧化态	the 3d and 4s sub-shells are close in energy, so similar small amounts of energy remove different numbers of electrons
act as a catalyst 催化剂	they have more than one stable oxidation state, and vacant d orbitals that can form dative bonds
form complex ions	vacant d orbitals can accept lone pairs
form coloured compounds	electrons move between split d orbitals (see below)

Русский

Переходный элемент — это d-блок элемент, который образует один или несколько стабильных ионов с незаполненными d-орбиталями. (Скандий и цинк находятся в d-блоке, но не являются переходными элементами, поскольку их стабильные ионы имеют пустые или полностью заполненные d-орбитали.)

3d орбитали имеют определенные формы: орбиталь $3\text{d}_{xy}$ имеет четыре лепестка, направленных между осями, а орбиталь $3\text{d}_{z^2}$ имеет два лепестка вдоль оси $z$ с кольцом посередине.

Четыре ключевых свойства (и причины)

Свойство	Причина
переменная степень окисления	подуровни 3d и 4s близки по энергии, поэтому для отрыва разного числа электронов требуются похожие небольшие количества энергии
действуют как катализатор	у них есть несколько стабильных степеней окисления и вакантные d-орбитали, способные образовывать донорно-акцепторные связи
образуют комплексные ионы	вакантные d-орбитали могут принимать неподеленные электронные пары
образуют окрашенные соединения	электроны переходят между расщепленными d-орбиталями (см. ниже)

Четыре свойства: переменные степени окисления, катализ, образование комплексных ионов и окрашенные соединения — Четыре ключевых свойства переходных элементов

Красный кристалл рубина — Рубин красный благодаря ионам переходного металла (хрома), находящимся в его кристаллической решетке

Explore · ⁨Исследовать⁩

Transition element property lab · ⁨Лабораторная работа по свойствам переходных элементов⁩

Sort transition-metal evidence by the property it shows. · ⁨Отсортируйте доказательства переходных металлов по отображаемому свойству.⁩

28.2

Ligands and complexes · ⁨Лиганды и комплексы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe and explain the reactions of transition elements with ligands to form complexes, including the complexes of copper(II) and cobalt(II) ions with water and ammonia molecules and hydroxide and chloride ions
define the term ligand as a species that contains a lone pair of electrons that forms a dative covalent bond to a central metal atom/ion
understand and use the terms: (a) monodentate ligand including as examples $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$ and $\text{CN}^-$ (b) bidentate ligand including as examples 1,2-diaminoethane, en, $\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$ and the ethanedioate ion, $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ (c) polydentate ligand including as an example $\text{EDTA}^{4-}$
define the term complex as a molecule or ion formed by a central metal atom/ion surrounded by one or more ligands
describe the geometry (shape and bond angles) of transition element complexes which are linear, square planar, tetrahedral or octahedral
(a) state what is meant by coordination number (b) predict the formula and charge of a complex ion, given the metal ion, its charge or oxidation state, the ligand and its coordination number or geometry
explain qualitatively that ligand exchange can occur, including the complexes of copper(II) ions and cobalt(II) ions with water and ammonia molecules and hydroxide and chloride ions
predict, using $E^\ominus$ values, the feasibility of redox reactions involving transition elements and their ions
describe the reactions of, and perform calculations involving: (a) $\text{MnO}_4^- / \text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ in acid solution given suitable data (b) $\text{MnO}_4^- / \text{Fe}^{2+}$ in acid solution given suitable data (c) $\text{Cu}^{2+} / \text{I}^-$ given suitable data
perform calculations involving other redox systems given suitable data

Русский

описать и объяснить реакции переходных элементов с лигандами с образованием комплексов, включая комплексы ионов меди(II) и кобальта(II) с молекулами воды и аммиака, а также ионами гидроксидов и хлоридов
определить термин лиганд как частицу, содержащую неподеленную электронную пару, которая образует донорно-акцепторную связь с центральным атомом/ионом металла
понимать и использовать термины: (a) монодентатный лиганд, например: $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$ и $\text{CN}^-$; (b) бидентатный лиганд, например: 1,2-диаминоэтан, en, $\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$ и ион этандиоата, $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$; (c) полидентатный лиганд, например: $\text{EDTA}^{4-}$
определить термин комплекс как молекулу или ион, образованные центральным атомом/ионом металла, окруженным одним или несколькими лигандами
описывать геометрию (форму и углы связи) комплексов переходных элементов, которые являются линейными, квадратно-плоскими, тетраэдрическими или октаэдрическими
(a) stating meaning of coordination number; (b) predict the formula and charge of a complex ion, given the metal ion, its charge or oxidation state, the ligand and its coordination number or geometry
объяснить качественное явление обмена лигандов, включая комплексы ионов меди(II) и кобальта(II) с молекулами воды и аммиака, а также ионами гидроксидов и хлоридов
предсказывать с использованием значений $E^\ominus$ возможность протекания окислительно-восстановительных реакций с участием переходных элементов и их ионов
описывать реакции и выполнять расчеты с участием: (a) $\text{MnO}_4^- / \text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ в кислой среде при наличии подходящих данных; (b) $\text{MnO}_4^- / \text{Fe}^{2+}$ в кислой среде при наличии подходящих данных; (c) $\text{Cu}^{2+} / \text{I}^-$ при наличии подходящих данных
выполнять расчеты, связанные с другими окислительно-восстановительными системами, при наличии подходящих данных

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

A transition metal ion can be surrounded by complex ions 配离子. The species attached are ligands.

A ligand 配体 is a species with a lone pair of electrons that forms a dative covalent bond 配位键 to the central metal ion. (The lone pair 孤对电子 is what it donates.) Ligands are grouped by how many such bonds they can form:

monodentate 单齿: one bond ($\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$, $\text{CN}^-$).
bidentate 双齿: two bonds (1,2-diaminoethane "en", and the ethanedioate ion $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$).
polydentate 多齿: many bonds ($\text{EDTA}^{4-}$, which uses six).

A complex 配合物 is a central metal atom or ion surrounded by one or more ligands. Its shape can be linear 直线形, square planar 平面正方形, tetrahedral 四面体形 or octahedral 八面体形.

The coordination number 配位数 is the number of dative bonds from the ligands to the central ion (6 → octahedral, 4 → tetrahedral or square planar, 2 → linear). To predict the charge of a complex, add the metal's charge and all the ligand charges.

Ligand exchange

In ligand exchange 配体交换 one ligand replaces another, often with a colour change. For copper(II):

$$[\text{Cu}(\text{H}_2\text{O})_6]^{2+} \;(\text{pale blue}) \;\xrightarrow{\text{NH}_3}\; [\text{Cu}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+} \;(\text{deep blue})$$

With concentrated $\text{HCl}$ it becomes yellow $[\text{CuCl}_4]^{2-}$; cobalt(II) behaves in a similar way.

Redox reactions of transition ions

Use $E^{\ominus}$ values to predict whether a redox reaction is feasible. Common titrations you should be able to calculate include $\text{MnO}_4^-/\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ and $\text{MnO}_4^-/\text{Fe}^{2+}$ in acid (purple to colourless), and $\text{Cu}^{2+}/\text{I}^-$ (which makes iodine, then titrated with thiosulfate).

Worked example. In acid, $\text{MnO}_4^-$ reacts with $\text{Fe}^{2+}$ in the ratio $1:5$ (see the balanced equation above). A $25.0\ \text{cm}^3$ sample of $\text{Fe}^{2+}$ solution needs $22.0\ \text{cm}^3$ of $0.0200\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{KMnO}_4$ to reach the end point. Find the concentration of the $\text{Fe}^{2+}$.

Moles of $\text{MnO}_4^-$ used $= 0.0200 \times \dfrac{22.0}{1000} = 4.40 \times 10^{-4}\ \text{mol}$. Each mole of $\text{MnO}_4^-$ reacts with $5$ moles of $\text{Fe}^{2+}$, so moles of $\text{Fe}^{2+} = 5 \times 4.40 \times 10^{-4} = 2.20 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. This was in $25.0\ \text{cm}^3$, so

$$[\text{Fe}^{2+}] = \frac{2.20 \times 10^{-3}}{25.0/1000} = 0.0880\ \text{mol dm}^{-3}.$$

Русский

Ион переходного металла может быть окружен комплексными ионами. Присоединенные частицы называются лигандами.

Лиганд — это частица с неподеленной электронной парой, которая образует донорно-акцепторную ковалентную связь с центральным ионом металла. (Неподеленная пара — это то, что она отдает.) Лиганды классифицируются по тому, сколько таких связей они могут образовать:

монодентатные: одна связь ($\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, $\text{Cl}^-$, $\text{CN}^-$).
бидентатные: две связи (1,2-диаминоэтан «en» и этандиат-ион $\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$).
polydentate: множество связей ($\text{EDTA}^{4-}$, образующих шесть).

Ион металла с монодентатным лигандом, образующим одну связь, бидентатным лигандом, образующим две связи, и полидентатным лигандом, образующим шесть связей — Лиганды классифицируются по числу донорных связей: монодентатные (одна), бидентатные (две) или полидентатные (многие, например, шесть у EDTA)

Комплекс — это центральный атом или ион металла, окружённый одним или несколькими лигандами. Его форма может быть линейной, квадратно-планарной, тетраэдрической или октаэдрической.

Координационное число — это количество донорных связей от лигандов к центральному иону (6 → октаэдрическое, 4 → тетраэдрическое или квадратно-планарное, 2 → линейное). Чтобы предсказать заряд комплекса, сложите заряд металла и все заряды лигандов.

Четыре комплекса: линейный с двумя лигандами, тетраэдрический и квадратно-планарный с четырьмя лигандами, а также октаэдрический с шестью лигандами; каждый подписан своим координационным числом — Формы комплексов определяются координационным числом: 2 — линейная, 4 — тетраэдрическая или квадратно-планарная, 6 — октаэдрическая

Обмен лигандами

При обмене лигандами один лиганд замещает другой, часто с изменением цвета. Для меди(II):

$$[\text{Cu}(\text{H}_2\text{O})_6]^{2+} \;(\text{pale blue}) \;\xrightarrow{\text{NH}_3}\; [\text{Cu}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+} \;(\text{deep blue})$$

С концентрированным $\text{HCl}$ становится жёлтым $[\text{CuCl}_4]^{2-}$; кобальт(II) ведёт себя аналогично.

Три цветные ячейки для меди(II): бледно-голубой с водой, тёмно-синий после добавления аммиака, жёлтый после добавления концентрированной HCl — Обмен лигандами изменяет цвет меди(II): бледно-голубой с водой, тёмно-синий с аммиаком, жёлтый с концентрированной HCl

Окислительно-восстановительные реакции переходных ионов

Используйте значения $E^{\ominus}$, чтобы предсказать возможность окислительно-восстановительной реакции. К типичным титрованиям, которые вы должны уметь рассчитывать, относятся $\text{MnO}_4^-/\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$ и $\text{MnO}_4^-/\text{Fe}^{2+}$ в кислой среде (фиолетовый до бесцветного), а также $\text{Cu}^{2+}/\text{I}^-$ (который образует йод, затем титруется тиосульфатом).

Разобранный пример. В кислой среде $\text{MnO}_4^-$ реагирует с $\text{Fe}^{2+}$ в соотношении $1:5$ (см. уравнение выше). Образец $25.0\ \text{cm}^3$ раствора $\text{Fe}^{2+}$ требует $22.0\ \text{cm}^3$ $0.0200\ \text{mol dm}^{-3}$ $\text{KMnO}_4$ для достижения точки эквивалентности. Найдите концентрацию $\text{Fe}^{2+}$.

Моли $\text{MnO}_4^-$, использованные в реакции, равны $= 0.0200 \times \dfrac{22.0}{1000} = 4.40 \times 10^{-4}\ \text{mol}$. Каждый моль $\text{MnO}_4^-$ реагирует со $5$ молями $\text{Fe}^{2+}$, следовательно, молей $\text{Fe}^{2+} = 5 \times 4.40 \times 10^{-4} = 2.20 \times 10^{-3}\ \text{mol}$. Это содержалось в $25.0\ \text{cm}^3$, поэтому

$$[\text{Fe}^{2+}] = \frac{2.20 \times 10^{-3}}{25.0/1000} = 0.0880\ \text{mol dm}^{-3}.$$

Explore · ⁨Исследовать⁩

Ligand and complex lab · ⁨Лабораторная работа: лиганды и комплексы⁩

Identify the part of a complex ion that controls its structure. · ⁨Определите часть комплексного иона, которая управляет его структурой.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Ligand exchange route · ⁨Маршрут обмена лигандов⁩

Follow one ligand replacing another around a metal ion. · ⁨Отследите процесс замены одного лиганда другим вокруг иона металла.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
ligand/ˈlɪɡænd/	лигандом
dative covalent bond/ˈdætɪv ˈkəʊvələnt bɒnd/	донорно-акцепторная ковалентная связь
lone pair/ləʊn peə/	несвязывающая пара ( lone pair )
monodentate/ˈmɒnəʊdenteɪt/	монодентатный
bidentate/baɪˈdenteɪt/	бидентатный
polydentate/ˌpɒlɪˈdenteɪt/	полидентатный
complex/ˈkɒmpleks/	сложными
linear/ˈlɪnɪə/	линейной
square planar/skweə ˈpleɪnə/	квадратно-плоским
tetrahedral/ˌtetrəˈhiːdrəl/	тетраэдрическая
octahedral/ˌɒktəˈhiːdrəl/	октаэдрической
coordination number/kəʊˈɔːdɪneɪʃn ˈnʌmbə/	координационное число
ligand exchange/ˈlɪɡænd eksˈtʃeɪndʒ/	обмен лигандов
degenerate/dɪˈdʒenəreɪt/	дегенерированный (о генетическом коде)
non-degenerate/nɒn dɪˈdʒenəreɪt/	невырожденный
complementary colour/ˌkɒmplɪˈmentəri ˈkʌlə/	дополнительный цвет
geometrical isomerism/ˌdʒiːəʊˈmetrɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/	геометрической изомерии
cis/sɪs/	цис-
trans/trænz/	транс-
optical isomerism/ˈɒptɪkl ˈaɪsəmərɪzəm/	оптическая изомерия
stability constant/stəˈbɪlɪti ˈkɒnstənt/	константа устойчивости

28.3

Why complexes are coloured · ⁨Почему комплексы окрашены⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define and use the terms degenerate and non-degenerate d orbitals
describe the splitting of degenerate d orbitals into two non-degenerate sets of d orbitals of higher energy, and use of $\Delta E$ in: (a) octahedral complexes, two higher and three lower d orbitals (b) tetrahedral complexes, three higher and two lower d orbitals
explain why transition elements form coloured compounds in terms of the frequency of light absorbed as an electron is promoted between two non-degenerate d orbitals
describe, in qualitative terms, the effects of different ligands on $\Delta E$, frequency of light absorbed, and hence the complementary colour that is observed
use the complexes of copper(II) ions and cobalt(II) ions with water and ammonia molecules and hydroxide and chloride ions as examples of ligand exchange affecting the colour observed

Русский

определять и использовать термины вырожденные и нев вырожденные d-орбитали
описывать расщепление вырожденных d-орбиталей на два набора не вырожденных d-орбиталей с разной энергией и использование значения $\Delta E$ в: (a) октаэдрических комплексах — две орбитали с более высокой энергией и три с более низкой; (b) тетраэдрических комплексах — три орбитали с более высокой энергией и две с более низкой
объяснить, почему переходные элементы образуют окрашенные соединения, с учетом частоты поглощаемого света при переходе электрона между двумя не вырожденными d-орбиталями
описать в качественных терминах влияние различных лигандов на $\Delta E$, частоту поглощаемого света и, следовательно, дополнительный цвет, который наблюдается
использовать комплексы ионов меди(II) и кобальта(II) с молекулами воды и аммиака, а также ионами гидроксидов и хлоридов в качестве примеров лигандного обмена, влияющего на наблюдаемый цвет

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

In a free ion the five d orbitals are degenerate 简并 — they have the same energy. When ligands come close, they split the d orbitals into two non-degenerate 非简并 sets, separated by an energy gap $\Delta E$:

octahedral: three lower and two higher orbitals.
tetrahedral: two lower and three higher orbitals.

A complex absorbs light whose frequency matches $\Delta E$, promoting an electron from a lower to a higher d orbital. The colour you see is the complementary colour 互补色 of the light absorbed. Different ligands give a different $\Delta E$, so they change the frequency absorbed and hence the colour — which is why ligand exchange changes the colour.

Русский

В свободном ионе пять d-орбиталей вырождены — они имеют одинаковую энергию. Когда лиганды приближаются, они расщепляют d-орбитали на два невырожденных набора, разделённых энергетическим зазором $\Delta E$:

октаэдрические: три нижние и две верхние орбитали.
тетраэдрические: две нижние и три верхние орбитали.

Комплекс поглощает свет, частота которого соответствует $\Delta E$, переводя электрон с нижней на верхнюю d-орбиталь. Цвет, который вы видите, является дополнительным цветом поглощённого света. Разные лиганды дают разный $\Delta E$, поэтому они изменяют поглощаемую частоту и, следовательно, цвет — именно поэтому обмен лигандами меняет цвет.

Пять равных d-орбиталей свободного иона, расщепляющихся на нижний и верхний наборы, разделённые энергетическим зазором, для октаэдрических и тетраэдрических комплексов — Лиганды расщепляют пять d-орбиталей на два набора, разделённых зазором $\Delta E$; комплекс поглощает свет этой энергии, поэтому мы видим дополнительный цвет

Шесть стаканов с растворами переходных металлов в ряд, каждый имеет яркий различный цвет: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, синий и фиолетовый — Разные металлы и степени окисления дают разные цвета: кобальт(II) (красный), дихромат (оранжевый), хромат (жёлтый), никель(II) (зелёный), медь(II) (синий) и перманганат (фиолетовый)

Explore · ⁨Исследовать⁩

Complex colour route · ⁨Цепочка образования цвета в комплексе⁩

Follow light absorption from d-orbital splitting to observed colour. · ⁨Отслеживайте поглощение света от расщепления d-орбиталей до наблюдаемого цвета.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
transition element/trænˈsɪʃn ˈelɪmənt/	переходный элемент
orbital/ˈɔːbɪtl/	орбиталь
oxidation state/ˌɒksɪˈdeɪʃn steɪt/	степень окисления
catalyst/ˈkætəlɪst/	катализатором
complex ion/ˈkɒmpleks ˈaɪɒn/	комплексный ион

28.4

Stereoisomerism in complexes · ⁨Стереоизомерия в комплексах⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe the types of stereoisomerism shown by complexes, including those associated with bidentate ligands: (a) geometrical (cis/trans) isomerism, e.g. square planar such as $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$ and octahedral such as $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ and $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ (b) optical isomerism, e.g. $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_3]^{2+}$ and $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$
deduce the overall polarity of complexes such as those described in 28.4.1(a) and 28.4.1(b)

Русский

описывать типы стереоизомерии, проявляемые комплексами, включая те, что связаны с бидентатными лигандами: (a) геометрическая (цис/транс) изомерия, например, квадратная плоская структура, как в $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$, и октаэдрическая, как в $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$ и $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$; (b) оптическая изомерия, например, в $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_3]^{2+}$ и $[\text{Ni}(\text{H}_2\text{NCH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2)_2(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$
определять общую полярность комплексов, таких как описанные в пунктах 28.4.1(a) и 28.4.1(b)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

geometrical isomerism 几何异构 (cis 顺式 / trans 反式) appears in square planar complexes such as $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$, and in octahedral complexes such as $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$.

optical isomerism 旋光异构 appears in octahedral complexes with bidentate ligands, such as $[\text{Ni}(\text{en})_3]^{2+}$, which has two non-superimposable mirror images.

You can also deduce the polarity of a complex: a cis form may be polar, while the matching trans form is often non-polar because its dipoles cancel.

Русский

геометрическая изомерия (цис / транс) встречается в квадратно-планарных комплексах, таких как $[\text{Pt}(\text{NH}_3)_2\text{Cl}_2]$, и в октаэдрических комплексах, таких как $[\text{Co}(\text{NH}_3)_4(\text{H}_2\text{O})_2]^{2+}$.

Квадратно-планарный платиновый комплекс нарисован дважды: цис с двумя лигандами аммиака рядом, транс с ними напротив друг друга — Геометрическая изомерия в квадратно-планарном комплексе: два одинаковых лиганда расположены рядом (цис) или напротив (транс)

оптическая изомерия встречается в октаэдрических комплексах с бидентатными лигандами, таких как $[\text{Ni}(\text{en})_3]^{2+}$, который имеет два несовместимых зеркальных отражения.

Вы также можете определить полярность комплекса: цис-форма может быть полярной, тогда как соответствующая ей транс-форма часто неполярна, поскольку её диполи компенсируют друг друга.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Complex stereoisomer lab · ⁨Лабораторная работа по стереоизомерам комплексов⁩

Classify complex isomers by ligand arrangement. · ⁨Классифицируйте изомеры комплексов по расположению лигандов.⁩

28.5

Stability constants · ⁨Константы устойчивости⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

define the stability constant, $K_{\text{stab}}$, of a complex as the equilibrium constant for the formation of the complex ion in a solvent (from its constituent ions or molecules)
write an expression for a $K_{\text{stab}}$ of a complex ($[\text{H}_2\text{O}]$ should not be included)
use $K_{\text{stab}}$ expressions to perform calculations
describe and explain ligand exchanges in terms of $K_{\text{stab}}$ values and understand that a large $K_{\text{stab}}$ is due to the formation of a stable complex ion

Русский

определять константу устойчивости, $K_{\text{stab}}$, комплекса как константу равновесия образования комплексного иона в растворителе (из его составляющих ионов или молекул)
записывать выражение для $K_{\text{stab}}$ комплекса ($[\text{H}_2\text{O}]$ не должно включаться)
использовать выражения для $K_{\text{stab}}$ для выполнения расчетов
описывать и объяснять лигандный обмен с точки зрения значений $K_{\text{stab}}$ и понимать, что большое значение $K_{\text{stab}}$ обусловлено образованием стабильного комплексного иона

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

The stability constant 稳定常数 ($K_{\text{stab}}$) is the equilibrium constant for forming a complex ion from the metal ion and its ligands in solution (water is left out of the expression).

A large $K_{\text{stab}}$ means a very stable complex. In a ligand exchange, the position moves towards the complex with the larger $K_{\text{stab}}$ — that is why a ligand that forms a more stable complex can push out a weaker one.

Русский

Константа устойчивости ($K_{\text{stab}}$) — это константа равновесия для образования комплексного иона из иона металла и его лигандов в растворе (вода исключается из выражения).

Большое значение $K_{\text{stab}}$ означает очень устойчивый комплекс. При обмене лигандами равновесие смещается в сторону комплекса с большим $K_{\text{stab}}$ — именно поэтому лиганд, образующий более устойчивый комплекс, может вытеснить менее устойчивый.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Stability constant lab · ⁨Лабораторная работа по константам устойчивости⁩

larger Kstab favours complex · ⁨больший KstabIds favors complex⁩

Increase ligand binding strength and see complex formation become more complete. · ⁨Увеличьте силу связывания лигандов и увидите, что образование комплекса становится более полным.⁩

28.5

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Define a transition element: it forms at least one ion with a partially filled d sub-shell — so Sc and Zn are excluded.
Colour comes from d-d transitions (ligands split the d orbitals); the colour seen is the complement of the light absorbed.
State the ligand and coordination number and predict the shape (6 = octahedral, 4 = tetrahedral or square planar).
Ligand exchange can change colour and coordination number; a larger stability constant = a more stable complex.

Русский

Определите переходный элемент: он образует хотя бы один ион с частично заполненным d-подуровнем — поэтому Sc и Zn исключены.
Цвет возникает из-за d-d переходов (лиганды расщепляют d-орбитали); наблюдаемый цвет является дополнением поглощённого света.
Укажите лиганд и координационное число и предскажите форму (6 = октаэдрическая, 4 = тетраэдрическая или квадратно-планарная).
Обмен лигандами может изменить цвет и координационное число; большая константа устойчивости = более устойчивый комплекс.

An introduction to A Level organic chemistry · ⁨Введение в органическую химию уровня A⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

29.1

New functional groups and naming · ⁨Новые функциональные группы и номенклатура⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

understand that the compounds in the table on page 47 contain a functional group which dictates their physical and chemical properties
interpret and use the general, structural, displayed and skeletal formulas of the classes of compound stated in the table on page 47
understand and use systematic nomenclature of simple aliphatic organic molecules (including cyclic compounds containing a single ring of up to six carbon atoms) with functional groups detailed in the table on page 47, up to six carbon atoms (six plus six for esters and amides, straight chains only for esters and nitriles)
understand and use systematic nomenclature of simple aromatic molecules with one benzene ring and one or more simple substituents, for example 3-nitrobenzoic acid or 2,4,6-tribromophenol

Русский

понимать, что соединения в таблице на странице 47 содержат функциональную группу, которая определяет их физические и химические свойства
интерпретировать и использовать общие, структурные, развернутые и скелетные формулы классов соединений, указанных в таблице на странице 47
понимать и использовать систематическую номенклатуру простых алифатических органических молекул (включая циклические соединения с одним кольцом из шести атомов углерода) с функциональными группами, детально описанными в таблице на странице 47, до шести атомов углерода (шесть плюс шесть для эфиров и амидов, только прямые цепи для эфиров и нитрилов)
понимать и использовать систематическую номенклатуру простых ароматических молекул с одним бензольным кольцом и одной или несколькими простыми заместителями, например, 3-нитробензойной кислоты или 2,4,6-трибромфенола

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

At A Level you meet more functional group 官能团 families, including the amide 酰胺 group and aromatic 芳香 compounds (those built on a benzene ring). As before, the functional group decides the properties, and you read it from the general, structural, displayed or skeletal formula.

Naming aromatic compounds

A benzene 苯 molecule is a ring of six carbons. When you name an aromatic compound, use the benzene ring 苯环 as the parent and number the positions of the substituents. For example, 3-nitrobenzoic acid has a $\text{–NO}_2$ group on carbon 3, and 2,4,6-tribromophenol has three bromine atoms on a phenol ring. You can also name cyclic compounds with a single ring of up to six carbons.

Русский

На уровне A-Level вы знакомитесь с бо́льшим количеством семейств функциональных групп, включая амидную группу и ароматические соединения (те, что построены на бензольном кольце). Как и прежде, функциональная группа определяет свойства, и её можно прочитать из общей, структурной, развернутой или скелетной формулы.

Номенклатура ароматических соединений

Молекула бензола представляет собой кольцо из шести атомов углерода. При названии ароматического соединения используйте бензольное кольцо в качестве основной части и нумеруйте положения заместителей. Например, в 3-нитробензойной кислоте у атома углерода под номером 3 находится $\text{–NO}_2$ группа, а в 2,4,6-трибромфеноле на кольце фенола находятся три атома брома. Также можно называть циклические соединения с одним кольцом до шести атомов углерода.

Два пронумерованных бензольных кольца: 3-нитробензойная кислота с COOH на позиции 1 и нитрогруппой на позиции 3, а также 2,4,6-трибромфенол с OH на позиции 1 и бромом на позициях 2, 4 и 6 — Нумеруйте кольцо от главной группы (углерод 1); тогда положения заместителей дадут название

Explore · ⁨Исследовать⁩

Aromatic naming lab · ⁨Лабораторная работа по номенклатуре ароматических соединений⁩

Classify aromatic substituents by how they are named. · ⁨Классифицируйте заместители ароматических соединений по способу их названия.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/	функциональная группа
amide/əˈmaɪd/	амиде
aromatic/ərəʊˈmætɪk/	ароматическим

29.2

Two new types of mechanism · ⁨Два новых типа механизмов⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

understand and use the following terminology associated with types of organic mechanisms: (a) electrophilic substitution (b) addition–elimination

Русский

понимать и использовать следующую терминологию, связанную с типами органических механизмов: (a) электрофильное замещение; (b) присоединение–элиминирование

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

electrophilic substitution 亲电取代: an electrophile replaces a hydrogen atom on a benzene ring (this is how benzene reacts).
addition–elimination 加成消去: a molecule first adds on, then a small molecule is removed (seen with 2,4-DNPH and with acyl chlorides).

Русский

электрофильное замещение: электрофил замещает атом водорода в бензольном кольце (так реагирует бензол).
присоединение–элиминирование: молекула сначала присоединяется, затем удаляется маленькая молекула (наблюдается с 2,4-ДНФГ и ацилхлоридами).

Электрофильное замещение и присоединение–элиминирование — Два ароматических механизма: электрофильное замещение и присоединение–элиминирование

Explore · ⁨Исследовать⁩

Electrophilic substitution on benzene · ⁨Электрофильное замещение в бензоле⁩

Step through how benzene reacts. An electrophile swaps for a hydrogen — keeping the stable ring — instead of adding across it. · ⁨Разберитесь, как реагирует бензол. Электрофил замещает атом водорода — сохраняя стабильное кольцо — вместо присоединения к нему.⁩

29.3

The shape of benzene · ⁨Форма бензола⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe and explain the shape of benzene and other aromatic molecules, including $\text{sp}^2$ hybridisation, in terms of $\sigma$ bonds and a delocalised $\pi$ system

Русский

описывать и объяснять форму бензола и других ароматических молекул, включая $\text{sp}^2$ гибридизацию, в терминах $\sigma$ связей и делокализованной $\pi$ системы

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Benzene is a flat, regular hexagon. Each carbon is sp² hybridised, using its three hybridisation 杂化 orbitals to make sigma bonds σ键 to two neighbouring carbons and one hydrogen. This gives the ring of σ bonds.

Each carbon also has one electron left in a p orbital, standing up at right angles to the ring. These p orbitals overlap sideways all the way round, making a single delocalised 离域 pi bond π键 system — a ring of electrons above and below the plane. Because the electrons are shared evenly, all six C–C bonds are the same length, and benzene is very stable.

How do we know benzene really is delocalised? One strong piece of evidence is its enthalpy change of hydrogenation 氢化焓变. Adding hydrogen to one C=C double bond (as in cyclohexene) releases about $120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$, so a Kekulé ring of three separate double bonds should release about $3 \times 120 = 360\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Real benzene releases only $208\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ — it is about $152\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ more stable than the model predicts.

Русский

Бензол — плоский правильный шестиугольник. Каждый атом углерода имеет sp² гибридизацию, используя свои три гибридные орбитали для образования сигма-связей σ с двумя соседними атомами углерода и одним водородом. Это образует кольцо σ-связей.

У каждого атома углерода остается один электрон в p-орбитали, стоящей перпендикулярно кольцу. Эти p-орбитали боково перекрываются по всему кругу, образуя единую делокализованную пи-систему π — кольцо электронов над и под плоскостью. Поскольку электроны распределяются равномерно, все шесть C–C связей одинаковы по длине, а бензол очень стабилен.

Шестиугольник бензола с p-орбиталью, стоящей вертикально у каждого атома углерода, которые боково перекрываются, образуя заштрихованное делокализованное облако над и под кольцом — Связи бензола: каркас из sp$^2$ $\sigma$ образует плоский шестиугольник, в то время как p-орбитали перекрываются, образуя одну делокализованную $\pi$ систему над и под кольцом

Как мы знаем, что бензол действительно делокализован? Одно из сильных доказательств — его энтальпия гидрирования. Присоединение водорода к одной двойной связи C=C (как в циклогексене) выделяет около $120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$, поэтому кольцо Кекуле с тремя отдельными двойными связями должно было бы выделять около $3 \times 120 = 360\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Реальный бензол выделяет только $208\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ — он примерно на $152\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ более стабилен, чем предсказывает модель.

Диаграмма уровней энергии: гидрирование модели Кекуле выделяет 360 кДж/моль, но реальный бензол выделяет только 208, поэтому реальная энергия бензола примерно на 152 кДж/моль ниже, чем у модели — Доказательство делокализации: реальный бензол выделяет при гидрировании гораздо меньше ($-208\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$), чем предсказывает модель Кекуле ($-360 = 3\times$ циклогексена), поэтому он примерно на $152\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$ более стабилен, чем ожидалось

Explore · ⁨Исследовать⁩

Benzene bonding lab · ⁨Лабораторная работа по связям в бензоле⁩

Follow the evidence for a planar delocalised benzene ring. · ⁨Отслеживайте доказательства плоского делокализованного бензольного кольца.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
benzene/ˈbenziːn/	бензол
benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/	бензольное кольцо
electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	электрофильное замещение
addition–elimination/əˈdɪʃn ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/	присоединение–элиминирование
hybridisation/ˌhaɪbrɪdaɪˈzeɪʃn/	гибридизация
sigma bond/ˈsɪɡmə bɒnd/	σ-связь
delocalised/dɪˈlɒkəlaɪzd/	делокализованный
pi bond/paɪ bɒnd/	пи-связь
enthalpy change of hydrogenation/enˈθælpi tʃeɪndʒ ɒv haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/	изменение энтальпии гидрирования
enantiomers/eˈnæntɪəməz/	энантиомеры
plane polarised light/pleɪn ˈpəʊləraɪzd laɪt/	плоскополяризованный свет
optically active/ˈɒptɪkli ˈæktɪv/	оптически активна
racemic mixture/rəˈsiːmɪk ˈmɪkstʃə/	рацемическая смесь
chirality/kaɪˈrælɪti/	хиральность
chiral centre/ˈkaɪrəl ˈsentə/	хиральный центр
chiral catalyst/ˈkaɪrəl ˈkætəlɪst/	хиральный катализатор

29.4

Optical isomerism · ⁨Оптическая изомерия⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

understand that enantiomers have identical physical and chemical properties apart from their ability to rotate plane polarised light and their potential biological activity
understand and use the terms optically active and racemic mixture
describe the effect on plane polarised light of the two optical isomers of a single substance
explain the relevance of chirality to the synthetic preparation of drug molecules including: (a) the potential different biological activity of the two enantiomers (b) the need to separate a racemic mixture into two pure enantiomers (c) the use of chiral catalysts to produce a single pure optical isomer (Candidates should appreciate that compounds can contain more than one chiral centre, but knowledge of meso compounds and nomenclature such as diastereoisomers is not required.)

Русский

понимать, что энантиомеры имеют одинаковые физические и химические свойства, за исключением способности вращать плоскополяризованный свет и своего потенциального биологического действия
понимать и использовать термины оптически активный и рацемическая смесь
описывать влияние двух оптических изомеров одного вещества на плоскополяризованный свет
объяснять важность хиральности для синтетического получения лекарственных молекул, включая: (a) потенциально различное биологическое действие двух энантиомеров; (b) необходимость разделения рацемической смеси на два чистых энантиомера; (c) использование хиральных катализаторов для получения одного чистого оптического изомера (Кандидаты должны осознавать, что соединения могут содержать более одного хирального центра, но знание мезо-соединений и номенклатуры, такой как диастереоизомеры, не требуется.)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Two enantiomers 对映体 (mirror-image isomers) have identical physical and chemical properties, with two exceptions:

they rotate plane polarised light 平面偏振光 in opposite directions. A substance that does this is optically active 旋光活性.
they may have different effects in living things (biological activity).

A racemic mixture 外消旋混合物 is a 50:50 mix of the two enantiomers. It does not rotate plane polarised light, because the two opposite rotations cancel out.

Why chirality matters for drugs

Chirality 手性 is important when making medicines. A molecule with a chiral centre 手性中心 has two enantiomers, and they can behave very differently in the body — one may cure while the other does harm. So drug makers either:

separate a racemic mixture into the two pure enantiomers, or
use a chiral catalyst 手性催化剂 to make just the single enantiomer they want.

Worked example. Which of butan-1-ol, butan-2-ol and 2-methylpropan-2-ol is chiral? A molecule is chiral if it has a carbon carrying four different groups. Take the carbons one at a time. In butan-2-ol, $\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{CH}_3$, carbon 2 carries $\text{OH}$, $\text{H}$, $\text{CH}_3$ and $\text{C}_2\text{H}_5$ - four different groups, so it is a chiral centre and butan-2-ol exists as two optical isomers. Butan-1-ol's carbon 1 carries two hydrogens, and the central carbon of 2-methylpropan-2-ol carries two identical methyl groups, so neither is chiral. It takes only one repeated group on a carbon to destroy the chirality there - and compare groups properly: $\text{CH}_3$ and $\text{C}_2\text{H}_5$ differ, but only once you look past the first atom.

Русский

Два энантиомера (изомера зеркального отражения) имеют идентичные физические и химические свойства, за исключением двух случаев:

они вращают плоскополяризованный свет в противоположных направлениях. Вещество, которое это делает, является оптически активным.
они могут оказывать разное воздействие на живые организмы (биологическую активность).

Равновесная смесь (рацемат) — это смесь двух энантиомеров в пропорции 50:50. Она не вращает плоскополяризованный свет, поскольку два противоположных вращения компенсируют друг друга.

Плоскополяризованный свет, проходящий через каждый энантиомер: один вращает плоскость по часовой стрелке, энантиомер-зеркальное отражение — против часовой — Два энантиомера вращают плоскополяризованный свет в противоположных направлениях; равновесная смесь 50:50 не дает суммарного вращения

Почему хиральность важна для лекарств

Хиральность важна при создании лекарств. Молекула с хиральным центром имеет два энантиомера, и они могут вести себя совершенно по-разному в организме — один может лечить, а другой наносить вред. Поэтому производители лекарств либо:

разделяют рацемическую смесь на два чистых энантиомера, или
используют хиральный катализатор для получения только одного нужного им энантиомера.

Разобранный пример. Какой из бутан-1-ола, бутан-2-ола и 2-метилпропан-2-ола является хиральным? Молекула хиральна, если она содержит атом углерода, несущий четыре различные группы. Рассматривайте атомы углерода по очереди. В бутан-2-оле, $\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_2\text{CH}_3$, атом углерода 2 несет $\text{OH}$, $\text{H}$, $\text{CH}_3$ и $\text{C}_2\text{H}_5$ — четыре различные группы, поэтому это хиральный центр, и бутан-2-ол существует в виде двух оптических изомеров. У бутан-1-ола у атома углерода 1 находятся два атома водорода, а у центрального атома 2-метилпропан-2-ола — две одинаковые метильные группы, поэтому ни один из них не является хиральным. Для разрушения хиральности достаточно всего одной повторяющейся группы на атоме углерода — и правильно сравнивайте группы: $\text{CH}_3$ и $\text{C}_2\text{H}_5$ различаются, но только после того, как вы посмотрите за первый атом.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Optical isomerism lab · ⁨Лабораторная работа по оптической изомерии⁩

Identify when a molecule can have non-superimposable mirror images. · ⁨Определите, когда молекула может иметь несуперпозируемые зеркальные изображения.⁩

29.4

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Optical isomers need a chiral carbon (four different groups); they are non-superimposable mirror images that rotate plane-polarised light oppositely.
A racemic mixture forms when a planar intermediate (carbocation or $\text{C}=\text{O}$) is attacked equally from both sides.
Benzene's delocalised ring (equal bond lengths, planar) explains its stability versus the Kekulé model.
Learn the two new mechanisms — electrophilic substitution of arenes, and nucleophilic addition-elimination.

Русский

Оптические изомеры требуют наличия хирального атома углерода (четыре разные группы); они являются несовместимыми зеркальными отражениями, которые вращают плоскополяризованный свет в противоположных направлениях.
Равновесная смесь образуется, когда планарный промежуточный продукт (карбокатион или $\text{C}=\text{O}$) атакован одинаково с обеих сторон.
Делокализованное кольцо бензола (равные длины связей, планарность) объясняет его стабильность по сравнению с моделью Кекуле.
Выучите два новых механизма — электрофильное замещение аренов и нуклеофильное присоединение–элиминирование.

Hydrocarbons · ⁨Углеводороды⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

30.1

Arenes · ⁨Арены⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

describe the chemistry of arenes as exemplified by the following reactions of benzene and methylbenzene: (a) substitution reactions with $\text{Cl}_2$ and with $\text{Br}_2$ in the presence of a catalyst, $\text{AlCl}_3$ or $\text{AlBr}_3$, to form halogenoarenes (aryl halides) (b) nitration with a mixture of concentrated $\text{HNO}_3$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ at a temperature between $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ and $60\text{ }^{\circ}\text{C}$ (c) Friedel–Crafts alkylation by $\text{CH}_3\text{Cl}$ and $\text{AlCl}_3$ and heat (d) Friedel–Crafts acylation by $\text{CH}_3\text{COCl}$ and $\text{AlCl}_3$ and heat (e) complete oxidation of the side-chain using hot alkaline $\text{KMnO}_4$ and then dilute acid to give a benzoic acid (f) hydrogenation of the benzene ring using $\text{H}_2$ and $\text{Pt/Ni}$ catalyst and heat to form a cyclohexane ring
describe the mechanism of electrophilic substitution in arenes: (a) as exemplified by the formation of nitrobenzene and bromobenzene (b) with regards to the effect of delocalisation (aromatic stabilisation) of electrons in arenes to explain the predomination of substitution over addition
predict whether halogenation will occur in the side-chain or in the aromatic ring in arenes depending on reaction conditions
describe that in the electrophilic substitution of arenes, different substituents direct to different ring positions (limited to the directing effects of $-\text{NH}_2$, $-\text{OH}$, $-\text{R}$, $-\text{NO}_2$, $-\text{COOH}$ and $-\text{COR}$)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Arenes 芳烃 are aromatic hydrocarbons, built on the benzene 苯 ring. The delocalised ring of electrons is stable and electron-rich, so benzene mostly reacts by electrophilic substitution 亲电取代 — keeping the ring — rather than by addition.

Reactions of benzene and methylbenzene

Reaction	Reagents and conditions	Product
halogenation	$\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$, with $\text{AlCl}_3$ or $\text{AlBr}_3$ as a catalyst 催化剂	a halogenoarene 卤代芳烃 (aryl halide)
nitration 硝化	concentrated $\text{HNO}_3$ + concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$, $25$–$60\,°\text{C}$	nitrobenzene
Friedel–Crafts alkylation 傅克烷基化	$\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, heat	methylbenzene (adds an alkyl group)
Friedel–Crafts acylation 傅克酰基化	$\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, heat	a phenyl ketone (adds an acyl group)
side-chain oxidation	hot alkaline $\text{KMnO}_4$, then dilute acid	benzoic acid 苯甲酸
hydrogenation 氢化	$\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ catalyst, heat	cyclohexane

In the side-chain oxidation, the whole side-chain 侧链 (such as the $\text{–CH}_3$ on methylbenzene) is turned into a $\text{–COOH}$ group, giving benzoic acid. In the hydrogenation, three molecules of $\text{H}_2$ add to the benzene ring 苯环 to make a saturated cyclohexane ring.

The mechanism: electrophilic substitution

Take nitration as the example. The acid mix makes the electrophile $\text{NO}_2^+$. Then:

the delocalised electrons of the ring form a bond to the electrophile, giving an unstable intermediate.
an $\text{H}^+$ is lost from that carbon, which restores the stable ring.

Substitution wins over addition because the delocalisation 离域 (aromatic stabilisation) of the ring is kept. Addition would destroy this stable system, so it is not favoured.

Side-chain or ring?

Where a halogen reacts depends on the conditions:

with a halogen-carrier catalyst (such as $\text{AlCl}_3$) and no UV light → substitution in the ring.
with UV light and no catalyst → free-radical substitution in the side-chain.

Directing effects

A group already on the ring decides where the next group goes — its directing effect 定位效应:

Group already present	Directs the new group to
$\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$	positions 2 and 4
$\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$	position 3

Worked example. Methylbenzene and nitrobenzene are each nitrated. Predict where the new $\text{NO}_2$ group goes, and which compound reacts faster. Look at the group already on the ring. In methylbenzene the $\text{–CH}_3$ is an alkyl group: it directs the new group to positions 2 and 4, and it releases electrons into the ring, making the ring more attractive to an electrophile - so methylbenzene nitrates faster than benzene. In nitrobenzene the $\text{–NO}_2$ directs to position 3, and it withdraws electrons from the ring - so nitrobenzene nitrates more slowly than benzene. The group already present controls both the position and the rate, and the two always travel together: 2,4-directors activate the ring, 3-directors deactivate it.

Русский

Арены — это ароматические углеводороды, построенные на основе бензольного кольца. Делоккализованное кольцо электронов стабильно и богато электронами, поэтому бензол чаще всего реагирует путем электрофильного замещения — сохраняя кольцо, — а не путем присоединения.

Куча белых шариков от моли — Нафталин, используемый в шариках от моли, — простой арен — два бензольных кольца, соединенных вместе

Реакции бензола и метилбензола

Реакция	Реагенты и условия	Продукт
галогенирование	$\text{Cl}_2$ или $\text{Br}_2$, с $\text{AlCl}_3$ или $\text{AlBr}_3$ в качестве катализатора	ароматический галогид (арильный галогид)
нитрование	концентрированная $\text{HNO}_3$ + концентрированная $\text{H}_2\text{SO}_4$, $25$–$60\,°\text{C}$	нитробензол
алкилирование по Фриделю-Крафтсу	$\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, нагревание	метилбензол (добавляет алкильную группу)
ацилирование по Фриделю-Крафтсу	$\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, нагревание	фенилкетон (добавляет ацильную группу)
окисление боковой цепи	горячий щелочной $\text{KMnO}_4$, затем разбавленная кислота	бензойная кислота
гидрирование	$\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ катализатор, нагревание	циклогексан

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу добавляет алкильную группу; ацилирование добавляет ацильную группу — Фридель-Крафтс: алкилирование присоединяет алкильную группу, ацилирование — ацильную группу

Бензол в центре со стрелками к хлорбензолу, нитробензолу, метилбензолу, фенилкетону и циклогексану, каждый помечен своими реагентами — Бензол сохраняет свое стабильное кольцо, реагируя преимущественно путем электрофильного замещения (и присоединения только с водородом)

При окислении боковой цепи вся боковая цепь (например, $\text{–CH}_3$ в метилбензоле) превращается в группу $\text{–COOH}$, давая бензойную кислоту. При гидрировании три молекулы $\text{H}_2$ присоединяются к бензольному кольцу, образуя насыщенный цикл циклогексана.

Механизм: электрофильное замещение

Рассмотрим нитрование в качестве примера. Кислотная смесь образует электрофил $\text{NO}_2^+$. Затем:

делокализованные электроны кольца образуют связь с электрофилом, давая нестабильный промежуточный продукт.
из этого атома углерода теряется $\text{H}^+$, что восстанавливает стабильное кольцо.

Замещение выигрывает перед присоединением, потому что сохраняется делокализация (ароматическая стабилизация) кольца. Присоединение разрушило бы эту стабильную систему, поэтому оно не предпочтительно.

Механизм нитрования: кольцо атакует NO2+ завитой стрелкой, образуя положительный промежуточный продукт, который теряет H+, чтобы восстановить кольцо как нитробензол — Электрофильное замещение (нитрование): кольцо атакует электрофил NO$_2^+$, образуя нестабильный промежуточный продукт, затем теряет H$^+$ для восстановления кольца

Боковая цепь или кольцо?

Где именно реагирует галоген, зависит от условий:

с катализатором-переносчиком галогена (например, $\text{AlCl}_3$) и без УФ-излучения → замещение в кольце.
при УФ-излучении и без катализатора → свободнорадикальное замещение в боковой цепи.

Метилбензол с хлором, присоединяющимся двумя путями: при наличии AlCl3 и без УФ-излучения хлор замещает кольцо, при УФ-излучении и отсутствии катализатора — боковую метильную группу — Условия решают: переносчик галогена (AlCl₃) замещает кольцо; УФ-излучение замещает боковую цепь

Направляющие эффекты

Группа, уже находящаяся на кольце, определяет, куда попадет следующая группа — ее направляющий эффект:

Два пронумерованных бензольных кольца: одно с выделенными позициями 2 и 4 для амино-, гидроксильных и алкильных групп, другое с выделенной позицией 3 для нитро-, карбоксильных и ацильных групп — Группа, уже находящаяся на кольце, направляет следующую: –NH$_2$/–OH/–R направляют его на позиции 2 и 4; –NO$_2$/–COOH/–COR направляют его на позицию 3

Уже присутствующая группа	Направляет новую группу в
$\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$	позиции 2 и 4
$\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$	позиция 3

Разобранное решение. Метилбензол и нитробензол нитруются по отдельности. Предскажите, куда попадет новая группа $\text{NO}_2$, и какое соединение реагирует быстрее. Посмотрите на группу, уже находящуюся на кольце. В метилбензоле $\text{–CH}_3$ является алкильной группой: она направляет новую группу на позиции 2 и 4, и она выделяет электроны в кольцо, делая его более привлекательным для электрофила — поэтому метилбензол нитруется быстрее, чем бензол. В нитробензоле $\text{–NO}_2$ направляет на позицию 3, и она оттягивает электроны от кольца — поэтому нитробензол нитруется медленнее, чем бензол. Уже присутствующая группа контролирует как положение, так и скорость, и они всегда идут вместе: группы, направляющие на 2,4, активируют кольцо, группы, направляющие на 3, деактивируют его.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Arene substitution route · ⁨Маршрут замещения арена⁩

Follow electrophilic substitution on benzene. · ⁨Следуйте электрофильному замещению на бензоле.⁩

Explore · ⁨Исследовать⁩

Directing effects lab · ⁨Лабораторная работа по направляющим эффектам⁩

Classify substituents by how they affect the benzene ring. · ⁨Классифицируйте заместители по тому, как они влияют на бензольное кольцо.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
arene/ˈæren/	арен
benzene/ˈbenziːn/	бензол
electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	электрофильное замещение
catalyst/ˈkætəlɪst/	катализатором
halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/	галогенарен
nitration/naɪˈtreɪʃn/	нитрование
Friedel–Crafts alkylation/ˈfriːdl kræfts ˌælkɪˈleɪʃn/	алкилирование Фриделя–Крафта
Friedel–Crafts acylation/ˈfriːdl kræfts əkɪˈleɪʃn/	Ацилирование по Фриделю–Крафтсу
benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/	бензойная кислота
hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/	водорождение
side-chain/saɪd tʃeɪn/	боковая цепь
benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/	бензольное кольцо
delocalisation/dɪˌlɒkəlaɪˈzeɪʃn/	делокализация
directing effect/daɪˈrektɪŋ ɪˈfekt/	направляющий эффект

30.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Benzene undergoes electrophilic substitution, not addition, because addition would destroy the stable delocalised ring.
Learn nitration (concentrated $\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$, $50-60\ ^\circ\text{C}$) and halogenation (halogen + $\text{AlCl}_3$) with the electrophile-generating step.
Compare reactivity: benzene resists addition far more than an alkene because of delocalisation.

Русский

Бензол подвергается электрофильному замещению, а не присоединению, потому что присоединение разрушило бы стабильное делокализованное кольцо.
Изучите нитрование (концентрированная $\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$, $50-60\ ^\circ\text{C}$) и галогенирование (галоген + $\text{AlCl}_3$) со стадией образования электрофила.
Сравните реакционную способность: бензол сопротивляется присоединению гораздо сильнее, чем алкен, благодаря делокализации.

Halogen compounds · ⁨Галогенпроизводные⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

31.1

Making halogenoarenes · ⁨Получение галогенаренов⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions by which halogenoarenes can be produced: substitution of an arene with $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in the presence of a catalyst, $\text{AlCl}_3$ or $\text{AlBr}_3$ to form a halogenoarene, exemplified by benzene to form chlorobenzene and methylbenzene to form 2-chloromethylbenzene and 4-chloromethylbenzene
explain the difference in reactivity between a halogenoalkane and a halogenoarene as exemplified by chloroethane and chlorobenzene

Русский

вспомните реакции, посредством которых можно получить галогенарены: замещение арена с $\text{Cl}_2$ или $\text{Br}_2$ в присутствии катализатора, $\text{AlCl}_3$ или $\text{AlBr}_3$ для образования галогенарена, например, превращение бензола в хлорбензол и метилбензола в 2-хлорметилбензол и 4-хлорметилбензол
объясните различие в реакционной способности галогеналкана и галогенарена на примере хлорэтана и хлорбензола

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

A halogenoarene 卤代芳烃 (also called an aryl halide) is formed when an arene 芳烃 reacts with $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$, using $\text{AlCl}_3$ or $\text{AlBr}_3$ as a catalyst 催化剂. This is the electrophilic substitution from the arenes topic — the halogen replaces a hydrogen on the ring.

benzene gives chlorobenzene.
methylbenzene gives 1-chloro-2-methylbenzene and 1-chloro-4-methylbenzene (the methyl group directs the chlorine to positions 2 and 4).

Русский

Галогенарен (также называемый арильным галогидом) образуется, когда арен реагирует с $\text{Cl}_2$ или $\text{Br}_2$, используя $\text{AlCl}_3$ или $\text{AlBr}_3$ в качестве катализатора. Это электрофильное замещение из темы арены — галоген заменяет атом водорода в кольце.

бензол дает хлорбензол.
метилбензол дает 1-хлоро-2-метилбензол и 1-хлоро-4-метилбензол (метильная группа направляет хлор на позиции 2 и 4).

Бензол, реагирующий с хлором, используя хлорид алюминия в качестве катализатора, для получения хлорбензола и хлороводорода — атом хлора заменяет атом водорода в кольце — Получение галогенарена электрофильным замещением: с катализатором AlCl₃ атом хлора заменяет атом водорода в кольце (образуя HCl)

Трактор, распыляющий средство на урожай в поле — Многие пестициды и гербициды являются галогенаренами — атомы хлора, связанные с бензольным кольцом

Explore · ⁨Исследовать⁩

Halogenoarene lab · ⁨Лабораторная работа по галогенаренам⁩

Compare halogenoarenes with halogenoalkanes. · ⁨Сравните галогенарены с галогеналканами.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/	галогенарен
arene/ˈæren/	арен
catalyst/ˈkætəlɪst/	катализатором
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/	галогеналкан
nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	нуклеофильное замещение
lone pair/ləʊn peə/	несвязывающая пара ( lone pair )
delocalised/dɪˈlɒkəlaɪzd/	делокализованный
nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/	нуклеофил

31.1

Why a halogenoarene is less reactive than a halogenoalkane · ⁨Почему галогенарен менее реакционноспособен, чем галогеналкан⁩

English

Compare chloroethane (a halogenoalkane 卤代烷) with chlorobenzene (a halogenoarene).

A halogenoalkane reacts easily by nucleophilic substitution 亲核取代: its C–Cl bond is polar, so a nucleophile can attack the slightly positive carbon and push the halogen out.

A halogenoarene is very unreactive towards nucleophilic substitution. There are two reasons:

a lone pair 孤对电子 on the chlorine overlaps sideways with the delocalised 离域 ring of electrons. This gives the C–Cl bond partial double-bond character, making it shorter and stronger, so it is much harder to break.
the electron-rich ring repels an approaching nucleophile 亲核试剂.

So chlorobenzene does not react with nucleophiles such as $\text{OH}^-$ under normal conditions, while chloroethane does.

Русский

Сравните хлорэтан (галогеналкан) с хлорбензолом (галогенареном).

Галогеналкан легко реагирует путем нуклеофильного замещения: его связь C–Cl полярна, поэтому нуклеофил может атаковать слегка положительно заряженный атом углерода и вытолкнуть галоген.

Галогенарен очень малоактивен по отношению к нуклеофильному замещению. Есть две причины:

одиночная пара электронов на хлоре перекрывается боком с делокализованным кольцом электронов. Это придает связи C–Cl двойной характер, делая её короче и прочнее, поэтому её гораздо труднее разорвать.
электронное кольцо отталкивает приближающийся нуклеофил.

Поэтому хлорбензол не реагирует с нуклеофилами, такими как $\text{OH}^-$, в обычных условиях, в то время как хлорэтан реагирует.

Хлорэтан, на который атакует нуклеофил его слегка положительный углерод, рядом с хлорбензолом, где одиночная пара хлора перекрывается с кольцом, а кольцо отталкивает нуклеофил — Хлорэтан реагирует (нуклеофил атакует $\delta+$-углерод), но хлорбензол нет: одиночная пара Cl укрепляет связь C–Cl, а кольцо отталкивает нуклеофилы

31.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

A halogenoarene is less reactive than a halogenoalkane: the lone pair delocalises into the ring, giving the $\text{C-X}$ bond partial double-bond character.
Distinguish a halogen on the ring (needs a catalyst, unreactive to substitution) from one on a side chain (reacts like a halogenoalkane).

Русский

Галогенарен менее реакционноспособен, чем галогеноалкан: одиночная пара делокализуется в кольцо, придавая связи $\text{C-X}$ частичный двойной характер.
Отличите галоген на кольце (требуется катализатор, не реагирует на замещение) от галогена в боковой цепи (реагирует как галогеноалкан).

Hydroxy compounds · ⁨Гидроксисоединения⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

32.1

Alcohols with acyl chlorides · ⁨Спирты с ацилхлоридами⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe the reaction with acyl chlorides to form esters using ethyl ethanoate

Русский

опишите реакцию с ацилхлоридами для образования эфиров с использованием этилацетата

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

At A Level you meet one more reaction of an alcohol 醇: it reacts with an acyl chloride 酰氯 to make an ester 酯. This works faster and more completely than using a carboxylic acid. For example, ethanol and ethanoyl chloride give ethyl ethanoate, plus fumes of $\text{HCl}$.

Русский

На уровне A-Level вы изучаете еще одну реакцию спирта: он реагирует с ацилхлоридом, образуя эфир. Это происходит быстрее и полнее, чем при использовании карбоновой кислоты. Например, этанол и этаноилхлорид дают этилэтаноат, плюс пары $\text{HCl}$.

Этанол, реагирующий с этаноилхлоридом, чтобы образовать эфир этилэтаноат и хлороводород — Ацилхлорид реагирует со спиртом быстрее и полнее, чем карбоновая кислота, давая эфир и пары HCl

Explore · ⁨Исследовать⁩

Acyl chloride with alcohol route · ⁨Путь через ацилхлорид со спиртом⁩

Follow nucleophilic acyl substitution to an ester. · ⁨Следуйте механизму нуклеофильного ацильного замещения до образования эфира.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
alcohol/ˈælkəhɒl/	спирт
acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/	ацилхлорид
ester/ˈestə/	эфирная

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

32.2

Phenol · ⁨Фенол⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions (reagents and conditions) by which phenol can be produced: (a) reaction of phenylamine with $\text{HNO}_2$ or $\text{NaNO}_2$ and dilute acid below $10\text{ }^\circ\text{C}$ to produce the diazonium salt; further warming of the diazonium salt with $\text{H}_2\text{O}$ to give phenol
recall the chemistry of phenol, as exemplified by the following reactions: (a) with bases, for example $\text{NaOH(aq)}$ to produce sodium phenoxide (b) with $\text{Na(s)}$ to produce sodium phenoxide and $\text{H}_2\text{(g)}$ (c) in $\text{NaOH(aq)}$ with diazonium salts, to give azo compounds (d) nitration of the aromatic ring with dilute $\text{HNO}_3\text{(aq)}$ at room temperature to give a mixture of 2-nitrophenol and 4-nitrophenol (e) bromination of the aromatic ring with $\text{Br}_2\text{(aq)}$ to form 2,4,6-tribromophenol
explain the acidity of phenol
describe and explain the relative acidities of water, phenol and ethanol
explain why the reagents and conditions for the nitration and bromination of phenol are different from those for benzene
recall that the hydroxyl group of a phenol directs to the 2-, 4- and 6-positions
apply knowledge of the reactions of phenol to those of other phenolic compounds, e.g. naphthol

Русский

вспомните реакции (реагенты и условия), посредством которых можно получить фенол: (a) реакция фениламина с $\text{HNO}_2$ или $\text{NaNO}_2$ и разбавленной кислотой ниже $10\text{ }^\circ\text{C}$ для получения диазониевой соли; дальнейшее нагревание диазониевой соли с $\text{H}_2\text{O}$ дает фенол
вспомните химию фенола, на примере следующих реакций: (a) со щелочами, например $\text{NaOH(aq)}$, для получения феноксид натрия (b) с $\text{Na(s)}$ для получения феноксид натрия и $\text{H}_2\text{(g)}$ (c) в $\text{NaOH(aq)}$ с диазониевыми солями для получения азосоединений (d) нитрование ароматического кольца разбавленной $\text{HNO}_3\text{(aq)}$ при комнатной температуре для получения смеси 2-нитрофенола и 4-нитрофенола (e) бромирование ароматического кольца с $\text{Br}_2\text{(aq)}$ для образования 2,4,6-трибромфенола
объясните кислотные свойства фенола
описывать и объяснять относительную кислотность воды, фенола и этанола
объяснять, почему реагенты и условия нитрования и бромирования фенола отличаются от таковых для бензола
знать, что гидроксильная группа фенола направляет замещение в положения 2-, 4- и 6-
применять знания о реакциях фенола к другим фенольным соединениям, например, нафтолу

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Phenol 苯酚 has an $\text{–OH}$ group joined directly to a benzene 苯 ring. This changes the chemistry of both the $\text{–OH}$ group and the ring.

Making phenol

Cool phenylamine 苯胺 with $\text{NaNO}_2$ and dilute acid below $10\,°\text{C}$ to make a diazonium salt 重氮盐. Warming this salt with water then gives phenol (and nitrogen gas).

Reactions of phenol

with a base such as $\text{NaOH(aq)}$: phenol reacts to give sodium phenoxide and water. (Ordinary alcohols do not react with $\text{NaOH}$ — this shows phenol is more acidic.)
with sodium metal: gives sodium phenoxide and hydrogen.
with a diazonium salt in $\text{NaOH(aq)}$: forms a coloured azo compound 偶氮化合物 (used in dyes).
nitration 硝化 with dilute $\text{HNO}_3$ at room temperature: gives a mixture of 2-nitrophenol and 4-nitrophenol.
bromination 溴化 with bromine water at room temperature (no catalyst): gives a white precipitate of 2,4,6-tribromophenol.

Acidity of phenol

Phenol loses its $\text{H}^+$ to form a phenoxide ion. This ion is stabilised because its negative charge is spread (delocalised) into the ring. So phenol's acidity 酸性 is higher than that of water or ethanol:

$$\text{ethanol} < \text{water} < \text{phenol}$$

(Phenol is still a weak acid — weaker than a carboxylic acid.)

Why the conditions are milder than for benzene

A lone pair on the phenol oxygen is partly delocalised 离域 into the ring. This makes the ring more electron-rich, so it attracts electrophiles more strongly. Phenol therefore reacts faster and under much milder conditions than benzene — no catalyst is needed, and dilute reagents work at room temperature.

The $\text{–OH}$ group directs new substituents to the 2-, 4- and 6-positions. The same ideas apply to other phenolic compounds, such as naphthol.

Worked example. Phenol, ethanol and ethanoic acid are each shaken with aqueous $\text{NaOH}$ and then with aqueous $\text{Na}_2\text{CO}_3$. Predict what happens, and order the three by acidity. Acidity depends on how well the anion left behind is stabilised. Ethanol's ethoxide keeps its charge stuck on one oxygen, so ethanol is weakest and reacts with neither. Phenol's phenoxide spreads the charge into the ring, making phenol acidic enough to react with the strong base $\text{NaOH}$ but not with the weaker $\text{Na}_2\text{CO}_3$ - so no fizzing. Ethanoate spreads the charge over two oxygens, the most effective of the three, so ethanoic acid reacts with both and fizzes with the carbonate. Order: ethanol < phenol < ethanoic acid. The carbonate is the discriminating test - only a carboxylic acid fizzes, which is exactly how you tell phenol from an acid.

Русский

Фенол имеет $\text{–OH}$-группу, присоединенную непосредственно к бензольному кольцу. Это меняет химию как $\text{–OH}$-группы, так и кольца.

Образец фенола, ставший розовым — Фенол — твердое вещество с низкой температурой плавления; он медленно становится розовым, окисляясь на воздухе

Получение фенола

Охлаждают анилин с $\text{NaNO}_2$ и разбавленной кислотой ниже $10\,°\text{C}$ для получения диазониевой соли. Нагревание этой соли с водой дает фенол (и азотистый газ).

Реакции фенола

с основанием, таким как $\text{NaOH(aq)}$: фенол реагирует, образуя феноксид натрия и воду. (Обычные спирты не реагируют с $\text{NaOH}$ — это показывает, что фенол более кислый.)
с натрием: образует феноксид натрия и водород.
с диазониевой солью в $\text{NaOH(aq)}$: образуется окрашенный азосоединение (используется в красителях).
нитрование с разбавленной $\text{HNO}_3$ при комнатной температуре: дает смесь 2-нитрофенола и 4-нитрофенола.
бромирование с бромной водой при комнатной температуре (без катализатора): дает белый осадок 2,4,6-трибромфенола.

Кислотность фенола

Фенол теряет свой $\text{H}^+$, образуя феноксид-ион. Этот ион стабилизирован, потому что его отрицательный заряд распределен (делокализован) в кольцо. Поэтому кислотность фенола выше, чем у воды или этанола:

$$\text{ethanol} < \text{water} < \text{phenol}$$

Фенол, теряющий протон до феноксид-иона, с изогнутой стрелкой, показывающей распространение отрицательного заряда в кольцо — Фенол более кислотен, чем вода или спирт: потеря H$^+$ дает феноксид-ион, чей отрицательный заряд распространяется в кольцо, стабилизируя его

(Фенол все еще является слабой кислотой — слабее карбоновой кислоты.)

Почему условия мягче, чем для бензола

Одиночная пара на кислороде фенола частично делокализована в кольцо. Это делает кольцо более богатым электронами, поэтому оно сильнее привлекает электрофилы. Фенол поэтому реагирует быстрее и в гораздо более мягких условиях, чем бензол — катализатор не нужен, и разбавленные реагенты работают при комнатной температуре.

Фенол, реагирующий с бромной водой при комнатной температуре, образуя 2,4,6-трибромфенол, белый осадок — Кольцо фенола активировано, поэтому бромная вода бромирует позиции 2, 4 и 6 при комнатной температуре без катализатора, образуя белый осадок

Группа $\text{–OH}$ направляет новые заместители в 2-, 4- и 6-позиции. Те же принципы применимы к другим фенольным соединениям, таким как нафтол.

Розовый брусок карболового мыла — Карболовое мыло содержит фенол, который был одним из первых антисептиков

Пример решения. Фенол, этанол и уксусную кислоту каждый встряхивают с водным раствором $\text{NaOH}$, а затем с водным раствором $\text{Na}_2\text{CO}_3$. Предскажите, что произойдет, и упорядочьте три вещества по кислотности. Кислотность зависит от того, насколько хорошо остаточный анион стабилизирован. Этоксид этанола сохраняет заряд на одном кислороде, поэтому этанол самый слабый и не реагирует ни с одним. Феноксид фенола распределяет заряд в кольцо, делая фенол достаточно кислотным, чтобы реагировать с сильным основанием $\text{NaOH}$, но не с более слабым $\text{Na}_2\text{CO}_3$ — поэтому шипения нет. Ацетат распределяет заряд между двумя кислородами, что наиболее эффективно из трех, поэтому уксусная кислота реагирует с обоими и шипит с карбонатом. Порядок: этанол < фенол < уксусная кислота. Карбонат является дифференцирующим тестом — только карбоновая кислота шипит, что именно так вы отличаете фенол от кислоты.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Phenol reaction lab · ⁨Лабораторная работа: реакции фенола⁩

Classify phenol reactions by the role of the aromatic OH group. · ⁨Классифицируйте реакции фенола по роли ароматической OH-группы.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
phenol/ˈfenɒl/	фенол
benzene/ˈbenziːn/	бензол
phenylamine/ˌfiːˈnaɪləmiːn/	анилин
diazonium salt/ˌdaɪəˈzəʊnɪəm sɒlt/	диазониевая соль
azo compound/ˈɑːzəʊ ˈkɒmpaʊnd/	азо соединение
nitration/naɪˈtreɪʃn/	нитрование
bromination/ˌbrəʊmɪˈneɪʃn/	бромирование
acidity/æˈsɪdɪti/	кислотность
delocalised/dɪˈlɒkəlaɪzd/	делокализованный

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

32.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Phenol is a stronger acid than alcohols (its anion is stabilised by delocalisation) but weaker than carboxylic acids — it does not react with carbonates.
Phenol decolourises bromine water and gives a white precipitate without a catalyst (the ring is activated by oxygen).
Acyl chlorides react with alcohols/phenols to give esters readily (better than the reversible acid route); misty HCl fumes are the observation.

Русский

Фенол — более сильная кислота, чем спирты (его анион стабилизирован делокализацией), но weaker, чем карбоновые кислоты — он не реагирует с карбонатами.
Фенол обесцвечивает бромную воду и дает белый осадок без катализатора (кольцо активировано кислородом).
Ацилхлориды реагируют со спиртами/фенолами, легко образуя эфиры (лучше, чем обратимый путь через кислоту); наблюдением являются мутные пары HCl.

Carboxylic acids and derivatives · ⁨Карбоновые кислоты и их производные⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

33.1

Carboxylic acids · ⁨Карбоновые кислоты⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reaction by which benzoic acid can be produced: (a) reaction of an alkylbenzene with hot alkaline $\text{KMnO}_4$ and then dilute acid, exemplified by methylbenzene
describe the reaction of carboxylic acids with $\text{PCl}_3$ and heat, $\text{PCl}_5$ or $\text{SOCl}_2$ to form acyl chlorides
recognise that some carboxylic acids can be further oxidised: (a) the oxidation of methanoic acid, $\text{HCOOH}$, with Fehling’s reagent or Tollens’ reagent or acidified $\text{KMnO}_4$ or acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ to carbon dioxide and water (b) the oxidation of ethanedioic acid, $\text{HOOCCOOH}$, with warm acidified $\text{KMnO}_4$ to carbon dioxide
describe and explain the relative acidities of carboxylic acids, phenols and alcohols
describe and explain the relative acidities of chlorine-substituted carboxylic acids

Русский

вспоминать реакцию получения бензойной кислоты: (a) реакция алкилбензола с горячим щелочным $\text{KMnO}_4$, за которой следует разбавленная кислота; пример — метилбензол
описывать реакцию карбоновых кислот со $\text{PCl}_3$ и нагреванием, $\text{PCl}_5$ или $\text{SOCl}_2$ для образования ацилхлоридов
понимать, что некоторые карбоновые кислоты могут подвергаться дальнейшему окислению: (a) окисление метановой кислоты, $\text{HCOOH}$, реагентом Фейлинга или Тольенса или подкисленным $\text{KMnO}_4$ или подкисленным $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ до углекислого газа и воды (b) окисление этандиовой кислоты, $\text{HOOCCOOH}$, теплым подкисленным $\text{KMnO}_4$ до углекислого газа
описывать и объяснять относительную кислотность карбоновых кислот, фенолов и спиртов
описывать и объяснять относительную кислотность хлорзамещенных карбоновых кислот

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Making and reacting

an alkylbenzene 烷基苯 (such as methylbenzene) is oxidised by hot alkaline $\text{KMnO}_4$, then dilute acid, to give benzoic acid 苯甲酸. The whole side-chain becomes a $\text{–COOH}$ group.
a carboxylic acid reacts with $\text{PCl}_3$ and heat, $\text{PCl}_5$, or $\text{SOCl}_2$ to form an acyl chloride 酰氯.

Acids that can be oxidised further

Two carboxylic acids 羧酸 are special because they can still be oxidised:

methanoic acid ($\text{HCOOH}$) is oxidised by Fehling's or Tollens' reagent, or acidified $\text{KMnO}_4$ / $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, to carbon dioxide and water.
ethanedioic acid ($\text{HOOCCOOH}$) is oxidised by warm acidified $\text{KMnO}_4$ to carbon dioxide.

Relative acidities

The acidity 酸性 order is:

$$\text{alcohol} < \text{phenol} < \text{carboxylic acid}$$

A carboxylic acid is the strongest because, when it loses $\text{H}^+$, the negative charge is spread over two oxygen atoms, making the ion very stable. In a phenol 苯酚 the charge spreads only into the ring, and in an alcohol 醇 (giving $\text{RO}^-$) it is not spread at all.

Chlorine atoms make a carboxylic acid more acidic. Chlorine is electron-withdrawing 吸电子: through the inductive effect 诱导效应 it pulls electron density away, helping to spread the negative charge and stabilise the ion. So more chlorine atoms (closer to the $\text{–COOH}$) give a stronger acid.

Русский

Целые и разрезанные лимоны — Цитрусовые фрукты имеют кислый вкус, потому что содержат лимонную кислоту, карбоновую кислоту

Получение и реакции

алкилбензол (например, метилбензол) окисляется горячим щелочным $\text{KMnO}_4$, затем разбавленной кислотой до бензойной кислоты. Весь боковой цепочка превращается в группу $\text{–COOH}$.
карбоновая кислота реагирует со $\text{PCl}_3$ и нагреванием, $\text{PCl}_5$ или $\text{SOCl}_2$ для образования ацилхлорида.

Горячий KMnO4 окисляет метильную боковую цепь на кольце до группы COOH, образуя бензойную кислоту — Горячий KMnO4 окисляет метильную боковую цепь до группы COOH

Кислоты, которые можно окислить дальше

Две карбоновые кислоты особые, так как они всё ещё могут окисляться:

муравьиная кислота ($\text{HCOOH}$) окисляется реактивом Фейлинга или Толленса, или подкисленным $\text{KMnO}_4$ / $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, до углекислого газа и воды.
щавелевая кислота ($\text{HOOCCOOH}$) окисляется тёплой подкисленной $\text{KMnO}_4$ до углекислого газа.

Относительные кислотности

Порядок кислотности следующий:

$$\text{alcohol} < \text{phenol} < \text{carboxylic acid}$$

Карбоновая кислота является самой сильной, потому что при потере $\text{H}^+$ отрицательный заряд распределён между двумя атомами кислорода, что делает ион очень стабильным. В феноле заряд распространяется только в кольцо, а в спирте (образующем $\text{RO}^-$) он вообще не делокализуется.

Трёхуровневая шкала от спирта внизу до фенола и карбоновой кислоты сверху, показывающая, насколько широко её анион распределяет отрицательный заряд — Кислотность возрастает от спирта к фенолу и к карбоновой кислоте: чем больше отрицательный заряд сопряжённого основания распределён, тем стабильнее ион и сильнее кислота

Атомы хлора делают карбоновую кислоту более кислой. Хлор является электроотрицательным: через индуктивный эффект он оттягивает электронную плотность, помогая распределить отрицательный заряд и стабилизировать ион. Поэтому больше атомов хлора (ближе к $\text{–COOH}$) дают более сильную кислоту.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Carboxylic acid A2 map · ⁨Карта карбоновых кислот A2⁩

Follow carboxylic acids through acyl derivatives and salts. · ⁨Рассмотрите превращения карбоновых кислот через ацильные производные и соли.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/	карбоновая кислота
acidity/æˈsɪdɪti/	кислотность
phenol/ˈfenɒl/	фенол
alcohol/ˈælkəhɒl/	спирт
electron-withdrawing/ɪˈlektrɒn wɪθˈdrɔːɪŋ/	акцептор электронов
inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/	индуктивный эффект
ester/ˈestə/	эфирная
ammonia/æˈməʊnɪə/	аммиак
amide/əˈmaɪd/	амиде
amine/ˈæmaɪn/	амин
addition–elimination/əˈdɪʃn ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/	присоединение–элиминирование
hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/	гидролиз

33.2

Esters · ⁨Эфиры⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reaction by which esters can be produced: (a) reaction of alcohols with acyl chlorides using the formation of ethyl ethanoate and phenyl benzoate as examples

Русский

вспоминать реакцию получения эфиров: (a) реакция спиртов с ацилхлоридами; примеры — получение этилэтановой кислоты и фенилбензойной кислоты

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

An alcohol (or phenol) reacts with an acyl chloride at room temperature to give an ester 酯 and $\text{HCl}$. Examples are ethyl ethanoate (from ethanol) and phenyl benzoate (from phenol).

Русский

Спирт (или фенол) реагирует с ацилхлоридом при комнатной температуре, образуя эфир и $\text{HCl}$. Примерами являются этиловый эфир уксусной кислоты (из этанола) и фениловый эфир бензойной кислоты (из фенола).

Бутылка таблеток аспирина — Аспирин — это эфир, полученный из салициловой кислоты

Explore · ⁨Исследовать⁩

Ester A2 reaction map · ⁨Карта реакций эфиров A2⁩

Compare ester formation, hydrolysis and transesterification routes. · ⁨Сравните пути получения эфиров, гидролиза и переэтерификации.⁩

33.3

Acyl chlorides · ⁨Ацилхлориды⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions (reagents and conditions) by which acyl chlorides can be produced: (a) reaction of carboxylic acids with $\text{PCl}_3$ and heat, $\text{PCl}_5$ or $\text{SOCl}_2$
describe the following reactions of acyl chlorides: (a) hydrolysis on addition of water at room temperature to give the carboxylic acid and $\text{HCl}$ (b) reaction with an alcohol at room temperature to produce an ester and $\text{HCl}$ (c) reaction with phenol at room temperature to produce an ester and $\text{HCl}$ (d) reaction with ammonia at room temperature to produce an amide and $\text{HCl}$ (e) reaction with a primary or secondary amine at room temperature to produce an amide and $\text{HCl}$
describe the addition–elimination mechanism of acyl chlorides in reactions in 33.3.2(a)–(e)
explain the relative ease of hydrolysis of acyl chlorides, alkyl chlorides and halogenoarenes (aryl chlorides)

Русский

вспоминать реакции (реагенты и условия) получения ацилхлоридов: (a) реакция карбоновых кислот со $\text{PCl}_3$ и нагреванием, $\text{PCl}_5$ или $\text{SOCl}_2$
описывать следующие реакции ацилхлоридов: (a) гидролиз при добавлении воды при комнатной температуре с образованием карбоновой кислоты и $\text{HCl}$ (b) реакция со спиртом при комнатной температуре с образованием эфира и $\text{HCl}$ (c) реакция с фенолом при комнатной температуре с образованием эфира и $\text{HCl}$ (d) реакция с аммиаком при комнатной температуре с образованием амида и $\text{HCl}$ (e) реакция с первичным или вторичным амином при комнатной температуре с образованием амида и $\text{HCl}$
описывать механизм присоединения–исключения ацилхлоридов в реакциях 33.3.2(a)–(e)
объяснять относительную легкость гидролиза ацилхлоридов, алкилхлоридов и галогенаренов (арилихлоридов)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Acyl chlorides are made from carboxylic acids (with $\text{PCl}_3$, $\text{PCl}_5$ or $\text{SOCl}_2$). They are very reactive. At room temperature they react with:

Reactant	Product (plus $\text{HCl}$)
water	the carboxylic acid
an alcohol	an ester
phenol	an ester
ammonia 氨	an amide 酰胺
a primary or secondary amine 胺	an amide

The addition–elimination mechanism

All these reactions follow an addition–elimination 加成消去 mechanism: a nucleophile first adds to the slightly positive carbonyl carbon, then $\text{HCl}$ is eliminated.

Ease of hydrolysis

Compare how easily three chlorides react with water (hydrolysis 水解):

$$\text{acyl chloride} \gg \text{alkyl chloride} \gg \text{aryl chloride}$$

An acyl chloride reacts violently with cold water; an alkyl chloride reacts slowly; an aryl chloride (halogenoarene) does not react, because its C–Cl bond is strengthened by the ring.

Worked example. Ethanoyl chloride reacts violently with cold water, while ethyl ethanoate needs prolonged reflux with acid or alkali. Explain the difference. Both are attacked at the carbonyl carbon, so compare how open that carbon is to attack and how good the leaving group is. In ethanoyl chloride the chlorine is strongly electronegative and withdraws electrons, making the carbonyl carbon much more $\delta+$ and so far more open to a nucleophile; and $\text{Cl}^{-}$, the anion of a strong acid, is a good leaving group. In the ester the $\text{–OR}$ oxygen donates a lone pair into the carbonyl, reducing that $\delta+$ charge, and $\text{RO}^{-}$ is a poor leaving group. So the acyl chloride hydrolyses far more easily. Argue from both the $\delta+$ on the carbon and the leaving group: either one alone is usually only half the marks.

Русский

Ацилхлориды получают из карбоновых кислот (со $\text{PCl}_3$, $\text{PCl}_5$ или $\text{SOCl}_2$). Они очень реакционноспособны. При комнатной температуре они реагируют с:

Исходное вещество	Продукт (плюс $\text{HCl}$)
вода	карбоновая кислота
спирт	эфир
фенол	эфир
аммиак	амид
первичный или вторичный амин	амид

Ацилхлорид в центре со стрелками к его продуктам реакции с водой, спиртом, фенолом, аммиаком и амином — Ацилхлориды очень реакционноспособны: с водой, спиртом, фенолом, аммиаком или амином они образуют обозначенный продукт плюс HCl

Механизм присоединения–элиминирования

Все эти реакции протекают по механизму присоединения–элиминирования: нуклеофильный реагент сначала присоединяется к слегка положительному карбонильному углероду, затем $\text{HCl}$ элиминируется.

Механизм ацилхлорида: нуклеофильный реагент присоединяется к карбонильному углероду, образуя тетраэдрический интермедиат, который затем теряет хлорид как HCl — Присоединение–элиминирование: нуклеофильный реагент присоединяется к $\delta+$ карбонильному углероду, затем C=O восстанавливается, а Cl$^-$ уходит в виде HCl

Легкость гидролиза

Сравните легкость реакции трех хлоридов с водой (гидролиз):

$$\text{acyl chloride} \gg \text{alkyl chloride} \gg \text{aryl chloride}$$

Ацилхлорид бурно реагирует с холодной водой; алкилхлорид реагирует медленно; арилхлорид (галогенарен) не реагирует, поскольку его связь C–Cl усиливается за счет кольца.

Разобранный пример. Ацетилхлорид бурно реагирует с холодной водой, тогда как этилацетат требует длительного кипячения с переливанием в присутствии кислоты или щелочи. Объясните разницу. Оба соединения атакуются по карбонильному углероду, поэтому сравним доступность этого углерода для атаки и качество уходящей группы. В ацетилхлориде хлор обладает высокой электроотрицательностью и оттягивает электроны, делая карбонильный углерод значительно $\delta+$ и, следовательно, гораздо более доступным для нуклеофила; кроме того, $\text{Cl}^{-}$ — анион сильной кислоты — является хорошей уходящей группой. В эфире $\text{–OR}$ кислород донорирует неподеленную электронную пару в карбонильную группу, снижая этот $\delta+$ заряд, а $\text{RO}^{-}$ является плохой уходящей группой. Поэтому ацилхлорид гидролизуется намного легче. Обосновывайте ответ, рассматривая оба фактора: $\delta+$ на углероде и уходящую группу; каждый из них по отдельности обычно оценивается лишь половиной баллов.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Acyl chloride reaction map · ⁨Карта реакций ацилхлоридов⁩

Follow why acyl chlorides are reactive acylating agents. · ⁨Разберитесь, почему ацилхлориды являются реакционноспособными ацилирующими агентами.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
alkylbenzene/ˈælkɪlbenziːn/	алкилбензол
benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/	бензойная кислота
acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/	ацилхлорид

33.3

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Acyl chlorides are very reactive — learn their products with water (HCl), alcohols (esters), ammonia (amides) and amines.
Reactivity order of derivatives: acyl chloride > ester > amide.
Acid strength: electron-withdrawing groups (e.g. Cl) increase it — explain via the carboxylate ion.

Русский

Ацилхлориды очень реакционноспособны — выучите их продукты реакции с водой (HCl), спиртами (эфиры), аммиаком (амиды) и аминами.
Порядок реактивности производных: ацилхлорид > эфир > амид.
Сила кислоты: электрооттягивающие группы (например, Cl) увеличивают её — объясните через карбоксилат-ион.

Nitrogen compounds · ⁨Соединения азота⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

34.1

Primary and secondary amines · ⁨Первичные и вторичные амины⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions (reagents and conditions) by which primary and secondary amines are produced: (a) reaction of halogenoalkanes with $\text{NH}_3$ in ethanol heated under pressure (b) reaction of halogenoalkanes with primary amines in ethanol, heated in a sealed tube/under pressure (c) the reduction of amides with $\text{LiAlH}_4$ (d) the reduction of nitriles with $\text{LiAlH}_4$ or $\text{H}_2/\text{Ni}$
describe the condensation reaction of ammonia or an amine with an acyl chloride at room temperature to give an amide
describe and explain the basicity of aqueous solutions of amines

Русский

вспоминать реакции (реагенты и условия) получения первичных и вторичных аминов: (a) реакция галогеналканов со $\text{NH}_3$ в этаноле при нагревании под давлением (b) реакция галогеналканов с первичными аминами в этаноле при нагревании в закрытой пробирке/под давлением (c) восстановление амидов с помощью $\text{LiAlH}_4$ (d) восстановление нитрилов с помощью $\text{LiAlH}_4$ или $\text{H}_2/\text{Ni}$
описывать реакцию конденсации аммиака или амина с ацилхлоридом при комнатной температуре с образованием амида
описывать и объяснять основные свойства водных растворов аминов

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

An amine 胺 has an $\text{–NH}_2$ (primary) or $\text{–NH}$ (secondary) group.

Making amines

a halogenoalkane 卤代烷 with $\text{NH}_3$ in ethanol, heated under pressure → a primary amine.
a halogenoalkane with a primary amine, heated under pressure → a secondary amine.
reduction 还原 of an amide 酰胺 with $\text{LiAlH}_4$.
reduction of a nitrile 腈 with $\text{LiAlH}_4$ or $\text{H}_2/\text{Ni}$.

An amine (or ammonia 氨) reacts with an acyl chloride in a condensation 缩合 reaction to give an amide. The reagent is an acyl chloride 酰氯.

Basicity of amines

The basicity 碱性 of an amine comes from the lone pair on its nitrogen, which can accept an $\text{H}^+$ from water.

Русский

Амин имеет группу $\text{–NH}_2$ (первичный) или $\text{–NH}$ (вторичный).

Первичный амин имеет -NH2; вторичный амин имеет -NH между двумя углеродами — Первичный амин имеет -NH2; вторичный амин имеет -NH-

Получение аминов

галогеналкан с $\text{NH}_3$ в этаноле, нагревание под давлением → первичный амин.
галогеналкан с первичным амином, нагревание под давлением → вторичный амин.
восстановление амида с помощью $\text{LiAlH}_4$.
восстановление нитрила с помощью $\text{LiAlH}_4$ или $\text{H}_2/\text{Ni}$.

Два пути: галогеналкан с аммиаком или восстановление нитрила — Два пути получения амина: из галогеналкана или путем восстановления нитрила

Амин (или аммиак) реагирует с ацилхлоридом в реакции конденсации, образуя амид. Реагентом является ацилхлорид.

Основность аминов

Основность амина обусловлена неподеленной парой на его азоте, которая может принять $\text{H}^+$ от воды.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Amine type lab · ⁨Лабораторная работа по типам аминов⁩

Classify amines by substitution at nitrogen and basic behaviour. · ⁨Классифицируйте амины по степени замещения у азота и основному поведению.⁩

34.2

Phenylamine and azo compounds · ⁨Фениламин и азосоединения⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe the preparation of phenylamine via the nitration of benzene to form nitrobenzene followed by reduction with hot Sn/concentrated $\text{HCl}$ followed by $\text{NaOH(aq)}$
describe: (a) the reaction of phenylamine with $\text{Br}_2\text{(aq)}$ at room temperature (b) the reaction of phenylamine with $\text{HNO}_2$ or $\text{NaNO}_2$ and dilute acid below $10\text{ }^\circ\text{C}$ to produce the diazonium salt; further warming of the diazonium salt with $\text{H}_2\text{O}$ to give phenol
describe and explain the relative basicities of aqueous ammonia, ethylamine and phenylamine
recall the following about azo compounds: (a) describe the coupling of benzenediazonium chloride with phenol in $\text{NaOH(aq)}$ to form an azo compound (b) identify the azo group (c) state that azo compounds are often used as dyes (d) that other azo dyes can be formed via a similar route

Русский

описывать получение фениламина путем нитрования бензола до нитробензола с последующим восстановлением горячим Sn/концентрированной $\text{HCl}$, затем $\text{NaOH(aq)}$
описывать: (a) реакцию фениламина со $\text{Br}_2\text{(aq)}$ при комнатной температуре (b) реакцию фениламина со $\text{HNO}_2$ или $\text{NaNO}_2$ и разбавленной кислотой ниже температуры $10\text{ }^\circ\text{C}$ для получения диазониевой соли; дальнейшее прогревание диазониевой соли со $\text{H}_2\text{O}$ дает фенол
описывать и объяснять относительные основные свойства водного аммиака, этиламина и фениламина
вспоминать следующее об азосоединениях: (a) описывать реакцию связывания бензендиазония хлорида с фенолом в среде $\text{NaOH(aq)}$ для образования азосоединения (b) идентифицировать азогруппу (c) указывать, что азосоединения часто используются как красители (d) другие азокрасители могут быть получены аналогичным способом

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Making phenylamine

Make phenylamine 苯胺 from benzene in two steps: nitrate benzene to nitrobenzene, then reduce it with hot $\text{Sn}$ and concentrated $\text{HCl}$, followed by $\text{NaOH(aq)}$.

Reactions

with bromine water at room temperature → 2,4,6-tribromophenylamine (a white precipitate). The ring is activated, like phenol.
with $\text{HNO}_2$ (from $\text{NaNO}_2$ and dilute acid) below $10\,°\text{C}$ → a diazonium salt; warming this with water gives phenol.

Relative basicity

$$\text{phenylamine} < \text{ammonia} < \text{ethylamine}$$

Ethylamine is the strongest base: its alkyl group pushes electron density onto the nitrogen, making the lone pair more available. Phenylamine is the weakest, because its lone pair is delocalised 离域 into the benzene ring, so it is less available to accept an $\text{H}^+$.

Azo compounds

A diazonium salt 重氮盐 (benzenediazonium chloride) couples with phenol 苯酚 in $\text{NaOH(aq)}$ to form an azo compound 偶氮化合物. The azo group is $\text{–N=N–}$. Azo compounds are brightly coloured and are often used as dye 染料s; many other azo dyes are made the same way.

Worked example. An amino acid has an isoelectric point of pH 6.0. Give its charge, and the electrode it moves towards in electrophoresis, at pH 2, at pH 6.0 and at pH 11. Compare the solution's pH with the isoelectric point each time. At pH 2, well below it, the solution is acidic, so the $\text{–NH}_2$ gains an $\text{H}^{+}$: the amino acid is positive and moves to the cathode (negative electrode). At pH 6.0, exactly its isoelectric point, it is the zwitterion with no net charge, so it does not move. At pH 11, well above it, the $\text{–COOH}$ loses its $\text{H}^{+}$: the amino acid is negative and moves to the anode. Compare the pH with the isoelectric point, never with 7 - and note the zwitterion still carries both charges, it simply has no net charge.

Русский

Получение фениламина

Получите фениламин из бензола в два этапа: нитруйте бензол до нитробензола, затем восстановите его горячим $\text{Sn}$ и концентрированной $\text{HCl}$, после чего добавьте $\text{NaOH(aq)}$.

Реакции

с бромной водой при комнатной температуре → 2,4,6-триброманилин (белый осадок). Ароматическое кольцо активировано, как в феноле.
со $\text{HNO}_2$ (из $\text{NaNO}_2$ и разбавленной кислотой) ниже $10\,°\text{C}$ → диазосоль; нагревание её с водой даёт фенол.

Относительная основность

$$\text{phenylamine} < \text{ammonia} < \text{ethylamine}$$

Этиламин — самая сильная основа: его алкильная группа передает электронную плотность на азот, делая неподеленную пару более доступной. Фениламин — самая слабая, так как его неподеленная пара делокализована в бензольное кольцо и поэтому менее доступна для принятия $\text{H}^+$.

Фениламин, аммиак и этиламин на шкале основности, где кольцо оттягивает неподелённую пару у фениламина, а алкильная группа отталкивает электроны у этиламина — Основность зависит от неподелённой пары на атоме азота: алкильная группа делает её более доступной (этиламин самый сильный), бензольное кольцо оттягивает её (фениламин самый слабый)

Азо compounds

Диазониевая соль (бензолдиазоний хлорид) образует azo-соединение при конденсации с фенолом в $\text{NaOH(aq)}$. Azo-группа является $\text{–N=N–}$. Azo-соединения имеют яркий цвет и часто используются как красители; многие другие azo-красители получают аналогичным образом.

Небольшая горка ярко-оранжевого порошка красителя метилоранж на светлом фоне — Метилоранж — яркий оранжевый азо краситель; интенсивный цвет обусловлен $\text{–N=N–}$ азо группой, благодаря которой азо соединения так широко применяются в качестве красителей

Разобранный пример. У аминокислоты точка изоэлектрического состояния равна pH 6.0. Укажите её заряд и электрод, к которому она движется при электрофорезе, при pH 2, при pH 6.0 и при pH 11. Сравнивайте pH раствора с точкой изоэлектрического состояния в каждом случае. При pH 2, значительно ниже этой точки, раствор кислый, поэтому $\text{–NH}_2$ принимает $\text{H}^{+}$: аминокислота имеет положительный заряд и движется к катоду (отрицательный электрод). При pH 6.0, точно равном точке изоэлектрического состояния, она представляет собой цвиттер-ион с нулевым суммарным зарядом, поэтому не движется. При pH 11, значительно выше этой точки, $\text{–COOH}$ теряет свой $\text{H}^{+}$: аминокислота имеет отрицательный заряд и движется к аноду. Сравнивайте pH с точкой изоэлектрического состояния, никогда не сравнивайте его с 7 — и помните, что цвиттер-ион по-прежнему несет оба заряда, просто его суммарный заряд равен нулю.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Phenylamine to azo dye route · ⁨Путь от фениламина к азо красителю⁩

Follow phenylamine from diazotisation to coloured azo compound. · ⁨Отследите превращение фениламина от диазотирования до окрашенного азо соединения.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
amine/ˈæmaɪn/	амин
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/	галогеналкан
reduction/rɪˈdʌkʃn/	восстановление
amide/əˈmaɪd/	амиде
nitrile/ˈnaɪtraɪl/	нитрил
ammonia/æˈməʊnɪə/	аммиак
condensation/kɒndenˈseɪʃn/	конденсация
acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/	ацилхлорид
basicity/beɪˈsɪsɪti/	основность
phenylamine/ˌfiːˈnaɪləmiːn/	анилин
delocalised/dɪˈlɒkəlaɪzd/	делокализованный
diazonium salt/ˌdaɪəˈzəʊnɪəm sɒlt/	диазониевая соль
phenol/ˈfenɒl/	фенол
azo compound/ˈɑːzəʊ ˈkɒmpaʊnd/	азо соединение
dye/daɪ/	краситель
amino acid/əˈmiːnəʊ ˈæsɪd/	аминокислота

34.3

Amides · ⁨Амиды⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recall the reactions (reagents and conditions) by which amides are produced: (a) the reaction between ammonia and an acyl chloride at room temperature (b) the reaction between a primary amine and an acyl chloride at room temperature
describe the reactions of amides: (a) hydrolysis with aqueous alkali or aqueous acid (b) the reduction of the CO group in amides with $\text{LiAlH}_4$ to form an amine
state and explain why amides are much weaker bases than amines

Русский

вспоминать реакции (реагенты и условия) получения амидов: (a) реакция между аммиаком и ацилхлоридом при комнатной температуре (b) реакция между первичным амином и ацилхлоридом при комнатной температуре
описывать реакции амидов: (a) гидролиз водным щелочным раствором или водной кислотой (b) восстановление группы CO в амидах с помощью $\text{LiAlH}_4$ до образования амина
указывать и объяснять, почему амиды являются значительно более слабыми основаниями, чем амины

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

An amide is made from ammonia or a primary amine with an acyl chloride at room temperature.

Its reactions:

hydrolysis with aqueous acid or alkali, giving the carboxylic acid (or its salt) and the amine (or ammonium).
reduction of the C=O group with $\text{LiAlH}_4$ to give an amine.

An amide is a much weaker base than an amine, because the nitrogen lone pair is delocalised onto the neighbouring C=O group, so it is not available to accept an $\text{H}^+$.

Русский

Амид образуется из аммиака или первичного амина с ацилхлоридом при комнатной температуре.

Баночка с таблетками парацетамола — Парацетамол — распространённое обезболивающее, содержащее амидную группу (–CONH–)

Его реакции:

гидролиз с водными растворами кислот или щелочей с образованием карбоновой кислоты (или её соли) и амина (или аммониевой соли).
восстановление группы C=O с помощью $\text{LiAlH}_4$ до образования амина.

Амид является намного более слабой основой, чем амин, потому что неподелённая пара на атоме азота делокализована на соседнюю группу C=O, поэтому она недоступна для принятия $\text{H}^+$.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Amide formation route · ⁨Маршрут образования амида⁩

Follow acyl chloride or acid derivative to an amide. · ⁨Следуйте от ацилхлорида или производного кислоты к амиду.⁩

34.4

Amino acids · ⁨Аминокислоты⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe the acid/base properties of amino acids and the formation of zwitterions, to include the isoelectric point
describe the formation of amide (peptide) bonds between amino acids to give di- and tripeptides
interpret and predict the results of electrophoresis on mixtures of amino acids and dipeptides at varying pHs (the assembling of the apparatus will not be tested)

Русский

описывать кислотно-основные свойства аминокислот и образование цвиттерионов, включая изоэлектрическую точку
описывать образование амидных (пептидных) связей между аминокислотами с образованием дипептидов и трипептидов
интерпретировать и предсказывать результаты электрофореза смесей аминокислот и дипептидов при различных значениях pH (сборка оборудования не будет проверяться)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

An amino acid 氨基酸 has both a basic $\text{–NH}_2$ group and an acidic $\text{–COOH}$ group.

Zwitterions and the isoelectric point

The $\text{–COOH}$ can give its $\text{H}^+$ to the $\text{–NH}_2$ in the same molecule, forming a zwitterion 两性离子 ($\text{H}_3\text{N}^+\text{–CHR–COO}^-$) — an ion with both a positive and a negative end but no overall charge.

in acid (low pH), the amino acid gains $\text{H}^+$ and becomes positive.
in alkali (high pH), it loses $\text{H}^+$ and becomes negative.
at one special pH, the isoelectric point 等电点, it is mostly the zwitterion with no net charge.

Peptide bonds

Two amino acids join in a condensation reaction: the $\text{–COOH}$ of one and the $\text{–NH}_2$ of the other react, losing water and forming a peptide bond 肽键 (an amide link). Two amino acids give a dipeptide 二肽, three give a tripeptide.

Electrophoresis

In electrophoresis 电泳, a mixture is placed in an electric field at a chosen pH:

above its isoelectric point, an amino acid is negative and moves to the positive electrode.
below its isoelectric point, it is positive and moves to the negative electrode.
at its isoelectric point, it does not move. So different amino acids separate.

Русский

Аминокислота содержит как основную $\text{–NH}_2$ группу, так и кислую $\text{–COOH}$ группу.

Звиттерионы и изоэлектрическая точка

$\text{–COOH}$ может передать свой $\text{H}^+$ группе $\text{–NH}_2$ в той же молекуле, образуя звиттерион ($\text{H}_3\text{N}^+\text{–CHR–COO}^-$) — ион с положительным и отрицательным концами, но без общего заряда.

в кислой среде (низкий pH) аминокислота принимает $\text{H}^+$ и становится положительной.
в щелочной среде (высокий pH) она теряет $\text{H}^+$ и становится отрицательной.
при одной особой величине pH, называемой изоэлектрической точкой, преобладает форма звиттериона без суммарного заряда.

Аминокислота, изображенная тремя способами: положительно заряженная в кислоте, нейтральный цвиттер-ион в точке изоэлектрического состояния и отрицательно заряженная в щелочи — Заряд аминокислоты зависит от pH: положительный в кислоте, нейтральный звиттерион при изоэлектрической точке, отрицательный в щелочи

Пептидные связи

Две аминокислоты соединяются в реакции конденсации: $\text{–COOH}$ одной и $\text{–NH}_2$ другой реагируют, выделяя воду и образуя пептидную связь (амидную связь). Две аминокислоты дают дипептид, три — трипептид.

Конденсация двух аминокислот: OH от одной карбоксильной группы и H от другой аминогруппы уходят в виде воды, образуя пептидную связь — Две аминокислоты конденсируются: –OH от одной –COOH и –H от другой –NH$_2$ уходят в виде воды, образуя пептидную (амидную) связь

Электрофорез

При электрофорезе смесь помещают в электрическое поле при выбранном pH:

выше изоэлектрической точки аминокислота отрицательна и движется к положительному электроду.
ниже изоэлектрической точки она положительна и движется к отрицательному электроду.
при изоэлектрической точке она не движется. Таким образом, различные аминокислоты разделяются.

Гелевая полоса с отрицательным и положительным электродами: положительно заряженная аминокислота движется к отрицательному электроду, отрицательно заряженная — к положительному, а нейтральная остается на месте — Электрофорез при выбранном pH: положительная аминокислота движется к отрицательному электроду, отрицательная — к положительному, а нейтральная остаётся на месте, что позволяет их разделить

Explore · ⁨Исследовать⁩

Amino acid lab · ⁨Лаборатория аминокислот⁩

Classify amino acid behaviour by the group that reacts. · ⁨Классифицируйте поведение аминокислоты по группе, которая реагирует.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
zwitterion/zwɪˈtɪərɪən/	цвиттерион
isoelectric point/ˌaɪsəʊˈlektrɪk pɔɪnt/	изоэлектрическая точка
peptide bond/ˈpeptaɪd bɒnd/	пептидная связь
dipeptide/ˈdaɪpptaɪd/	дипептид
electrophoresis/ɪˌlektrəʊfɔːˈriːsɪs/	электрофорез

34.4

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Phenylamine is a weaker base than aliphatic amines because the N lone pair delocalises into the ring.
Diazotisation ($\text{NaNO}_2$/HCl, below $10\ ^\circ\text{C}$) then coupling gives azo dyes — learn the conditions and the coloured product.
Amino acids are zwitterions (both $-\text{NH}_2$ and $-\text{COOH}$), so they are amphoteric; describe behaviour either side of the isoelectric point.

Русский

Фениламин является более слабой основой, чем алифатические амины, потому что неподелённая пара на азоте делокализуется в кольцо.
Дазотирование ($\text{NaNO}_2$/HCl, ниже $10\ ^\circ\text{C}$), за которым следует реакция сопряжения, приводит к образованию азо красителей — необходимо выучить условия получения и окрашенный продукт.
Аминокислоты являются звиттерионами (имеют обе $-\text{NH}_2$ и $-\text{COOH}$ группы), поэтому они амфотерны; описывать поведение нужно в обоих направлениях относительно изоэлектрической точки.

Polymerisation · ⁨Полимеризация⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

35.1

Condensation polymerisation · ⁨Поликонденсация⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe the formation of polyesters: (a) the reaction between a diol and a dicarboxylic acid or dioyl chloride (b) the reaction of a hydroxycarboxylic acid
describe the formation of polyamides: (a) the reaction between a diamine and a dicarboxylic acid or dioyl chloride (b) the reaction of an aminocarboxylic acid (c) the reaction between amino acids
deduce the repeat unit of a condensation polymer obtained from a given monomer or pair of monomers
identify the monomer(s) present in a given section of a condensation polymer molecule

Русский

описывать образование полиэфиров: (a) реакция между диолом и дикарбоновой кислотой или диацилхлоридом (b)反应 hydroxycarboxylic acid (reaction of a hydroxycarboxylic acid)
описывать образование полиамидов: (a) реакция между диамином и дикарбоновой кислотой или диацилхлоридом (b) реакция аминокарбоновой кислоты (c) реакция между аминокислотами
выводить повторяющееся звено конденсационного полимера, полученного из заданного мономера или пары мономеров
определять мономеры, присутствующие в заданном фрагменте молекулы конденсационного полимера

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

In condensation polymerisation 缩合聚合, monomers join into a long chain and a small molecule (such as water or $\text{HCl}$) is lost each time a new bond forms. Each monomer needs two reactive groups, so the chain can grow at both ends.

Polyesters

A polyester 聚酯 has many ester links along its chain. You can make one from:

a diol 二醇 (two $\text{–OH}$ groups) and a dicarboxylic acid 二羧酸 (two $\text{–COOH}$ groups), or a dioyl chloride.
a single hydroxycarboxylic acid, which has both an $\text{–OH}$ and a $\text{–COOH}$.

Polyamides

A polyamide 聚酰胺 has many amide links. You can make one from:

a diamine 二胺 (two $\text{–NH}_2$ groups) and a dicarboxylic acid or a dioyl chloride.
a single aminocarboxylic acid, or from amino acids 氨基酸 joining together (proteins are natural polyamides).

Repeat units and monomers

The repeat unit 重复单元 of a condensation polymer contains parts of both monomers, minus the atoms lost as the small molecule. To find the monomers 单体 from a section of polymer, break the chain at each ester or amide link, then add back $\text{–OH}$ and $\text{–H}$ (or $\text{–Cl}$).

Worked example. A polymer chain contains repeating $\text{–CONH–}$ links. Name the type of polymer, identify the monomers, and give the small molecule lost. A $\text{–CONH–}$ link is an amide, so this is a polyamide made by condensation polymerisation. To find the monomers, break the chain at each amide link and give the cut ends their atoms back: the carbon side takes $\text{–OH}$, making a dicarboxylic acid, and the nitrogen side takes $\text{–H}$, making a diamine. The small molecule lost at each link is water (or $\text{HCl}$, if an acyl dichloride was used in place of the acid). Each monomer must have two functional groups, or the chain could never keep growing - if the monomer you propose has only one, you have broken the chain in the wrong place.

Русский

При поликонденсации мономеры соединяются в длинную цепь, и каждый раз при образовании новой связи выделяется малая молекула (например, вода или $\text{HCl}$). Каждый мономер должен иметь две реакционноспособные группы, чтобы цепь могла расти на обоих концах.

Карбоксильная группа, соединяющая гидроксильную группу для образования эфирной связи, и карбоксильная группа, соединяющая аминогруппу для образования амидной связи; при каждом образовании выделяется молекула воды — Конденсационные связи: полиэстер образует эфирные связи, а полиамид — амидные связи; каждая новая связь высвобождает маленькую молекулу (в данном случае воду)

Полиэфиры

Полиэфир содержит множество эфирных связей в цепи. Его можно получить из:

диола (две $\text{–OH}$ группы) и дикарбоновой кислоты (две $\text{–COOH}$ группы), или диацилхлорида.
одной гидроксикарбоновой кислоты, которая имеет и $\text{–OH}$, и $\text{–COOH}$.

Сжатая тюба прозрачных пластиковых бутылок из-под напитков — Бутылки из ПЭТ сделаны из полиэстера — конденсационного полимера, собранные здесь для переработки

Полиамиды

Полиамид содержит множество амидных связей. Его можно получить из:

диаминового соединения (две $\text{–NH}_2$ группы) и дикарбоновой кислоты или диацилхлорида.
одной аминокарбоновой кислоты, или из аминокислот, соединяющихся вместе (белки — природные полиамиды).

Розовая нить нейлона, вытягиваемая из колбы, образуя непрерывную нить на поверхности жидкости — «Нейлоновая веревочная трюк»: нейлон (полиамид) образуется там, где встречаются два раствора реагентов, поэтому можно вытянуть одну длинную нить (здесь она розовая из-за добавленного индикатора)

Повторяющиеся звенья и мономеры

Повторяющееся звено конденсационного полимера содержит части обоих мономеров за вычетом атомов, потерянных в виде маленькой молекулы. Чтобы найти мономеры по фрагменту полимера, разорвите цепь у каждой эфирной или амидной связи, затем добавьте обратно $\text{–OH}$ и $\text{–H}$ (или $\text{–Cl}$).

Цепь полиэстера, разорванная у эфирных связей, с восстановленными концами –OH и –H для получения мономеров диола и дикарбоновой кислоты — Чтобы найти мономеры, разорвите цепь у каждой связи и добавьте обратно –OH и –H к обрывкам — здесь получаются диол и дикарбоновая кислота

Разобранное решение. Цепь полимера содержит повторяющиеся $\text{–CONH–}$ связи. Назовите тип полимера, определите мономеры и укажите маленькую молекулу, которая теряется. Связь $\text{–CONH–}$ является амидной, поэтому это полиамид, полученный методом конденсационной полимеризации. Чтобы найти мономеры, разорвите цепь у каждой амидной связи и верните атомы оборванным концам: углеродная сторона принимает $\text{–OH}$, образуя дикарбоновую кислоту, а азотная сторона принимает $\text{–H}$, образуя диамин. Маленькая молекула, теряемая при каждой связи, — это вода (или $\text{HCl}$, если вместо кислоты использовался ацилхлорид). Каждый мономер должен иметь две функциональные группы, иначе цепь не могла бы расти дальше — если предлагаемый вами мономер имеет только одну, вы разорвали цепь не в том месте.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Condensation polymer route · ⁨Маршрут конденсационного полимера⁩

Watch monomers join while a small molecule leaves each time. · ⁨Следите за соединением мономеров, когда каждый раз уходит маленькая молекула.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
condensation polymerisation/kɒndenˈseɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/	конденсационная полимеризация
polyester/ˌpɒlɪˈestə/	полиэфир
diol/dɪˈɒl/	диол
dicarboxylic acid/ˌdɪkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/	дикарбоновая кислота
polyamide/ˌpɒlɪˈeɪmaɪd/	полиамид
diamine/ˈdaɪəmaɪn/	диамин
amino acid/əˈmiːnəʊ ˈæsɪd/	аминокислота
repeat unit/rɪˈpiːt ˈjuːnɪt/	повторяющееся звено
monomer/ˈmɒnəʊmə/	мономер
addition polymerisation/əˈdɪʃn ˌpɒlɪməraɪˈzeɪʃn/	полимеризация присоединения
poly(alkene)/ˈpɒlɪ/	полиалкен
biodegradable/ˌbaɪəʊdɪˈɡreɪdəbl/	биоразлагаемый
hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/	гидролиз

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

35.2

Predicting the type of polymerisation · ⁨Предсказание типа полимеризации⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

predict the type of polymerisation reaction for a given monomer or pair of monomers
deduce the type of polymerisation reaction which produces a given section of a polymer molecule

Русский

предсказывать тип полимеризации для заданного мономера или пары мономеров
выводить тип реакции полимеризации, которая образует заданный фрагмент молекулы полимера

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Clue	Type
the monomer has a C=C double bond, and nothing else is lost	addition polymerisation 加成聚合
each monomer has two functional groups, and a small molecule is lost; the chain has ester or amide links	condensation polymerisation

Русский

Подсказка	Тип
у мономера есть двойная связь C=C, и ничего больше не теряется	присоединение (аддитивная) полимеризация
каждый мономер имеет две функциональные группы, и теряется маленькая молекула; цепь содержит эфирные или амидные связи	конденсационная полимеризация

Два панели, сравнивающие аддитивную полимеризацию, где C=C раскрывается и ничего не теряется, с конденсационной полимеризацией, где двухфункциональные мономеры соединяются и теряется маленькая молекула — Два вида полимеризации: аддитивная раскрывает C=C и ничего не теряет; конденсационная соединяет двухфункциональные мономеры и теряет маленькую молекулу

Explore · ⁨Исследовать⁩

Polymerisation type lab · ⁨Лабораторная работа по типам полимеризации⁩

Classify monomers by whether they form addition or condensation polymers. · ⁨Классифицируйте мономеры в зависимости от того, образуют ли они полимеры присоединения или конденсации.⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

35.3

Degradable polymers · ⁨Разлагаемые полимеры⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

recognise that poly(alkenes) are chemically inert and can therefore be difficult to biodegrade
recognise that some polymers can be degraded by the action of light
recognise that polyesters and polyamides are biodegradable by acidic and alkaline hydrolysis

Русский

распознавать, что поли(алкены) химически инертны и поэтому могут быть трудно биоразлагаемыми
осознавать, что некоторые полимеры могут разрушаться под воздействием света
понимать, что полиэфиры и полиамиды биоразлагаемы в результате кислотного и щелочного гидролиза

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

poly(alkene)s 聚烯烃 are chemically inert — they have only strong, non-polar C–C and C–H bonds, so they are hard to biodegrade 可生物降解 and last a long time.
some polymers are made so that light can break them down (they are photodegradable).
polyesters and polyamides are biodegradable, because their ester and amide links can be broken by acidic or alkaline hydrolysis 水解.

Русский

поли(алкены) химически инертны — они содержат только прочные неполярные связи C–C и C–H, поэтому их трудно биоразложить, и они служат долго.
некоторые полимеры созданы так, что свет может их разрушать (они фоторазлагаемы).
полиэфиры и полиамиды разлагаются биологически, потому что их эфирные и амидные связи могут быть разрушены кислотным или щелочным гидролизом.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Degradable polymer route · ⁨Путь биоразлагаемых полимеров⁩

Follow how polymer structure controls breakdown. · ⁨Отслеживайте, как структура полимера контролирует его разрушение.⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

35.3

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Condensation polymers (polyesters, polyamides) form with loss of a small molecule ($\text{H}_2\text{O}$ or HCl) — draw the repeat unit and the lost molecule.
Identify the monomers from the polymer by breaking the ester or amide link — a common question.
Predict the type from the monomers: a $\text{C}=\text{C}$ gives addition; two functional groups give condensation.
Polyesters and polyamides are hydrolysable (more degradable); addition polymers are not.

Русский

Конденсационные полимеры (полиэфиры, полиамиды) образуются с потерей маленькой молекулы ($\text{H}_2\text{O}$ или HCl) — нарисуйте повторяющееся звено и потерянную молекулу.
Определите мономеры из полимера, разорвав эфирную или амидную связь — частый вопрос.
Предскажите тип по мономерам: один $\text{C}=\text{C}$ дает аддитивную; две функциональные группы дают конденсационную.
Полиэфиры и полиамиды подвержены гидролизу (более легко разлагаются); аддитивные полимеры нет.

Organic synthesis · ⁨Органический синтез⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

36.1

Organic synthesis · ⁨Органический синтез⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

for an organic molecule containing several functional groups: (a) identify organic functional groups using the reactions in the syllabus (b) predict properties and reactions
devise multi-step synthetic routes for preparing organic molecules using the reactions in the syllabus
analyse a given synthetic route in terms of type of reaction and reagents used for each step of it, and possible by-products

Русский

для органической молекулы, содержащей несколько функциональных групп: (a) идентифицировать органические функциональные группы с помощью реакций из программы (b) предсказывать свойства и реакции
разрабатывать многоступенчатые синтетические маршруты для получения органических молекул с использованием реакций из программы
анализировать данный синтетический маршрут с точки зрения типа реакции и реагентов, использованных на каждом этапе, а также возможных побочных продуктов

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Like the AS synthesis topic, this asks you to join up known reactions to build a target molecule. Now you also have the A Level reactions of arenes, phenol, amines, amides and acyl chlorides.

Identifying functional groups

A molecule may carry several functional group 官能团 types. Use the test reactions to spot each one, then predict its behaviour. For example:

decolourises bromine water with no catalyst, giving a white precipitate → a phenol or a phenylamine (the ring is activated).
reacts violently with cold water, giving fumes of $\text{HCl}$ → an acyl chloride 酰氯.
gives a purple colour with neutral $\text{FeCl}_3$ → a phenol 苯酚.

A map of the A Level reactions

Start	Reagent and conditions	Product
benzene (an arene 芳烃)	$\text{HNO}_3$ / $\text{H}_2\text{SO}_4$ (electrophilic substitution 亲电取代)	nitrobenzene
nitrobenzene	$\text{Sn}$ / conc $\text{HCl}$, then $\text{NaOH}$ (reduction 还原)	phenylamine
phenylamine	$\text{HNO}_2$, below $10\,°\text{C}$	a diazonium salt
diazonium salt	warm water	phenol; or couple with phenol → azo dye
methylbenzene	hot $\text{KMnO}_4$ (oxidation 氧化)	benzoic acid
carboxylic acid 羧酸	$\text{SOCl}_2$ or $\text{PCl}_5$	acyl chloride
acyl chloride	alcohol / phenol	an ester 酯
acyl chloride	ammonia / amine 胺	an amide 酰胺
amide or nitrile 腈	$\text{LiAlH}_4$	an amine
halogenoalkane	$\text{KCN}$	a nitrile (adds one carbon)

Planning and analysing a route

To devise a synthetic route 合成路线, work backwards from the target: which single reaction makes it, and from what? Repeat until you reach the starting material, then write each step with its reagent 试剂 and conditions.

When you analyse a route, state the type of reaction for each step (for example electrophilic substitution, addition–elimination 加成消去, oxidation or reduction) and watch for likely by-products 副产物 — for example, making an amine from a halogenoalkane also gives over-substituted amines, lowering the yield.

Worked example. Devise a route from benzene to phenylamine, $\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2$. Work backwards: phenylamine comes from reducing nitrobenzene, and nitrobenzene comes from nitrating benzene - so the route is two steps. Step 1: benzene with concentrated $\text{HNO}_3$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ at $55\ °\text{C}$; electrophilic substitution gives nitrobenzene (keep below $55\ °\text{C}$, or further substitution follows). Step 2: reduce the nitrobenzene with tin and concentrated $\text{HCl}$, then add $\text{NaOH}$ to free the amine from its salt. There is no direct route - you cannot put an $\text{–NH}_2$ straight onto a ring, which is exactly why this nitrate-then-reduce pair is worth knowing by heart.

Русский

Как и в теме синтеза AS, это требует от вас соединить известные реакции, чтобы построить целевую молекулу. Теперь у вас также есть реакции A Level для аренов, фенолов, аминов, амидов и ацилхлоридов.

Определение функциональных групп

Молекула может содержать несколько типов функциональных групп. Используйте тестовые реакции, чтобы обнаружить каждую из них, а затем предсказать ее поведение. Например:

обесцвечивает бромную воду без каталитического участия, давая белый осадок → фенол или фениламин (кольцо активировано).
реагирует бурно с холодной водой, выделяя пары $\text{HCl}$ → ацилхлорид.
дает фиолетовую окраску с нейтральным $\text{FeCl}_3$ → фенол.

Трехколоночная таблица тестов A Level: бромная вода без катализатора, холодная вода и нейтральный хлорид железа(III), с наблюдениями и функциональной группой для каждого — Тесты идентификации, добавленные на уровне A Level: каждый реагент дает характерный результат, указывающий на функциональную группу

Карта реакций уровня A Level

Исходное вещество	Реагент и условия	Продукт
бензол (арен)	$\text{HNO}_3$ / $\text{H}_2\text{SO}_4$ (электрофильное замещение)	нитробензол
нитробензол	$\text{Sn}$ / конц. $\text{HCl}$, затем $\text{NaOH}$ (восстановление)	фениламин
фениламин	$\text{HNO}_2$, ниже $10\,°\text{C}$	диазониевая соль
диазониевая соль	теплая вода	фенол; или связывание с фенолом → азокраситель
метилбензол	горячий $\text{KMnO}_4$ (окисление)	бензойная кислота
карбоновая кислота	$\text{SOCl}_2$ или $\text{PCl}_5$	ацилхлорид
ацилхлорид	спирт / фенол	эфир
ацилхлорид	аммиак / амин	амид
амид или нитрил	$\text{LiAlH}_4$	амин
галогеналкан	$\text{KCN}$	нитрил (добавляет один атом углерода)

Сеть реакций A Level: бензол → нитробензол → фениламин → диазониевая соль → фенол или азосоединение, а также карбоновая кислота → ацилхлорид → эфиры и амиды — Карта реакций A Level: ароматическая цепочка (сверху) и цепочка ацилхлорида (снизу) с исходными веществами. Двигайтесь от целевого продукта назад

Планирование и анализ маршрута

Чтобы разработать синтетический маршрут, двигайтесь назад от целевого соединения: какая одна реакция дает его и из чего? Повторяйте, пока не достигнете исходного вещества, затем запишите каждый шаг с реагентом и условиями.

Цепочка синтеза от бензола до azo-красителя: реагенты указаны на каждом прямом шаге, а большая стрелка назад сверху показывает, что планирование идет от целевого продукта обратно к исходному веществу — Планируйте маршрут, двигаясь назад от целевого соединения, по одной реакции за раз, пока не достигнете исходного материала

Когда вы анализируете маршрут, укажите тип реакции для каждого шага (например, электрофильное замещение, присоединение–элиминирование, окисление или восстановление) и следите за возможными побочными продуктами — например, получение амина из галогеналкана также дает полизамещенные амины, снижая выход.

Разобранный пример. Разработайте маршрут получения фениламина из бензола, $\text{C}_6\text{H}_5\text{NH}_2$. Работайте обратно: фениламин получается путем восстановления нитробензола, а нитробензол — путем нитрования бензола — значит, маршрут состоит из двух шагов. Шаг 1: бензол с концентрированной $\text{HNO}_3$ и концентрированной $\text{H}_2\text{SO}_4$ при температуре $55\ °\text{C}$; электрофильное замещение дает нитробензол (держитесь ниже $55\ °\text{C}$, иначе последует дальнейшее замещение). Шаг 2: восстановите нитробензол с помощью олова и концентрированной $\text{HCl}$, затем добавьте $\text{NaOH}$, чтобы освободить амин от соли. Прямой маршрута нет — вы не можете ввести $\text{–NH}_2$ непосредственно в кольцо, именно поэтому эту пару «нитрование-затем восстановление» нужно знать наизусть.

Explore · ⁨Исследовать⁩

A-Level synthesis planner · ⁨План синтеза A-Level⁩

Build a route by matching functional-group changes to reagents. · ⁨Постройте маршрут, сопоставив изменения функциональных групп с реагентами.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/	функциональная группа
acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/	ацилхлорид
phenol/ˈfenɒl/	фенол
arene/ˈæren/	арен
electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	электрофильное замещение
reduction/rɪˈdʌkʃn/	восстановление
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/	окисления
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/	карбоновая кислота
ester/ˈestə/	эфирная
amine/ˈæmaɪn/	амин
amide/əˈmaɪd/	амиде
nitrile/ˈnaɪtraɪl/	нитрил
synthetic route/sɪnˈθetɪk ruːt/	синтетический путь
reagent/rɪˈeɪdʒənt/	реагент
addition–elimination/əˈdɪʃn ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/	присоединение–элиминирование
by-product/baɪ ˈprɒdʌkt/	побочный продукт

36.1

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Combine AS and A-level steps and watch for benzene-ring reactions and carbon-count changes.
State every reagent and condition, and note when a step produces a racemic mixture.
Choose the shortest route that reaches the target functional group.

Русский

Объединяйте шаги AS и A-level и следите за реакциями бензольного кольца и изменением числа атомов углерода.
Указывайте каждый реагент и условие, и отмечайте, когда шаг дает рацемическую смесь.
Выбирайте самый короткий маршрут, ведущий к целевой функциональной группе.

Analytical techniques · ⁨Аналитические методы⁩

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

Open this topic on its own page · ⁨Открыть эту тему на отдельной странице⁩

37.1

Thin-layer chromatography · ⁨Тонкослойная хроматография⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe and understand the terms (a) stationary phase, for example aluminium oxide (on a solid support) (b) mobile phase; a polar or non-polar solvent (c) $R_{\text{f}}$ value (d) solvent front and baseline
interpret $R_{\text{f}}$ values
explain the differences in $R_{\text{f}}$ values in terms of interaction with the stationary phase and of relative solubility in the mobile phase

Русский

описывать и понимать термины (a) неподвижная фаза, например оксид алюминия (на твердой носителе) (b) подвижная фаза; полярный или неполярный растворитель (c) значение $R_{\text{f}}$ (d) фронт растворителя и базовая линия
интерпретировать значения $R_{\text{f}}$
объяснять различия в значениях $R_{\text{f}}$ с точки зрения взаимодействия с неподвижной фазой и относительной растворимости в подвижной фазе

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Chromatography 色谱 separates a mixture using two "phases" — one that stays still and one that moves. In thin-layer chromatography 薄层色谱 (TLC):

the stationary phase 固定相 stays still (for example aluminium oxide on a plate).
the mobile phase 流动相 moves (a polar or non-polar solvent that travels up the plate).
the baseline 基线 is the starting line where the spots are placed; the solvent front 溶剂前沿 is the highest level the solvent reaches.

The $R_{\text{f}}$ value compares how far a spot moves with how far the solvent moves:

$$R_{\text{f}} = \frac{\text{distance moved by the spot}}{\text{distance moved by the solvent front}}$$

It is always between 0 and 1. A substance that sticks more strongly to the stationary phase, or is less soluble in the mobile phase, moves less and has a smaller $R_{\text{f}}$.

Русский

Хроматография разделяет смесь с помощью двух «фаз» — одной неподвижной и одной подвижной. В тонкослойной хроматографии (TLC):

неподвижная фаза остается на месте (например, оксид алюминия на пластине).
подвижная фаза движется (полярный или неполярный растворитель, поднимающийся вверх по пластине).
начальная линия — это место, куда наносят пятна; фронт растворителя — максимальная высота, до которой поднимается растворитель.

Значение $R_{\text{f}}$ сравнивает, насколько далеко переместилось пятно, с тем, насколько далеко переместился растворитель:

$$R_{\text{f}} = \frac{\text{distance moved by the spot}}{\text{distance moved by the solvent front}}$$

Оно всегда находится между 0 и 1. Вещество, которое сильнее связывается с неподвижной фазой или менее растворимо во подвижной фазе, перемещается меньше и имеет меньшее значение $R_{\text{f}}$.

Хроматографическая пластина TЛК с начальной линией, фронтом растворителя и пятном, переместившимся наполовину вверх, с обозначениями расстояний до пятна и фронта — Тонкослойная хроматография: значение $R_\text{f}$ равно расстоянию, на которое переместилось пятно, деленному на расстояние, пройденное фронтом растворителя

Проявленная пластина TЛК, светящаяся под ультрафиолетовым светом — Настоящая пластина TЛК под УФ-светом: каждое светящееся пятно представляет собой разделенный компонент смеси

Explore · ⁨Исследовать⁩

TLC route · ⁨Маршрут ТХК⁩

Follow a spot up a plate and use Rf to identify substances. · ⁨Отследите пятно вверх по пластине и используйте Rf для идентификации веществ.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
chromatography/krəʊməˈtɒɡrəfi/	хроматография
thin-layer chromatography/θɪn ˈleɪə krəʊməˈtɒɡrəfi/	тонкослойная хроматография
stationary phase/ˈsteɪʃənəri feɪz/	неподвижная фаза
mobile phase/ˈməʊbaɪl feɪz/	подвижная фаза
baseline/ˈbeɪslaɪn/	baseline (базовый уровень)
solvent front/ˈsɒlvənt frʌnt/	фронт растворителя
gas/liquid chromatography/ɡæs ˈlɪkwɪd krəʊməˈtɒɡrəfi/	газовая/жидкостная хроматография
retention time/rɪˈtenʃn taɪm/	время удерживания

37.2

Gas/liquid chromatography · ⁨Газожидкостная хроматография⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe and understand the terms (a) stationary phase; a high boiling point non-polar liquid (on a solid support) (b) mobile phase; an unreactive gas (c) retention time
interpret gas/liquid chromatograms in terms of the percentage composition of a mixture
explain retention times in terms of interaction with the stationary phase

Русский

описывать и понимать термины (a) неподвижная фаза; высококипящая неполярная жидкость (на твердом носителе) (b) подвижная фаза; инертный газ (c) время удерживания
интерпретировать газожидкостные хроматограммы с точки зрения процентного состава смеси
объяснять время удерживания с точки зрения взаимодействия с неподвижной фазой

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

In gas/liquid chromatography 气液色谱 (GLC):

the stationary phase is a high-boiling-point non-polar liquid on a solid support.
the mobile phase is an unreactive carrier gas.
the retention time 保留时间 is how long a component takes to pass through.

The area of each peak gives the percentage of that component in the mixture. A component that interacts more with the stationary phase has a longer retention time.

Русский

В газожидкостной хроматографии (GLC):

неподвижная фаза — высоковскипяющая неполярная жидкость на твердой подложке.
подвижная фаза — инертный газ-носитель.
Время удерживания — это время, за которое компонент проходит через колонку.

Площадь каждой пиков соответствует процентному содержанию данного компонента в смеси. Компонент, взаимодействующий сильнее с неподвижной фазой, имеет более длительное время удерживания.

Хромограмма с тремя пиками в разные моменты времени удерживания, где площадь пика показывает процент каждого компонента — Газожидкостная хромограмма: каждый компонент дает пик в свое время удерживания, а площадь пика составляет его процентное содержание в смеси

Explore · ⁨Исследовать⁩

Gas/liquid chromatography route · ⁨маршрут газо-жидкостной хроматографии⁩

Follow a volatile sample through column separation to a chromatogram. · ⁨Отследите летучий образец через колонку разделения до получения хроматограммы.⁩

37.3

Carbon-13 NMR spectroscopy · ⁨ЯМР-спектроскопия по ядрам углерода-13⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

analyse and interpret a carbon-13 NMR spectrum of a simple molecule to deduce: (a) the different environments of the carbon atoms present (b) the possible structures for the molecule
predict or explain the number of peaks in a carbon-13 NMR spectrum for a given molecule

Русский

анализировать и интерпретировать спектр ЯМР углерода-13 простой молекулы для вывода: (a) различных окружений присутствующих атомов углерода (b) возможных структур молекулы
предсказывать или объяснять количество сигналов в спектре ЯМР углерода-13 для данной молекулы

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

NMR 核磁共振 (nuclear magnetic resonance) studies how certain nuclei behave in a strong magnetic field.

In carbon-13 NMR, each different chemical environment 化学环境 of carbon gives one peak. So:

the number of peaks tells you how many different carbon environments there are (equivalent carbons share a peak).
the position of each peak (its chemical shift) suggests the type of carbon, which helps you deduce possible structures.

Русский

ЯМР (ядерный магнитный резонанс) изучает поведение определенных ядер в сильном магнитном поле.

Высокий цилиндрический спектрометр ЯМР в лаборатории с предупреждением о сильном магнитном поле — Спектрометр ЯМР: большой цилиндр содержит сверхпроводящий магнет, создающий очень сильное магнитное поле, необходимое для метода

В ЯМР-спектроскопии по ядрам углерода-13 каждая разная химическая среда атома углерода дает одну линию. Поэтому:

количество линий указывает, сколько различных химических сред у атомов углерода существует (эквивалентные атомы углерода дают одну линию).
положение каждой линии (ее химический сдвиг) подсказывает тип атома углерода, что помогает определить возможные структуры.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Carbon-13 NMR lab · ⁨Лаборатория ЯМР углерода-13⁩

Match carbon environments to C-13 NMR evidence. · ⁨Соотнесите окружения атомов углерода со спектрами ЯМР C-13.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
NMR/ˌen em ˈɑː/	ЯМР (NMR)
chemical environment/ˈkemɪkl enˈvaɪrənmənt/	химическое окружение

37.4

Proton (¹H) NMR spectroscopy · ⁨Протонная (¹H) ЯМР-спектроскопия⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

analyse and interpret a proton ($^1\text{H}$) NMR spectrum of a simple molecule to deduce: (a) the different environments of proton present using chemical shift values (b) the relative numbers of each type of proton present from relative peak areas (c) the number of equivalent protons on the carbon atom adjacent to the one to which the given proton is attached from the splitting pattern, using the $n + 1$ rule (limited to singlet, doublet, triplet, quartet and multiplet) (d) the possible structures for the molecule
predict the chemical shifts and splitting patterns of the protons in a given molecule
describe the use of tetramethylsilane, TMS, as the standard for chemical shift measurements
state the need for deuterated solvents, e.g. $\text{CDCl}_3$, when obtaining a proton NMR spectrum
describe the identification of O–H and N–H protons by proton exchange using $\text{D}_2\text{O}$

Русский

анализировать и интерпретировать протонный ($^1\text{H}$) ЯМР-спектр простой молекулы для вывода: (a) различных окружений протонов с использованием значений химического сдвига (b) относительных количеств каждого типа протонов на основе относительных площадей сигналов (c) числа эквивалентных протонов на соседнем атоме углерода, к которому присоединен данный протон, используя правило $n + 1$ (ограничено синглетом, дублетом, триплетом, квартетом и мультиплетом) (d) возможных структур молекулы
предсказывать химические сдвиги и картины расщепления протонов в данной молекуле
описывать использование тетраметилсилилана, TMS, как стандарта для измерений химического сдвига
указывать необходимость использования дейтерированных растворителей, напр. $\text{CDCl}_3$, при получении протонного ЯМР-спектра
описывать идентификацию протонов O–H и N–H путем протонного обмена с использованием $\text{D}_2\text{O}$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Proton NMR looks at the hydrogen atoms (proton 质子 nuclei). From the spectrum you read off:

chemical environments: protons in different environments appear at different chemical shift 化学位移 values.
relative numbers: the relative peak areas give the ratio of each type of proton.
splitting 裂分: a peak is split by the protons on the neighbouring carbon, following the $n+1$ rule — $n$ equivalent neighbours split a peak into $n+1$ lines:

Neighbours ($n$)	Pattern
0	singlet 单峰
1	doublet 双峰
2	triplet 三峰
3	quartet 四峰
many	multiplet 多重峰

Practical points

tetramethylsilane 四甲基硅烷 (TMS) is the standard, set at a chemical shift of $0$.
a deuterated solvent 氘代溶剂 (such as $\text{CDCl}_3$) is used so that the solvent itself gives no proton signal.
shaking the sample with $\text{D}_2\text{O}$ makes the O–H and N–H peaks disappear (their hydrogen is swapped for deuterium), which identifies those protons.

Worked example. A compound $\text{C}_4\text{H}_8\text{O}_2$ gives three proton NMR peaks: a triplet at $\delta\ 1.2$ (area 3), a quartet at $\delta\ 4.1$ (area 2), and a singlet at $\delta\ 2.0$ (area 3). Deduce the structure. Read the areas first, then the splitting. Areas $3:2:3$ give three proton environments holding 3, 2 and 3 hydrogens. Apply the $n+1$ rule in reverse: a triplet (area 3) is a $\text{CH}_3$ with 2 neighbours, and a quartet (area 2) is a $\text{CH}_2$ with 3 neighbours - each splitting the other, which is the classic ethyl group, $\text{CH}_3\text{CH}_2-$. That $\text{CH}_2$ lies far downfield at $\delta\ 4.1$, so it is attached to an oxygen. The remaining singlet (area 3) is a $\text{CH}_3$ with no neighbours at $\delta\ 2.0$, so it sits next to the C=O. Together: $\text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3$, ethyl ethanoate. A triplet-and-quartet pair is almost always an ethyl group - spot it first and the rest follows.

Русский

Протонная ЯМР исследует атомы водорода (протоны). Из спектра считывают следующее:

химические среды: протоны в разных средах проявляются при различных значениях химического сдвига.
относительное количество: относительные площади пиков дают соотношение типов протонов.
расщепление: пик расщепляется протонами на соседнем атоме углерода согласно $n+1$ правилу — $n$ эквивалентных соседей расщепляют пик на $n+1$ линий:

Соседи ($n$)	Паттерн
0	синглет
1	дублет
2	триплет
3	кваartet
много	мультиплет

Четыре паттерна пиков ЯМР: одиночная линия, две линии, три линии и четыре линии, подписанные как синглет, дублет, триплет и кваartet — Правило $n+1$: $n$ эквивалентных соседних протонов расщепляют сигнал на $n+1$ линий (синглет, дублет, триплет, квартет)

Спектр ЯМР протонов этанола с тремя группами сигналов: триплет CH3, квартет CH2 и синглет OH, а также стандарт TMS при нуле — ЯМР протонов этанола: три химически неэквивалентные среды дают триплет для CH$_3$, квартет для CH$_2$ и синглет для OH, площади которых соотносятся как $3:2:1$

Практические моменты

тетраметилсилилан (TMS) используется в качестве стандарта; его химический сдвиг принят равным $0$.
Используется деутерированный растворитель (например, $\text{CDCl}_3$), чтобы сам растворитель не давал сигнала протонов.
Тряска образца с $\text{D}_2\text{O}$ приводит к исчезновению пиков O–H и N–H (их водород замещается дейтерием), что позволяет идентифицировать эти протоны.

Разобранный пример. Вещество $\text{C}_4\text{H}_8\text{O}_2$ дает три сигнала в спектре ЯМР протонов: триплет при $\delta\ 1.2$ (площадь 3), квартет при $\delta\ 4.1$ (площадь 2) и синглет при $\delta\ 2.0$ (площадь 3). Определите структуру. Сначала прочитайте площади, затем расщепление. Площади $3:2:3$ указывают на три протонные среды, содержащие 3, 2 и 3 атома водорода. Примените правило $n+1$ в обратном порядке: триплет (площадь 3) соответствует группе $\text{CH}_3$ с 2 соседними протонами, а квартет (площадь 2) — группе $\text{CH}_2$ с 3 соседними протонами — они расщепляют друг друга, что является классической этильной группой, $\text{CH}_3\text{CH}_2-$. Группа $\text{CH}_2$ находится далеко в низком поле при $\delta\ 4.1$, следовательно, она связана с кислородом. Оставшийся синглет (площадь 3) представляет собой группу $\text{CH}_3$ с нулем соседей при $\delta\ 2.0$, поэтому он расположен рядом с C=O. Вместе это составляет $\text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3$, этилэтановая кислота (ацетат этила). Пара триплет-квартет почти всегда указывает на этильную группу — найдите её первой, и остальное станет ясно.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Proton NMR lab · ⁨Лаборатория ЯМР протонов⁩

Match proton evidence to chemical environment and neighbours. · ⁨Соотнесите сигналы ЯМР протонов с химическим окружением и соседями.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
proton/ˈprəʊtɒn/	протон
chemical shift/ˈkemɪkl ʃɪft/	химический сдвиг
splitting/ˈsplɪtɪŋ/	расщепление
singlet/ˈsɪŋɡlɪt/	синглет
doublet/ˈdʌblət/	дублет
triplet/ˈtrɪplɪt/	триплет
quartet/kwɔːˈtet/	квартет
multiplet/ˈmʌltɪplɪt/	мультиплет
tetramethylsilane/ˈtetrəmiːθɪlsɪleɪn/	тетраметилсилилан
deuterated solvent/ˈdjuːtəreɪtɪd ˈsɒlvənt/	дейтерированный растворитель

37.4

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

In $^{13}\text{C}$ NMR the number of peaks equals the number of carbon environments — use symmetry to count them.
In $^1\text{H}$ NMR use chemical shift (data booklet), integration (ratio of H's) and splitting (the $n+1$ rule): a triplet + quartet means an ethyl group.
TMS is the reference ($\delta = 0$); a $\text{D}_2\text{O}$ shake removes O-H and N-H peaks.
Combine IR, mass spectrum and NMR to deduce a structure, stating which evidence gives which feature.

Русский

В $^{13}\text{C}$ ЯМР-спектроскопии число пиков равно числу углеродных сред — используйте симметрию для их подсчета.
В $^1\text{H}$ ЯМР-спектроскопии используйте химический сдвиг (справочник данных), интеграцию (соотношение атомов H) и расщепление (правило $n+1$): триплет + квартет указывает на этильную группу.
TMS является эталоном ($\delta = 0$); $\text{D}_2\text{O}$ тряска устраняет пики O-H и N-H.
Сочетайте ИК-спектрографию, масс-спектрометрию и ЯМР для определения структуры, указывая, какое свидетельство подтверждает каждую особенность.