Страница 10 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какие вещества изучает органическая химия?

Органическая химия — это раздел химии, который изучает соединения углерода, их структуру, свойства, методы синтеза и их превращения. Изначально этот термин был связан с представлением о "жизненной силе" (витализм), согласно которому органические вещества могут образовываться только в живых организмах. Это представление было опровергнуто в 1828 году немецким химиком Фридрихом Вёлером, который синтезировал органическое вещество мочевину из неорганического цианата аммония.

Современное определение гласит, что органическая химия — это химия углеводородов (соединений, состоящих только из атомов углерода и водорода) и их производных. Уникальная способность атомов углерода образовывать прочные связи друг с другом, формируя длинные цепи и кольца, лежит в основе огромного разнообразия органических соединений. Их число значительно превышает число неорганических соединений.

Предметом изучения органической химии являются такие классы соединений, как белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, которые составляют основу жизни, а также множество синтетических материалов: пластмассы, каучуки, волокна, лекарства, красители и т.д.

Стоит отметить, что существует несколько простых соединений углерода, которые по своим свойствам и исторически сложившейся традиции относят к неорганической химии. К ним относятся оксиды углерода ($CO$, $CO_2$), угольная кислота ($H_2CO_3$) и её соли (карбонаты и гидрокарбонаты), карбиды (например, $CaC_2$), цианиды (например, $KCN$) и некоторые другие.

Ответ: Органическая химия изучает соединения углерода — углеводороды и их производные, — их строение, свойства, способы получения и практического применения. Исключение составляют некоторые простейшие соединения углерода (например, оксиды, карбонаты, цианиды), которые традиционно относятся к неорганической химии.

2. Какие из перечисленных веществ считаются органическими, а какие — неорганическими: углекислый газ $CO_2$, сернистый газ $SO_2$, серная кислота $H_2SO_4$, муравьиная кислота $HCOOH$, аммиак $NH_3$, метан $CH_4$, сульфат натрия $Na_2SO_4$, гидрокарбонат натрия $NaHCO_3$, ацетат натрия $CH_3COONa$, синильная кислота $HCN$?

Решение

Для разделения веществ на органические и неорганические необходимо проанализировать их химический состав и строение. Органическими веществами, как правило, называют соединения углерода, в которых атомы углерода соединены между собой и/или с атомами водорода, образуя углеродный скелет. Однако существует ряд исключений — простейшие соединения углерода, которые по своим свойствам традиционно относят к неорганическим. К ним относятся оксиды углерода, угольная кислота и её соли (карбонаты и гидрокарбонаты), цианиды, карбиды и некоторые другие.

Органические вещества

К органическим веществам из предложенного списка относятся те, которые содержат связи $C-H$ или $C-C$ и не попадают в список исключений:

Муравьиная кислота $HCOOH$ — это простейшая карбоновая кислота. Она содержит карбоксильную группу $-COOH$ и связь углерод-водород ($C-H$), что является классическим признаком органического соединения.

Метан $CH_4$ — это простейший углеводород, представитель класса алканов. Молекула состоит из атома углерода, связанного с четырьмя атомами водорода. Углеводороды являются основой органической химии.

Ацетат натрия $CH_3COONa$ — это натриевая соль уксусной кислоты ($CH_3COOH$). Так как уксусная кислота является органической, её соли также относятся к органическим веществам.

Неорганические вещества

К неорганическим веществам из списка относятся все остальные соединения:

Углекислый газ $CO_2$ — оксид углерода(IV). Несмотря на наличие углерода, традиционно классифицируется как неорганическое вещество, так как является оксидом и не содержит связей $C-H$.

Сернистый газ $SO_2$ — оксид серы(IV). Не содержит углерода, следовательно, является неорганическим.

Серная кислота $H_2SO_4$ — сильная минеральная кислота, не содержит углерода.

Аммиак $NH_3$ — соединение азота и водорода. Не содержит углерода, является неорганическим.

Сульфат натрия $Na_2SO_4$ — соль неорганической серной кислоты, не содержит углерода.

Гидрокарбонат натрия $NaHCO_3$ — кислая соль угольной кислоты. Карбонаты и гидрокарбонаты исторически относятся к неорганической химии.

Синильная кислота $HCN$ — циановодородная кислота. Цианиды и их производные, несмотря на наличие углерода, по своим свойствам и исторической классификации относятся к неорганическим соединениям.

Ответ:

Органические вещества: муравьиная кислота ($HCOOH$), метан ($CH_4$), ацетат натрия ($CH_3COONa$).
Неорганические вещества: углекислый газ ($CO_2$), сернистый газ ($SO_2$), серная кислота ($H_2SO_4$), аммиак ($NH_3$), сульфат натрия ($Na_2SO_4$), гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$), синильная кислота ($HCN$).

3. Два элемента могут образовать между собой несколько разных со-единений и в неорганической химии. Приведите пример таких эле-ментов, напишите формулы соединений.

Способность двух элементов образовывать несколько различных соединений друг с другом объясняется тем, что один или оба элемента могут проявлять переменные степени окисления. Это явление особенно характерно для неметаллов, а также для многих переходных металлов. Закон, описывающий такие соотношения, называется законом кратных отношений.

Решение

В качестве примера можно рассмотреть пару элементов: азот (N) и кислород (O). Азот, как элемент V группы, может проявлять различные положительные степени окисления в соединениях с более электроотрицательным кислородом. Это приводит к образованию целого ряда оксидов азота.

Вот список основных соединений, образуемых азотом и кислородом:

• $N_2O$ — оксид азота(I), или закись азота. В этом соединении степень окисления азота +1.
• $NO$ — оксид азота(II), или монооксид азота. Степень окисления азота +2.
• $N_2O_3$ — оксид азота(III), или триоксид диазота. Степень окисления азота +3.
• $NO_2$ — оксид азота(IV), или диоксид азота. Степень окисления азота +4.
• $N_2O_4$ — оксид азота(IV), или тетраоксид диазота (является димером $NO_2$). Степень окисления азота +4.
• $N_2O_5$ — оксид азота(V), или пентаоксид диазота. Степень окисления азота +5.

Другими примерами могут служить:

• Углерод (C) и кислород (O): оксид углерода(II) - $CO$ и оксид углерода(IV) - $CO_2$.
• Сера (S) и кислород (O): оксид серы(IV) - $SO_2$ и оксид серы(VI) - $SO_3$.
• Железо (Fe) и кислород (O): оксид железа(II) - $FeO$, оксид железа(III) - $Fe_2O_3$ и смешанный оксид - $Fe_3O_4$.

Ответ: Примером двух элементов, образующих несколько соединений, являются азот (N) и кислород (O). Формулы их соединений (оксидов): $N_2O$, $NO$, $N_2O_3$, $NO_2$, $N_2O_5$.

4. Определите молекулярную формулу углеводорода, имеющего молярную массу $78 \text{ г/моль}$.

Дано:

Молярная масса углеводорода $M(\text{углеводорода}) = 78 \text{ г/моль}$

Найти:

Молекулярную формулу углеводорода - $C_xH_y$?

Решение:

Общая формула углеводорода - $C_xH_y$, где $x$ - число атомов углерода, а $y$ - число атомов водорода.

Молярная масса любого соединения равна сумме молярных масс входящих в него атомов, умноженных на их количество в молекуле. Используем относительные атомные массы углерода и водорода, округленные до целых чисел:

$Ar(C) = 12$ а.е.м., следовательно, молярная масса углерода $M(C) = 12$ г/моль.

$Ar(H) = 1$ а.е.м., следовательно, молярная масса водорода $M(H) = 1$ г/моль.

Составим уравнение для молярной массы углеводорода:

$M(C_xH_y) = x \cdot M(C) + y \cdot M(H)$

Подставим известные значения:

$78 = x \cdot 12 + y \cdot 1$

$12x + y = 78$

Поскольку $x$ и $y$ должны быть целыми положительными числами, мы можем решить это уравнение методом подбора. Найдем максимально возможное значение для $x$ (числа атомов углерода), учитывая, что $12x$ не может быть больше 78.

$12x < 78$

$x < 78 / 12$

$x < 6.5$

Следовательно, максимальное целое число атомов углерода $x$ равно 6. Проверим этот вариант:

Если $x=6$, то найдем $y$:

$y = 78 - 12x = 78 - 12 \cdot 6 = 78 - 72 = 6$

Таким образом, мы получили, что $x=6$ и $y=6$. Молекулярная формула углеводорода - $C_6H_6$. Это вещество - бензол, известный ароматический углеводород.

Проверим полученный результат:

$M(C_6H_6) = 6 \cdot 12 + 6 \cdot 1 = 72 + 6 = 78$ г/моль. Значение совпадает с данным в условии.

Ответ: $C_6H_6$

5. Назовите три причины многообразия органических веществ.

Решение

Многообразие органических соединений, которых насчитывается десятки миллионов, обусловлено несколькими уникальными свойствами углерода, лежащего в их основе. Можно выделить три основные причины.

1. Способность атомов углерода образовывать прочные ковалентные связи друг с другом с формированием цепей и циклов

Атомы углерода обладают уникальной способностью соединяться друг с другом, образуя прочные ковалентные связи $C-C$. Это позволяет им формировать длинные углеродные цепи различной длины, которые могут быть линейными или разветвленными. Кроме того, углеродные цепи могут замыкаться, образуя циклические структуры. Ни один другой элемент не проявляет такую способность к катенации (образованию цепей) в такой же степени, как углерод. Это создает основу для построения огромного количества различных "углеродных скелетов" молекул.

Ответ: первой причиной многообразия является способность атомов углерода образовывать устойчивые и разнообразные по строению углеродные цепи и циклы.

2. Явление изомерии

Изомерия — это явление существования соединений (изомеров), которые имеют одинаковый качественный и количественный состав (т.е. одинаковую молекулярную формулу), но разное химическое строение или пространственное расположение атомов и, следовательно, разные физические и химические свойства. Различают структурную изомерию (изомерия углеродного скелета, положения кратной связи или функциональной группы, межклассовая изомерия) и пространственную изомерию (геометрическая и оптическая). Например, для формулы $C_4H_{10}$ существуют два изомера: н-бутан и изобутан (2-метилпропан). С увеличением числа атомов углерода в молекуле количество возможных изомеров растет экспоненциально.

Ответ: второй причиной является существование изомеров — веществ с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением, что многократно увеличивает число возможных соединений.

3. Способность атомов углерода образовывать кратные связи

Помимо одинарных связей ($C-C$), атомы углерода могут образовывать между собой двойные ($C=C$) и тройные ($C \equiv C$) связи. Это приводит к возникновению различных классов органических соединений с разными свойствами: алканов (только одинарные связи), алкенов (содержат двойные связи) и алкинов (содержат тройные связи). Кроме того, углерод может образовывать кратные связи и с другими элементами, например, с кислородом (карбонильная группа $C=O$) или азотом (нитрильная группа $C \equiv N$), что еще больше расширяет разнообразие функциональных групп и, соответственно, классов органических веществ.

Ответ: третьей причиной является способность атомов углерода формировать не только одинарные, но и кратные (двойные, тройные) связи как между собой, так и с атомами других элементов.

6. Каков минимальный размер циклического углеродного скелета?

Чтобы образовать замкнутую циклическую структуру, необходимо как минимум три точки, которые могут служить вершинами простейшего многоугольника — треугольника. В контексте углеродного скелета это означает, что необходимо минимум три атома углерода.

Молекула, соответствующая такому минимальному циклическому скелету, — это циклопропан. Его химическая формула — $C_3H_6$. В этой молекуле три атома углерода соединены друг с другом, образуя треугольное кольцо. Каждый атом углерода также связан с двумя атомами водорода.

Стоит отметить, что малые циклы, такие как циклопропан (3 атома C) и циклобутан (4 атома C), являются термодинамически нестабильными из-за значительного углового напряжения (напряжения Байера). Валентные углы C-C-C в циклопропане составляют 60°, что сильно отличается от нормального тетраэдрического угла в 109,5°, характерного для $sp^3$-гибридизованных атомов углерода. Это напряжение делает малые циклы очень реакционноспособными. Однако, несмотря на нестабильность, они существуют. Поэтому минимально возможный размер цикла определяется именно тремя атомами углерода.

Ответ: Минимальный размер циклического углеродного скелета составляет 3 атома углерода.

7. Чем отличаются органические реакции от неорганических? Укажите несколько отличий.

Органические и неорганические реакции имеют ряд существенных отличий, которые обусловлены в первую очередь разным типом химической связи в реагентах (преимущественно ковалентной в органических соединениях и ионной во многих неорганических).

Скорость реакции. Большинство органических реакций протекает медленно, иногда в течение многих часов или даже суток. Это связано с тем, что в ходе реакции происходит разрыв и последующее образование прочных ковалентных связей в молекулах, что требует значительной энергии активации. Неорганические реакции, особенно реакции ионного обмена в растворах, протекают, как правило, очень быстро, практически мгновенно, поскольку они сводятся к взаимодействию уже существующих свободных ионов.

Условия проведения. Для протекания органических реакций часто требуется создание специфических условий: нагревание, высокое давление, облучение ультрафиолетовым светом, а также обязательное использование катализаторов для увеличения скорости и селективности (направленности) процесса. Большинство неорганических реакций протекает в более мягких условиях, часто при комнатной температуре и атмосферном давлении, и не всегда требуют катализа.

Направленность и выход продуктов. Органические реакции часто протекают неоднозначно, в нескольких направлениях одновременно. Это приводит к образованию смеси продуктов: основного, побочных, а также различных изомеров. Вследствие этого выход целевого продукта редко бывает количественным (100%) и почти всегда требуется его выделение из реакционной смеси и тщательная очистка. Неорганические реакции обычно более однозначны, протекают в одном направлении и часто являются необратимыми. Это позволяет получать продукты с высоким, близким к теоретическому, выходом.

Механизм реакции. Реакции с участием органических веществ протекают по сложным, многостадийным молекулярным механизмам (например, радикальному, нуклеофильному или электрофильному) с образованием промежуточных короткоживущих активных частиц (радикалов, карбокатионов, карбанионов). Механизмы неорганических реакций зачастую значительно проще и сводятся к простой перегруппировке ионов или атомов без образования сложных промежуточных продуктов.

Роль растворителя. Поскольку большинство органических веществ являются неполярными или малополярными соединениями, они плохо растворимы в воде. Поэтому для проведения органических реакций в качестве растворителей обычно используют неполярные или малополярные органические жидкости (например, гексан, диэтиловый эфир, бензол, этанол). Для неорганических реакций основным и универсальным растворителем является вода, так как большинство неорганических реагентов (соли, кислоты, основания) являются ионными или полярными соединениями и хорошо в ней растворяются.

Ответ: Органические реакции отличаются от неорганических: 1) скоростью (органические медленнее из-за необходимости разрыва прочных ковалентных связей, в то время как неорганические ионные реакции — быстрые); 2) условиями проведения (органические часто требуют жестких условий, таких как нагревание и катализаторы); 3) выходом продуктов (у органических он, как правило, ниже и образуется смесь побочных продуктов); 4) сложностью механизма (у органических реакций он сложный и многостадийный); 5) типом используемых растворителей (органические растворители для органических реакций, вода — для большинства неорганических).