Страница 139 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Какие методы определения состава веществ вам известны?

Для определения состава веществ используется множество методов анализа. Их принято разделять на качественные (устанавливают, какие компоненты присутствуют в образце) и количественные (определяют содержание или концентрацию этих компонентов). По принципу действия методы делятся на химические и инструментальные.

Эта группа методов основана на проведении химических реакций и является основой аналитической химии. Они отличаются высокой точностью при определении больших и средних количеств вещества, но часто трудоемки и длительны.

• Гравиметрический анализ: основан на точном измерении массы. Определяемый компонент переводят в нерастворимое соединение (осадок) с известным и постоянным составом, который отделяют, высушивают и взвешивают. По массе осадка рассчитывают содержание компонента.
• Титриметрический (объемный) анализ: основан на точном измерении объема раствора реагента известной концентрации (титранта), затраченного на полную реакцию с определяемым веществом. Момент окончания реакции (точку эквивалентности) фиксируют с помощью индикаторов или приборов.
• Газоволюмометрический анализ: основан на измерении объема газа, который выделяется или поглощается в результате химической реакции.

Эта обширная группа методов основана на измерении физических свойств вещества (оптических, электрических, магнитных, термических), которые функционально связаны с его составом. Эти методы, как правило, экспрессны, обладают высокой чувствительностью и позволяют анализировать малые количества вещества.

• Спектроскопические методы: основаны на изучении спектров взаимодействия вещества с электромагнитным излучением.
  • Атомная спектроскопия (ААС и АЭС): атомно-абсорбционная и атомно-эмиссионная спектроскопия. Используются для элементного анализа. В ААС измеряют поглощение света свободными атомами, а в АЭС — излучение возбужденных атомов в пламени или плазме.
  • Молекулярная спектроскопия: анализирует спектры молекул. Инфракрасная (ИК) спектроскопия помогает идентифицировать функциональные группы. Спектрофотометрия в ультрафиолетовой (УФ) и видимой областях используется для количественного определения веществ.
  • Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР): один из самых информативных методов для установления строения органических молекул путем анализа поведения ядер атомов в сильном магнитном поле.
  • Масс-спектрометрия (МС): позволяет определять массу молекул и их фрагментов с высочайшей точностью. Вещество ионизируется, и ионы разделяются по их отношению массы к заряду ($m/z$), что дает информацию о молекулярной массе, элементном составе и структуре.
• Электрохимические методы: основаны на измерении электрических параметров системы (потенциала, тока, сопротивления).
  • Потенциометрия: измеряет разность потенциалов между электродами, один из которых чувствителен к концентрации определенного иона (например, pH-метрия).
  • Вольтамперометрия: регистрирует зависимость тока от потенциала, прикладываемого к электрохимической ячейке. Позволяет проводить качественный и количественный анализ.
  • Кондуктометрия: измеряет электропроводность раствора, которая зависит от общей концентрации ионов.
• Хроматографические методы: являются методами разделения сложных смесей веществ.
  • Газовая хроматография (ГХ): для разделения летучих и термически стабильных веществ. Подвижная фаза — газ-носитель.
  • Жидкостная хроматография (ЖХ): для разделения широкого круга соединений. Подвижная фаза — жидкость. Наиболее распространенным вариантом является высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ).
  • Тонкослойная хроматография (ТСХ): простой и быстрый метод, используемый в основном для качественного анализа и для контроля за ходом реакций.

Ответ: Для определения состава веществ известны две основные группы методов: химические (классические), включающие гравиметрию и титриметрию, и инструментальные (физические и физико-химические). К инструментальным относятся спектроскопические (атомная и молекулярная спектроскопия, ЯМР, масс-спектрометрия), электрохимические (потенциометрия, вольтамперометрия, кондуктометрия) и хроматографические (газовая, жидкостная, тонкослойная хроматография) методы.

Как образуются сложные эфиры?

Как образуются сложные эфиры?

Сложные эфиры — это органические соединения, которые образуются в результате взаимодействия кислот (чаще всего карбоновых) со спиртами. Этот процесс называется реакцией этерификации.

Суть реакции этерификации заключается в отщеплении молекулы воды от молекул кислоты и спирта с образованием новой связи, называемой сложноэфирной. В классической реакции этерификации (этерификация Фишера) карбоновая кислота реагирует со спиртом при нагревании в присутствии сильной минеральной кислоты (например, серной $H_2SO_4$), которая выступает в роли катализатора и водоотнимающего средства.

От молекулы карбоновой кислоты отщепляется гидроксильная группа ($-OH$), а от молекулы спирта — атом водорода из его гидроксильной группы ($-OH$). Реакция является обратимой, поэтому для смещения равновесия в сторону образования сложного эфира используют избыток одного из реагентов или удаляют один из продуктов (обычно воду) из реакционной смеси.

Общая схема реакции этерификации выглядит так:

$R-COOH + R'-OH \xrightleftharpoons[H^+]{t} R-COO-R' + H_2O$

где:

• $R-COOH$ — карбоновая кислота;
• $R'-OH$ — спирт;
• $R-COO-R'$ — сложный эфир;
• $H_2O$ — вода.

Например, при взаимодействии уксусной кислоты с этанолом образуется этилацетат (эфир с запахом груш) и вода:

$CH_3COOH_{\text{(уксусная кислота)}} + C_2H_5OH_{\text{(этанол)}} \xrightleftharpoons[H_2SO_4]{} CH_3COOC_2H_5_{\text{(этилацетат)}} + H_2O_{\text{(вода)}}$

Сложные эфиры также можно получить другими способами, например, при взаимодействии спиртов с ангидридами или галогенангидридами карбоновых кислот. Эти реакции, как правило, протекают более активно и являются необратимыми.

Ответ: Сложные эфиры образуются в результате реакции этерификации — взаимодействия карбоновых кислот со спиртами в присутствии кислотного катализатора, при котором отщепляется молекула воды.

Что называют омылением?

Омылением (также известным как сапонификация) называют процесс щелочного гидролиза сложных эфиров. Это химическая реакция, в ходе которой сложный эфир вступает во взаимодействие с водным раствором щёлочи (например, гидроксидом натрия $NaOH$ или гидроксидом калия $KOH$).

В результате этой реакции происходит расщепление сложного эфира на исходные компоненты, из которых он был синтезирован: спирт и карбоновую кислоту. Однако, поскольку реакция протекает в щелочной среде, карбоновая кислота немедленно реагирует со щёлочью, образуя соль.

Таким образом, продуктами реакции омыления являются спирт и соль карбоновой кислоты.

Общая схема реакции в общем виде выглядит так:
$R_1-COO-R_2 + NaOH \rightarrow R_1-COONa + R_2-OH$
где $R_1-COO-R_2$ – сложный эфир, $NaOH$ – щёлочь, $R_1-COONa$ – соль карбоновой кислоты, а $R_2-OH$ – спирт.

Наиболее известным примером омыления является процесс получения мыла из жиров. Жиры представляют собой сложные эфиры трёхатомного спирта глицерина и высших карбоновых (жирных) кислот. При их нагревании со щёлочью образуются глицерин и соли высших карбоновых кислот, которые и являются твёрдым (если использовался $NaOH$) или жидким (если использовался $KOH$) мылом. Именно от этого процесса (варки мыла) и произошло название "омыление".

Реакция омыления жира (триглицерида):
$(R-COO)_3C_3H_5 + 3NaOH \rightarrow 3R-COONa + C_3H_5(OH)_3$
(Жир + Гидроксид натрия $\rightarrow$ Мыло + Глицерин)

Ответ: Омылением называют реакцию щелочного гидролиза сложных эфиров, в результате которой образуются спирт и соль карбоновой кислоты (мыло, в случае гидролиза жиров).

Исходя из жизненного опыта, охарактеризуйте на конкретных примерах физические свойства жиров.

Жиры, или липиды, — это органические соединения, с которыми мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни, особенно в кулинарии. Их физические свойства можно легко наблюдать на конкретных бытовых примерах.

1. Агрегатное состояние при комнатной температуре

Жиры могут быть как твердыми, так и жидкими. Это зависит от их происхождения и химического состава. Жиры животного происхождения, как правило, твердые, а растительного — жидкие (их называют маслами).

Пример: Сливочное масло и свиное сало (лярд) при комнатной температуре находятся в твердом состоянии. В то же время подсолнечное, оливковое или кукурузное масло — это жидкости.

Ответ: В зависимости от вида, жиры при комнатной температуре могут быть твердыми (например, сливочное масло) или жидкими (например, растительное масло).

2. Растворимость

Жиры не растворяются в воде. Это связано с тем, что молекулы жира являются неполярными, а молекулы воды — полярными. Это свойство называется гидрофобностью.

Пример: Если налить растительное масло в стакан с водой, масло не смешается с ней, а образует на поверхности отдельный слой или капли. Именно поэтому жирную посуду так сложно отмыть одной лишь водой — необходимо моющее средство, которое может эмульгировать жир.

Ответ: Жиры нерастворимы в воде.

3. Плотность

Плотность жиров меньше плотности воды. Поэтому они всегда всплывают на ее поверхность.

Пример: В тарелке с супом или бульоном капли жира всегда плавают сверху. Тот же эффект наблюдается, когда масло всплывает в стакане с водой.

Ответ: Жиры легче воды, их плотность меньше 1 г/см³.

4. Температура плавления

Твердые жиры имеют относительно низкую температуру плавления. При нагревании они легко переходят в жидкое состояние.

Пример: Кусочек сливочного масла быстро тает на горячей сковороде или на теплом тосте. Шоколад, содержащий масло какао, тает в руках. Свеча из животного жира (стеарина) плавится от тепла пламени.

Ответ: Жиры легкоплавки; твердые жиры при небольшом нагревании становятся жидкими.

5. Цвет, вкус и запах

В чистом виде жиры, как правило, бесцветны и не имеют запаха и вкуса. Характерные цвет, вкус и аромат придают им различные сопутствующие вещества (примеси).

Пример: Рафинированное (очищенное) подсолнечное масло почти не имеет цвета и запаха. Нерафинированное же обладает насыщенным желтым цветом и характерным запахом семечек. Сливочное масло имеет желтоватый оттенок из-за пигмента каротина, который содержится в траве, поедаемой коровами.

Ответ: Сами по себе жиры бесцветны и безвкусны, а их органолептические свойства определяются примесями.

6. Внешний вид и тактильные ощущения

Жиры маслянистые на ощупь. Они оставляют на пористых поверхностях, например, на бумаге, характерные жирные пятна, которые не высыхают.

Пример: Если дотронуться до масла, пальцы становятся скользкими и жирными. Капля масла, попавшая на бумажную салфетку, оставляет полупрозрачное пятно, которое не исчезает со временем, в отличие от пятна от воды.

Ответ: Жиры маслянистые на ощупь и оставляют на бумаге невысыхающие жирные пятна.