Страница 23 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

Решение

Предельными (или насыщенными) углеводородами называют соединения, состоящие из атомов углерода и водорода, в молекулах которых все атомы углерода соединены между собой только одинарными связями. Общая формула для гомологического ряда предельных углеводородов (алканов) имеет вид $C_nH_{2n+2}$, где $n$ — это количество атомов углерода в молекуле.

Для того чтобы определить, какие из представленных формул относятся к предельным углеводородам, нужно проверить, соответствует ли соотношение атомов углерода и водорода в них данной общей формуле.

• $C_4H_{10}$: Здесь $n = 4$. Подставляем в общую формулу: $2n+2 = 2 \cdot 4 + 2 = 10$. Количество атомов водорода совпадает. Следовательно, $C_4H_{10}$ — это предельный углеводород (бутан).

• $C_2H_2$: Здесь $n = 2$. Подставляем в общую формулу: $2n+2 = 2 \cdot 2 + 2 = 6$. Количество атомов водорода не совпадает ($2 \neq 6$). Это непредельный углеводород (этин).

• $C_5H_{12}$: Здесь $n = 5$. Подставляем в общую формулу: $2n+2 = 2 \cdot 5 + 2 = 12$. Количество атомов водорода совпадает. Следовательно, $C_5H_{12}$ — это предельный углеводород (пентан).

• $C_6H_6$: Здесь $n = 6$. Подставляем в общую формулу: $2n+2 = 2 \cdot 6 + 2 = 14$. Количество атомов водорода не совпадает ($6 \neq 14$). Это ароматический углеводород (бензол).

• $C_4H_6$: Здесь $n = 4$. Подставляем в общую формулу: $2n+2 = 2 \cdot 4 + 2 = 10$. Количество атомов водорода не совпадает ($6 \neq 10$). Это непредельный углеводород (бутин или бутадиен).

• $C_3H_8$: Здесь $n = 3$. Подставляем в общую формулу: $2n+2 = 2 \cdot 3 + 2 = 8$. Количество атомов водорода совпадает. Следовательно, $C_3H_8$ — это предельный углеводород (пропан).

Таким образом, из предложенного списка к предельным углеводородам относятся $C_4H_{10}$, $C_5H_{12}$ и $C_3H_8$.

Ответ: $C_4H_{10}$, $C_5H_{12}$, $C_3H_8$.

а) Данная структурная формула `CH₂(CH₃)—CH₂—CH₃` является нестандартным способом записи неразветвленного алкана. Если представить метильную группу `CH₃` как начало углеродной цепи, то получится формула `CH₃—CH₂—CH₂—CH₃`.
1. Находим самую длинную непрерывную цепь атомов углерода. Она состоит из 4 атомов.
2. Углеводород не имеет заместителей (является неразветвленным).
3. Название алкана с 4 атомами углерода — бутан.

Ответ: бутан.

б) Структурная формула: `CH₃—CH₂—CH(CH₃)—CH₃`.
1. Самая длинная углеродная цепь содержит 4 атома углерода, следовательно, основа названия — "бутан".
2. Нумерацию цепи начинаем с того конца, к которому ближе заместитель (метильная группа `—CH₃`). В данном случае нумерация справа налево дает заместителю меньший номер (2), чем нумерация слева направо (3).
3. Указываем положение заместителя (2), его название (метил) и название основной цепи (бутан).

Ответ: 2-метилбутан.

в) Структурная формула: `CH₃—CH₂—CH(C₂H₅)—CH₂—CH₃`.
1. Находим самую длинную углеродную цепь. Горизонтальная цепь содержит 5 атомов углерода. Если рассмотреть цепь, включающую этильную группу (`—C₂H₅` или `—CH₂—CH₃`), то максимальная длина цепи все равно составит 5 атомов. Следовательно, основа названия — "пентан".
2. В качестве основной цепи выбираем горизонтальную. Заместителем является этильная группа (`—C₂H₅`).
3. Нумерацию цепи можно начинать с любого конца, так как в обоих случаях этильная группа будет находиться у третьего атома углерода.
4. Указываем положение заместителя (3), его название (этил) и название основной цепи (пентан).

Ответ: 3-этилпентан.

г) Структурная формула: `CH₃—CH(CH₃)—CH₂—CH(CH₃)—CH₃`.
1. Самая длинная углеродная цепь содержит 5 атомов углерода, основа названия — "пентан".
2. В цепи есть два одинаковых заместителя — метильные группы (`—CH₃`).
3. Нумеруем цепь с того конца, где сумма номеров положений заместителей будет наименьшей. В данном случае нумерация как слева направо, так и справа налево дает один и тот же набор номеров — 2 и 4.
4. Указываем положения заместителей через запятую (2,4), используем греческую приставку "ди-" для обозначения их количества, затем название заместителя (метил) и название основной цепи (пентан).

Ответ: 2,4-диметилпентан.

д) Структурная формула: `CH₃—CH₂—CH(CH₃)—CH₂—CH₃`.
1. Самая длинная углеродная цепь содержит 5 атомов углерода, основа названия — "пентан".
2. Заместителем является метильная группа (`—CH₃`).
3. Нумеруем цепь. При нумерации с любого конца метильная группа оказывается у третьего атома углерода.
4. Указываем положение заместителя (3), его название (метил) и название основной цепи (пентан).

Ответ: 3-метилпентан.

а) Название «2-метилпентан» означает, что основная углеродная цепь — это пентан, то есть она состоит из 5 атомов углерода. У второго атома углерода ($C_2$) находится заместитель — метильная группа ($CH_3$). Для соблюдения четырехвалентности углерода дописываем необходимое количество атомов водорода к каждому атому углерода в цепи и в заместителе.
Ответ: $ {CH3 - \underset{\underset{\displaystyle\text{CH}_3}{|}}{\text{CH}} - CH2 - CH2 - CH3} $

б) Название «2,2-диметилбутан» указывает на то, что основная цепь — бутан, состоящая из 4 атомов углерода. Приставка «диметил» означает наличие двух метильных групп ($CH_3$), а цифры «2,2» указывают, что обе эти группы присоединены ко второму атому углерода ($C_2$). Дополняем структуру атомами водорода.
Ответ: $ {CH3 - \underset{\underset{\displaystyle\text{CH}_3}{|}}{\overset{\overset{\displaystyle\text{CH}_3}{|}}{\text{C}}} - CH2 - CH3} $

в) Название «н-гексан» (нормальный гексан) говорит о том, что это алкан с неразветвленной, прямой цепью из 6 атомов углерода. Концевые атомы углерода связаны с тремя атомами водорода, а внутренние — с двумя.
Ответ: $ {CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3} $

г) В «2,3-диметилпентане» основная цепь — пентан (5 атомов углерода). Приставка «диметил» указывает на две метильные группы ($CH_3$). Цифры «2,3» показывают их положение: одна группа у второго атома углерода ($C_2$), а вторая — у третьего ($C_3$). Остальные связи атомов углерода насыщаем водородом.
Ответ: $ {CH3 - \underset{\underset{\displaystyle\text{CH}_3}{|}}{\text{CH}} - \underset{\underset{\displaystyle\text{CH}_3}{|}}{\text{CH}} - CH2 - CH3} $

д) Название «3-этилгексан» означает, что основная цепь — гексан (6 атомов углерода). У третьего атома углерода ($C_3$) находится этильная группа ($C_2H_5$, или $CH_2-CH_3$). Дописываем атомы водорода для соблюдения валентности IV у каждого атома углерода.
Ответ: $ {CH3 - CH2 - \underset{\underset{\displaystyle\text{CH}_2\text{CH}_3}{|}}{\text{CH}} - CH2 - CH2 - CH3} $

н-Гексан (нормальный гексан) — это алкан, принадлежащий к гомологическому ряду метана, с неразветвленной цепью из шести атомов углерода. Его молекулярная формула — $C_6H_{14}$, а структурная формула выглядит так: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$.

Два гомолога н-гексана

Гомологи — это вещества, которые принадлежат к одному и тому же классу органических соединений, имеют сходное химическое строение, но отличаются друг от друга по составу на одну или несколько групп $-CH_2-$ (гомологическая разность). Для н-гексана гомологами будут другие алканы с неразветвленной цепью.

1. н-Пентан. Это алкан с пятью атомами углерода в цепи, предшествующий гексану. Его молекулярная формула $C_5H_{12}$.
   Структурная формула: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$

2. н-Гептан. Это алкан с семью атомами углерода в цепи, следующий за гексаном. Его молекулярная формула $C_7H_{16}$.
   Структурная формула: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$

Ответ: Два гомолога н-гексана: н-пентан ($C_5H_{12}$) и н-гептан ($C_7H_{16}$).

Два изомера н-гексана

Изомеры — это соединения, которые имеют одинаковую молекулярную формулу (в данном случае $C_6H_{14}$), но разное строение углеродного скелета и, как следствие, разные физические и химические свойства.

1. 2-метилпентан (изогексан). Основная цепь состоит из пяти атомов углерода, а у второго атома находится метильный радикал ($-CH_3$).
   Структурная формула:
   $CH_3-\underset{\displaystyle CH_3}{\underset{\displaystyle |}{CH}}-CH_2-CH_2-CH_3$

2. 2,2-диметилбутан (неогексан). Основная цепь состоит из четырех атомов углерода, а у второго атома находятся два метильных радикала.
   Структурная формула:
   $ \begin{matrix} & CH_3 & \\ & | & \\ CH_3 & - C - & CH_2-CH_3 \\ & | & \\ & CH_3 & \end{matrix} $

Ответ: Два изомера н-гексана: 2-метилпентан и 2,2-диметилбутан. Их молекулярная формула, как и у н-гексана, $C_6H_{14}$.

а) Реакция 1 моль этана с 1 моль хлора является реакцией замещения (галогенирование), протекающей на свету ($h\nu$). При этом один атом водорода в молекуле этана замещается на атом хлора. Уравнение реакции: $C_2H_6 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Cl + HCl$. Образующимися продуктами являются хлорэтан и хлороводород. Ответ: хлорэтан ($C_2H_5Cl$) и хлороводород ($HCl$).

б) Горение этана — это реакция полного окисления кислородом. При горении любого алкана образуются углекислый газ и вода. Уравнение реакции горения этана: $2C_2H_6 + 7O_2 \rightarrow 4CO_2 + 6H_2O$. Образующимися продуктами являются диоксид углерода (углекислый газ) и вода. Ответ: диоксид углерода ($CO_2$) и вода ($H_2O$).

в) Дегидрирование пропана — это каталитическая реакция отщепления молекулы водорода, которая происходит при высокой температуре. В результате образуется алкен — пропен. Уравнение реакции: $C_3H_8 \xrightarrow{t, \text{кат.}} C_3H_6 + H_2$. Образующимися продуктами являются пропен и водород. Ответ: пропен ($C_3H_6$) и водород ($H_2$).

г) Реакция 1 моль метана с 2 моль брома — это реакция последовательного замещения атомов водорода в метане на атомы брома. Реакция также протекает на свету ($h\nu$). Поскольку брома в два раза больше, чем метана (по молям), замещаются два атома водорода. Уравнение реакции: $CH_4 + 2Br_2 \xrightarrow{h\nu} CH_2Br_2 + 2HBr$. Образующимися продуктами являются дибромметан и бромоводород. Ответ: дибромметан ($CH_2Br_2$) и бромоводород ($HBr$).

Какую роль выполняет это вещество?

Парафин, которым пропитана спичка, выполняет роль основного горючего вещества. Процесс горения происходит следующим образом:

1. При зажигании спички тепло от пламени растапливает твердый парафин, превращая его в жидкость. Это и есть наблюдаемый эффект оплавления в нескольких миллиметрах от огня.

2. Жидкий парафин, подобно топливу в фитильной лампе, за счет капиллярного эффекта пропитывает древесину спички (которая выступает в роли фитиля) и поднимается к пламени.

3. В непосредственной близости от пламени, где температура очень высока, жидкий парафин испаряется.

4. Именно пары парафина, смешиваясь с кислородом из воздуха, и сгорают, поддерживая пламя.

Таким образом, пропитка парафином позволяет спичке гореть значительно дольше и более равномерным пламенем, чем если бы горела просто сухая древесина. Парафин является основным источником энергии (топливом) в процессе горения спички.

Ответ: Парафин выполняет роль основного топлива, обеспечивая длительное и стабильное горение спички, в то время как древесина служит фитилем для расплавленного парафина.

Составьте уравнение реакции горения парафина, условно считая, что его формула C₃₆H₇₄.

Дано:
Формула парафина: $C_{36}H_{74}$
Реагент для горения: кислород ($O_2$)

Найти:
Уравнение реакции полного горения парафина.

Решение:

Полное горение углеводородов — это реакция с избытком кислорода, в результате которой образуются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$).

1. Запишем схему реакции:
$C_{36}H_{74} + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$

2. Уравняем количество атомов углерода (C). Слева 36 атомов углерода, поэтому справа перед $CO_2$ ставим коэффициент 36:
$C_{36}H_{74} + O_2 \rightarrow 36CO_2 + H_2O$

3. Уравняем количество атомов водорода (H). Слева 74 атома водорода. В каждой молекуле воды 2 атома водорода, поэтому справа нам нужно $74 / 2 = 37$ молекул $H_2O$:
$C_{36}H_{74} + O_2 \rightarrow 36CO_2 + 37H_2O$

4. Теперь уравняем количество атомов кислорода (O). Посчитаем общее количество атомов кислорода в продуктах реакции (справа):
В 36 молекулах $CO_2$: $36 \times 2 = 72$ атома O.
В 37 молекулах $H_2O$: $37 \times 1 = 37$ атомов O.
Всего справа: $72 + 37 = 109$ атомов O.

5. Чтобы в левой части также было 109 атомов кислорода, нужно взять $109/2 = 54.5$ молекул $O_2$.
$C_{36}H_{74} + 54.5O_2 \rightarrow 36CO_2 + 37H_2O$

6. В химических уравнениях принято использовать целые коэффициенты. Для этого умножим все коэффициенты в уравнении на 2:
$2 \times (C_{36}H_{74} + 54.5O_2 \rightarrow 36CO_2 + 37H_2O)$
$2C_{36}H_{74} + 109O_2 \rightarrow 72CO_2 + 74H_2O$

Ответ: $2C_{36}H_{74} + 109O_2 \rightarrow 72CO_2 + 74H_2O$

Дано:

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

Объем метана $V(CH_4) = 6,72 \text{ л}$

Условия: нормальные (н. у.)

Молярный объем газа при н. у.: $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$

Найти:

Количество теплоты $Q$ - ?

Решение:

1. Проанализируем термохимическое уравнение реакции горения метана:

$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + 880 \text{ кДж}$

Из уравнения следует, что при сгорании 1 моль газообразного метана ($CH_4$) выделяется 880 кДж теплоты.

2. Найдем количество вещества (число молей) метана, содержащееся в объеме 6,72 л при нормальных условиях. Воспользуемся формулой, связывающей количество вещества, объем и молярный объем газа:

$n = \frac{V}{V_m}$

Подставим данные для метана:

$n(CH_4) = \frac{6,72 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,3 \text{ моль}$

3. Теперь, зная количество вещества сгоревшего метана, можно вычислить выделившееся количество теплоты. Составим пропорцию, исходя из данных термохимического уравнения:

При сгорании 1 моль $CH_4$ выделяется 880 кДж теплоты.

При сгорании 0,3 моль $CH_4$ выделяется $Q$ кДж теплоты.

$\frac{1 \text{ моль}}{0,3 \text{ моль}} = \frac{880 \text{ кДж}}{Q}$

Выразим и вычислим $Q$:

$Q = \frac{0,3 \text{ моль} \cdot 880 \text{ кДж}}{1 \text{ моль}} = 264 \text{ кДж}$

Ответ: при сгорании 6,72 л метана выделится 264 кДж теплоты.