Страница 28 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.1. Какие органические соединения относят к классу алканов? Какова их общая формула? Составьте в общем виде уравнение реакции горения алкана в избытке кислорода.

К классу алканов относят ациклические (не содержащие циклов) углеводороды, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой только одинарными (простыми) связями. Поскольку все валентности атомов углерода максимально насыщены атомами водорода, алканы также называют насыщенными углеводородами или парафинами. Атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации.

Общая формула гомологического ряда алканов, отражающая их состав, выглядит так: $C_n H_{2n+2}$, где $n$ — это число атомов углерода в молекуле ($n \ge 1$).

При горении любого органического вещества в избытке кислорода происходит его полное окисление до углекислого газа ($CO_2$) и воды ($H_2O$). Уравнение реакции горения алкана в общем виде можно составить, сбалансировав количество атомов каждого элемента в левой и правой частях:

$C_n H_{2n+2} + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$

1. Уравниваем атомы углерода: слева $n$ атомов, значит, справа ставим коэффициент $n$ перед $CO_2$.
$C_n H_{2n+2} + O_2 \rightarrow n CO_2 + H_2O$

2. Уравниваем атомы водорода: слева $2n+2$ атома, значит, справа ставим коэффициент $n+1$ перед $H_2O$.
$C_n H_{2n+2} + O_2 \rightarrow n CO_2 + (n+1) H_2O$

3. Уравниваем атомы кислорода: справа в $n CO_2$ содержится $2n$ атомов кислорода, а в $(n+1) H_2O$ — $n+1$ атом. Всего справа $2n + n + 1 = 3n+1$ атом кислорода. Следовательно, перед $O_2$ слева ставим коэффициент $\frac{3n+1}{2}$.

Итоговое уравнение реакции горения алкана в общем виде:

$C_n H_{2n+2} + \frac{3n+1}{2} O_2 \rightarrow n CO_2 + (n+1) H_2O$

Ответ: К классу алканов относят насыщенные ациклические углеводороды, в которых атомы углерода соединены между собой только одинарными связями. Их общая формула: $C_n H_{2n+2}$. Уравнение реакции горения алкана в избытке кислорода в общем виде: $C_n H_{2n+2} + \frac{3n+1}{2} O_2 \rightarrow n CO_2 + (n+1) H_2O$.

2.2. Устаревшее название алканов – парафины (от лат. parum – «мало» и affinis – «сродство»). С чем связано такое название?

Название «парафины», происходящее от латинских слов parum («мало») и affinis («сродство»), напрямую отражает их основное химическое свойство — низкую реакционную способность. Такое «малое сродство» к химическим превращениям обусловлено особенностями строения молекул алканов.

В молекулах алканов (предельных углеводородов) все атомы углерода находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации и соединены между собой и с атомами водорода только прочными одинарными сигма-связями ($σ$-связями).

• Связи углерод-углерод (C—C) являются неполярными, так как соединяют атомы одного и того же элемента.
• Связи углерод-водород (C—H) являются слабополярными из-за небольшой разницы в электроотрицательности между атомами углерода и водорода.

Из-за высокой прочности этих связей и отсутствия в молекуле функциональных групп или кратных связей, которые могли бы стать центрами атаки для реагентов, алканы инертны по отношению ко многим веществам. При обычных условиях они не реагируют с концентрированными кислотами, щелочами, активными металлами и сильными окислителями (например, с раствором перманганата калия $KMnO_4$). Для того чтобы заставить алканы вступить в реакцию (например, горения или галогенирования), требуются жесткие условия: высокая температура или ультрафиолетовое облучение.

Таким образом, историческое название «парафины» точно характеризует их как вещества с низкой химической активностью.

Ответ: Такое название связано с низкой химической активностью (реакционной способностью) алканов, обусловленной наличием в их молекулах только прочных и малополярных одинарных связей C—C и C—H.

2.3. Назовите основные этапы переработки нефти.

Переработка нефти — это сложный многостадийный технологический процесс, который можно разделить на три основных этапа. Целью переработки является получение из сырой нефти широкого ассортимента товарных нефтепродуктов (топлив, масел, сырья для нефтехимии) путем ее разделения на фракции и последующей химической модификации этих фракций.

1. Первичная переработка нефти

На этом этапе происходит физическое разделение нефти на фракции (дистилляты) без химического изменения структуры входящих в ее состав углеводородов. Этот этап основан на разнице в температурах кипения компонентов нефти. Он включает в себя:

• Подготовка нефти к переработке. Сырая нефть, поступающая с промыслов, содержит примеси: пластовую воду, растворенные в ней соли и механические частицы (песок, глину). На электрообессоливающих установках (ЭЛОУ) нефть обезвоживается и обессоливается. Это необходимо для предотвращения коррозии оборудования и отравления катализаторов на последующих стадиях.
• Атмосферная перегонка. Подготовленная нефть нагревается в трубчатых печах до температуры 350–370°C и подается в ректификационную колонну атмосферного давления. Внутри колонны происходит разделение: легкие фракции с низкой температурой кипения (углеводородные газы, бензиновые, керосиновые, дизельные фракции) испаряются, поднимаются вверх и отбираются на разных уровнях. В нижней, кубовой части колонны остается тяжелый несветлый остаток — мазут.
• Вакуумная перегонка. Мазут является ценным сырьем, но его компоненты кипят при очень высоких температурах (свыше 360°C), при которых начинается их термическое разложение (крекинг). Чтобы избежать этого, мазут перегоняют в вакуумной колонне при пониженном давлении. Это позволяет снизить температуру кипения углеводородов. В результате получают вакуумные дистилляты (газойли) — сырье для вторичных процессов, и тяжелый остаток — гудрон, который используется для производства битумов, кокса или как сырье для дальнейшей переработки.

2. Вторичная переработка нефти

Цель этого этапа — углубление переработки, то есть увеличение выхода более ценных светлых нефтепродуктов (в первую очередь, автомобильного бензина) и улучшение их качества. Это достигается путем химической модификации молекул углеводородов, полученных на первом этапе. Вторичные процессы делятся на углубляющие (деструктивные) и облагораживающие.

• Термические процессы (протекают под действием высоких температур):
  • Крекинг: Расщепление тяжелых углеводородов на более легкие.
  • Коксование: Глубокая переработка тяжелых остатков (гудрона) с получением дистиллятов и нефтяного кокса.
  • Висбрекинг: Мягкий термический крекинг мазута для снижения его вязкости.
• Каталитические процессы (протекают в присутствии катализаторов, что позволяет проводить реакции в более мягких условиях и с большей селективностью):
  • Каталитический крекинг: Ключевой процесс получения высокооктанового компонента бензина из вакуумного газойля.
  • Каталитический риформинг: Процесс облагораживания бензиновых фракций для повышения их октанового числа путем превращения парафиновых и нафтеновых углеводородов в ароматические.
  • Гидрокрекинг: Расщепление тяжелого сырья под давлением водорода для получения высококачественных моторных топлив.
  • Гидроочистка: Удаление из нефтепродуктов вредных примесей (серы, азота, кислорода) обработкой водородом.
  • Алкилирование и изомеризация: Процессы синтеза высокооктановых компонентов бензина.

3. Товарное производство (облагораживание и смешение)

На заключительном этапе происходит смешение (компаундирование) различных компонентов, полученных на установках первичной и вторичной переработки, для получения готовой товарной продукции с заданными эксплуатационными свойствами. Например, для получения товарного бензина смешивают бензин каталитического крекинга, риформат, алкилат, изомеризат и прямогонную бензиновую фракцию. В полученные топлива и масла также вводят различные присадки (антидетонационные, моющие, антиокислительные и др.) для улучшения их характеристик в соответствии с требованиями стандартов.

Ответ:

Основными этапами переработки нефти являются:

1. Первичная переработка: физическое разделение сырой нефти на фракции (бензин, керосин, дизель, мазут) после ее подготовки (обезвоживания и обессоливания) с помощью атмосферной и вакуумной перегонки.
2. Вторичная переработка: химическая модификация фракций, полученных на первом этапе, для увеличения выхода и улучшения качества ценных нефтепродуктов. Ключевые процессы этого этапа — каталитический крекинг, риформинг, гидрокрекинг, гидроочистка, алкилирование, изомеризация и коксование.
3. Облагораживание и смешение (компаундирование): финальная очистка полученных компонентов и их смешение в определенных пропорциях с добавлением присадок для производства готовых товарных нефтепродуктов (автомобильного бензина, дизельного топлива, масел и т.д.), соответствующих стандартам качества.

2.4. Смесь каких алканов используют для заправки газовых баллонов?

Для заправки бытовых газовых баллонов используют сжиженный углеводородный газ (СУГ), который представляет собой смесь легких алканов. Основными компонентами этой смеси являются пропан и бутан.

Пропан ($C_3H_8$) и бутан ($C_4H_{10}$) при нормальных атмосферных условиях являются газами, однако под сравнительно небольшим давлением они сжижаются. Это свойство позволяет хранить значительное количество энергии в компактном объеме баллона. Когда вентиль баллона открывают, давление падает, и жидкая фаза испаряется, превращаясь обратно в газ, который и используется для горения.

Соотношение пропана и бутана в смеси не является постоянным и зависит от климатических условий и времени года:

• Пропан имеет более низкую температуру кипения (−42 °C), что обеспечивает высокое давление паров даже при низких температурах. Поэтому в "зимних" смесях доля пропана увеличивается, чтобы гарантировать стабильную подачу газа в холодную погоду.
• Бутан имеет более высокую температуру кипения (−0,5 °C для н-бутана) и, соответственно, более низкое давление паров. Он дешевле пропана. В "летних" смесях или в странах с теплым климатом доля бутана выше. Это экономически выгоднее и безопаснее, так как избыточное давление в баллоне при нагреве на солнце будет меньше.

Таким образом, использование смеси этих двух алканов позволяет создавать топливо с оптимальными свойствами для различных условий эксплуатации.

Ответ: Для заправки газовых баллонов используют смесь алканов: пропана ($C_3H_8$) и бутана ($C_4H_{10}$).

2.5. Какой алкан является основным компонентом природного газа? Каково его типичное содержание в природном газе?

Основным компонентом природного газа является алкан метан. Метан — это простейший насыщенный углеводород с химической формулой $CH_4$. Он представляет собой бесцветный газ без запаха (характерный запах бытовому газу придают специально добавляемые вещества-одоранты, чтобы человек мог почувствовать утечку).

Природный газ является полезным ископаемым, которое образуется в недрах земли в результате анаэробного разложения органических веществ. Его состав может варьироваться в зависимости от месторождения, но метан всегда является главной составляющей.

Типичное содержание метана в природном газе очень высокое и, как правило, находится в диапазоне от 70% до 98% по объему. Остальная часть приходится на другие, более тяжелые углеводороды-алканы, такие как этан ($C_2H_6$), пропан ($C_3H_8$), бутан ($C_4H_{10}$), а также на неуглеводородные примеси, например, диоксид углерода ($CO_2$), азот ($N_2$), сероводород ($H_2S$) и инертные газы (гелий, аргон).

Ответ: Основным компонентом природного газа является алкан метан ($CH_4$). Его типичное содержание в природном газе составляет от 70% до 98%.

2.6. Газообразные алканы, используемые в качестве топлива в газовых плитах, не имеют запаха. Тем не менее всем знаком характерный «запах газа». Какое вещество отвечает за этот запах? С какой целью его добавляют?

Газообразные алканы, составляющие основу природного газа (преимущественно метан $CH_4$) и сжиженного углеводородного газа (смесь пропана $C_3H_8$ и бутана $C_4H_{10}$), который используется в бытовых газовых плитах и баллонах, действительно не имеют собственного запаха и цвета.

Какое вещество отвечает за этот запах?

Характерный «запах газа» создается искусственно путем добавления в топливо в очень малых количествах специальных веществ — одорантов. В качестве одорантов, как правило, используют сероорганические соединения, обладающие очень сильным, резким и неприятным запахом, который человеческий нос способен уловить даже при ничтожно малых концентрациях. Наиболее распространенным одорантом является этантиол, также известный как этилмеркаптан, с химической формулой $C_2H_5SH$.

С какой целью его добавляют?

Одоранты добавляют в бытовой газ исключительно в целях безопасности. Природный и сжиженный газы взрывоопасны при смешивании с воздухом в определенных пропорциях (например, для метана от 5% до 15% в воздухе), а также могут вызвать удушье, вытесняя кислород в помещении. Поскольку сам газ не имеет запаха, его утечку было бы невозможно своевременно обнаружить органами чувств. Добавление одоранта позволяет людям почувствовать специфический запах задолго до того, как концентрация газа в воздухе достигнет опасного взрывоопасного или токсического уровня. Таким образом, резкий запах служит сигналом тревоги, предупреждающим об утечке и необходимости немедленно принять меры: перекрыть подачу газа, проветрить помещение, не пользоваться электроприборами и открытым огнем, и вызвать аварийную газовую службу.

Ответ: За характерный запах бытового газа отвечают специально добавляемые вещества — одоранты, чаще всего это этантиол ($C_2H_5SH$). Его добавляют в целях безопасности для своевременного обнаружения утечек горючего газа по запаху.

2.7. Какой алкан можно в одну стадию получить из неорганических веществ? Запишите уравнение реакции.

В одну стадию из неорганических веществ можно получить простейший алкан — метан ($CH_4$). Существует несколько способов его синтеза.

1. Гидролиз карбидов

Метан можно получить при взаимодействии некоторых карбидов металлов (их называют метанидами) с водой или кислотами. Классическим примером является гидролиз карбида алюминия. Исходные вещества, карбид алюминия ($Al_4C_3$) и вода ($H_2O$), являются неорганическими. Реакция протекает в одну стадию с образованием метана и гидроксида алюминия.

Уравнение реакции:

$Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 3CH_4 \uparrow + 4Al(OH)_3 \downarrow$

2. Синтез из простых веществ

Другой одностадийный способ — это прямой синтез метана из углерода (в виде угля или графита) и водорода. Эта реакция (реакция Сабатье) требует жестких условий: высокой температуры, давления и наличия катализатора (обычно никеля).

Уравнение реакции:

$C + 2H_2 \xrightarrow{t, p, Ni} CH_4$

Ответ: Из неорганических веществ в одну стадию можно получить метан ($CH_4$). Уравнение одной из возможных реакций: $Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 3CH_4 + 4Al(OH)_3$.

2.8. Сырьём для получения каких неорганических веществ являются алканы? Приведите соответствующие уравнения реакций.

Алканы, в первую очередь метан ($CH_4$), являющийся основной составляющей природного газа, служат сырьем для получения ряда важных неорганических веществ. Это достигается в основном через реакции горения (полного и неполного), пиролиза и каталитической конверсии.

Получение оксида углерода(IV) ($CO_2$) и воды ($H_2O$)

При полном сгорании алканов в избытке кислорода образуются углекислый газ и вода. Эта реакция лежит в основе использования алканов в качестве топлива.

Уравнение реакции на примере метана:

$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

Получение оксида углерода(II) ($CO$) и углерода (сажи) ($C$)

В условиях недостатка кислорода происходит неполное сгорание алканов, продуктами которого могут быть угарный газ ($CO$) или чистый углерод в виде сажи ($C$).

Уравнение реакции получения угарного газа:

$2CH_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO + 4H_2O$

Уравнение реакции получения сажи:

$CH_4 + O_2 \rightarrow C + 2H_2O$

Полученная сажа используется в производстве резины и как черный пигмент.

Получение водорода ($H_2$)

Водород, важнейшее неорганическое вещество, можно получать из алканов несколькими способами.

1. Термическое разложение (пиролиз) метана при высокой температуре ($t > 1000^\circ C$) без доступа воздуха:

$CH_4 \xrightarrow{t>1000^\circ C} C + 2H_2$

2. Каталитическая конверсия метана с водяным паром. В результате этой реакции образуется синтез-газ — смесь водорода и угарного газа.

$CH_4 + H_2O \xrightarrow{Ni, 800-900^\circ C, p} CO + 3H_2$

Синтез-газ является ценным сырьем для многих химических производств.

Ответ: Из алканов можно получить следующие неорганические вещества: оксид углерода(IV) ($CO_2$), оксид углерода(II) ($CO$), воду ($H_2O$), углерод (сажу, $C$) и водород ($H_2$). Примерами соответствующих реакций являются полное и неполное сгорание, пиролиз и каталитическая конверсия алканов.

2.9. Назовите основные области применения алканов.

Алканы, или предельные углеводороды, являются классом органических соединений, имеющим огромное практическое значение. Их применение основано как на химических свойствах (например, экзотермическая реакция горения), так и на физических (агрегатное состояние в зависимости от длины цепи, растворяющая способность).

Основные области применения алканов можно сгруппировать следующим образом:

1. Энергетика и топливная промышленность
Это ключевая сфера использования алканов. Благодаря высокой теплоте сгорания они служат высокоэффективным топливом. При их полном сгорании выделяется большое количество энергии, что описывается общей формулой: $C_nH_{2n+2} + \frac{3n+1}{2}O_2 \rightarrow nCO_2 + (n+1)H_2O + Q$.
- Метан ($CH_4$) — основной компонент природного газа, используется для отопления, приготовления пищи и как топливо на тепловых электростанциях.
- Пропан ($C_3H_8$) и бутан ($C_4H_{10}$) — образуют сжиженный нефтяной газ (СНГ), применяемый в бытовых баллонах, зажигалках и как экологически чистое автомобильное топливо.
- Бензин — смесь жидких алканов (преимущественно $C_5$–$C_{12}$), основное топливо для двигателей внутреннего сгорания легковых автомобилей.
- Керосин ($C_{12}$–$C_{15}$) — топливо для реактивных двигателей самолетов и ракет.
- Дизельное топливо (солярка, $C_{15}$–$C_{18}$) и мазут (более $C_{18}$) — используются в дизельных двигателях, котельных установках и на морских судах.

2. Сырье для химической промышленности
Алканы являются исходным сырьем для получения множества других ценных органических веществ. Так как алканы относительно инертны, их сначала превращают в более реакционноспособные соединения.
- Крекинг: термическое или каталитическое расщепление длинноцепочечных алканов на более короткие алканы и, что важнее, на алкены (этилен, пропилен). Алкены, в свою очередь, являются мономерами для производства пластмасс (полиэтилен, полипропилен), каучуков и спиртов.
- Галогенирование: получение галогенопроизводных (например, хлорметан $CH_3Cl$, дихлорметан $CH_2Cl_2$, хлороформ $CHCl_3$), которые используются как растворители, хладагенты (в прошлом) и реагенты в органическом синтезе.
- Конверсия метана: из метана получают синтез-газ (смесь $CO$ и $H_2$), который служит сырьем для крупнотоннажного производства метанола, аммиака и других синтетических продуктов.
- Изомеризация и риформинг: превращение алканов линейного строения в их разветвленные изомеры или в ароматические углеводороды для получения высокооктановых компонентов бензина.

3. Растворители, смазочные материалы и технические продукты
- Растворители: низшие жидкие алканы (гексан, гептан) — это неполярные растворители, используемые для экстракции растительных масел, а также в составе клеев, красок и чистящих средств.
- Смазочные масла: высшие жидкие алканы ($C_{16}$ и выше) составляют основу моторных и индустриальных масел, которые уменьшают трение и износ деталей механизмов.
- Парафин и вазелин: парафин (смесь твердых алканов, $C_{20}$–$C_{40}$) применяется для изготовления свечей, защитных покрытий (вощеная бумага). Вазелин (полужидкая смесь алканов) используется в медицине и косметике как основа для мазей и кремов.
- Битум: остаток после перегонки нефти, состоящий из очень тяжелых углеводородов, используется в дорожном строительстве для производства асфальта и в качестве кровельного материала.

Ответ: Основными областями применения алканов являются: 1) использование в качестве всех основных видов топлива (газ, бензин, дизель); 2) в качестве исходного сырья в химическом синтезе для производства пластмасс, растворителей, спиртов и других соединений; 3) в качестве технических продуктов, таких как смазочные масла, неполярные растворители, парафин, вазелин и битум.

2.10. Органические соединения каких классов можно получить из алканов в одну стадию?

Из алканов в одну стадию можно получить органические соединения нескольких классов путем проведения различных химических реакций:

Галогеналканы
Получаются в результате реакции радикального замещения (галогенирования) при взаимодействии алканов с галогенами ($Cl_2, Br_2$) на свету ($h\nu$) или при нагревании.
Пример реакции: галогенирование метана.
$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$
Ответ: галогеналканы.

Нитросоединения
Образуются при нитровании алканов разбавленной азотной кислотой при повышенной температуре (140-150°C) и давлении (реакция Коновалова).
Пример реакции: нитрование пропана.
$CH_3-CH_2-CH_3 + HNO_3 (разб.) \xrightarrow{140^\circ C, p} CH_3-CH(NO_2)-CH_3 + H_2O$ (преимущественно образуется вторичное нитросоединение)
Ответ: нитросоединения.

Алкены и алкадиены
Синтезируются путем каталитического дегидрирования алканов (отщепления водорода) при высокой температуре в присутствии катализаторов ($Pt, Ni, Cr_2O_3$). В зависимости от исходного алкана и условий можно получить алкены или алкадиены.
Пример получения алкена (дегидрирование этана):
$C_2H_6 \xrightarrow{t, kat} CH_2=CH_2 + H_2$
Пример получения алкадиена (дегидрирование бутана):
$C_4H_{10} \xrightarrow{t, kat} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2$
Ответ: алкены, алкадиены.

Алкины
Ацетилен (представитель класса алкинов) можно получить пиролизом (нагревом до высокой температуры без доступа воздуха) метана.
Пример реакции: получение ацетилена из метана.
$2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} CH\equiv CH + 3H_2$
Ответ: алкины.

Арены (ароматические углеводороды)
Получаются из алканов, содержащих 6 и более атомов углерода в цепи, в реакции каталитической дегидроциклизации (ароматизации) при нагревании над катализатором ($Pt, Cr_2O_3$).
Пример реакции: получение бензола из гексана.
$C_6H_{14} \xrightarrow{t, kat} C_6H_6 + 4H_2$
Ответ: арены.

Кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды, карбоновые кислоты)
Эти классы соединений можно получить путем каталитического окисления алканов кислородом воздуха. Состав продуктов зависит от условий реакции (катализатор, температура, давление).
1. Получение спиртов (на примере метанола):
$2CH_4 + O_2 \xrightarrow{t, p, kat} 2CH_3OH$
2. Получение альдегидов (на примере метаналя):
$CH_4 + O_2 \xrightarrow{t, kat (Ag, MoO_3)} HCHO + H_2O$
3. Получение карбоновых кислот (на примере уксусной кислоты из бутана):
$2C_4H_{10} + 5O_2 \xrightarrow{t, kat} 4CH_3COOH + 2H_2O$
Ответ: спирты, альдегиды, карбоновые кислоты.

Сульфокислоты (и их производные)
Взаимодействием алканов со смесью сернистого газа и хлора на свету (сульфохлорирование, реакция Рида) получают алкансульфохлориды, которые являются производными сульфокислот.
Пример реакции: сульфохлорирование гексана.
$C_6H_{14} + SO_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_{13}SO_2Cl + HCl$
Ответ: сульфокислоты и их производные (например, алкансульфохлориды).

Также стоит упомянуть, что в результате крекинга длинноцепочечных алканов образуются алканы с меньшей молекулярной массой и алкены.

2.11. Как доказать, что углеродный скелет молекулы циклопропана – плоский?

Решение

Доказательство того, что углеродный скелет молекулы циклопропана ($C_3H_6$) является плоским, можно привести несколькими способами, от простого геометрического до экспериментального.

1. Геометрическое доказательство
Это наиболее фундаментальное доказательство. Углеродный скелет циклопропана состоит из трех атомов углерода, образующих замкнутый цикл. Согласно основной аксиоме стереометрии, через любые три точки, не лежащие на одной прямой, проходит единственная плоскость. Поскольку три атома углерода в цикле образуют вершины треугольника, они по определению должны лежать в одной плоскости. Невозможно составить цикл из трех вершин, который был бы не плоским.

2. Химическое доказательство (на основе изомерии)
Этот метод основан на анализе числа изомеров замещенных циклопропанов. Например, для 1,2-диметилциклопропана или 1,2-дихлорциклопропана экспериментально обнаружено существование двух устойчивых, разделимых геометрических изомеров:
– цис-изомер, в котором оба заместителя расположены по одну сторону от плоскости цикла;
– транс-изомер, в котором заместители расположены по разные стороны от плоскости цикла.
Существование ровно двух таких изомеров (а не конформаций, которые быстро переходят друг в друга) возможно только при условии, что углеродный цикл является жестким и плоским. Если бы кольцо было гибким и неплоским, наблюдалась бы другая картина изомерии.

3. Физико-химическое доказательство (спектроскопические данные)
Современные физические методы исследования строения молекул предоставляют прямые доказательства плоской структуры циклопропана.
– Колебательная спектроскопия (ИК и Раман): Спектры циклопропана имеют набор полос поглощения, который полностью соответствует теоретическим расчетам для молекулы с группой симметрии $D_{3h}$. Эта группа симметрии присуща объектам, имеющим форму равностороннего треугольника, что подтверждает плоское строение углеродного скелета.
– Электронография и микроволновая спектроскопия: Эти методы позволяют с высокой точностью определить межатомные расстояния и валентные углы в молекулах. Для циклопропана было установлено, что все три атома углерода образуют равносторонний треугольник со сторонами (длиной связи C–C) около $1.51$ Å. Это однозначно указывает на то, что скелет молекулы является плоским.

Ответ:
Плоское строение углеродного скелета молекулы циклопропана доказывается: 1) геометрически, так как три точки (атома углерода) всегда лежат в одной плоскости; 2) химически, по факту существования устойчивых цис- и транс-изомеров для 1,2-дизамещенных циклопропанов; 3) физическими методами (ИК-спектроскопия, электронография), которые подтверждают, что атомы углерода образуют плоский равносторонний треугольник (симметрия $D_{3h}$).

2.12. Приведите структурные и молекулярные формулы следующих циклоалканов: а) циклопентан; б) циклогептан; в) метилциклогексан; а) этилциклопентан; д) 1,1-диметилциклопентан; е) 1,2-диметилциклогексан. Какие из приведённых соединений являются структурными изомерами?

а) циклопентан

Молекулярная формула для циклоалканов имеет общий вид $C_nH_{2n}$. Для циклопентана, имеющего 5 атомов углерода в цикле ($n=5$), молекулярная формула будет $C_5H_{10}$.

Структурная формула представляет собой замкнутый цикл из пяти атомов углерода, где каждый атом углерода связан с двумя атомами водорода.

Ответ: Молекулярная формула: $C_5H_{10}$. Структура: пятичленный углеродный цикл.

б) циклогептан

Для циклогептана, имеющего 7 атомов углерода в цикле ($n=7$), молекулярная формула по общей формуле $C_nH_{2n}$ будет $C_7H_{14}$.

Структурная формула представляет собой замкнутый цикл из семи атомов углерода, где каждый атом углерода связан с двумя атомами водорода.

Ответ: Молекулярная формула: $C_7H_{14}$. Структура: семичленный углеродный цикл.

в) метилциклогексан

Молекула состоит из шестичленного циклогексанового кольца ($C_6$) и одной метильной группы ($-CH_3$). Общее число атомов углерода $6 + 1 = 7$. Общее число атомов водорода $11$ (в цикле) $+ 3$ (в заместителе) $= 14$. Молекулярная формула: $C_7H_{14}$.

Структурная формула: шестичленный углеродный цикл, у одного из атомов углерода которого атом водорода замещен на метильную группу.

Ответ: Молекулярная формула: $C_7H_{14}$. Структура: шестичленный углеродный цикл с одним метильным заместителем.

г) этилциклопентан

Молекула состоит из пятичленного циклопентанового кольца ($C_5$) и одной этильной группы ($-C_2H_5$). Общее число атомов углерода $5 + 2 = 7$. Общее число атомов водорода $9$ (в цикле) $+ 5$ (в заместителе) $= 14$. Молекулярная формула: $C_7H_{14}$.

Структурная формула: пятичленный углеродный цикл, у одного из атомов углерода которого атом водорода замещен на этильную группу.

Ответ: Молекулярная формула: $C_7H_{14}$. Структура: пятичленный углеродный цикл с одним этильным заместителем.

д) 1,1-диметилциклопентан

Молекула состоит из пятичленного циклопентанового кольца ($C_5$) и двух метильных групп ($-CH_3$), присоединенных к одному и тому же атому углерода. Общее число атомов углерода $5 + 1 + 1 = 7$. Общее число атомов водорода $8$ (в цикле) $+ 3 + 3$ (в заместителях) $= 14$. Молекулярная формула: $C_7H_{14}$.

Структурная формула: пятичленный углеродный цикл, у одного из атомов углерода которого два атома водорода замещены на две метильные группы.

Ответ: Молекулярная формула: $C_7H_{14}$. Структура: пятичленный углеродный цикл с двумя метильными заместителями у одного атома углерода.

е) 1,2-диметилциклогексан

Молекула состоит из шестичленного циклогексанового кольца ($C_6$) и двух метильных групп ($-CH_3$), присоединенных к соседним атомам углерода. Общее число атомов углерода $6 + 1 + 1 = 8$. Общее число атомов водорода $10$ (в цикле) $+ 3 + 3$ (в заместителях) $= 16$. Молекулярная формула: $C_8H_{16}$.

Структурная формула: шестичленный углеродный цикл, у двух соседних атомов углерода которого по одному атому водорода замещено на метильную группу.

Ответ: Молекулярная формула: $C_8H_{16}$. Структура: шестичленный углеродный цикл с двумя метильными заместителями у соседних (1,2) атомов углерода.

Какие из приведённых соединений являются структурными изомерами?

Структурные изомеры — это соединения с одинаковой молекулярной формулой, но разным порядком связывания атомов. Для определения изомеров сравним выведенные молекулярные формулы:

а) циклопентан: $C_5H_{10}$

б) циклогептан: $C_7H_{14}$

в) метилциклогексан: $C_7H_{14}$

г) этилциклопентан: $C_7H_{14}$

д) 1,1-диметилциклопентан: $C_7H_{14}$

е) 1,2-диметилциклогексан: $C_8H_{16}$

Одинаковую молекулярную формулу $C_7H_{14}$ имеют четыре соединения: циклогептан (б), метилциклогексан (в), этилциклопентан (г) и 1,1-диметилциклопентан (д). Поскольку их структуры (размер цикла, наличие и строение заместителей) различны, они являются структурными изомерами.

Ответ: Структурными изомерами являются циклогептан (б), метилциклогексан (в), этилциклопентан (г) и 1,1-диметилциклопентан (д).

2.13. В чём особенности реакционной способности циклопропана? Приведите примеры реакций.

Особенности реакционной способности циклопропана, представителя малых циклов, кардинально отличают его от других циклоалканов (начиная с циклопентана) и сближают по свойствам с алкенами. Это обусловлено высоким напряжением в его трехчленном цикле.

Угловое напряжение (напряжение Байера)

В молекуле циклопропана атомы углерода находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации, для которой характерен валентный угол $109.5^\circ$. Однако из-за циклической структуры валентные углы C–C–C в циклопропане вынужденно составляют $60^\circ$. Такое значительное отклонение от нормального значения создает огромное угловое напряжение в молекуле. Энергия напряжения в циклопропане составляет около 115 кДж/моль. Система стремится снять это напряжение, что достигается путем разрыва цикла. Поэтому для циклопропана характерны реакции присоединения с раскрытием цикла, а не реакции замещения, типичные для алканов и больших циклов.

Особенности строения C–C связей

Из-за сильного углового напряжения прямое перекрывание $sp^3$-гибридных орбиталей углеродных атомов вдоль линии, соединяющей их центры, невозможно. Перекрывание происходит по дугам вне этой линии, что приводит к образованию так называемых «банановых» связей. Эти связи являются промежуточными по своей природе между чистыми $\sigma$- и $\pi$-связями. Они слабее обычных $\sigma$-связей в алканах, что также облегчает разрыв цикла.

Таким образом, высокая реакционная способность циклопропана обусловлена его стремлением снять внутреннее напряжение за счет разрыва ослабленных С–С связей в цикле.

Примеры реакций

Для циклопропана характерны реакции присоединения, идущие с разрывом одной из связей C–C.

1. Гидрирование (присоединение водорода)
Циклопропан, в отличие от устойчивых циклоалканов, способен присоединять водород в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd) при нагревании, превращаясь в пропан. Реакция протекает в более жестких условиях, чем гидрирование алкенов.

$C_3H_6 + H_2 \xrightarrow{Ni, 80-120^\circ C} CH_3-CH_2-CH_3$

2. Галогенирование (присоединение галогенов)
Циклопропан взаимодействует с бромом ($Br_2$) и хлором ($Cl_2$) по механизму присоединения без УФ-облучения (в отличие от алканов, которым для реакции замещения нужен свет). Происходит разрыв цикла и образование 1,3-дигалогенпропанов.

$C_3H_6 + Br_2 \rightarrow Br-CH_2-CH_2-CH_2-Br$ (1,3-дибромпропан)

3. Гидрогалогенирование (присоединение галогеноводородов)
Циклопропан присоединяет галогеноводороды (HBr, HI), также с разрывом цикла. Реакция с HBr идет при комнатной температуре.

$C_3H_6 + HBr \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-Br$ (1-бромпропан)

Ответ:

Особенность реакционной способности циклопропана заключается в его склонности к реакциям присоединения с разрывом цикла, что нехарактерно для алканов и крупных циклоалканов, но сближает его с алкенами. Эта особенность обусловлена наличием большого углового напряжения в трехчленном цикле и специфическим строением C–C связей («банановые» связи). Примерами таких реакций являются каталитическое гидрирование до пропана, присоединение галогенов с образованием 1,3-дигалогенпропанов и присоединение галогеноводородов с образованием 1-галогенпропанов.