Страница 18 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

Почему эти углеводороды относят к предельным?

Алканы, также известные как парафины, относятся к классу предельных (насыщенных) углеводородов. Название «предельные» отражает особенность их химического строения на уровне атомных связей.

1. Тип связей: В молекулах алканов все атомы углерода соединены между собой исключительно одинарными (простыми) ковалентными связями. Эти прочные связи называются сигма-связями ($\sigma$-связями). В молекулах отсутствуют двойные ($C=C$) или тройные ($C \equiv C$) связи, которые характерны для непредельных углеводородов (алкенов и алкинов).

2. Максимальное насыщение водородом: Атом углерода в органических соединениях четырехвалентен, то есть образует четыре химические связи. Поскольку в алканах все углерод-углеродные связи одинарные, каждый атом углерода использует остальные свои валентности для связи с максимальным возможным числом атомов водорода. Молекула как бы «насыщена до предела» атомами водорода, и присоединение дополнительных атомов водорода к углеродному скелету без его разрушения невозможно. Общая формула гомологического ряда алканов — $C_n H_{2n+2}$ (для ациклических алканов), что как раз и отражает это максимальное насыщение.

В отличие от алканов, непредельные углеводороды могут вступать в реакции присоединения (например, гидрирования), разрывая кратные связи и присоединяя новые атомы. Алканы же вступают преимущественно в реакции замещения, где атом водорода заменяется на другой атом или группу атомов.

Ответ: Алканы относят к предельным углеводородам, потому что в их молекулах все атомы углерода связаны между собой только одинарными связями, и каждый атом углерода связан с максимально возможным числом атомов водорода. В их составе нет кратных связей, которые могли бы быть разорваны для присоединения других атомов.

Какие особенности строения алканов объясняют причины их многообразия?

Многообразие алканов, как и органических соединений в целом, объясняется уникальными свойствами атома углерода, которые проявляются в особенностях строения их молекул. Основными причинами многообразия алканов являются:

1. Способность атомов углерода образовывать цепи (катенация): Атомы углерода могут соединяться друг с другом в прочные и длинные цепи различной длины. Связь $C-C$ является ковалентной, неполярной и достаточно прочной ($ \approx 348$ кДж/моль), что обеспечивает стабильность углеродного скелета. Это позволяет существовать гомологическому ряду алканов, от простейшего метана ($CH_4$) до соединений, содержащих сотни и тысячи атомов углерода в цепи.

2. Явление изомерии: Изомерия — это существование соединений, имеющих одинаковый качественный и количественный состав (одну и ту же молекулярную формулу), но разное химическое строение и, следовательно, разные свойства. Для алканов характерен прежде всего один вид изомерии:

• Структурная изомерия (изомерия углеродного скелета): Начиная с бутана ($C_4 H_{10}$), алканы могут иметь разный порядок соединения атомов в молекуле. Углеродная цепь может быть не только линейной (нормального строения), но и разветвленной.
  Пример: Для состава $C_4 H_{10}$ существуют два изомера: н-бутан (линейная цепь) и изобутан (2-метилпропан, разветвленная цепь).
  Пример: Для состава $C_5 H_{12}$ существуют уже три изомера: н-пентан, изопентан (2-метилбутан) и неопентан (2,2-диметилпропан).
  Число возможных структурных изомеров очень быстро растет с увеличением числа атомов углерода в молекуле. Например, для гексадекана $C_{16} H_{34}$ теоретически возможно существование 10 359 изомеров.
• Пространственная изомерия (стереоизомерия): Для более сложных разветвленных алканов возможна и оптическая изомерия. Если в молекуле есть асимметрический атом углерода (связанный с четырьмя разными заместителями), то соединение может существовать в виде пары оптических изомеров (энантиомеров).

Таким образом, сочетание способности углерода к образованию цепей разной длины и разветвленности с явлением изомерии приводит к огромному разнообразию алканов.

Ответ: Многообразие алканов объясняется двумя главными особенностями их строения: 1) способностью атомов углерода соединяться друг с другом, образуя устойчивые цепи различной длины и строения (линейные и разветвленные); 2) явлением структурной изомерии, из-за которого соединения с одной и той же молекулярной формулой могут иметь разный порядок связей атомов в молекуле.

Запишите структурные формулы метана, пропана и бутана, и тогда вам станет понятно название этих углеводородов — предельные.
Структурные формулы указанных углеводородов:
Метан ($CH_4$) — состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода.
$\begin{matrix} & H & \\ & | & \\ H & -C- & H \\ & | & \\ & H & \end{matrix}$
Пропан ($C_3H_8$) — углеродная цепь состоит из трех атомов углерода.
$CH_3-CH_2-CH_3$
Бутан ($C_4H_{10}$) — углеродная цепь состоит из четырех атомов углерода (в неразветвленной форме).
$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$
Название "предельные" (или насыщенные) углеводороды (алканы) связано с тем, что в их молекулах все атомы углерода связаны друг с другом только одинарными (простыми) связями. При этом каждый атом углерода образует максимально возможное для него число связей с другими атомами (углерода или водорода), то есть все валентности атомов углерода "насыщены" до предела. Общая формула алканов — $C_nH_{2n+2}$. В них нет кратных связей, и они не могут вступать в реакции присоединения без разрыва уже существующих $\sigma$-связей.
Ответ: Структурные формулы: метан — $CH_4$, пропан — $CH_3-CH_2-CH_3$, бутан — $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$. Они называются предельными, потому что все связи между атомами углерода одинарные, а остальные валентности углерода максимально насыщены атомами водорода.

Только ли неразветвлённое строение может иметь молекула бутана?
Нет, молекула с химической формулой $C_4H_{10}$ может иметь не только неразветвлённое, но и разветвлённое строение. Существует два разных соединения (изомера) с такой формулой:
1. н-бутан (нормальный бутан) — имеет неразветвлённую (линейную) углеродную цепь.
$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$
2. Изобутан (систематическое название — 2-метилпропан) — имеет разветвлённую углеродную цепь.
$\begin{matrix} & CH_3 & \\ & | & \\ CH_3 & -CH- & CH_3 \end{matrix}$
Эти два вещества имеют одинаковый состав, но разную структуру, что приводит к различиям в их физических и химических свойствах.
Ответ: Нет, молекула бутана ($C_4H_{10}$) может иметь как неразветвлённое строение (н-бутан), так и разветвлённое (изобутан или 2-метилпропан).

Какое явление характерно для соединений состава $C_4H_{10}$?
Для соединений состава $C_4H_{10}$ характерно явление изомерии.
Изомерия — это явление существования химических соединений (изомеров), которые имеют одинаковую молекулярную формулу (то есть одинаковый атомный состав), но разное строение молекул и, как следствие, разные свойства.
Для бутана ($C_4H_{10}$) характерен вид структурной изомерии, который называется изомерия углеродного скелета. Это означает, что его изомеры (н-бутан и изобутан) отличаются друг от друга порядком соединения атомов углерода в цепи (скелете молекулы).
Ответ: Для соединений состава $C_4H_{10}$ характерно явление изомерии, а именно — изомерия углеродного скелета.