Страница 25 - гдз по химии 10 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

2.Изомером 2-метилбутена-1 является

1) пентан 2) пентен-2 3) бутен-2 4) 2-метилбутан

Решение

Изомеры — это химические соединения, которые имеют одинаковый качественный и количественный состав (то есть одинаковую молекулярную формулу), но разное строение и, следовательно, разные свойства. Чтобы найти изомер 2-метилбутена-1, необходимо сначала определить его молекулярную формулу, а затем найти соединение с такой же формулой среди предложенных вариантов.

1. Определим молекулярную формулу 2-метилбутена-1.

Название "бутен" указывает на основную цепь из 4 атомов углерода и наличие одной двойной связи (суффикс "-ен"). Цифра "-1" означает, что двойная связь начинается у первого атома углерода. Приставка "2-метил" указывает на наличие метильной группы ($CH_3$) у второго атома углерода.

Структурная формула 2-метилбутена-1 выглядит так:
$CH_2=C(CH_3)-CH_2-CH_3$

Теперь посчитаем общее число атомов углерода и водорода.
Атомов углерода (C): 4 в основной цепи и 1 в метильной группе, итого 5.
Атомов водорода (H): 2 + 3 + 2 + 3 = 10.
Таким образом, молекулярная формула 2-метилбутена-1 — $C_5H_{10}$. Это соответствует общей формуле алкенов $C_nH_{2n}$.

2. Теперь определим молекулярные формулы соединений из предложенных вариантов.

1) пентан
Это алкан (суффикс "-ан") с 5 атомами углерода ("пент-"). Общая формула алканов — $C_nH_{2n+2}$.
Для пентана (n=5) молекулярная формула будет $C_5H_{2 \cdot 5 + 2} = C_5H_{12}$. Эта формула не совпадает.

2) пентен-2
Это алкен (суффикс "-ен") с 5 атомами углерода ("пент-"). Общая формула алкенов — $C_nH_{2n}$.
Для пентена (n=5) молекулярная формула будет $C_5H_{2 \cdot 5} = C_5H_{10}$. Эта формула совпадает с формулой 2-метилбутена-1. Строение у них разное, следовательно, пентен-2 является изомером 2-метилбутена-1.

3) бутен-2
Это алкен с 4 атомами углерода ("бут-").
Молекулярная формула: $C_4H_{2 \cdot 4} = C_4H_8$. Эта формула не совпадает.

4) 2-метилбутан
Это алкан (суффикс "-ан"). Основная цепь "бут-" (4 атома C) и метильная группа (1 атом C) дают в сумме 5 атомов углерода.
Как и у любого алкана с 5 атомами углерода, его формула $C_5H_{12}$. Эта формула не совпадает.

Вывод: единственным соединением с молекулярной формулой $C_5H_{10}$ из предложенных является пентен-2.

Ответ: 2) пентен-2.

3. Гомологом бутена-1 является

1) пентен-1

2) бутен-2

3) пентан

4) 2-метилпропен

Решение

Гомологи — это вещества, которые принадлежат к одному и тому же классу органических соединений, имеют сходное химическое строение и свойства, но отличаются друг от друга по составу на одну или несколько групп $-CH_2-$ (гомологическая разность).

Бутен-1 — это нециклический углеводород, относящийся к классу алкенов. Его химическая формула — $C_4H_8$. Общая формула гомологического ряда алкенов — $C_nH_{2n}$. Гомолог бутена-1 должен быть алкеном, но с другим числом атомов углерода в молекуле.

Рассмотрим предложенные варианты:

1) пентен-1
Пентен-1 — это алкен (суффикс «-ен») с пятью атомами углерода (корень «пент-»). Его химическая формула — $C_5H_{10}$. Он принадлежит к тому же гомологическому ряду, что и бутен-1 ($C_4H_8$), и отличается от него на одну группу $-CH_2-$. Следовательно, пентен-1 является гомологом бутена-1.

2) бутен-2
Бутен-2 — это алкен с четырьмя атомами углерода. Его химическая формула — $C_4H_8$. Поскольку молекулярные формулы бутена-1 и бутена-2 совпадают, но строение у них разное (отличаются положением двойной связи), они являются структурными изомерами, а не гомологами.

3) пентан
Пентан — это алкан (суффикс «-ан»). Его химическая формула — $C_5H_{12}$. Он относится к другому гомологическому ряду (общая формула $C_nH_{2n+2}$) и обладает другими химическими свойствами, поэтому не является гомологом бутена-1.

4) 2-метилпропен
2-метилпропен — это алкен с разветвленной цепью. Его химическая формула также $C_4H_8$. Это структурный изомер бутена-1 (изомер углеродного скелета), но не его гомолог.

Таким образом, гомологом бутена-1 является пентен-1.

Ответ: 1

4. Геометрическими изомерами являются вещества, формулы которых

1) $\begin{matrix} \text{H}_3\text{C} & & \text{H} \\ & \text{C=C} & \\ \text{H} & & \text{H} \end{matrix}$ и $\begin{matrix} \text{H} & & \text{H} \\ & \text{C=C} & \\ \text{H} & & \text{CH}_3 \end{matrix}$

2) $\begin{matrix} \text{H} & & \text{H} \\ & \text{C=C} & \\ \text{H}_3\text{C} & & \text{H} \end{matrix}$ и $\begin{matrix} \text{H}_3\text{C} & & \text{H} \\ & \text{C=C} & \\ \text{H} & & \text{H} \end{matrix}$

3) $\begin{matrix} \text{H} & & \text{CH}_2\text{-CH}_3 \\ & \text{C=C} & \\ \text{H}_3\text{C} & & \text{H} \end{matrix}$ и $\begin{matrix} \text{H} & & \text{H} \\ & \text{C=C} & \\ \text{H}_3\text{C} & & \text{CH}_2\text{-CH}_3 \end{matrix}$

4) $\text{H}_3\text{C}\text{-CH}_2\text{-CH}_2\text{-CH}_3$ и $\text{H}_3\text{C}\text{-CH}_2\text{-CH}(\text{CH}_3)\text{-CH}_3$

Геометрическая (или цис-транс) изомерия — это вид пространственной изомерии, характеризующийся различным положением заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла. Для существования геометрических изомеров у алкенов необходимо выполнение двух условий:

1. Наличие в молекуле двойной связи $C=C$, которая препятствует свободному вращению.
2. Каждый из двух атомов углерода при двойной связи должен быть соединён с двумя различными атомами или группами атомов.

Проанализируем предложенные пары веществ:

1) В этой паре оба вещества являются пропеном ($CH_3-CH=CH_2$). У второго атома углерода в двойной связи ($...=CH_2$) находятся два одинаковых заместителя — два атома водорода. Следовательно, для этого вещества геометрическая изомерия невозможна. Представлены две одинаковые молекулы.
Ответ: не являются геометрическими изомерами.

2) Эта пара, как и предыдущая, представляет собой две молекулы пропена ($CH_3-CH=CH_2$). Хотя они нарисованы по-разному, они представляют одно и то же соединение, так как у одного из атомов углерода при двойной связи есть два одинаковых заместителя (атомы водорода), что делает невозможным существование цис- и транс-изомеров.
Ответ: не являются геометрическими изомерами.

3) В этой паре представлены два изомера пентена-2. Рассмотрим заместители при двойной связи ($CH_3-CH=CH-CH_2-CH_3$):

• У первого атома углерода ($C_2$) заместители — это метильная группа ($CH_3$) и атом водорода ($H$). Они различны.
• У второго атома углерода ($C_3$) заместители — это этильная группа ($CH_2-CH_3$) и атом водорода ($H$). Они также различны.

4) В этой паре представлены два алкана: н-пентан ($CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$) и 2-метилбутан (изопентан). В молекулах алканов отсутствуют двойные связи, вращение вокруг одинарных связей свободное, поэтому для них геометрическая изомерия не характерна. Эти вещества имеют одинаковый качественный и количественный состав ($C_5H_{12}$), но разное строение углеродного скелета, следовательно, они являются структурными изомерами.
Ответ: не являются геометрическими изомерами.

5. При взаимодействии этилена с хлором образуется вещество, формула которого

1) $C_2H_4Cl_2$

2) $C_2H_5Cl$

3) $CH_3Cl$

4) $C_2H_6$

Решение

Этилен (этен) имеет химическую формулу $C_2H_4$ и структурную формулу $CH_2=CH_2$. Он относится к классу алкенов, отличительной чертой которых является наличие двойной углерод-углеродной связи.

Для алкенов характерны реакции присоединения, в ходе которых происходит разрыв двойной связи. Взаимодействие с хлором ($Cl_2$) является качественной реакцией на двойную связь и называется галогенированием.

В ходе реакции молекула хлора присоединяется к молекуле этилена по месту разрыва двойной связи. Каждый атом углерода, ранее соединенный двойной связью, образует связь с одним атомом хлора. Уравнение этой реакции выглядит так:

$CH_2=CH_2 + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl-CH_2Cl$

Образовавшееся вещество — 1,2-дихлорэтан. Подсчитаем количество атомов в его молекуле: 2 атома углерода (C), 4 атома водорода (H) и 2 атома хлора (Cl). Таким образом, его молекулярная формула — $C_2H_4Cl_2$.

Сравнивая полученный результат с предложенными вариантами, мы видим, что он соответствует варианту 1.

Ответ: 1) $C_2H_4Cl_2$

6. Алкены, как и алканы, взаимодействуют

1) с водой

2) с водородом

3) с кислородом

4) с бромоводородом

Решение

Для того чтобы определить, какое из предложенных веществ взаимодействует как с алканами, так и с алкенами, необходимо рассмотреть химические свойства каждого класса углеводородов.

Алканы — это предельные (насыщенные) углеводороды, содержащие только одинарные связи $C-C$ и $C-H$. Для них характерны реакции замещения (чаще всего по свободно-радикальному механизму) и реакции горения (полного окисления).

Алкены — это непредельные (ненасыщенные) углеводороды, содержащие одну двойную связь $C=C$. Наличие кратной связи определяет их высокую реакционную способность. Для алкенов наиболее характерны реакции присоединения по месту двойной связи, а также реакции окисления (как мягкого, так и жесткого, включая горение).

Проанализируем каждый из предложенных вариантов:

1) с водой

Алканы не реагируют с водой в обычных условиях, так как они являются химически инертными неполярными соединениями.

Алкены вступают в реакцию гидратации (присоединения воды) в присутствии кислотного катализатора (например, $H_3PO_4$ или $H_2SO_4$) при нагревании. В результате реакции образуются спирты. Пример реакции для этена:

$CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+, t} CH_3-CH_2-OH$

Таким образом, эта реакция не является общей для обоих классов.

2) с водородом

Алканы являются предельными углеводородами и уже содержат максимально возможное число атомов водорода, поэтому они не вступают в реакцию присоединения водорода (гидрирования).

Алкены вступают в реакцию гидрирования в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd) при нагревании. Двойная связь разрывается, и по месту разрыва присоединяются атомы водорода, в результате чего алкен превращается в соответствующий алкан. Пример реакции для этена:

$CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow{Ni, t} CH_3-CH_3$

Таким образом, эта реакция характерна только для алкенов.

3) с кислородом

И алканы, и алкены, как и большинство органических соединений, способны гореть в кислороде. Эта реакция является полным окислением до углекислого газа и воды и является общей для обоих классов соединений.

Горение алкана (на примере метана):

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

Горение алкена (на примере этена):

$C_2H_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O$

Следовательно, и алканы, и алкены взаимодействуют с кислородом.

4) с бромоводородом

Алканы не вступают в реакцию присоединения с бромоводородом ($HBr$).

Алкены легко вступают в реакцию присоединения бромоводорода (гидробромирования) по двойной связи. Реакция протекает по электрофильному механизму и не требует жестких условий. Пример реакции для этена:

$CH_2=CH_2 + HBr \rightarrow CH_3-CH_2-Br$

Таким образом, эта реакция не является общей для обоих классов.

Из анализа всех вариантов следует, что единственным веществом, с которым взаимодействуют как алканы, так и алкены, является кислород.

Ответ: 3

7. Бутан и бутен можно распознать с помощью

1) реакции горения

2) бромоводорода

3) раствора перманганата калия

4) раствора гидроксида натрия

Решение

Задача состоит в том, чтобы найти способ химически различить бутан и бутен. Основное различие между этими двумя веществами заключается в их строении и, как следствие, в химических свойствах.

• Бутан ($C_4H_{10}$) — это алкан, предельный (насыщенный) углеводород. В его молекуле все связи между атомами углерода одинарные, что делает его химически малоактивным.
• Бутен ($C_4H_8$) — это алкен, непредельный (ненасыщенный) углеводород. В его молекуле присутствует одна двойная связь углерод-углерод ($C=C$). Наличие этой кратной связи делает бутен значительно более реакционноспособным, в частности, он легко вступает в реакции присоединения и окисления.

Качественной реакцией для распознавания этих классов соединений является реакция, в которой одно вещество участвует, а другое нет, и при этом наблюдается явный визуальный эффект (изменение цвета, выпадение осадка и т.п.).

Проанализируем предложенные варианты:

1) реакции горения

И бутан, и бутен являются горючими веществами. Они оба горят на воздухе с образованием углекислого газа и воды.
Реакция горения бутана: $2C_4H_{10} + 13O_2 \rightarrow 8CO_2 + 10H_2O$.
Реакция горения бутена: $C_4H_8 + 6O_2 \rightarrow 4CO_2 + 4H_2O$.
Хотя стехиометрия реакций различна, визуально отличить горение одного газа от другого затруднительно. Поэтому этот метод не подходит для их распознавания.

2) бромоводорода

Бромоводород ($HBr$) вступает в реакцию электрофильного присоединения с бутеном по месту двойной связи. Например, для бутена-1:
$CH_2=CH-CH_2-CH_3 + HBr \rightarrow CH_3-CHBr-CH_2-CH_3$ (2-бромбутан).
Бутан, как алкан, не реагирует с бромоводородом в обычных условиях. Однако эта реакция не сопровождается очевидным визуальным изменением, таким как изменение цвета, что делает ее неудобной для качественного анализа.

3) раствора перманганата калия

Водный раствор перманганата калия ($KMnO_4$) является сильным окислителем и используется в качественной реакции на непредельные соединения (реакция Вагнера).
Бутен, как алкен, легко окисляется раствором $KMnO_4$, что приводит к разрыву π-связи и образованию двухатомного спирта (бутандиола). При этом происходит обесцвечивание фиолетового раствора перманганата и образование бурого осадка диоксида марганца ($MnO_2$).
$3C_4H_8 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3C_4H_8(OH)_2 + 2MnO_2 \downarrow + 2KOH$.
Бутан, как насыщенный углеводород, устойчив к действию раствора перманганата калия, и реакция не протекает. Окраска раствора не изменится.
Этот метод дает четкий визуальный результат и позволяет надежно отличить алкен от алкана.

4) раствора гидроксида натрия

Ни бутан, ни бутен не обладают кислотными или основными свойствами, достаточными для реакции с водным раствором гидроксида натрия ($NaOH$). Поэтому данный реагент не позволит их различить.

Таким образом, единственный подходящий способ из предложенных для распознавания бутана и бутена — это использование раствора перманганата калия.

Ответ: 3) раствора перманганата калия