Страница 14 - гдз по химии 10 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

5. Наиболее высокую температуру кипению имеет

1) пентан

2) гексан

3) пропан

4) метан

Решение

Для ответа на этот вопрос необходимо понимать, как строение молекул алканов влияет на их физические свойства, в частности, на температуру кипения. Все перечисленные вещества: пентан, гексан, пропан и метан — относятся к одному гомологическому ряду алканов (насыщенных углеводородов).

Молекулы алканов являются неполярными, поэтому в жидком и твердом состояниях они удерживаются вместе за счет слабых межмолекулярных сил, называемых силами Ван-дер-Ваальса (или дисперсионными силами Лондона). Температура кипения вещества напрямую зависит от силы этих взаимодействий: чем сильнее притяжение между молекулами, тем больше энергии (и выше температура) требуется для их разделения и перехода в газообразное состояние.

Сила дисперсионных взаимодействий в гомологическом ряду алканов увеличивается с увеличением длины углеродной цепи, то есть с ростом молярной массы. Более крупные молекулы имеют большую площадь поверхности, что позволяет им сильнее взаимодействовать друг с другом.

Проанализируем представленные варианты по числу атомов углерода в их молекулах:

1) пентан
Химическая формула пентана — $C_5H_{12}$. Молекула содержит 5 атомов углерода.

2) гексан
Химическая формула гексана — $C_6H_{14}$. Молекула содержит 6 атомов углерода.

3) пропан
Химическая формула пропана — $C_3H_8$. Молекула содержит 3 атома углерода.

4) метан
Химическая формула метана — $CH_4$. Молекула содержит 1 атом углерода.

Сравнивая количество атомов углерода, можно расположить вещества в ряд по увеличению длины цепи: метан (1 атом C) < пропан (3 атома C) < пентан (5 атомов C) < гексан (6 атомов C).

Таким образом, гексан имеет самую длинную углеродную цепь и наибольшую молярную массу среди предложенных вариантов. Это обуславливает самые сильные межмолекулярные взаимодействия и, как следствие, самую высокую температуру кипения.

Ответ: 2) гексан.

6. Метан от бутана отличается

1) запахом

2) растворимостью в воде

3) цветом

4) температурой кипения

Метан ($CH_4$) и бутан ($C_4H_{10}$) являются гомологами — веществами, принадлежащими к одному классу (алканы), имеющими сходное строение, но отличающимися по составу на одну или несколько групп $-CH_2-$. Их физические свойства закономерно изменяются с увеличением молекулярной массы. Проанализируем предложенные варианты отличий.

1) запахом. В чистом виде и метан, и бутан — это газы, не имеющие запаха. Характерный «запах газа» в быту создается искусственно путем добавления специальных сильно пахнущих веществ (одорантов) в целях безопасности. Таким образом, по этому свойству они не отличаются.

2) растворимостью в воде. Молекулы метана и бутана неполярны, в то время как молекулы воды ($H_2O$) полярны. Из-за этого оба газа очень плохо растворяются в воде. Это их общее свойство, а не существенное различие.

3) цветом. При нормальных условиях метан и бутан являются бесцветными газами. По этому признаку они не отличаются.

4) температурой кипения. Это ключевое физическое свойство, которое закономерно изменяется в гомологическом ряду. Оно зависит от силы межмолекулярных взаимодействий (сил Ван-дер-Ваальса). Эти силы усиливаются с увеличением размера и массы молекулы. Молекула бутана ($C_4H_{10}$) значительно крупнее и тяжелее молекулы метана ($CH_4$), поэтому силы притяжения между молекулами бутана сильнее. Это приводит к значительно более высокой температуре кипения у бутана ($-0.5^\circ\text{C}$) по сравнению с метаном ($-161.5^\circ\text{C}$). Таким образом, именно температура кипения является главным отличительным свойством метана и бутана из перечисленных.

Ответ: 4

7. При сгорании 5 л метана выделяется углекислый газ объёмом (н. у.)

1) 5 л

2) 10 л

3) 22,4 л

4) 2,5 л

Дано:

Объем метана $V(CH_4) = 5$ л

Условия нормальные (н. у.)

Найти:

Объем углекислого газа $V(CO_2)$ - ?

Решение:

Для решения задачи необходимо составить уравнение реакции горения метана и использовать закон объемных отношений газов.

1. Запишем уравнение реакции полного сгорания метана ($CH_4$) в кислороде ($O_2$). Продуктами реакции являются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$).

Схема реакции: $CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$

2. Уравняем химическую реакцию, расставив стехиометрические коэффициенты. Необходимо, чтобы число атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения было одинаковым.

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

3. Согласно закону объемных отношений Гей-Люссака, объемы газов, вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции, относятся друг к другу как простые целые числа, которые равны их стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции. Это справедливо при условии, что объемы измеряются при одинаковых температуре и давлении (в данном случае — при нормальных условиях, н. у.).

Из сбалансированного уравнения реакции мы видим, что перед формулой метана ($CH_4$) и углекислого газа ($CO_2$) стоит коэффициент 1 (который обычно не пишется).

$1CH_4 + 2O_2 \rightarrow 1CO_2 + 2H_2O$

Это означает, что объемное соотношение метана и углекислого газа составляет 1:1.

$\frac{V(CH_4)}{1} = \frac{V(CO_2)}{1}$

Следовательно, объем образовавшегося углекислого газа будет равен объему сгоревшего метана.

$V(CO_2) = V(CH_4) = 5$ л.

Таким образом, при сгорании 5 л метана выделится 5 л углекислого газа.

Ответ: 1) 5 л

8. Укажите формулы веществ A и B в схеме $CO_2 \xleftarrow{\text{A}} C_2H_6 \xrightarrow{\text{B}} C_2H_5Cl$.

1) $H_2O$ и $Cl_2$

2) $O_2$ и $HCl$

3) $O_2$ и $Cl_2$

4) $NO_2$ и $HCl$

Решение

Для определения веществ А и В необходимо рассмотреть две химические реакции, исходящие из этана ($C_2H_6$), которые представлены в схеме: $CO_2 \xleftarrow{A} C_2H_6 \xrightarrow{B} C_2H_5Cl$.

Вещество А

Первое превращение: $C_2H_6 \xrightarrow{A} CO_2$. В этой реакции этан ($C_2H_6$) окисляется до диоксида углерода ($CO_2$). Это реакция полного горения, которая происходит в присутствии избытка кислорода ($O_2$) при нагревании. Уравнение реакции выглядит следующим образом:

$2C_2H_6 + 7O_2 \rightarrow 4CO_2 + 6H_2O$

Следовательно, вещество А — это кислород ($O_2$).

Вещество В

Второе превращение: $C_2H_6 \xrightarrow{B} C_2H_5Cl$. В этой реакции этан ($C_2H_6$) превращается в хлорэтан ($C_2H_5Cl$). Это реакция галогенирования (разновидность реакции замещения), характерная для алканов. Она протекает при взаимодействии этана с хлором ($Cl_2$) под действием ультрафиолетового света ($h\nu$) или при высокой температуре. В результате один атом водорода в молекуле этана замещается на атом хлора.

Уравнение реакции:

$C_2H_6 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Cl + HCl$

Следовательно, вещество В — это хлор ($Cl_2$).

Таким образом, вещество А — это кислород ($O_2$), а вещество В — это хлор ($Cl_2$). Данная пара соответствует варианту ответа 3.

Ответ: 3

9. Верны ли утверждения?

А. Гомологи — это органические вещества, сходные по строению и свойствам.

Б. Изомеры — это вещества одинаковые по составу, но разные по строению и свойствам.

1) верно только А

2) верно только Б

3) оба утверждения верны

4) оба утверждения неверны

Решение

Для того чтобы определить, верны ли предложенные утверждения, необходимо рассмотреть определения понятий «гомологи» и «изомеры» в органической химии.

А. Гомологи — это органические вещества, сходные по строению и свойствам.

Гомологи — это вещества, принадлежащие к одному классу соединений (имеют одну и ту же функциональную группу) и обладающие сходным строением. Члены одного гомологического ряда отличаются друг от друга на одну или несколько групп –$CH_2$– (гомологическую разность). Из-за сходства в строении гомологи имеют близкие химические свойства. Например, гомологический ряд предельных одноатомных спиртов: метанол ($CH_3OH$), этанол ($C_2H_5OH$), пропанол ($C_3H_7OH$). Все они содержат гидроксильную группу –$OH$, что обуславливает их общие химические свойства (например, реакцию с щелочными металлами). Таким образом, утверждение о том, что гомологи сходны по строению и свойствам, является верным.

Б. Изомеры — это вещества одинаковые по составу, но разные по строению и свойствам.

Изомеры — это химические соединения, которые имеют одинаковый атомный состав (то есть одинаковую молекулярную формулу), но различаются порядком соединения атомов в молекуле (структурная изомерия) или их пространственным расположением (пространственная изомерия). Вследствие различий в строении, изомеры являются разными веществами и, как правило, имеют различные физические и химические свойства. Например, для молекулярной формулы $C_2H_6O$ существуют два структурных изомера: диметиловый эфир ($CH_3–O–CH_3$) и этиловый спирт ($CH_3–CH_2–OH$). Диметиловый эфир — это газ при комнатной температуре, химически довольно инертный. Этиловый спирт — жидкость, которая реагирует, например, с натрием. Это подтверждает, что вещества с одинаковым составом, но разным строением имеют разные свойства. Следовательно, утверждение Б также является верным.

Поскольку оба утверждения, А и Б, являются верными, правильный вариант ответа — 3.

Ответ: 3

10. В результате реакции изомеризации из бутана можно получить

1) пентан

2) этан

3) метилпропан

4) пропан

Решение

Реакция изомеризации — это химический процесс, в результате которого происходит изменение структуры молекулы вещества без изменения его атомного состава. Продукт реакции изомеризации является изомером исходного вещества. Изомеры — это соединения, которые имеют одинаковую молекулярную формулу, но разное строение (порядок соединения атомов).

Исходное вещество — бутан. Это алкан с молекулярной формулой $C_4H_{10}$. Его неразветвленная структура (н-бутан) выглядит так: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$.

Чтобы найти продукт реакции изомеризации бутана, нужно найти в вариантах ответов его изомер, то есть вещество с такой же молекулярной формулой $C_4H_{10}$, но с разветвленной структурой углеродного скелета.

Рассмотрим предложенные варианты:

1) пентан

Пентан — это алкан, содержащий 5 атомов углерода. Его молекулярная формула — $C_5H_{12}$. Состав отличается от бутана, следовательно, он не является его изомером.

2) этан

Этан — это алкан, содержащий 2 атома углерода. Его молекулярная формула — $C_2H_6$. Состав отличается от бутана, следовательно, он не является его изомером.

3) метилпропан

Метилпропан (изобутан) имеет разветвленное строение. Его основная цепь состоит из 3 атомов углерода (пропан), и к центральному атому присоединена метильная группа ($CH_3$). Структурная формула: $CH_3-CH(CH_3)-CH_3$. Подсчитаем атомы: 4 атома углерода и 3+1+3+3 = 10 атомов водорода. Молекулярная формула метилпропана — $C_4H_{10}$. Так как молекулярные формулы бутана и метилпропана совпадают, а строение у них разное, они являются структурными изомерами. Реакция превращения бутана в метилпропан — это классический пример реакции изомеризации.

Уравнение реакции:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{AlCl_3, t} CH_3-CH(CH_3)-CH_3$

4) пропан

Пропан — это алкан, содержащий 3 атома углерода. Его молекулярная формула — $C_3H_8$. Состав отличается от бутана, следовательно, он не является его изомером.

Таким образом, в результате реакции изомеризации из бутана можно получить метилпропан.

Ответ: 3) метилпропан.

11. Бытовой (природный) газ — это преимущественно смесь алканов с небольшой молекулярной массой, не имеющих запаха и цвета.

Выберите утверждения, характеризующие природный газ.

1) Для обнаружения утечки бытового газа к нему добавляют резко пахнущие органические соединения.

2) Запасы природного газа на нашей планете очень велики.

3) Основным компонентом природного газа является метан, объёмная доля которого от 70 до $98 \text{ \%}$, а остальной объём приходится на этан, пропан, бутан и неорганические газы.

4) Россия занимает одно из ведущих мест в мире по запасам, добыче, экспорту и переработке природного газа.

5) Из природного газа выделяют инертный газ гелий.

Для ответа на вопрос проанализируем каждое утверждение по отдельности.

1) Для обнаружения утечки бытового газа к нему добавляют резко пахнущие органические соединения.

Это утверждение является верным. Природный газ, который используется в быту, в основном состоит из метана ($CH_4$), который не имеет ни цвета, ни запаха. Чтобы сделать утечку газа заметной и предотвратить опасность взрыва или отравления, в него добавляют одоранты — специальные вещества с очень резким и неприятным запахом (например, этилмеркаптан $C_2H_5SH$). Человек может почувствовать запах одорированного газа даже при его очень низкой концентрации в воздухе.

2) Запасы природного газа на нашей планете очень велики.

Это утверждение является некорректным. Природный газ — это ископаемое топливо, то есть невозобновляемый природный ресурс. Его запасы на Земле конечны и со временем будут исчерпаны. Хотя разведанные на сегодняшний день запасы значительны, характеристика «очень велики» является субъективной и не отражает проблему конечности природных ресурсов, что является важным аспектом в современном образовании и науке.

3) Основным компонентом природного газа является метан, объёмная доля которого от 70 до 98 %, а остальной объём приходится на этан, пропан, бутан и неорганические газы.

Это утверждение является верным. Оно точно описывает состав природного газа. В зависимости от месторождения, объёмная доля метана ($CH_4$) колеблется в указанных пределах. Остальную часть составляют его гомологи — этан ($C_2H_6$), пропан ($C_3H_8$), бутан ($C_4H_{10}$), а также неорганические газы, такие как азот ($N_2$), диоксид углерода ($CO_2$), сероводород ($H_2S$) и инертные газы (включая гелий).

4) Россия занимает одно из ведущих мест в мире по запасам, добыче, экспорту и переработке природного газа.

Это утверждение является верным. Российская Федерация обладает крупнейшими в мире доказанными запасами природного газа. Страна также является одним из мировых лидеров по объёмам добычи, экспорта и переработки этого ценного энергетического ресурса.

5) Из природного газа выделяют инертный газ гелий.

Это утверждение является верным. Природный газ — это основной промышленный источник гелия ($He$) на планете. В некоторых месторождениях природного газа концентрация гелия достаточно высока для его рентабельного извлечения. Процесс разделения основан на сжижении природного газа при низких температурах (криогенная технология), при этом гелий остается в газообразном состоянии и отделяется.

Таким образом, верными являются утверждения под номерами 1, 3, 4, 5.

Ответ: 1, 3, 4, 5.