Номер 5, страница 30 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

а) качественный и количественный состав

Этан и этилен (этен) являются углеводородами, то есть их качественный состав одинаков: оба вещества состоят из атомов углерода (C) и водорода (H).

Количественный состав у них различен.

• Молекулярная формула этана – $C_2H_6$. Его молекула содержит 2 атома углерода и 6 атомов водорода. Этан относится к классу алканов (предельные углеводороды).
• Молекулярная формула этилена – $C_2H_4$. Его молекула содержит 2 атома углерода и 4 атома водорода. Этилен относится к классу алкенов (непредельные углеводороды).

Общая формула алканов: $C_nH_{2n+2}$, для этана при $n=2$ получается $C_2H_{2*2+2} = C_2H_6$.
Общая формула алкенов: $C_nH_{2n}$, для этилена при $n=2$ получается $C_2H_{2*2} = C_2H_4$.

Ответ: Качественный состав этана и этилена одинаков (состоят из C и H), а количественный состав различен. Молекула этана ($C_2H_6$) содержит на два атома водорода больше, чем молекула этилена ($C_2H_4$).

б) строение молекул

Строение молекул этана и этилена существенно различается из-за разного типа связи между атомами углерода.

• Этан ($C_2H_6$):
  • Между двумя атомами углерода находится простая (одинарная) ковалентная связь ($C-C$).
  • Тип гибридизации атомных орбиталей углерода – $sp^3$.
  • Все связи в молекуле являются сигма-связями ($\sigma$-связями), которые очень прочны.
  • Пространственное строение: атомы углерода имеют тетраэдрическое окружение. Валентные углы $H-C-H$ и $H-C-C$ близки к $109.5^\circ$.
  • Вокруг одинарной связи $C-C$ возможно свободное вращение, что приводит к существованию различных конформаций молекулы.
• Этилен ($C_2H_4$):
  • Между двумя атомами углерода находится двойная ковалентная связь ($C=C$), которая состоит из одной прочной $\sigma$-связи и одной менее прочной $\pi$-связи.
  • Тип гибридизации атомных орбиталей углерода – $sp^2$.
  • Пространственное строение: молекула плоская. Валентные углы $H-C-H$ и $H-C=C$ близки к $120^\circ$.
  • Наличие $\pi$-связи делает невозможным свободное вращение вокруг двойной связи $C=C$.

Ответ: В молекуле этана атомы углерода соединены одинарной связью ($sp^3$-гибридизация, тетраэдрическое строение), а в молекуле этилена – двойной связью ($sp^2$-гибридизация, плоское строение).

в) химические свойства

Различия в строении определяют и различия в химических свойствах.

• Этан ($C_2H_6$): Как предельный углеводород, этан химически малоактивен. Для него характерны реакции замещения, которые протекают в жестких условиях (например, при УФ-облучении).
  Пример: галогенирование этана.
  $C_2H_6 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Cl + HCl$
  Этан не вступает в реакции присоединения, не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия. Горит, как и все углеводороды:
  $2C_2H_6 + 7O_2 \rightarrow 4CO_2 + 6H_2O$
• Этилен ($C_2H_4$): Как непредельный углеводород, этилен значительно более активен. Наличие менее прочной $\pi$-связи обуславливает его склонность к реакциям присоединения, которые протекают со разрывом этой связи.
  • Присоединение водорода (гидрирование): $C_2H_4 + H_2 \xrightarrow{Ni, t} C_2H_6$
  • Присоединение галогенов (обесцвечивание бромной воды – качественная реакция): $C_2H_4 + Br_2 \rightarrow C_2H_4Br_2$
  • Присоединение воды (гидратация): $C_2H_4 + H_2O \xrightarrow{H^+} C_2H_5OH$
  • Окисление (обесцвечивание раствора перманганата калия – качественная реакция): $3C_2H_4 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3CH_2(OH)-CH_2(OH) + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$
  • Полимеризация: $n(CH_2=CH_2) \xrightarrow{кат.} (-CH_2-CH_2-)_n$ (полиэтилен)
  Этилен также горит:
  $C_2H_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O$

Ответ: Основное различие в химических свойствах заключается в том, что для инертного этана характерны реакции замещения, а для химически активного этилена – реакции присоединения по месту двойной связи. Этилен, в отличие от этана, обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия, а также способен к полимеризации.