Страница 30 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

10. Гомологом пропанола-1 $CH_3-CH_2-CH_2-OH$ является

1) $CH_3-\underset{OH}{|CH}-CH_3$

2) $CH_3-CH_2-OH$

3) $CH_3-CH_2-O-CH_2-CH_3$

4) $H-CO-OH$

Решение

Гомологи — это вещества, которые принадлежат к одному и тому же гомологическому ряду, то есть имеют сходное химическое строение и свойства, но отличаются друг от друга по составу на одну или несколько групп $-CH_2-$. Все члены одного гомологического ряда имеют одну общую формулу.

Исходное вещество, указанное в задании, — это пропанол-1 с формулой $CH_3-CH_2-CH_2-OH$. Это представитель класса предельных одноатомных спиртов. Общая формула этого гомологического ряда — $C_n H_{2n+1}OH$. У пропанола-1 $n=3$. Чтобы найти его гомолог, нужно найти другое соединение из этого же класса (предельный одноатомный спирт), которое отличается на группу $-CH_2-$.

Рассмотрим предложенные варианты ответов:

1) $CH_3-CH(OH)-CH_3$ — это пропанол-2. Он также является предельным одноатомным спиртом и имеет ту же молекулярную формулу, что и пропанол-1 ($C_3H_8O$), но отличается строением (положением гидроксильной группы). Такие соединения называются изомерами (в данном случае, изомерами положения), а не гомологами.

2) $CH_3-CH_2-OH$ — это этанол. Он также является предельным одноатомным спиртом. Его состав ($C_2H_5OH$) отличается от состава пропанола-1 ($C_3H_7OH$) ровно на одну группу $-CH_2-$. Следовательно, этанол и пропанол-1 являются гомологами.

3) $CH_3-CH_2-O-CH_2-CH_3$ — это диэтиловый эфир. Это вещество относится к классу простых эфиров, а не спиртов. Вещества, принадлежащие к разным классам, не могут быть гомологами.

4) $H-CO-OH$ — это метановая (муравьиная) кислота. Это вещество относится к классу карбоновых кислот. Оно также не является гомологом спирта.

Таким образом, единственным гомологом пропанола-1 из предложенных вариантов является этанол.

Ответ: 2.

11. Изомером уксусной кислоты $CH_3COOH$ является

1) $H-CO-OH$

2) $H-CO-O-CH_3$

3) $CH_3-CH=O$

4) $CH_3OH$

Решение

Изомеры – это химические соединения, которые имеют одинаковый качественный и количественный состав (то есть одинаковую молекулярную формулу), но разное химическое строение и, как следствие, разные свойства.

Чтобы найти изомер уксусной кислоты ($CH_3COOH$), необходимо сначала определить её молекулярную формулу, а затем сравнить с молекулярными формулами соединений, предложенных в вариантах ответа.

1. Определим молекулярную формулу уксусной кислоты $CH_3COOH$.
Подсчитаем количество атомов каждого элемента:
- Атомов углерода (C): 2
- Атомов водорода (H): 3 + 1 = 4
- Атомов кислорода (O): 2
Таким образом, молекулярная формула уксусной кислоты – $C_2H_4O_2$.

2. Теперь определим молекулярные формулы предложенных соединений.

1) H–CO–OH (муравьиная кислота)
Молекулярная формула этого соединения – $CH_2O_2$. Она не совпадает с формулой уксусной кислоты ($C_2H_4O_2$).

2) H–CO–O–CH₃ (метилформиат)
Молекулярная формула этого соединения – $C_2H_4O_2$. Она полностью совпадает с молекулярной формулой уксусной кислоты. Уксусная кислота является карбоновой кислотой, а метилформиат – сложным эфиром. Это пример межклассовой изомерии.

3) CH₃–CH=O (уксусный альдегид)
Молекулярная формула этого соединения – $C_2H_4O$. Она не совпадает с формулой уксусной кислоты ($C_2H_4O_2$).

4) CH₃OH (метанол)
Молекулярная формула этого соединения – $CH_4O$. Она не совпадает с формулой уксусной кислоты ($C_2H_4O_2$).

Единственное соединение, имеющее одинаковую с уксусной кислотой молекулярную формулу, — это метилформиат.
Ответ: 2

12. $\text{CH}_3\text{—CH}_2\text{—CH}_3$ и $\text{CH}_3\text{—CH}_2\text{—CH}_2\text{—CH}_3$ — это

1) структурные изомеры

2) пространственные изомеры

3) гомологи

4) одно и то же вещество

Для того чтобы определить, чем являются вещества $CH_3-CH_2-CH_3$ и $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$ по отношению друг к другу, проанализируем их состав и строение, а затем рассмотрим предложенные варианты ответа.

Первое вещество, $CH_3-CH_2-CH_3$, — это пропан. Его молекулярная формула $C_3H_8$.

Второе вещество, $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$, — это бутан. Его молекулярная формула $C_4H_{10}$.

1) структурные изомеры
Структурные изомеры — это соединения, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но разное строение (порядок связи атомов). Так как у пропана ($C_3H_8$) и бутана ($C_4H_{10}$) молекулярные формулы различны, они не могут быть изомерами.

2) пространственные изомеры
Пространственные изомеры (стереоизомеры) также должны иметь одинаковую молекулярную формулу. Они отличаются лишь расположением атомов в пространстве. Поскольку молекулярные формулы данных веществ не совпадают, этот вариант также является неверным.

3) гомологи
Гомологи — это вещества, принадлежащие к одному классу органических соединений (имеющие сходное строение и одинаковую общую формулу), но отличающиеся по составу на одну или несколько гомологических разностей — групп $-CH_2-$. Пропан и бутан оба являются алканами (предельными углеводородами), их общая формула $C_nH_{2n+2}$. Они представляют собой соседние члены одного гомологического ряда и отличаются друг от друга ровно на одну группу $-CH_2-$. Следовательно, они являются гомологами.

4) одно и то же вещество
Это утверждение неверно, так как вещества имеют разный количественный состав (разное число атомов углерода и водорода), разные молекулярные массы и разные названия.

Таким образом, пропан и бутан являются гомологами.

Ответ: 3

13. Разветвлённый углеродный скелет имеет соединение

1) $CH_3-CH_2-CH=CH_2$

2) $CH_3-\underset{CH_3}{\overset{CH_3}{C}}-CH_3$

3) $CH_3-\underset{OH}{\overset{H}{C}}-CH_3$

4) $CH_3-\underset{OH}{\overset{=O}{C}}$

Для определения, имеет ли соединение разветвлённый углеродный скелет, необходимо проанализировать структуру каждого вещества. Разветвлённым считается углеродный скелет, в котором присутствует хотя бы один третичный (связанный с тремя другими атомами C) или четвертичный (связанный с четырьмя другими атомами C) атом углерода.

1) $CH_3-CH_2-CH=CH_2$

В этом соединении (бутен-1) атомы углерода образуют непрерывную цепь: $C-C-C-C$. Крайние атомы углерода связаны с одним соседним атомом углерода, а внутренние — с двумя. Это линейный, неразветвлённый углеродный скелет.

2) $CH_3-C(CH_3)_2-CH_3$

В этом соединении (2,2-диметилпропан) центральный атом углерода связан с четырьмя другими атомами углерода. Такой атом углерода является четвертичным. Наличие в цепи третичного или четвертичного атома углерода является признаком разветвлённого строения. Следовательно, это соединение имеет разветвлённый углеродный скелет.

3) $CH_3-CH(OH)-CH_3$

В этом соединении (пропанол-2) углеродный скелет представляет собой цепь из трёх атомов углерода: $C-C-C$. Функциональная гидроксильная группа ($OH$) не входит в состав углеродного скелета. В данной цепи нет атомов углерода, связанных более чем с двумя другими атомами углерода. Это линейный, неразветвлённый скелет.

4) $CH_3-C(=O)OH$

В этом соединении (уксусная кислота) углеродный скелет состоит из двух атомов углерода, связанных друг с другом ($C-C$). Атомы кислорода и водорода не учитываются при определении строения углеродного скелета. Цепь из двух атомов всегда является линейной (неразветвлённой).

Таким образом, единственное соединение из предложенных, которое имеет разветвлённый углеродный скелет, это соединение под номером 2.

Ответ: 2

14. Углеводород имеет молекулярную формулу $C_3H_4$. Общая формула его гомологического ряда

1) $C_n H_{2n}$

2) $C_n H_{n+1}$

3) $C_n H_{2n-2}$

4) $C_n H_4$

Дано:

Молекулярная формула углеводорода: $C_3H_4$.
Число атомов углерода $n = 3$.
Число атомов водорода $m = 4$.

Найти:

Общую формулу гомологического ряда, к которому относится данный углеводород.

Решение:

Для того чтобы определить общую формулу гомологического ряда, необходимо подставить число атомов углерода $n=3$ в каждую из предложенных общих формул и проверить, совпадает ли число атомов водорода с тем, что дано в условии ($m=4$).

1) Проверим формулу $C_nH_{2n}$ (алкены или циклоалканы):
При $n=3$ получаем $C_3H_{2 \times 3} = C_3H_6$. Это не соответствует формуле $C_3H_4$.

2) Проверим формулу $C_nH_{n+1}$:
При $n=3$ получаем $C_3H_{3+1} = C_3H_4$. Хотя эта формула дает верный результат для данного конкретного соединения, она не является общепринятой формулой для какого-либо гомологического ряда углеводородов.

3) Проверим формулу $C_nH_{2n-2}$ (алкины или алкадиены):
При $n=3$ получаем $C_3H_{2 \times 3 - 2} = C_3H_{6-2} = C_3H_4$. Это полностью соответствует заданной молекулярной формуле. Углеводород $C_3H_4$ может быть пропином (алкин) или пропадиеном (алкадиен), которые принадлежат к гомологическим рядам с общей формулой $C_nH_{2n-2}$.

4) Проверим формулу $C_nH_4$:
Эта запись не является общей формулой гомологического ряда, так как она предполагает постоянное число атомов водорода (4) при любом значении $n$, что противоречит определению гомологического ряда (где члены отличаются на группу $CH_2$).

Следовательно, единственная корректная общая формула гомологического ряда для углеводорода $C_3H_4$ из предложенных вариантов — это $C_nH_{2n-2}$.

Ответ: 3

15. Какая молекулярная формула соответствует только одному веществу?

1) $C_2H_6$

2) $C_2H_6O$

3) $C_4H_{10}$

4) $C_4H_{10}O$

Решение

Чтобы определить, какая молекулярная формула соответствует только одному веществу, необходимо проанализировать возможность существования изомеров для каждой формулы. Изомеры — это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав (одну и ту же молекулярную формулу), но разное строение и, следовательно, разные свойства.

1) $C_2H_6$

Эта молекулярная формула соответствует алкану этану. Два атома углерода могут быть соединены только одним способом — простой связью. Остальные валентности атомов углерода насыщаются шестью атомами водорода. Структурная формула может быть только одна: $CH_3-CH_3$. Других вариантов расположения атомов, удовлетворяющих правилам валентности, не существует. Следовательно, эта формула соответствует только одному веществу — этану.

2) $C_2H_6O$

Эта молекулярная формула может соответствовать как минимум двум разным веществам (изомерам): этиловому спирту ($CH_3-CH_2-OH$) и диметиловому эфиру ($CH_3-O-CH_3$). Это пример межклассовой изомерии. Этанол и диметиловый эфир — это два разных вещества с разными физическими и химическими свойствами. Таким образом, формула $C_2H_6O$ соответствует более чем одному веществу.

3) $C_4H_{10}$

Эта молекулярная формула соответствует алкану бутану. Для этой формулы возможна изомерия углеродного скелета. Существуют два изомера: н-бутан (линейная цепь, $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$) и изобутан (2-метилпропан, разветвленная цепь, $CH_3-CH(CH_3)-CH_3$). н-бутан и изобутан — это два разных вещества. Таким образом, формула $C_4H_{10}$ соответствует более чем одному веществу.

4) $C_4H_{10}O$

Для этой молекулярной формулы существует большое количество изомеров. Это и спирты (например, бутанол-1, $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-OH$, и 2-метилпропанол-2, $(CH_3)_3C-OH$), и простые эфиры (например, диэтиловый эфир, $C_2H_5-O-C_2H_5$). Существуют изомеры углеродного скелета, положения функциональной группы и межклассовые изомеры. Очевидно, что формула $C_4H_{10}O$ соответствует множеству различных веществ.

Из всех предложенных вариантов только молекулярная формула $C_2H_6$ соответствует единственному веществу.

Ответ: 1

16. Какое вещество относится к органическим?

1) $CO_2$

2) $KHCO_3$

3) $CCl_4$

4) $(CuOH)_2CO_3$

Решение

Органическими веществами называют класс соединений, в состав которых входит углерод. Однако существует ряд исключений — простейшие соединения углерода, которые по своим свойствам традиционно относят к неорганическим веществам. К таким исключениям относят оксиды углерода (например, $CO$ и $CO_2$), угольную кислоту ($H_2CO_3$) и её соли (карбонаты и гидрокарбонаты), карбиды, цианиды. Для ответа на вопрос проанализируем каждый из предложенных вариантов.

1) $CO_2$

Оксид углерода(IV), или углекислый газ. Несмотря на наличие атома углерода, это соединение является кислотным оксидом и по своим свойствам и классификации относится к неорганическим веществам.

2) $KHCO_3$

Гидрокарбонат калия. Это кислая соль, образованная металлом калием и кислотным остатком неорганической угольной кислоты. Все соли угольной кислоты (карбонаты и гидрокарбонаты) являются неорганическими соединениями.

3) $CCl_4$

Тетрахлорметан, или четыреххлористый углерод. Это вещество является производным простейшего углеводорода — метана ($CH_4$), в молекуле которого все четыре атома водорода замещены на атомы галогена (хлора). Галогенопроизводные углеводородов — это обширный класс органических соединений. Следовательно, $CCl_4$ является органическим веществом.

4) $(CuOH)_2CO_3$

Гидроксокарбонат меди(II). Это основная соль, содержащая карбонат-ион ($CO_3^{2-}$). Как и все карбонаты, это соединение относится к неорганическим веществам.

Таким образом, единственным органическим веществом в предложенном списке является тетрахлорметан.

Ответ: 3) $CCl_4$.

17. В молекуле углеводорода число атомов водорода в 2 раза больше числа атомов углерода. Этот углеводород принадлежит к

1) алканам.

2) алкенам.

3) алкинам.

4) аренам.

Решение:

Пусть число атомов углерода (C) в молекуле углеводорода равно $n$.

Согласно условию задачи, число атомов водорода (H) в 2 раза больше числа атомов углерода. Следовательно, число атомов водорода составляет $2n$.

Таким образом, общая формула данного углеводорода имеет вид $C_nH_{2n}$.

Теперь необходимо определить, какому классу углеводородов соответствует эта общая формула. Рассмотрим предложенные варианты:

1) Алканы — это предельные углеводороды с общей формулой $C_nH_{2n+2}$.

2) Алкены — это непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связь (или циклоалканы), их общая формула — $C_nH_{2n}$.

3) Алкины — это непредельные углеводороды, содержащие одну тройную связь, их общая формула — $C_nH_{2n-2}$.

4) Арены (на примере гомологов бензола) — это ароматические углеводороды с общей формулой $C_nH_{2n-6}$ (при $n \ge 6$).

Сравнивая полученную из условия формулу $C_nH_{2n}$ с общими формулами различных классов углеводородов, мы видим, что она совпадает с общей формулой алкенов.

Ответ: 2) алкенам

18. При сгорании 2,24 л (н. у.) углеводорода образовалось 4,48 л углекислого газа. Этот углеводород —

1) метан.

2) этан.

3) пропан.

4) бутан.

Дано:

Объем сгоревшего углеводорода $V(\text{углеводорода}) = 2,24$ л (н. у.)

Объем образовавшегося углекислого газа $V(\text{CO}_2) = 4,48$ л (н. у.)

Найти:

Формулу углеводорода.

Решение:

Общее уравнение реакции горения углеводорода с общей формулой $\text{C}_x\text{H}_y$ выглядит следующим образом:

$\text{C}_x\text{H}_y + (x + \frac{y}{4})\text{O}_2 \rightarrow x\text{CO}_2 + \frac{y}{2}\text{H}_2\text{O}$

Из этого уравнения видно, что при сгорании 1 моль углеводорода $\text{C}_x\text{H}_y$ образуется $x$ моль углекислого газа $\text{CO}_2$.

Согласно закону Авогадро, при одинаковых условиях (в данном случае, нормальных) объемы газов относятся друг к другу так же, как их количества вещества (в молях). Следовательно, соотношение объемов исходного углеводорода и полученного углекислого газа равно соотношению их стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции:

$\frac{V(\text{C}_x\text{H}_y)}{V(\text{CO}_2)} = \frac{1}{x}$

Отсюда мы можем найти $x$ — количество атомов углерода в молекуле углеводорода:

$x = \frac{V(\text{CO}_2)}{V(\text{C}_x\text{H}_y)}$

Подставим в формулу данные из условия задачи:

$x = \frac{4,48 \text{ л}}{2,24 \text{ л}} = 2$

Таким образом, в молекуле искомого углеводорода содержится 2 атома углерода. Формула этого углеводорода имеет вид $\text{C}_2\text{H}_y$.

Теперь рассмотрим предложенные варианты:

1. метан — $\text{CH}_4$ ($x=1$)
2. этан — $\text{C}_2\text{H}_6$ ($x=2$)
3. пропан — $\text{C}_3\text{H}_8$ ($x=3$)
4. бутан — $\text{C}_4\text{H}_{10}$ ($x=4$)

Найденному значению $x=2$ соответствует этан.

Проверим себя, составив уравнение реакции горения этана:

$2\text{C}_2\text{H}_6 + 7\text{O}_2 \rightarrow 4\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$

По уравнению, из 2 объемов этана получается 4 объема углекислого газа, то есть их объемное соотношение равно $2:4$ или $1:2$. В условии задачи даны объемы $2,24$ л и $4,48$ л, их соотношение также равно $1:2$. Расчеты верны.

Ответ: 2) этан.

19. Наибольшая массовая доля водорода в

1) метане $CH_4$

2) этане $C_2H_6$

3) пропане $C_3H_8$

4) бутане $C_4H_{10}$

Решение

Для того чтобы определить, в каком из предложенных соединений наибольшая массовая доля водорода, необходимо рассчитать эту величину для каждого вещества. Все перечисленные вещества (метан, этан, пропан, бутан) относятся к гомологическому ряду алканов с общей формулой $C_n H_{2n+2}$.

Массовая доля элемента (ω) в веществе вычисляется по формуле:

$ω(Э) = \frac{n \cdot Ar(Э)}{Mr(вещества)}$

где $n$ — количество атомов элемента в молекуле, $Ar(Э)$ — относительная атомная масса элемента, а $Mr(вещества)$ — относительная молекулярная масса всего вещества. Для расчетов примем относительные атомные массы углерода $Ar(C) = 12$ и водорода $Ar(H) = 1$.

1) метане

Химическая формула метана — $CH_4$.

Относительная молекулярная масса метана:

$Mr(CH_4) = 1 \cdot Ar(C) + 4 \cdot Ar(H) = 1 \cdot 12 + 4 \cdot 1 = 16$.

Массовая доля водорода в метане:

$ω(H) = \frac{4 \cdot Ar(H)}{Mr(CH_4)} = \frac{4 \cdot 1}{16} = 0.25$ или $25\%$.

Ответ: Массовая доля водорода в метане равна 25%.

2) этане

Химическая формула этана — $C_2H_6$.

Относительная молекулярная масса этана:

$Mr(C_2H_6) = 2 \cdot Ar(C) + 6 \cdot Ar(H) = 2 \cdot 12 + 6 \cdot 1 = 24 + 6 = 30$.

Массовая доля водорода в этане:

$ω(H) = \frac{6 \cdot Ar(H)}{Mr(C_2H_6)} = \frac{6 \cdot 1}{30} = 0.20$ или $20\%$.

Ответ: Массовая доля водорода в этане равна 20%.

3) пропане

Химическая формула пропана — $C_3H_8$.

Относительная молекулярная масса пропана:

$Mr(C_3H_8) = 3 \cdot Ar(C) + 8 \cdot Ar(H) = 3 \cdot 12 + 8 \cdot 1 = 36 + 8 = 44$.

Массовая доля водорода в пропане:

$ω(H) = \frac{8 \cdot Ar(H)}{Mr(C_3H_8)} = \frac{8}{44} = \frac{2}{11} \approx 0.182$ или $18.2\%$.

Ответ: Массовая доля водорода в пропане равна приблизительно 18.2%.

4) бутане

Химическая формула бутана — $C_4H_{10}$.

Относительная молекулярная масса бутана:

$Mr(C_4H_{10}) = 4 \cdot Ar(C) + 10 \cdot Ar(H) = 4 \cdot 12 + 10 \cdot 1 = 48 + 10 = 58$.

Массовая доля водорода в бутане:

$ω(H) = \frac{10 \cdot Ar(H)}{Mr(C_4H_{10})} = \frac{10}{58} = \frac{5}{29} \approx 0.172$ или $17.2\%$.

Ответ: Массовая доля водорода в бутане равна приблизительно 17.2%.

Сравнивая вычисленные значения массовых долей водорода:

Метан: $25\%$

Этан: $20\%$

Пропан: $\approx 18.2\%$

Бутан: $\approx 17.2\%$

Видно, что наибольшая массовая доля водорода содержится в метане. Стоит отметить, что в гомологическом ряду алканов массовая доля водорода уменьшается с увеличением числа атомов углерода в цепи.

Ответ: 1) метане.