Страница 32 - гдз по химии 10 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

12. Определите объём этилена (н. у.), использованного для получения этилового спирта массой 4,15 г, что составляет 90 % от теоретически возможного.

Дано:
Масса полученного этилового спирта (практическая): $m_{практ}(C_2H_5OH) = 4,15 \ г$
Выход продукта от теоретически возможного: $\eta = 90 \% = 0,9$

Найти:
Объём этилена (н. у.): $V(C_2H_4) - ?$

Решение:
1. Запишем уравнение реакции гидратации этилена, в результате которой образуется этиловый спирт:
$C_2H_4 + H_2O \xrightarrow{H^+, t} C_2H_5OH$
Из уравнения реакции следует, что для получения 1 моль этилового спирта требуется 1 моль этилена. Таким образом, количество вещества ($n$) этилена, необходимое для реакции, равно теоретическому количеству вещества этилового спирта, которое можно было бы получить при 100% выходе:
$n(C_2H_4) = n_{теор}(C_2H_5OH)$

2. Выход продукта ($\eta$) определяется отношением практической массы продукта ($m_{практ}$) к теоретической ($m_{теор}$):
$\eta = \frac{m_{практ}}{m_{теор}}$
Теоретическое количество вещества ($n_{теор}$) связано с теоретической массой через молярную массу ($M$):
$n_{теор} = \frac{m_{теор}}{M} = \frac{m_{практ}}{\eta \cdot M}$

3. Рассчитаем молярную массу этилового спирта ($C_2H_5OH$):
$M(C_2H_5OH) = 2 \cdot 12 + 6 \cdot 1 + 16 = 46 \ г/моль$

4. Теперь можем найти количество вещества этилена, которое было использовано в реакции:
$n(C_2H_4) = n_{теор}(C_2H_5OH) = \frac{m_{практ}(C_2H_5OH)}{\eta \cdot M(C_2H_5OH)} = \frac{4,15 \ г}{0,9 \cdot 46 \ г/моль} = \frac{4,15}{41,4} \ моль \approx 0,10024 \ моль$

5. Зная количество вещества этилена, найдем его объём при нормальных условиях (н. у.), используя молярный объём газов $V_m = 22,4 \ л/моль$:
$V(C_2H_4) = n(C_2H_4) \cdot V_m \approx 0,10024 \ моль \cdot 22,4 \ л/моль \approx 2,245 \ л$
Округляя результат до сотых, получаем 2,25 л.

Ответ: объём использованного этилена составляет 2,25 л.

13. Этот алкен — главный помощник в процессе созревания фруктов и овощей. Можно подождать, пока под действием естественно выделяемого гормона плоды дозреют, а можно создать искусственную атмосферу с добавлением в неё этого алкена.

О каком алкене-фитогормоне идёт речь? В каких плодах он образуется в большом количестве?

О каком алкене-фитогормоне идёт речь?

Речь идет об этене (тривиальное название — этилен). Это простейший углеводород из класса алкенов, его химическая формула — $C_2H_4$. Этилен выполняет в растениях функцию фитогормона — газообразного вещества, которое даже в ничтожных концентрациях регулирует важнейшие процессы их жизнедеятельности: прорастание семян, рост, цветение, старение и, как указано в задаче, созревание плодов. Механизм его действия заключается в запуске каскада ферментативных реакций, которые приводят к изменению цвета (гидролиз хлорофилла), вкуса и аромата (распад крахмала на сахара, синтез летучих органических соединений) и текстуры (размягчение клеточных стенок) плода.

В каких плодах он образуется в большом количестве?

Большое количество этилена синтезируется в плодах, относящихся к климактерической группе. Для них характерен резкий скачок интенсивности дыхания и самопроизвольной выработки этилена, который запускает финальную стадию созревания. Этот процесс может продолжаться и после сбора урожая. Наиболее известные примеры таких плодов:

• Яблоки
• Бананы
• Груши
• Томаты
• Авокадо
• Абрикосы и персики
• Сливы
• Манго

Именно поэтому для ускорения созревания одних плодов (например, зеленых томатов или твердых авокадо) их можно поместить в один бумажный пакет со спелыми яблоками или бананами, которые являются активными продуцентами этилена.

Ответ: Речь идет об алкене-фитогормоне этене (этилене) с формулой $C_2H_4$. Он образуется в большом количестве в климактерических плодах, таких как яблоки, бананы, груши, томаты, авокадо.

1. Общая формула алкадиенов и алкинов

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

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

3) $C_n H_{2n}$

4) $C_n H_{2n-6}$

Решение

Для того чтобы определить общую формулу для классов органических соединений, можно исходить из общей формулы предельных углеводородов (алканов), которая имеет вид $C_nH_{2n+2}$, где $n$ – число атомов углерода.

Каждая двойная связь (C=C) или каждый цикл в молекуле уменьшает число атомов водорода на два по сравнению с соответствующим алканом. Каждая тройная связь (C≡C) уменьшает число атомов водорода на четыре.

1. Алкадиены

Алкадиены — это углеводороды, содержащие две двойные связи в углеродной цепи. Наличие двух двойных связей означает, что в их молекулах на $2 \times 2 = 4$ атома водорода меньше, чем в соответствующем алкане с тем же числом атомов углерода.

Таким образом, отнимая 4 атома водорода от общей формулы алканов, получаем формулу алкадиенов: $C_nH_{2n+2-4} = C_nH_{2n-2}$.

2. Алкины

Алкины — это углеводороды, содержащие одну тройную связь в углеродной цепи. Наличие одной тройной связи означает, что в их молекулах на 4 атома водорода меньше, чем в соответствующем алкане.

Следовательно, общая формула алкинов также получается вычитанием 4 атомов водорода из формулы алканов: $C_nH_{2n+2-4} = C_nH_{2n-2}$.

Таким образом, алкадиены и алкины являются межклассовыми изомерами и имеют одинаковую общую формулу $C_nH_{2n-2}$.

Среди предложенных вариантов:

1) $C_nH_{2n+2}$ — общая формула алканов.

2) $C_nH_{2n-2}$ — общая формула алкадиенов и алкинов.

3) $C_nH_{2n}$ — общая формула алкенов и циклоалканов.

4) $C_nH_{2n-6}$ — общая формула аренов (гомологов бензола).

Правильный вариант ответа — 2.

Ответ: 2) $C_nH_{2n-2}$

2. Изомером бутадиена-1,3 является

1) бутен-2

2) бутадиен-1,2

3) пентадиен-1,3

4) циклобутан

Решение

Изомеры — это химические соединения, которые имеют одинаковый качественный и количественный состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение и, следовательно, разные свойства.

Сначала определим молекулярную формулу бутадиена-1,3. Это алкадиен (содержит две двойные связи) с четырьмя атомами углерода в цепи («бут-»). Общая формула алкадиенов — $C_nH_{2n-2}$. Для бутадиена ($n=4$) молекулярная формула будет $C_4H_{2 \cdot 4 - 2} = C_4H_6$. Структурная формула: $CH_2=CH-CH=CH_2$.

Теперь проанализируем предложенные варианты и найдем соединение с такой же молекулярной формулой $C_4H_6$, но с другим строением.

1) бутен-2 — это алкен (одна двойная связь) с четырьмя атомами углерода. Общая формула алкенов — $C_nH_{2n}$. Молекулярная формула бутена-2: $C_4H_{2 \cdot 4} = C_4H_8$. Формулы не совпадают, следовательно, это не изомер.

2) бутадиен-1,2 — это алкадиен (две двойные связи) с четырьмя атомами углерода. Его общая формула также $C_nH_{2n-2}$. Молекулярная формула: $C_4H_{2 \cdot 4 - 2} = C_4H_6$. Молекулярные формулы бутадиена-1,3 и бутадиена-1,2 совпадают, а строение у них разное (различное положение двойных связей: $CH_2=C=CH-CH_3$). Следовательно, бутадиен-1,2 является изомером бутадиена-1,3.

3) пентадиен-1,3 — это алкадиен с пятью атомами углерода («пент-»). Его молекулярная формула: $C_5H_{2 \cdot 5 - 2} = C_5H_8$. Формулы не совпадают, это гомолог, а не изомер.

4) циклобутан — это циклоалкан (циклическое строение, одинарные связи) с четырьмя атомами углерода. Общая формула циклоалканов — $C_nH_{2n}$. Молекулярная формула циклобутана: $C_4H_{2 \cdot 4} = C_4H_8$. Формулы не совпадают, это не изомер.

Таким образом, единственным изомером бутадиена-1,3 из предложенных вариантов является бутадиен-1,2.

Ответ: 2) бутадиен-1,2

3. Ценное свойство алкадиенов с сопряжёнными связями — это ре-акция

1) горения

2) полимеризации

3) бромирования

4) окисления перманганатом калия в растворе

Решение

Алкадиены с сопряженными связями (сопряженные диены) — это углеводороды, в молекулах которых две двойные связи разделены одной одинарной, например, бутадиен-1,3 ($CH_2=CH-CH=CH_2$). Особенностью их строения является наличие единой $\pi$-электронной системы, охватывающей все четыре атома углерода, что обуславливает их специфические химические свойства. Чтобы определить наиболее ценное свойство, проанализируем предложенные реакции.

1) горения

Реакция горения (полного окисления до $CO_2$ и $H_2O$) характерна для всех органических соединений. Она не является уникальным или особо ценным свойством именно сопряженных диенов, а представляет собой общее свойство для всего класса углеводородов.

2) полимеризации

Реакция полимеризации является исключительно важным и ценным свойством сопряженных диенов. Именно эта способность лежит в основе промышленного производства синтетических каучуков, которые являются стратегически важными материалами. Например, полимеризация бутадиена-1,3 (дивинила) приводит к образованию полибутадиена — основы для многих видов синтетического каучука:

$n \, CH_2=CH-CH=CH_2 \xrightarrow{t, p, кат.} (-CH_2-CH=CH-CH_2-)_n$

Особенностью полимеризации сопряженных диенов является преимущественно 1,4-присоединение, при котором в основной цепи полимера сохраняются двойные связи. Это позволяет в дальнейшем проводить вулканизацию каучука (сшивание полимерных цепей, например, атомами серы), получая прочную и эластичную резину. Таким образом, эта реакция имеет огромное практическое и промышленное значение, что делает её самым ценным свойством.

3) бромирования

Реакция бромирования (присоединение брома по двойным связям) также характерна для сопряженных диенов, как и для всех непредельных углеводородов. Особенностью сопряженных диенов является возможность 1,2- и 1,4-присоединения. Хотя это свойство важно для понимания их химической природы, оно не имеет такого масштабного практического применения и «ценности», как реакция полимеризации.

4) окисления перманганатом калия в растворе

Окисление раствором перманганата калия (реакция Вагнера) — это качественная реакция на наличие двойных связей. Она позволяет отличить непредельные углеводороды от предельных. Это свойство является общим для всех алкенов и алкадиенов и используется в основном в лабораторной практике для идентификации веществ, а не в промышленных целях.

Таким образом, наиболее ценным свойством алкадиенов с сопряженными связями, имеющим колоссальное промышленное значение, является их способность к полимеризации с образованием каучуков.

Ответ: 2) полимеризации

4. Для алкинов и алкадиенов характерны реакции

1) замещения

2) обмена

3) разложения

4) присоединения

Решение

Алкины и алкадиены относятся к классу непредельных (ненасыщенных) углеводородов. Ключевой особенностью их строения, определяющей химические свойства, является наличие кратных (двойных или тройных) связей между атомами углерода.

Молекулы алкинов содержат одну тройную связь углерод-углерод ($C \equiv C$). Эта связь состоит из одной прочной $\sigma$-связи и двух менее прочных и более реакционноспособных $\pi$-связей.

Молекулы алкадиенов содержат две двойные связи углерод-углерод ($C=C$). Каждая двойная связь, в свою очередь, состоит из одной $\sigma$-связи и одной $\pi$-связи.

Из-за наличия этих относительно слабых $\pi$-связей, которые легко разрываются, для алкинов и алкадиенов наиболее характерными являются реакции, в ходе которых происходит разрыв $\pi$-связей и образование новых, более прочных $\sigma$-связей с присоединяемыми атомами или группами атомов. Такие реакции называются реакциями присоединения.

Примеры реакций присоединения:

• Гидрирование пропина (алкин): $CH_3-C \equiv CH + 2H_2 \xrightarrow{Ni} CH_3-CH_2-CH_3$
• Галогенирование бутадиена-1,3 (алкадиен): $CH_2=CH-CH=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH=CH-CH_2Br$ (1,4-присоединение)

Проанализируем остальные предложенные варианты:

1) Реакции замещения в основном характерны для предельных углеводородов (алканов) и ароматических соединений. Исключение составляют алкины с концевой тройной связью ($R-C \equiv C-H$), которые могут вступать в реакции замещения атома водорода на металл, но это не является общей характеристикой для всего класса алкинов и тем более для алкадиенов.

2) Реакции обмена — это тип реакций, характерный для неорганической химии (например, между солями в растворе). В органической химии этот термин используется редко.

3) Реакции разложения (например, крекинг, пиролиз) могут происходить со всеми классами органических соединений при нагревании, но не являются специфической или наиболее характерной реакцией для алкинов и алкадиенов в обычных условиях.

Следовательно, основной тип реакций, определяющий химическую природу алкинов и алкадиенов, — это реакции присоединения по кратным связям.

Ответ: 4) присоединения

5. При определённых условиях ацетилен взаимодействует с каждым из двух веществ:

1) $H_2O$ и $O_2$

2) $H_2$ и $CO_2$

3) $Br_2$ и $CaO$

4) $C_2H_6$ и $Cl_2$

Решение

Ацетилен (этин) — это ненасыщенный углеводород из класса алкинов с химической формулой $C_2H_2$ (структурная формула $HC \equiv CH$). Наличие тройной связи обуславливает его высокую химическую активность, в первую очередь в реакциях присоединения. Также для ацетилена характерны реакции окисления (включая горение) и реакции замещения атомов водорода, связанных с тройной связью (проявление слабых кислотных свойств). Проанализируем каждую предложенную пару веществ на возможность взаимодействия с ацетиленом.

1) H₂O и O₂
Реакция с водой ($H_2O$): Ацетилен вступает в реакцию гидратации (реакция Кучерова) в присутствии катализатора — солей ртути(II). Продуктом реакции является уксусный альдегид (этаналь).
$HC \equiv CH + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}, H^+} CH_3CHO$
Реакция с кислородом ($O_2$): Ацетилен активно горит в кислороде. При полном сгорании образуются углекислый газ и вода.
$2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O$
Вывод: ацетилен взаимодействует с обоими веществами. Эта пара является верным ответом.

2) H₂ и CO₂
Реакция с водородом ($H_2$): Ацетилен вступает в реакцию гидрирования (присоединения водорода) на металлических катализаторах (Ni, Pt, Pd). В зависимости от условий, реакция может привести к образованию этена или этана.
$C_2H_2 + H_2 \xrightarrow{Pd/PbCO_3} C_2H_4$
Реакция с оксидом углерода(IV) ($CO_2$): Ацетилен не взаимодействует с углекислым газом в типичных условиях.
Вывод: ацетилен взаимодействует только с одним веществом из пары.

3) Br₂ и CaO
Реакция с бромом ($Br_2$): Ацетилен легко вступает в реакцию присоединения с бромом, обесцвечивая бромную воду. Это качественная реакция на ненасыщенные связи.
$C_2H_2 + 2Br_2 \rightarrow C_2H_2Br_4$
Реакция с оксидом кальция ($CaO$): Оксид кальция является основным оксидом. Ацетилен, обладая крайне слабыми кислотными свойствами, не реагирует с ним.
Вывод: ацетилен взаимодействует только с одним веществом из пары.

4) C₂H₆ и Cl₂
Реакция с этаном ($C_2H_6$): Этан — это предельный углеводород (алкан), который химически малоактивен и не реагирует с ацетиленом.
Реакция с хлором ($Cl_2$): Подобно брому, ацетилен вступает в реакцию присоединения с хлором.
$C_2H_2 + 2Cl_2 \rightarrow C_2H_2Cl_4$
Вывод: ацетилен взаимодействует только с одним веществом из пары.

Следовательно, единственная пара веществ, с каждым из которых реагирует ацетилен, это вода и кислород.

Ответ: 1