Страница 111 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Родоначальником класса углеводов считают глицериновый альдегид $C_3H_6O_3$. Составьте структурную формулу этого вещества.

Решение

Глицериновый альдегид, родоначальник класса углеводов, имеет молекулярную формулу $C_3H_6O_3$. Чтобы составить его структурную формулу, необходимо проанализировать его название и принадлежность к классу органических соединений.

1. Название "альдегид" указывает на наличие в молекуле альдегидной функциональной группы $(-\text{CHO})$.

2. Основа "глицериновый" указывает на то, что в основе молекулы лежит трехуглеродный скелет, как у спирта глицерина.

3. Углеводы по определению являются полигидроксиальдегидами (альдозы) или полигидроксикетонами (кетозы). Глицериновый альдегид является простейшей альдозой, а значит, помимо альдегидной группы, он должен содержать гидроксильные группы $(-\text{OH})$.

Таким образом, мы можем построить структуру:

• Карбонильная группа $(>\text{C=O})$ альдегида всегда находится на конце углеродной цепи. Присоединим ее к первому атому углерода.
• К остальным двум атомам углерода (второму и третьему) присоединим по одной гидроксильной группе $(-\text{OH})$.
• Добавим недостающие атомы водорода к атомам углерода, чтобы валентность каждого из них была равна четырем.

В результате получается следующая структурная формула:

$ \begin{array}{c} \phantom{..}\text{O} \\ \phantom{..}// \\ \text{H}-\text{C} \\ \phantom{..}| \\ \text{H}-\text{C}-\text{OH} \\ \phantom{..}| \\ \text{H}_2\text{C}-\text{OH} \end{array} $

Эта структура соответствует молекулярной формуле $C_3H_6O_3$ (3 атома углерода, 6 атомов водорода и 3 атома кислорода) и является структурной формулой глицеринового альдегида (2,3-дигидроксипропаналя).

Ответ:

Структурная формула глицеринового альдегида ($C_3H_6O_3$):

$ \begin{array}{c} \phantom{..}\text{O} \\ \phantom{..}// \\ \text{H}-\text{C} \\ \phantom{..}| \\ \text{H}-\text{C}-\text{OH} \\ \phantom{..}| \\ \text{H}_2\text{C}-\text{OH} \end{array} $

2. Какие из приведённых формул могут относиться к углеводам: $C_2H_4O_2$, $C_5H_{10}O_5$, $C_{12}H_{22}O_{11}$, $C_6H_{12}O_7$?

Решение

Углеводы (сахариды) — это органические соединения, общая формула большинства из которых $C_n(H_2O)_m$, где $n \ge 3$. Из этой формулы видно, что соотношение атомов водорода и кислорода в молекулах многих углеводов такое же, как и в молекуле воды, то есть 2:1.

Проанализируем каждую из предложенных формул:

1. $C_2H_4O_2$. Эта формула может быть записана как $C_2(H_2O)_2$. Хотя формально она соответствует общей формуле, к углеводам обычно относят соединения, содержащие не менее трех атомов углерода (триозы). Данной формуле соответствует, например, уксусная кислота ($CH_3COOH$), которая не является углеводом. Следовательно, эта формула не относится к типичным углеводам.

2. $C_5H_{10}O_5$. Эта формула может быть записана как $C_5(H_2O)_5$. Она полностью соответствует общей формуле моносахаридов ($C_n(H_{2n})O_n$) для пентоз ($n=5$). Примерами таких углеводов являются рибоза и ксилоза. Следовательно, эта формула относится к углеводам.

3. $C_{12}H_{22}O_{11}$. Эта формула соответствует дисахаридам, которые образуются при соединении двух молекул моносахаридов (например, гексоз $C_6H_{12}O_6$) с отщеплением одной молекулы воды: $2C_6H_{12}O_6 \rightarrow C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O$. Примерами являются сахароза, лактоза, мальтоза. Следовательно, эта формула относится к углеводам.

4. $C_6H_{12}O_7$. В этом соединении на 12 атомов водорода приходится 7 атомов кислорода, соотношение не равно 2:1. Эта формула не соответствует общей формуле углеводов. Она принадлежит, например, глюконовой кислоте — продукту окисления глюкозы. Глюконовая кислота является производным углевода, но сама по себе к классу углеводов не относится.

Таким образом, к углеводам можно отнести формулы $C_5H_{10}O_5$ и $C_{12}H_{22}O_{11}$.

Ответ: к углеводам могут относиться формулы $C_5H_{10}O_5$ и $C_{12}H_{22}O_{11}$.

3. Рассчитайте массовые доли углерода и воды: а) в глюкозе;.б) в углеводе состава $C_n(H_2O)_n$.

а) в глюкозе;

Дано:

Химическая формула глюкозы: $C_6H_{12}O_6$

Относительные атомные массы элементов (округленные):

$Ar(C) = 12$

$Ar(H) = 1$

$Ar(O) = 16$

Найти:

Массовую долю углерода $\omega(C)$ - ?

Массовую долю воды $\omega(H_2O)$ - ?

Решение:

Массовая доля ($\omega$) компонента в соединении — это отношение массы этого компонента к общей массе соединения. Она рассчитывается по формуле:

$\omega(\text{компонента}) = \frac{m(\text{компонента})}{m(\text{соединения})} \cdot 100\%$

Для химических расчетов удобно использовать молярные массы. Сначала найдем относительную молекулярную массу глюкозы ($M_r(C_6H_{12}O_6)$):

$M_r(C_6H_{12}O_6) = 6 \cdot Ar(C) + 12 \cdot Ar(H) + 6 \cdot Ar(O) = 6 \cdot 12 + 12 \cdot 1 + 6 \cdot 16 = 72 + 12 + 96 = 180$.

1. Рассчитаем массовую долю углерода ($C$).

Общая масса атомов углерода в молекуле глюкозы равна $6 \cdot Ar(C) = 6 \cdot 12 = 72$.

$\omega(C) = \frac{6 \cdot Ar(C)}{M_r(C_6H_{12}O_6)} = \frac{72}{180} = 0.4$

В процентах: $\omega(C) = 0.4 \cdot 100\% = 40\%$.

2. Рассчитаем массовую долю воды ($H_2O$).

Название "углеводы" исторически возникло из-за того, что их формулу можно записать как $C_x(H_2O)_y$. Для глюкозы ($C_6H_{12}O_6$) это будет $C_6(H_2O)_6$. Это позволяет нам рассчитать массовую долю "воды".

Найдем относительную молекулярную массу воды ($M_r(H_2O)$):

$M_r(H_2O) = 2 \cdot Ar(H) + Ar(O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$.

Общая масса "молекул воды" в молекуле глюкозы равна $6 \cdot M_r(H_2O) = 6 \cdot 18 = 108$.

$\omega(H_2O) = \frac{6 \cdot M_r(H_2O)}{M_r(C_6H_{12}O_6)} = \frac{108}{180} = 0.6$

В процентах: $\omega(H_2O) = 0.6 \cdot 100\% = 60\%$.

Проверка: Сумма массовых долей углерода и воды должна быть равна 100%, так как формула $C_6(H_2O)_6$ полностью описывает состав молекулы: $40\% + 60\% = 100\%$.

Ответ: массовая доля углерода в глюкозе составляет 40%, а массовая доля воды - 60%.

б) в углеводе состава C_n(H₂O)_n.

Дано:

Общая формула углевода: $C_n(H_2O)_n$

Относительные атомные массы элементов (округленные):

$Ar(C) = 12$

$Ar(H) = 1$

$Ar(O) = 16$

Найти:

Массовую долю углерода $\omega(C)$ - ?

Массовую долю воды $\omega(H_2O)$ - ?

Решение:

Рассчитаем относительную молекулярную массу углевода общей формулы $C_n(H_2O)_n$ в зависимости от $n$.

$M_r(H_2O) = 2 \cdot Ar(H) + Ar(O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$.

$M_r(C_n(H_2O)_n) = n \cdot Ar(C) + n \cdot M_r(H_2O) = n \cdot 12 + n \cdot 18 = 12n + 18n = 30n$.

1. Рассчитаем массовую долю углерода ($C$).

Общая масса атомов углерода в молекуле: $m(C) = n \cdot Ar(C) = 12n$.

$\omega(C) = \frac{m(C)}{M_r(C_n(H_2O)_n)} = \frac{12n}{30n} = \frac{12}{30} = 0.4$

В процентах: $\omega(C) = 0.4 \cdot 100\% = 40\%$.

2. Рассчитаем массовую долю воды ($H_2O$).

Общая масса "молекул воды" в молекуле: $m(H_2O) = n \cdot M_r(H_2O) = 18n$.

$\omega(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M_r(C_n(H_2O)_n)} = \frac{18n}{30n} = \frac{18}{30} = 0.6$

В процентах: $\omega(H_2O) = 0.6 \cdot 100\% = 60\%$.

Как видно из расчетов, коэффициент $n$ сокращается, а значит, массовые доли углерода и воды в любом углеводе с общей формулой $C_n(H_2O)_n$ (моносахариде) не зависят от значения $n$ и всегда одинаковы.

Ответ: массовая доля углерода в углеводе состава $C_n(H_2O)_n$ составляет 40%, а массовая доля воды - 60%.

4. При умственной или физической усталости врачи рекомендуют положить под язык таблетку глюкозы. На чём основано её действие?

Решение

Действие таблетки глюкозы, положенной под язык, основано на сочетании двух факторов: биохимической роли глюкозы как основного источника энергии для организма и анатомических особенностях подъязычной области, обеспечивающих её быстрое всасывание.

1. Роль глюкозы. Глюкоза ($C_6H_{12}O_6$) является основным и самым доступным источником энергии для клеток нашего тела, в особенности для нейронов головного мозга и мышечных клеток. Умственная и физическая усталость часто являются прямым следствием снижения уровня глюкозы в крови или повышенной потребности клеток в энергии. Процесс окисления глюкозы, в результате которого выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности (в виде молекул АТФ), можно упрощенно описать так: $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + \text{Энергия}$.

2. Способ введения. Область под языком (сублингвальная область) имеет очень тонкую слизистую оболочку и густо пронизана сетью капилляров (мельчайших кровеносных сосудов). Когда таблетка глюкозы растворяется слюной, её молекулы могут быстро проникать через эту тонкую мембрану и попадать непосредственно в системный кровоток.

Такой способ введения имеет ключевое преимущество перед проглатыванием: он позволяет миновать желудочно-кишечный тракт. При проглатывании веществу необходимо пройти через агрессивную среду желудка и затем всосаться в тонком кишечнике, что занимает значительное время. При сублингвальном приеме глюкоза попадает в кровь почти мгновенно (в течение нескольких минут), быстро доставляется с кровотоком к мозгу и мышцам, восполняя их энергетические затраты. Это приводит к быстрому снятию симптомов усталости и восстановлению работоспособности.

Ответ: Действие таблетки глюкозы основано на её быстром всасывании в кровь через густую сеть капилляров, расположенных под языком. Это обеспечивает почти мгновенное поступление глюкозы — главного источника энергии — к клеткам головного мозга и мышцам, что помогает быстро справиться с умственной и физической усталостью.

5. Напишите уравнения реакций, соответствующие следующей схеме превращений:

$C_6H_{12}O_6 \rightarrow X \rightarrow Na_2CO_3$.

Определите неизвестное вещество X.

Решение

Данная задача представляет собой цепочку химических превращений, исходя из которой нужно определить неизвестное вещество X и написать соответствующие уравнения реакций.

Схема превращений: $C_6H_{12}O_6 \rightarrow X \rightarrow Na_2CO_3$.

Для того чтобы определить вещество X, необходимо проанализировать всю последовательность. Исходное вещество, глюкоза ($C_6H_{12}O_6$), является сложным органическим соединением (углеводом). Конечный продукт, карбонат натрия ($Na_2CO_3$), — это неорганическая соль.

Логичный путь превращения органического вещества, содержащего углерод, в карбонат включает стадию полного окисления углерода до оксида углерода(IV) ($CO_2$). Этот оксид затем, как кислотный, может вступать в реакцию со щелочью, образуя соль (карбонат).

Исходя из этой логики, можно предположить, что вещество X — это оксид углерода(IV). Проверим это, записав уравнения для каждой стадии.

1. Уравнение для первой стадии ($C_6H_{12}O_6 \rightarrow X$):

Это реакция полного окисления (горения) глюкозы в избытке кислорода. Продуктами являются оксид углерода(IV) и вода.

$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O$

Таким образом, веществом X является $CO_2$.

2. Уравнение для второй стадии ($X \rightarrow Na_2CO_3$):

На этой стадии оксид углерода(IV) ($CO_2$) реагирует с гидроксидом натрия ($NaOH$) с образованием карбоната натрия и воды.

$CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

Обе реакции являются стандартными и подтверждают, что вещество X — это оксид углерода(IV).

Ответ: Неизвестное вещество X – оксид углерода(IV) ($CO_2$).
Уравнения реакций:
1) $C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O$
2) $CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

6. Какое вещество может реагировать с многоатомными спиртами, альдегидами и глюкозой? Укажите признаки этих реакций.

Вещество, которое может реагировать с многоатомными спиртами, альдегидами и глюкозой, — это свежеосажденный гидроксид меди(II), химическая формула $Cu(OH)_2$. Это вещество представляет собой осадок голубого цвета, который обычно получают в ходе реакции обмена между раствором соли меди(II) (например, сульфата меди $CuSO_4$) и раствором щелочи (например, гидроксида натрия $NaOH$):

$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$

Гидроксид меди(II) является качественным реагентом на несколько классов органических соединений.

Реакция с многоатомными спиртами

Многоатомные спирты, у которых гидроксильные группы ($-OH$) расположены у соседних атомов углерода (например, глицерин, этиленгликоль), реагируют с гидроксидом меди(II) при комнатной температуре. В результате этой реакции голубой осадок $Cu(OH)_2$ растворяется и образуется комплексное соединение (алкоголят) меди(II) ярко-синего цвета. Эта реакция является качественной на многоатомные спирты.

Пример реакции с глицерином $C_3H_5(OH)_3$:

$2C_3H_5(OH)_3 + Cu(OH)_2 \rightarrow [C_3H_5(OH)_2O]_2Cu + 2H_2O$

Признак реакции: растворение голубого осадка гидроксида меди(II) и образование раствора ярко-синего (василькового) цвета.

Ответ: С многоатомными спиртами гидроксид меди(II) при комнатной температуре образует раствор ярко-синего цвета.

Реакция с альдегидами

Альдегиды содержат альдегидную группу ($-CHO$) и способны окисляться. При нагревании с гидроксидом меди(II) альдегиды окисляются до карбоновых кислот, а медь(II) в составе $Cu(OH)_2$ (степень окисления $+2$) восстанавливается до оксида меди(I) $Cu_2O$ (степень окисления меди $+1$). Эта реакция также является качественной, но уже на альдегидную группу.

Пример реакции с уксусным альдегидом (этаналем) $CH_3CHO$:

$CH_3CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CH_3COOH + Cu_2O\downarrow + 2H_2O$

Признак реакции: при нагревании голубой суспензии происходит изменение цвета (часто через промежуточный желтый) и выпадает осадок кирпично-красного цвета ($Cu_2O$).

Ответ: При нагревании альдегидов с гидроксидом меди(II) выпадает кирпично-красный осадок.

Реакция с глюкозой

Глюкоза ($C_6H_{12}O_6$) по своему строению является альдегидоспиртом, так как её молекула содержит пять гидроксильных групп и одну альдегидную группу. Поэтому глюкоза проявляет свойства как многоатомных спиртов, так и альдегидов, и дает обе вышеописанные реакции с гидроксидом меди(II).

1. Как многоатомный спирт (реакция без нагревания): При добавлении к глюкозе гидроксида меди(II) при комнатной температуре образуется ярко-синий раствор комплексного соединения меди(II) с глюкозой. Признак реакции такой же, как и у глицерина: растворение голубого осадка с образованием ярко-синего раствора.
2. Как альдегид (реакция при нагревании): Если полученный на первом этапе синий раствор нагреть, то альдегидная группа глюкозы окислится до карбоксильной (образуется глюконовая кислота). При этом медь восстановится, и из раствора выпадет кирпично-красный осадок оксида меди(I) $Cu_2O$.

Уравнение реакции окисления глюкозы:

$CH_2OH(CHOH)_4CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CH_2OH(CHOH)_4COOH + Cu_2O\downarrow + 2H_2O$

Таким образом, для глюкозы наблюдаются последовательно два признака реакции.

Ответ: Глюкоза с гидроксидом меди(II) при комнатной температуре дает ярко-синий раствор, а при последующем нагревании из этого раствора выпадает кирпично-красный осадок.

7. Дерево способно превращать за сутки 30 л оксида углерода (IV) в углеводы. Сколько литров кислорода (н. у.) при этом выделяется?

Дано:

Объем оксида углерода(IV) $V(CO_2) = 30 \text{ л}$

Условия: нормальные (н. у.)

Найти:

Объем кислорода $V(O_2) - ?$

Решение:

Процесс превращения оксида углерода (IV) в углеводы, происходящий в растениях на свету, называется фотосинтезом. Запишем суммарное уравнение реакции фотосинтеза, где в качестве углевода образуется глюкоза ($C_6H_{12}O_6$):

$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{\text{свет, хлорофилл}} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

Из уравнения видно, что в реакции участвуют газообразные вещества: оксид углерода(IV) ($CO_2$) и кислород ($O_2$).

Согласно закону объемных отношений газов (следствие из закона Авогадро), объемы газов, участвующих в химической реакции, относятся друг к другу как их стехиометрические коэффициенты (при одинаковых температуре и давлении). В задаче указаны нормальные условия (н. у.).

Из уравнения реакции следует, что на 6 моль (или 6 объемов) поглощенного $CO_2$ выделяется 6 моль (или 6 объемов) $O_2$.

Составим пропорцию для объемов газов:

$\frac{V(CO_2)}{V(O_2)} = \frac{6}{6} = 1$

Отсюда следует, что объем выделившегося кислорода равен объему поглощенного оксида углерода(IV):

$V(O_2) = V(CO_2)$

Подставим известное значение:

$V(O_2) = 30 \text{ л}$

Ответ: при этом выделяется 30 л кислорода.

8. При спиртовом брожении глюкозы выделилось 22,4 л (н. у.) углекислого газа. Определите массу образовавшегося этанола.

Дано:

$V(CO_2) = 22,4$ л (н. у.)

Найти:

$m(C_2H_5OH)$ — ?

Решение:

1. Спиртовое брожение глюкозы описывается следующим химическим уравнением:

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2\uparrow$

Из этого уравнения видно, что в ходе реакции образуется этанол ($C_2H_5OH$) и углекислый газ ($CO_2$).

2. Рассчитаем количество вещества (число моль) выделившегося углекислого газа. Согласно закону Авогадро, при нормальных условиях (н. у.) 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л. Этот объем называется молярным объемом ($V_m$).

Количество вещества $n$ можно найти по формуле:

$n = \frac{V}{V_m}$

Подставим данные из условия задачи:

$n(CO_2) = \frac{22,4 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 1 \text{ моль}$

3. Теперь, используя уравнение реакции, найдем количество вещества этанола, которое образовалось вместе с 1 моль углекислого газа. Стехиометрические коэффициенты перед этанолом и углекислым газом в уравнении реакции равны (оба равны 2). Это означает, что их количества вещества соотносятся как 2:2, или 1:1.

$\frac{n(C_2H_5OH)}{n(CO_2)} = \frac{2}{2} = 1$

Следовательно, количество вещества этанола равно количеству вещества углекислого газа:

$n(C_2H_5OH) = n(CO_2) = 1 \text{ моль}$

4. Рассчитаем молярную массу этанола ($C_2H_5OH$). Для этого используем относительные атомные массы элементов: $Ar(C)=12$, $Ar(H)=1$, $Ar(O)=16$.

$M(C_2H_5OH) = 2 \cdot Ar(C) + 6 \cdot Ar(H) + 1 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 12 + 6 \cdot 1 + 16 = 24 + 6 + 16 = 46 \text{ г/моль}$

5. Зная количество вещества и молярную массу этанола, найдем его массу ($m$) по формуле:

$m = n \cdot M$

$m(C_2H_5OH) = 1 \text{ моль} \cdot 46 \text{ г/моль} = 46 \text{ г}$

Ответ: масса образовавшегося этанола составляет 46 г.

9. Какой объём (н. у.) оксида углерода (IV) образуется при окислении 0,5 моль глюкозы?

Дано:

Количество вещества глюкозы $n(C_6H_{12}O_6) = 0.5 \text{ моль}$

Молярный объем газа при н.у. $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$

Найти:

Объём оксида углерода (IV) $V(CO_2) - ?$

Решение:

1. Сначала составим уравнение реакции полного окисления глюкозы. Продуктами этой реакции являются оксид углерода (IV) и вода. Уравняем коэффициенты:

$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O$

2. Из уравнения реакции следует, что при окислении 1 моль глюкозы образуется 6 моль оксида углерода (IV). Соотношение количеств веществ глюкозы и оксида углерода (IV) можно записать как:

$\frac{n(C_6H_{12}O_6)}{1} = \frac{n(CO_2)}{6}$

3. Рассчитаем количество вещества оксида углерода (IV), которое образуется из 0,5 моль глюкозы:

$n(CO_2) = 6 \cdot n(C_6H_{12}O_6) = 6 \cdot 0.5 \text{ моль} = 3 \text{ моль}$

4. Зная количество вещества оксида углерода (IV), можно найти его объём при нормальных условиях (н. у.). Объем газа равен произведению его количества вещества на молярный объем газа ($V_m = 22.4$ л/моль):

$V(CO_2) = n(CO_2) \cdot V_m$

$V(CO_2) = 3 \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} = 67.2 \text{ л}$

Ответ: объём оксида углерода (IV), который образуется при окислении 0,5 моль глюкозы, составляет 67,2 л.