Страница 20 - гдз по химии 10 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

13. Вы конечно же не раз видели чёрный дым от грузовых машин. Почему метан горит бесцветным пламенем, а при горении на воздухе жидких углеводородов (например, гексана) образуется копоть?

Различие в горении метана и жидких углеводородов, таких как гексан, связано с разным относительным содержанием углерода в их молекулах и, как следствие, с разной полнотой сгорания в обычных условиях на воздухе.

Горение метана
Метан ($CH_4$) — это простейший представитель углеводородов (алканов). В его молекуле на один атом углерода приходится четыре атома водорода. Массовая доля углерода в метане сравнительно невысока. Будучи газом, метан очень хорошо и равномерно смешивается с кислородом воздуха, что способствует его полному сгоранию.

Реакция полного сгорания метана выглядит следующим образом:
$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$
Продуктами этой реакции являются углекислый газ ($CO_2$) и водяной пар ($H_2O$). Оба этих вещества — бесцветные газы. В пламени не образуются твердые частицы, которые могли бы раскалиться и светиться, поэтому пламя метана практически бесцветное или имеет бледно-голубой оттенок.

Горение жидких углеводородов (гексана)
В молекулах жидких углеводородов, таких как гексан ($C_6H_{14}$) или компоненты дизельного топлива, содержится значительно больше атомов углерода по отношению к атомам водорода (более высокое относительное содержание углерода). Для их полного сгорания требуется гораздо большее количество кислорода.

Реакция полного сгорания гексана:
$2C_6H_{14} + 19O_2 \rightarrow 12CO_2 + 14H_2O$
При горении на воздухе (например, в двигателе автомобиля или просто в пламени свечи) кислорода часто не хватает для полного окисления всех атомов углерода. Процесс горения осложняется тем, что жидкость должна сначала испариться, и смешение паров с воздухом происходит неравномерно. Это приводит к неполному сгоранию.

При неполном сгорании, наряду с $CO_2$ и $H_2O$, образуются элементарный углерод (сажа) и угарный газ ($CO$).
Пример реакции с образованием сажи:
$C_6H_{14} + 5O_2 \rightarrow 6C + 7H_2O$
Мельчайшие частицы сажи, попадая в зону высоких температур пламени, раскаляются и начинают ярко светиться желто-оранжевым светом. Именно это свечение мы и воспринимаем как яркое, "коптящее" пламя. Несгоревшие частицы сажи уносятся потоком дымовых газов, образуя черный дым, или копоть.

Ответ: Метан горит бесцветным пламенем, потому что он имеет низкое содержание углерода и как газ хорошо смешивается с воздухом, что обеспечивает его полное сгорание до бесцветных продуктов ($CO_2$ и $H_2O$). При горении жидких углеводородов (например, гексана), имеющих высокое содержание углерода, кислорода воздуха часто не хватает для полного сгорания. Происходит неполное сгорание с образованием твердых частиц углерода (сажи). Эти частицы раскаляются в пламени, придавая ему яркий желтый цвет, а их выброс в атмосферу выглядит как черный дым (копоть).

14. Определите количество теплоты, которое выделится при сжигании 2 моль метана, если термохимическое уравнение реакции его горения

$CH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2H_2 + 880 \text{ кДж}$

Дано:

Термохимическое уравнение: $CH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2H_2O + 880 \, \text{кДж}$

Количество вещества метана: $n(CH_4) = 2 \, \text{моль}$

Найти:

Количество теплоты $Q$ — ?

Решение:

Термохимическое уравнение реакции показывает, какое количество теплоты выделяется или поглощается при взаимодействии веществ в количествах, соответствующих их стехиометрическим коэффициентам в уравнении.

В данном уравнении $CH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2H_2O + 880 \, \text{кДж}$ коэффициент перед метаном ($CH_4$) равен 1. Это означает, что при сгорании 1 моль метана выделяется 880 кДж теплоты.

Чтобы определить количество теплоты, выделяющееся при сжигании 2 моль метана, можно составить пропорцию, так как количество выделяемой теплоты прямо пропорционально количеству сгоревшего вещества.

При сгорании $1 \, \text{моль} \, CH_4$ — выделяется $880 \, \text{кДж}$ теплоты.

При сгорании $2 \, \text{моль} \, CH_4$ — выделяется $Q \, \text{кДж}$ теплоты.

Составим пропорциональное соотношение:

$ \frac{1 \, \text{моль}}{2 \, \text{моль}} = \frac{880 \, \text{кДж}}{Q} $

Выразим и вычислим $Q$:

$ Q = \frac{2 \, \text{моль} \cdot 880 \, \text{кДж}}{1 \, \text{моль}} $

$ Q = 1760 \, \text{кДж} $

Ответ: при сжигании 2 моль метана выделится 1760 кДж теплоты.

1. Общая формула алканов

1) $C_n H_{2n}$

2) $C_n H_{2n+2}$

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

4) $C_n H_n$

Решение

Алканы, также известные как предельные или насыщенные углеводороды (или парафины), представляют собой класс органических соединений, состоящих только из атомов углерода ($C$) и водорода ($H$). Их ключевая особенность заключается в том, что все связи между атомами углерода в их молекулах являются одинарными (сигма-связями), а остальные валентности атомов углерода насыщены атомами водорода.

Общая формула гомологического ряда алканов выводится из их строения. В линейной (неразветвленной) цепи из $n$ атомов углерода каждый "внутренний" атом углерода связан с двумя соседними атомами углерода и двумя атомами водорода. Два "концевых" атома углерода связаны только с одним соседним атомом углерода и тремя атомами водорода. Таким образом, количество атомов водорода можно рассчитать как $2n$ (по два на каждый атом углерода) плюс еще два атома водорода на концах цепи. Это приводит к общей формуле $C_n H_{2n+2}$, где $n$ — целое число, начиная с 1.

Давайте проверим эту формулу на первых членах гомологического ряда алканов:

• Для метана ($n=1$): $CH_4$. Формула: $C_1H_{2 \cdot 1+2} = CH_4$. Совпадает.
• Для этана ($n=2$): $C_2H_6$. Формула: $C_2H_{2 \cdot 2+2} = C_2H_6$. Совпадает.
• Для пропана ($n=3$): $C_3H_8$. Формула: $C_3H_{2 \cdot 3+2} = C_3H_8$. Совпадает.

Проанализируем остальные варианты ответов:

1. $C_n H_{2n}$ — это общая формула для алкенов (содержащих одну двойную связь) или циклоалканов.
2. $C_n H_{2n-2}$ — это общая формула для алкинов (содержащих одну тройную связь) или алкадиенов (содержащих две двойные связи).
3. $C_n H_n$ — не является общей формулой для основных гомологических рядов углеводородов.

Таким образом, единственная верная общая формула для алканов из предложенных — это $C_n H_{2n+2}$.

Ответ: 2) $C_n H_{2n+2}$

2. Гомологом пропана является вещество, формула которого

1) $C_3H_6$

2) $C_7H_{14}$

3) $C_4H_{10}$

4) $C_3H_8$

Решение

Гомологи — это вещества, которые принадлежат к одному и тому же гомологическому ряду, имеют сходное химическое строение и свойства, но отличаются друг от друга по составу на одну или несколько групп $-CH_2-$.

Пропан относится к классу алканов. Общая формула для гомологического ряда алканов: $C_n H_{2n+2}$, где $n$ — число атомов углерода.

Для пропана $n=3$, его молекулярная формула — $C_3 H_{2 \cdot 3 + 2} = C_3H_8$.

Чтобы найти гомолог пропана, нужно проверить, какая из предложенных формул соответствует общей формуле алканов $C_n H_{2n+2}$ и не является формулой самого пропана.

Проанализируем варианты ответов:

1) $C_3H_6$ — при $n=3$ число атомов водорода должно быть $2 \cdot 3 + 2 = 8$. Формула $C_3H_6$ соответствует общей формуле алкенов ($C_n H_{2n}$). Это пропен. Не является гомологом пропана.

2) $C_7H_{14}$ — при $n=7$ число атомов водорода для алкана должно быть $2 \cdot 7 + 2 = 16$. Формула $C_7H_{14}$ соответствует общей формуле алкенов ($C_n H_{2n}$). Это гептен. Не является гомологом пропана.

3) $C_4H_{10}$ — при $n=4$ число атомов водорода для алкана должно быть $2 \cdot 4 + 2 = 10$. Формула $C_4H_{10}$ соответствует общей формуле алканов. Это вещество (бутан) принадлежит к тому же гомологическому ряду, что и пропан, и отличается от него на одну группу $-CH_2-$. Следовательно, это гомолог пропана.

4) $C_3H_8$ — это формула самого пропана. Вещество не является гомологом самому себе.

Ответ: 3

3. Структурная формула гептана

1) ${CH3-CH-CH2-CH3 \\ \quad | \\ \quad CH3}$

2) ${CH3-CH-CH2-CH-CH3 \\ \quad | \quad \quad \quad | \\ \quad CH3 \quad \quad CH3}$

3) ${CH3-CH2-CH-CH2-CH3 \\ \quad \quad \quad | \\ \quad \quad \quad CH2-CH2}$

4) ${CH2-CH-CH3 \\ | \quad | \\ CH2-CH2 \quad CH2}$

Гептан — это насыщенный углеводород (алкан), содержащий в своей цепи семь атомов углерода. Общая формула гомологического ряда алканов — $C_nH_{2n+2}$. Для гептана, где $n=7$, молекулярная формула будет $C_7H_{2 \cdot 7 + 2} = C_7H_{16}$. Задачей является нахождение структурной формулы, соответствующей составу $C_7H_{16}$ среди предложенных вариантов.

Рассмотрим каждый вариант:

1) $\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}_3$

Это соединение является 2-метилбутаном. Его самая длинная цепь содержит 4 атома углерода. Общее число атомов углерода в молекуле — 5, а водорода — 12. Молекулярная формула — $C_5H_{12}$. Данное соединение не является гептаном.

2) $\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_3$

Это соединение является 2,4-диметилпентаном. Его самая длинная цепь содержит 5 атомов углерода, и к ней присоединены два метильных радикала. Общее число атомов углерода — $5+1+1=7$. Общее число атомов водорода — $3+1+3+2+1+3+3=16$. Молекулярная формула — $C_7H_{16}$. Это соединение является изомером гептана.

3) Структурная формула в варианте 3

Представленная на изображении структура химически некорректна. В ней один из атомов углерода образует 5 связей, что невозможно, так как валентность углерода в органических соединениях равна четырем. Следовательно, этот вариант не может быть правильным ответом.

4) Структурная формула в варианте 4

Данная структура также изображена некорректно и неоднозначно. Если попытаться ее интерпретировать как устойчивое циклическое соединение, например, метилциклопентан, то его формула будет $C_6H_{12}$. В любом случае, она не соответствует гептану.

Исходя из анализа, только структурная формула под номером 2 является корректно изображенной молекулой и соответствует молекулярной формуле гептана ($C_7H_{16}$).

Ответ: 2

4. Укажите название алкана, формула которого

$\text{CH}_3\text{--CH}_2\text{--CH}_2\text{--}\underset{\text{CH}_3}{\text{CH}}\text{--CH}_3$

1) гексан

2) 2-метилпентан

3) метилпентан

4) 4-метилпентан

Решение

Чтобы определить название алкана по международной номенклатуре ИЮПАК, необходимо следовать определённым правилам.

1. Находим самую длинную непрерывную цепь атомов углерода. В представленной структурной формуле $CH_3-CH_2-CH_2-CH(CH_3)-CH_3$ самая длинная углеродная цепь включает в себя 5 атомов углерода. Следовательно, основой названия является "пентан".

2. Нумеруем атомы углерода в главной цепи. Нумерацию следует начинать с того конца, к которому ближе расположен заместитель (в данном случае это метильная группа $-CH_3$).

- Если нумеровать цепь слева направо, то метильная группа будет находиться у четвертого атома углерода ($^1CH_3-^2CH_2-^3CH_2-^4CH-^5CH_3$). Название было бы 4-метилпентан.

- Если нумеровать цепь справа налево, то метильная группа будет находиться у второго атома углерода ($^5CH_3-^4CH_2-^3CH_2-^2CH-^1CH_3$). Название было бы 2-метилпентан.

3. Выбираем правильную нумерацию. Согласно правилу наименьших локантов (номеров), следует выбрать ту нумерацию, при которой заместитель получает наименьший номер. Сравнивая 2 и 4, выбираем 2. Таким образом, правильная нумерация цепи — справа налево.

4. Формируем полное название. Название строится по схеме: [номер положения заместителя]-[название заместителя][название основной цепи]. В данном случае получаем: 2-метилпентан.

Исходя из этого, правильным вариантом ответа является "2-метилпентан".

Ответ: 2) 2-метилпентан.

5. Температура кипения алканов в ряду пентан, гексан, бутан, этан

1) уменьшается

2) не изменяется

3) увеличивается

4) сначала увеличивается, затем уменьшается

Решение

Температура кипения алканов неразветвленного строения напрямую зависит от длины углеродной цепи и, соответственно, от молярной массы. Чем больше атомов углерода в молекуле, тем больше ее поверхность и сильнее межмолекулярные (Ван-дер-Ваальсовы) силы притяжения. Для преодоления этих сил требуется больше энергии, поэтому температура кипения повышается.

Рассмотрим ряд алканов, представленный в задании, и определим количество атомов углерода в каждом из них:

- Пентан ($C_5H_{12}$) имеет 5 атомов углерода.
- Гексан ($C_6H_{14}$) имеет 6 атомов углерода.
- Бутан ($C_4H_{10}$) имеет 4 атома углерода.
- Этан ($C_2H_6$) имеет 2 атома углерода.

Теперь проанализируем, как изменяется температура кипения в данной последовательности:

1. При переходе от пентана (5 атомов углерода) к гексану (6 атомов углерода) число атомов углерода увеличивается. Следовательно, температура кипения увеличивается.

2. При переходе от гексана (6 атомов углерода) к бутану (4 атома углерода) число атомов углерода уменьшается. Следовательно, температура кипения уменьшается.

3. При переходе от бутана (4 атома углерода) к этану (2 атома углерода) число атомов углерода снова уменьшается, и температура кипения продолжает уменьшаться.

Таким образом, в ряду пентан → гексан → бутан → этан температура кипения сначала увеличивается, а затем уменьшается.

Ответ: 4) сначала увеличивается, затем уменьшается