Номер 4, страница 53 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

4. Объясните, почему при равных объёмах этилена и ацетилена последний может присоединить в два раза больше водорода.

Дано:

Объём этилена $V(C_2H_4)$
Объём ацетилена $V(C_2H_2)$
$V(C_2H_4) = V(C_2H_2) = V$
Условия (температура и давление) одинаковы.

Найти:

Объяснить, почему для полного гидрирования ацетилена требуется в два раза больший объём водорода, чем для этилена, т.е. почему $V(H_2)_{\text{для } C_2H_2} = 2 \cdot V(H_2)_{\text{для } C_2H_4}$.

Решение:

Разница в количестве присоединяемого водорода объясняется химическим строением молекул этилена и ацетилена.

1. Этилен ($C_2H_4$) является алкеном. Его структурная формула $CH_2=CH_2$. В молекуле этилена между атомами углерода присутствует одна двойная связь. Эта связь состоит из одной прочной сигма-($\sigma$-) связи и одной менее прочной пи-($\pi$-) связи. Реакция гидрирования (присоединения водорода) протекает с разрывом именно $\pi$-связи. Для насыщения одной $\pi$-связи требуется одна молекула водорода ($H_2$).
Уравнение реакции полного гидрирования этилена до этана:
$C_2H_4 + H_2 \rightarrow C_2H_6$
Из уравнения реакции видно, что на 1 моль этилена расходуется 1 моль водорода.

2. Ацетилен ($C_2H_2$) является алкином. Его структурная формула $CH\equiv CH$. В молекуле ацетилена между атомами углерода присутствует тройная связь. Эта связь состоит из одной $\sigma$-связи и двух $\pi$-связей. При полном гидрировании могут разорваться обе $\pi$-связи, и для насыщения каждой из них требуется по одной молекуле водорода. Таким образом, одна молекула ацетилена может присоединить две молекулы водорода.
Уравнение реакции полного гидрирования ацетилена до этана:
$C_2H_2 + 2H_2 \rightarrow C_2H_6$
Из этого уравнения следует, что на 1 моль ацетилена расходуется 2 моль водорода.

Согласно закону Авогадро, в равных объёмах различных газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) содержится одинаковое число молекул, а значит, и одинаковое количество вещества (моль).

Если мы берём равные объёмы этилена и ацетилена, значит, мы берём равные количества вещества, например, по $n$ моль каждого: $\nu(C_2H_4) = \nu(C_2H_2) = n \text{ моль}$.

Тогда, согласно стехиометрическим коэффициентам в уравнениях реакций:

• Для гидрирования $n$ моль этилена потребуется $n$ моль водорода.
• Для гидрирования $n$ моль ацетилена потребуется $2n$ моль водорода.

Поскольку объёмы газов при одинаковых условиях прямо пропорциональны их количествам вещества ($V = \nu \cdot V_m$, где $V_m$ — молярный объём), то и соотношение объёмов требуемого водорода будет равно соотношению их количеств вещества:
$\frac{V(H_2)_{\text{для } C_2H_2}}{V(H_2)_{\text{для } C_2H_4}} = \frac{2n \cdot V_m}{n \cdot V_m} = 2$
Таким образом, объём водорода, необходимый для полного гидрирования ацетилена, в два раза больше объёма водорода, необходимого для гидрирования такого же объёма этилена.

Ответ: Ацетилен может присоединить в два раза больше водорода, чем этилен (при равных объёмах), так как в молекуле ацетилена ($CH\equiv CH$) есть тройная связь (две $\pi$-связи), позволяющая присоединить две молекулы водорода. В молекуле этилена ($CH_2=CH_2$) есть только двойная связь (одна $\pi$-связь), которая может присоединить лишь одну молекулу водорода. Согласно закону Авогадро, равные объёмы газов содержат одинаковое количество моль, поэтому для гидрирования 1 моль ацетилена требуется 2 моль водорода, а для 1 моль этилена — 1 моль водорода, что и объясняет двукратную разницу в объёмах необходимого водорода.