Страница 94 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Два элемента могут образовать между собой несколько разных неорганических соединений. Приведите пример таких элементов, напишите формулы соединений.

Решение

Способность двух химических элементов образовывать между собой несколько различных неорганических соединений чаще всего связана с тем, что один из этих элементов может проявлять переменные степени окисления. Это характерно для многих элементов, особенно для неметаллов и переходных металлов. В качестве второго элемента обычно выступает элемент с высокой электроотрицательностью, например, кислород или галогены.

Рассмотрим несколько конкретных примеров.

Пример 1: Углерод (C) и Кислород (O)
Углерод проявляет в соединениях с кислородом степени окисления +2 и +4, образуя два хорошо известных оксида:

1. Оксид углерода(II) или угарный газ. Формула: $CO$.
2. Оксид углерода(IV) или углекислый газ. Формула: $CO_2$.

Пример 2: Азот (N) и Кислород (O)
Азот и кислород образуют целый ряд оксидов, в которых азот имеет различные положительные степени окисления:

1. Оксид азота(I) (закись азота). Формула: $N_2O$.
2. Оксид азота(II) (монооксид азота). Формула: $NO$.
3. Оксид азота(III) (триоксид диазота). Формула: $N_2O_3$.
4. Оксид азота(IV) (диоксид азота). Формула: $NO_2$.
5. Оксид азота(V) (пентаоксид диазота). Формула: $N_2O_5$.

Пример 3: Железо (Fe) и Кислород (O)
Железо — это переходный металл, который чаще всего проявляет степени окисления +2 и +3. С кислородом оно образует следующие оксиды:

1. Оксид железа(II). Формула: $FeO$.
2. Оксид железа(III). Формула: $Fe_2O_3$.
3. Оксид железа(II, III) (железная окалина), являющийся смешанным оксидом. Формула: $Fe_3O_4$.

Ответ:

Примером таких элементов могут служить азот (N) и кислород (O). Они образуют несколько различных соединений, например: оксид азота(I) с формулой $N_2O$, оксид азота(II) с формулой $NO$, и оксид азота(IV) с формулой $NO_2$. Другой пример — фосфор (P) и хлор (Cl), которые образуют хлорид фосфора(III) $PCl_3$ и хлорид фосфора(V) $PCl_5$.

2.Назовите три причины многообразия органических веществ.

Решение

Многообразие органических веществ, число которых огромно и постоянно растет, объясняется уникальными свойствами углерода — элемента, лежащего в основе всех органических соединений. Можно выделить три ключевые причины этого многообразия.

Первая причина: Способность атомов углерода соединяться друг с другом в длинные цепи и циклы.

Атомы углерода ($C$) обладают уникальной способностью образовывать прочные ковалентные связи не только с атомами других элементов, но и друг с другом. В результате атомы углерода могут формировать устойчивые углеродные скелеты различной структуры: линейные (как в н-бутане $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$), разветвленные (как в изобутане $CH_3-CH(CH_3)-CH_3$) и циклические (как в циклогексане $C_6H_{12}$). Длина таких цепей может достигать многих тысяч атомов (например, в полимерах), что создает практически бесконечное число возможных молекул.

Вторая причина: Явление изомерии.

Изомерия — это явление существования соединений (изомеров), которые имеют одинаковый качественный и количественный состав (т.е. одинаковую молекулярную формулу), но разное строение и, следовательно, разные свойства. Например, молекулярной формуле $C_4H_{10}$ соответствуют два разных вещества: н-бутан (с линейной цепью) и изобутан (с разветвленной цепью). Другой пример — этанол ($C_2H_5OH$) и диметиловый эфир ($CH_3-O-CH_3$), имеющие одинаковую формулу $C_2H_6O$, но относящиеся к разным классам соединений (спирты и простые эфиры) и обладающие совершенно разными свойствами. Существование структурной и пространственной (стереоизомерии) изомерии многократно увеличивает общее число известных органических веществ.

Третья причина: Способность атомов углерода образовывать связи различной кратности.

Атомы углерода могут соединяться друг с другом и с другими элементами с помощью ковалентных связей разной кратности: одинарных ($C-C$), двойных ($C=C$) и тройных ($C \equiv C$). Наличие кратных (двойных или тройных) связей в молекуле кардинально меняет ее химические свойства и геометрию по сравнению с соединениями, содержащими только одинарные связи. Например, этан ($CH_3-CH_3$) с одинарной связью — предельное, малоактивное соединение, а этилен ($CH_2=CH_2$) с двойной связью и ацетилен ($CH \equiv CH$) с тройной — непредельные, легко вступающие в реакции присоединения. Это разнообразие типов связей также вносит огромный вклад в многообразие органических соединений.

Три основные причины многообразия органических веществ:
1. Способность атомов углерода соединяться друг с другом, образуя устойчивые цепи (линейные, разветвленные) и циклы различной длины и строения.
2. Явление изомерии, то есть существование веществ с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением или пространственным расположением атомов в молекулах.
3. Способность атомов углерода образовывать связи разной кратности (одинарные, двойные, тройные) как между собой, так и с атомами других элементов.

3. Каков минимальный размер циклического углеродного скелета?

Каков минимальный размер циклического углеродного скелета?

Минимальный размер циклического углеродного скелета определяется наименьшим числом атомов углерода, которые могут образовать замкнутую цепь, то есть цикл.

С точки зрения геометрии, для создания замкнутой плоской фигуры (многоугольника) необходимо как минимум три вершины. В химии это означает, что для образования циклической структуры требуется не менее трех атомов. Два атома углерода могут образовать только одну связь, но не могут замкнуться в кольцо.

Таким образом, самый маленький возможный углеродный цикл состоит из трех атомов углерода. Соединение, содержащее такой скелет, относится к классу циклоалканов и называется циклопропан. Его молекулярная формула — $C_3H_6$. В этой молекуле три атома углерода ($C$) расположены в вершинах равностороннего треугольника.

Стоит отметить, что валентные углы между связями $C-C-C$ в циклопропане составляют $60°$. Это значение сильно отличается от стандартного тетраэдрического угла в $109.5°$, характерного для $sp^3$-гибридизованных атомов углерода. Из-за этого в молекуле циклопропана возникает значительное угловое напряжение (так называемое напряжение Байера), что делает его химически более активным и менее стабильным, чем циклоалканы с большим числом атомов в цикле (например, циклогексан). Несмотря на это, циклопропан является устойчивым веществом, которое можно синтезировать и хранить.

Ответ: Минимальный размер циклического углеродного скелета — три атома углерода.

4. Изобразите структурные формулы всех возможных углеводородов, углеродный скелет которых содержит три атома. Сколько из них предельных, а сколько непредельных?

Решение

Изобразите структурные формулы всех возможных углеводородов, углеродный скелет которых содержит три атома.

Углеводороды с тремя атомами углерода в скелете могут иметь линейное или циклическое строение. Ниже представлены структурные формулы всех 6 возможных соединений с указанием их класса (предельный или непредельный).

1.Пропан ($C_3H_8$). Это предельный углеводород (алкан). Структурная формула: $CH_3-CH_2-CH_3$.

2.Циклопропан ($C_3H_6$). Это предельный углеводород (циклоалкан). Структурная формула представляет собой цикл из трех групп $CH_2$, соединенных одинарными связями.

3.Пропен ($C_3H_6$). Это непредельный углеводород (алкен). Структурная формула: $CH_2=CH-CH_3$.

4.Пропин ($C_3H_4$). Это непредельный углеводород (алкин). Структурная формула: $CH\equiv C-CH_3$.

5.Пропадиен (аллен) ($C_3H_4$). Это непредельный углеводород (алкадиен). Структурная формула: $CH_2=C=CH_2$.

6.Циклопропен ($C_3H_4$). Это непредельный углеводород (циклоалкен). Структурная формула представляет собой цикл из трех атомов углерода с одной двойной связью ($CH=CH-CH_2$).

Сколько из них предельных, а сколько непредельных?

На основании представленных выше структур можно определить количество предельных и непредельных углеводородов:

Предельные углеводороды (содержат только одинарные C-C связи): 2 (пропан и циклопропан).

Непредельные углеводороды (содержат двойные или тройные C-C связи): 4 (пропен, пропин, пропадиен и циклопропен).

Ответ:

Всего существует 6 возможных углеводородов с углеродным скелетом из трех атомов. Из них 2 являются предельными (пропан и циклопропан) и 4 являются непредельными (пропен, пропин, пропадиен и циклопропен).

5. В таблице указана энергия связей между атомами углерода и азота различной кратности. Заполните пустые клетки в таблице.

Решение

Энергия химической связи — это количество энергии, которое необходимо затратить для разрыва одного моля связей. Энергия связи характеризует прочность связи: чем больше энергия связи, тем прочнее связь.

В химии существует общая закономерность: с увеличением кратности связи (порядка связи) её прочность и энергия увеличиваются. Кратность связи — это число электронных пар, связывающих два атома. Длина связи при этом уменьшается.

Атомы углерода (C) и азота (N) могут образовывать между собой ковалентные связи различной кратности:

• Одинарная связь (кратность 1): $C-N$
• Двойная связь (кратность 2): $C=N$
• Тройная связь (кратность 3): $C \equiv N$

Соответственно, тройная связь $C \equiv N$ будет самой прочной и обладать наибольшей энергией. Одинарная связь $C-N$ будет самой слабой и обладать наименьшей энергией. Двойная связь $C=N$ будет занимать промежуточное положение по прочности и энергии.

В таблице приведены следующие значения энергии связи: 890 кДж/моль, 613 кДж/моль и 305 кДж/моль. Расположим их в порядке убывания и сопоставим с кратностью связей:

• Наибольшая энергия 890 кДж/моль соответствует самой кратной, тройной связи $C \equiv N$.
• Среднее значение энергии 613 кДж/моль соответствует двойной связи $C=N$.
• Наименьшая энергия 305 кДж/моль соответствует одинарной связи $C-N$.

На основе этого анализа заполним пустые ячейки в таблице.

Ответ:

6. При анализе данных таблицы 8 можно заметить, что энергия связи между атомами элементов второго периода (за исключением углерода) меньше, чем у их аналогов из третьего периода. Объясните почему. Подсказка: рассмотрите электронные конфигурации атомов одной и той же группы Периодической системы и подумайте, чем они отличаются друг от друга.

Наблюдаемое явление, при котором энергия одинарной связи между атомами элементов второго периода (за исключением углерода) оказывается меньше, чем у их аналогов из третьего периода, объясняется совокупностью двух ключевых факторов: атомного радиуса и межэлектронного отталкивания.

Атомы азота ($N$), кислорода ($O$) и фтора ($F$) значительно меньше по размеру, чем их аналоги из третьего периода — фосфор ($P$), сера ($S$) и хлор ($Cl$). Кроме того, атомы $N$, $O$ и $F$ имеют на валентной оболочке неподеленные электронные пары (одну у азота, две у кислорода и три у фтора). Когда два таких маленьких атома образуют одинарную ковалентную связь (например, $F-F$ или в молекуле пероксида водорода $H-O-O-H$), их неподеленные электронные пары оказываются на очень близком расстоянии друг от друга. Это приводит к сильному электростатическому отталкиванию между облаками этих электронов. Данное отталкивание дестабилизирует и ослабляет ковалентную связь, что и является причиной ее более низкой энергии.

В случае атомов третьего периода ($P$, $S$, $Cl$), они имеют больший радиус, а их валентные электроны находятся на более удаленном и пространственно протяженном третьем энергетическом уровне. При образовании связей, таких как $P-P$ или $Cl-Cl$, расстояние между неподеленными парами соседних атомов оказывается значительно больше. Вследствие этого сила отталкивания между ними намного слабее и ее ослабляющий эффект не так выражен. Поэтому, несмотря на большую длину связи, связь оказывается прочнее, чем у их меньших аналогов из второго периода.

Углерод является исключением из этого правила, так как его атом в типичных соединениях с одинарными связями (например, в алканах или в кристаллической решетке алмаза) использует все четыре валентных электрона для образования четырех ковалентных связей. В результате на атоме углерода не остается неподеленных электронных пар. Таким образом, дестабилизирующий фактор отталкивания неподеленных пар для связи $C-C$ отсутствует. В этом случае прочность связи определяется главным образом эффективностью перекрывания атомных орбиталей. У меньшего по размеру атома углерода перекрывание орбиталей более эффективно, чем у более крупного атома кремния ($Si$), что и приводит к большей прочности связи $C-C$ по сравнению со связью $Si-Si$.

Ответ: Энергия связи между атомами элементов второго периода (кроме углерода) меньше, чем у их аналогов из третьего периода, из-за сильного отталкивания между неподеленными электронными парами на соседних атомах. Малый размер атомов азота, кислорода и фтора приводит к тому, что их неподеленные пары сближаются на критически малое расстояние, создавая мощное электростатическое отталкивание, которое ослабляет ковалентную связь. У более крупных атомов третьего периода (фосфора, серы, хлора) этот эффект выражен значительно слабее. Углерод является исключением, так как в своих типичных соединениях он не имеет неподеленных электронных пар, и для него данный дестабилизирующий фактор отсутствует.

7. На втором месте после углерода по прочности гомоядерных связей стоит сера. Почему же этот химический элемент не образует такого огромного числа соединений, как углерод?

Решение

Несмотря на то, что прочность одинарной связи сера-сера ($S–S$) действительно велика, уникальное многообразие соединений углерода объясняется не только прочностью связи $C–C$, но и целым комплексом его свойств, которыми сера не обладает в той же мере.

1.Валентность. Ключевое отличие заключается в валентности. Атом углерода в подавляющем большинстве соединений четырёхвалентен. Это свойство позволяет ему образовывать прочные и стабильные "скелеты" молекул, формируя не только длинные цепи, но и сложные разветвлённые, циклические и пространственные структуры. Каждый атом углерода в цепи (кроме концевых) может быть связан с двумя другими атомами углерода и ещё с двумя другими атомами (например, водорода), что создаёт основу для практически безграничного структурного разнообразия.

Сера же в своих гомоядерных соединениях (например, в аллотропной модификации $S_8$ или в полисульфанах $H_2S_n$) проявляет валентность, равную двум. Двухвалентный атом может образовывать только линейные цепи ($–S–S–S–$) или простые кольца. Это кардинально ограничивает возможность создания сложных разветвлённых каркасов, которые являются фундаментом органической химии.

2.Способность образовывать кратные связи. Углерод, как элемент 2-го периода, имеет небольшой атомный радиус. Это позволяет его p-орбиталям эффективно перекрываться, образуя очень прочные и стабильные двойные ($C=C$) и тройные ($C \equiv C$) связи. Существование этих связей порождает огромные классы соединений — алкены, алкины, арены, карбонильные соединения и т.д., что многократно увеличивает общее число известных соединений.

Сера является элементом 3-го периода, и её атомный радиус значительно больше. Из-за этого боковое перекрывание p-орбиталей для образования π-связи сильно затруднено. В результате двойная связь сера-сера ($S=S$) значительно менее стабильна по сравнению с двумя одинарными связями $S–S$. Соединения с кратными связями $S=S$ встречаются крайне редко и являются неустойчивыми, что лишает серу целого пласта возможных структур.

3.Прочность связей с другими элементами. Связь углерод-водород ($C–H$) отличается высокой прочностью и низкой полярностью, что обеспечивает исключительную стабильность углеводородных фрагментов. В то же время связь сера-водород ($S–H$) слабее и более полярна (обладает большей кислотностью), что делает сульфаны ($H_2S_n$) более реакционноспособными и менее стабильными по сравнению с алканами.

Таким образом, колоссальное разнообразие соединений углерода — это результат уникального сочетания его четырёхвалентности, способности образовывать стабильные кратные связи и высокой прочности связей с водородом. Сера, уступая углероду по этим ключевым параметрам, не может сформировать аналогичное многообразие химических структур.

Ответ: Сера не образует такого огромного числа соединений, как углерод, по трём основным причинам:
1. Валентность: Углерод четырёхвалентен, что позволяет создавать сложные разветвлённые и пространственные молекулярные скелеты. Сера в своих цепях в основном двухвалентна, что ограничивает её возможности построением простых линейных цепей и колец.
2. Кратные связи: Углерод легко образует стабильные двойные и тройные связи ($C=C$, $C \equiv C$), что является основой для целых классов соединений (алкены, алкины, арены). Сера, как более крупный атом, образует очень нестабильные двойные связи $S=S$.
3. Стабильность связей с водородом: Связь $C–H$ очень прочна и химически инертна, обеспечивая стабильность органических молекул, в то время как связь $S–H$ слабее и более реакционноспособна.

8. Определите простейшую формулу углеводорода, содержащего 83,33% углерода.

Дано:

Углеводород $C_xH_y$
Массовая доля углерода $w(C) = 83,33\%$

Найти:

Простейшую формулу углеводорода (соотношение x : y).

Решение:

1. Углеводород состоит из атомов углерода (C) и водорода (H). Сумма массовых долей всех элементов в веществе составляет 100%. Следовательно, массовую долю водорода можно рассчитать следующим образом:

$w(H) = 100\% - w(C) = 100\% - 83,33\% = 16,67\%$

2. Простейшая (эмпирическая) формула отражает соотношение атомов элементов в молекуле. Это соотношение пропорционально соотношению количеств веществ (молей) этих элементов. Для удобства расчетов примем массу образца углеводорода равной 100 г. В этом случае масса каждого элемента будет численно равна его массовой доле в процентах:

$m(C) = 83,33 \text{ г}$
$m(H) = 16,67 \text{ г}$

3. Определим количество вещества (число молей) для каждого элемента, разделив их массы на молярные массы. Примем молярные массы: $M(C) = 12$ г/моль и $M(H) = 1$ г/моль.

Количество вещества углерода (x):

$x = n(C) = \frac{m(C)}{M(C)} = \frac{83,33 \text{ г}}{12 \text{ г/моль}} \approx 6,944 \text{ моль}$

Количество вещества водорода (y):

$y = n(H) = \frac{m(H)}{M(H)} = \frac{16,67 \text{ г}}{1 \text{ г/моль}} = 16,67 \text{ моль}$

4. Теперь найдем соотношение атомов в формуле, которое равно соотношению найденных количеств веществ:

$x : y = n(C) : n(H) \approx 6,944 : 16,67$

5. Чтобы получить простейшее целочисленное соотношение, разделим оба значения на наименьшее из них (6,944):

$x : y = \frac{6,944}{6,944} : \frac{16,67}{6,944} \approx 1 : 2,4$

6. Соотношение $1 : 2,4$ не является целочисленным. Чтобы преобразовать его в целые числа, необходимо найти наименьший множитель. Заметим, что десятичная дробь $2,4$ равна обыкновенной дроби $\frac{12}{5}$. Чтобы получить целые числа, умножим обе части соотношения на знаменатель дроби, то есть на 5:

$x : y = (1 \times 5) : (2,4 \times 5) = 5 : 12$

Следовательно, простейшая формула углеводорода, в котором массовая доля углерода составляет 83,33%, это $C_5H_{12}$.

Ответ: Простейшая формула углеводорода – $C_5H_{12}$.

9. Найдите формулу углеводорода, содержащего 85,71% углерода по массе, плотность паров которого в 3 раза выше плотности азота.

Дано:

Углеводород $C_xH_y$
Массовая доля углерода, $\omega(C) = 85,71\%$
Относительная плотность паров углеводорода по азоту, $D_{N_2}(C_xH_y) = 3$

Найти:

Молекулярную формулу углеводорода $C_xH_y - ?$

Решение:

1.Определение простейшей формулы углеводорода.
Углеводород состоит из атомов углерода (C) и водорода (H). Найдем массовую долю водорода в соединении:
$\omega(H) = 100\% - \omega(C) = 100\% - 85,71\% = 14,29\%$
Соотношение индексов в формуле $C_xH_y$ равно соотношению молей атомов в веществе. Допустим, у нас есть 100 г этого углеводорода. Тогда масса углерода составит 85,71 г, а масса водорода — 14,29 г.
Найдем соотношение количества вещества (в молях) углерода и водорода, используя их молярные массы ($M(C) = 12$ г/моль, $M(H) = 1$ г/моль):
$x : y = n(C) : n(H) = \frac{m(C)}{M(C)} : \frac{m(H)}{M(H)}$
$x : y = \frac{85,71}{12} : \frac{14,29}{1}$
$x : y = 7,1425 : 14,29$
Чтобы найти соотношение целых чисел, разделим оба значения на наименьшее из них (7,1425):
$x : y = \frac{7,1425}{7,1425} : \frac{14,29}{7,1425} \approx 1 : 2$
Таким образом, простейшая (эмпирическая) формула углеводорода — $CH_2$.

2.Определение молярной массы углеводорода.
Плотность паров углеводорода в 3 раза выше плотности азота ($N_2$). Относительная плотность одного газа по другому равна отношению их молярных масс:
$D_{N_2}(C_xH_y) = \frac{M(C_xH_y)}{M(N_2)} = 3$
Сначала вычислим молярную массу азота ($N_2$):
$M(N_2) = 2 \cdot A_r(N) = 2 \cdot 14 = 28$ г/моль
Теперь найдем молярную массу искомого углеводорода:
$M(C_xH_y) = D_{N_2}(C_xH_y) \cdot M(N_2) = 3 \cdot 28 = 84$ г/моль

3.Определение истинной (молекулярной) формулы углеводорода.
Молекулярная формула представляет собой $(CH_2)_n$. Найдем молярную массу простейшей формульной единицы $CH_2$:
$M(CH_2) = 12 + 2 \cdot 1 = 14$ г/моль
Соотнесем молярную массу истинной формулы с молярной массой простейшей:
$M(C_xH_y) = n \cdot M(CH_2)$
$84 = n \cdot 14$
$n = \frac{84}{14} = 6$
Следовательно, истинная формула углеводорода — $(CH_2)_6$, то есть $C_6H_{12}$.

Ответ: $C_6H_{12}$