Страница 13 - гдз по химии 10 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

11. Приведены молекулярные формулы органических соединений: $C_2H_5Cl$, $C_2H_4O$, $CH_5N$, $CH_4$. Одно из соединений имеет изомеры. Напишите полные структурные формулы всех приведённых соединений и укажите изомеры.

Решение

Для определения структурных формул и наличия изомеров проанализируем каждое соединение, исходя из валентностей атомов: углерод (C) – IV, водород (H) – I, хлор (Cl) – I, кислород (O) – II, азот (N) – III.

C₂H₅Cl

В этом соединении два атома углерода связаны друг с другом. К ним присоединяются пять атомов водорода и один атом хлора. Независимо от того, к какому атому углерода присоединить атом хлора, получится одна и та же структура – хлорэтан, так как молекула симметрична.

Полная структурная формула:

$$ \Large \begin{array}{cc} \text{H} & \text{H} \\ | & | \\ \text{H}-\text{C} & -\text{C}-\text{Cl} \\ | & | \\ \text{H} & \text{H} \end{array} $$

Ответ: Соединение с формулой $ \text{C}_2\text{H}_5\text{Cl} $ (хлорэтан) не имеет структурных изомеров.

C₂H₄O

Данная молекулярная формула соответствует нескольким классам органических соединений, что указывает на наличие изомерии. Возможны структуры с двойной связью (альдегид, непредельный спирт) или с циклической структурой (простой эфир).

Возможные структурные формулы:

1. Этаналь (ацетальдегид) – представитель класса альдегидов:

$$ \Large \begin{array}{cc} \text{H} & \text{O} \\ | & \parallel \\ \text{H}-\text{C} & -\text{C}-\text{H} \\ | & \\ \text{H} & \end{array} $$

2. Виниловый спирт (этенол) – представитель непредельных спиртов (енолов):

$$ \Large \begin{array}{ccc} \text{H} & \text{H} \\ | & | \\ \text{C} & = \text{C} & - \text{O} - \text{H} \\ | & & \\ \text{H} & & \end{array} $$

3. Этиленоксид (оксиран) – представитель циклических простых эфиров (эпоксидов):

$$ \Large \begin{array}{c} \text{H}_2\text{C} - \text{CH}_2 \\ \diagdown \ \diagup \\ \text{O} \end{array} $$

Ответ: Соединение с формулой $ \text{C}_2\text{H}_4\text{O} $ имеет изомеры. Его структурные формулы: этаналь, виниловый спирт и этиленоксид.

CH₅N

В этом соединении атом углерода связан с атомом азота. Остальные валентности насыщаются атомами водорода. Возможна только одна комбинация, соответствующая метиламину.

Полная структурная формула:

$$ \Large \begin{array}{cc} & \text{H} \\ & | \\ \text{H}-\text{C} & -\text{N}-\text{H} \\ | & | \\ \text{H} & \text{H} \end{array} $$

Ответ: Соединение с формулой $ \text{CH}_5\text{N} $ (метиламин) не имеет структурных изомеров.

CH₄

Для данной формулы существует только одна возможная структура, где один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода – метан.

Полная структурная формула:

$$ \Large \begin{array}{c} \text{H} \\ | \\ \text{H}-\text{C}-\text{H} \\ | \\ \text{H} \end{array} $$

Ответ: Соединение с формулой $ \text{CH}_4 $ (метан) не имеет структурных изомеров.

12. Определите массовую долю углерода в углеводороде, молекулярная формула которого $C_3H_6$.

Дано:

Молекулярная формула углеводорода: C₃H₆

Относительная атомная масса углерода (из Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева): $Ar(C) \approx 12$

Относительная атомная масса водорода: $Ar(H) \approx 1$

Найти:

Массовую долю углерода $ω(C)$ в C₃H₆.

Решение:

Массовая доля элемента в химическом соединении — это отношение массы этого элемента в соединении к общей массе соединения. Она вычисляется по формуле:

$ω(Э) = \frac{n \cdot Ar(Э)}{Mr(вещества)} \cdot 100\%$

где $ω(Э)$ — массовая доля элемента, $n$ — количество атомов данного элемента в одной формульной единице вещества, $Ar(Э)$ — относительная атомная масса элемента, а $Mr(вещества)$ — относительная молекулярная масса вещества.

1. Сначала вычислим относительную молекулярную массу углеводорода C₃H₆. Она равна сумме относительных атомных масс всех атомов, входящих в состав молекулы:

$Mr(C_3H_6) = 3 \cdot Ar(C) + 6 \cdot Ar(H)$

$Mr(C_3H_6) = 3 \cdot 12 + 6 \cdot 1 = 36 + 6 = 42$

2. Теперь, используя общую формулу, рассчитаем массовую долю углерода (C) в C₃H₆. В молекуле содержится 3 атома углерода.

$ω(C) = \frac{3 \cdot Ar(C)}{Mr(C_3H_6)} \cdot 100\%$

$ω(C) = \frac{3 \cdot 12}{42} \cdot 100\% = \frac{36}{42} \cdot 100\%$

Сократим дробь:

$\frac{36}{42} = \frac{6 \cdot 6}{6 \cdot 7} = \frac{6}{7}$

Теперь вычислим значение в процентах:

$ω(C) = \frac{6}{7} \cdot 100\% \approx 0.85714 \cdot 100\% \approx 85.71\%$

Ответ: Массовая доля углерода в углеводороде C₃H₆ составляет примерно 85,71%.

1. Молекулярная формула гептана

1) $C_6H_{14}$

2) $C_7H_{14}$

3) $C_6H_{12}$

4) $C_7H_{16}$

Решение:

Чтобы определить молекулярную формулу гептана, необходимо знать, к какому классу органических соединений он относится и какова их общая формула.

Гептан — это представитель гомологического ряда алканов (предельных, или насыщенных, углеводородов). Общая формула для всех алканов: $C_nH_{2n+2}$, где $n$ — это число атомов углерода в молекуле.

Приставка "гепт-" в названии "гептан" указывает на то, что в углеродной цепи содержится 7 атомов углерода. Таким образом, для гептана $n=7$.

Подставим значение $n=7$ в общую формулу алканов, чтобы рассчитать число атомов водорода:
Число атомов H = $2 \cdot n + 2 = 2 \cdot 7 + 2 = 14 + 2 = 16$.

Следовательно, молекулярная формула гептана — $C_7H_{16}$.

Сравнив полученный результат с предложенными вариантами, мы видим, что он соответствует варианту ответа под номером 4.

Ответ: 4) $C_7H_{16}$

2. Гомологом бутана является

1) пропан 2) изобутан 3) этилен 4) ацетилен

Решение

Гомологи — это органические соединения, принадлежащие к одному гомологическому ряду, то есть имеющие одинаковый качественный состав, сходное строение и химические свойства, но отличающиеся друг от друга по составу на одну или несколько групп $-CH_2-$.

Бутан имеет химическую формулу $C_4H_{10}$. Он относится к классу насыщенных углеводородов — алканов. Общая формула гомологического ряда алканов — $C_nH_{2n+2}$. Чтобы найти гомолог бутана, нужно найти другое соединение, которое также является алканом.

Рассмотрим предложенные варианты:

1) пропан. Пропан имеет химическую формулу $C_3H_8$. Это соединение также является алканом (соответствует общей формуле $C_nH_{2n+2}$ при $n=3$). Пропан и бутан принадлежат к одному гомологическому ряду и отличаются на одну группу $-CH_2-$. Следовательно, пропан является гомологом бутана.

2) изобутан. Изобутан (2-метилпропан) имеет ту же молекулярную формулу, что и бутан — $C_4H_{10}$, но отличается порядком соединения атомов, то есть строением углеродного скелета. Вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным строением, являются изомерами. Изобутан — это изомер бутана, а не гомолог.

3) этилен. Этилен (этен) имеет формулу $C_2H_4$. Он относится к классу алкенов, общая формула которых $C_nH_{2n}$. Поскольку этилен принадлежит к другому классу соединений и имеет двойную связь, он не является гомологом бутана.

4) ацетилен. Ацетилен (этин) имеет формулу $C_2H_2$. Он относится к классу алкинов, общая формула которых $C_nH_{2n-2}$. Ацетилен содержит тройную связь и принадлежит к другому гомологическому ряду, поэтому не является гомологом бутана.

Ответ: 1) пропан.

3. Структурная формула гексана

1) $\text{CH}_3\text{—}\underset{\text{CH}_3}{\text{CH}}\text{—CH}_2\text{—CH}_2\text{—CH}_3$

2) $\text{CH}_3\text{—CH}_2\text{—CH}_2\text{—CH}_2\text{—CH}_2\text{—CH}_3$

3) $\text{CH}_3\text{—CH}_2\text{—}\underset{\text{CH}_2\text{—CH}_2}{\text{CH}}\text{—CH}_2\text{—CH}_3$

4) $\underset{\text{CH}_2\text{—CH}_2}{\text{CH}_2}\text{—CH}_2\text{—}\underset{\text{CH}_2\text{—CH}_2}{\text{CH}}\text{—CH}_2$

Гексан — это предельный углеводород (алкан) с шестью атомами углерода. Общая формула алканов — $C_nH_{2n+2}$. Для гексана (n=6) молекулярная формула будет $C_6H_{2 \cdot 6 + 2} = C_6H_{14}$. Название "гексан" может относиться как к неразветвленному изомеру (н-гексан), так и к любому из его разветвленных изомеров, поскольку все они имеют одинаковую молекулярную формулу $C_6H_{14}$. Проанализируем предложенные варианты, чтобы найти соединение с формулой $C_6H_{14}$.

1) CH₃—CH(CH₃)—CH₂—CH₂—CH₃
Это разветвленный алкан. Самая длинная углеродная цепь содержит 5 атомов углерода (основа — пентан). У второго атома углерода находится метильный радикал (—CH₃). Название этого соединения по номенклатуре ИЮПАК — 2-метилпентан. Подсчитаем общее число атомов: 6 атомов углерода (C) и 14 атомов водорода (H: 3+1+3+2+2+3=14). Молекулярная формула — $C_6H_{14}$. Эта формула соответствует формуле гексана. Следовательно, 2-метилпентан является изомером гексана.

2) CH₃—CH₂—CH₂—CH₂—CH₃
Это неразветвленный алкан. Углеродная цепь состоит из 5 атомов углерода. Это пентан. Его молекулярная формула — $C_5H_{12}$ (5 атомов углерода и 12 атомов водорода: 3+2+2+2+3=12). Эта формула не соответствует формуле гексана.

3) Структура, изображенная в этом пункте, химически некорректна.
Представленное на изображении соединение не является реальной молекулой, так как валентность некоторых атомов углерода не равна четырем. Ввиду некорректности изображения, этот вариант не может быть правильным ответом.

4) Структура, состоящая из шести групп CH₂ в цикле.
Эта формула представляет собой циклогексан. Это соединение относится к классу циклоалканов (общая формула $C_nH_{2n}$), а не алканов. Его молекулярная формула — $C_6H_{12}$ (6 атомов углерода и 12 атомов водорода: 6×2=12). Это соединение не является гексаном, так как имеет другое количество атомов водорода и другую, циклическую, структуру.

Таким образом, единственная структурная формула, которая соответствует гексану (в данном случае его изомеру 2-метилпентану), — это формула, представленная в пункте 1.

Ответ: 1

4. Укажите алкан, формула которого $\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_3$.

1) бутан

2) 2-метилпропан

3) пентан

4) пропан

Решение

Для того чтобы правильно назвать органическое соединение, представленное структурной формулой, необходимо следовать алгоритму номенклатуры ИЮПАК (Международного союза теоретической и прикладной химии).

1. Выбор главной углеродной цепи. Главная цепь – это самая длинная непрерывная последовательность атомов углерода. В представленной формуле $CH_3-CH(CH_3)-CH_3$ можно выделить цепь из трех атомов углерода. Таким образом, основой названия является "пропан".

2. Нумерация атомов в главной цепи. Атомы углерода в главной цепи нумеруют с того конца, к которому ближе находится заместитель (в данном случае, метильная группа $-CH_3$). При нумерации цепи $(C^1H_3-C^2H-C^3H_3)$ как слева направо, так и справа налево, метильная группа оказывается связанной со вторым атомом углерода $(C^2)$.

3. Формирование названия. Название строится по принципу: "номер положения заместителя"-"название заместителя""название главной цепи". В нашем случае у второго атома углерода находится метильная группа. Следовательно, название соединения – 2-метилпропан.

Среди предложенных вариантов ответа:

• 1) бутан – это алкан с неразветвленной цепью из 4 атомов углерода ($CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$);
• 2) 2-метилпропан – это название в точности соответствует проанализированной структуре;
• 3) пентан – это алкан с цепью из 5 атомов углерода;
• 4) пропан – это алкан с цепью из 3 атомов углерода, но без заместителей ($CH_3-CH_2-CH_3$).

Таким образом, верным является вариант 2.

Ответ: 2-метилпропан.