Страница 24 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Какое значение имеет в химии классификация веществ?

1. Классификация веществ в химии имеет фундаментальное значение, поскольку она позволяет систематизировать огромное многообразие химических соединений и выявлять общие закономерности в их свойствах и поведении. Без системы классификации химия была бы набором разрозненных фактов, а не стройной наукой.

Основная ценность классификации заключается в систематизации знаний. В мире известно десятки миллионов химических веществ, и их число постоянно растет. Классификация (например, на неорганические и органические, а далее — на оксиды, кислоты, основания, соли, или на углеводороды, спирты, альдегиды и т.д.) позволяет организовать эти знания, облегчая их изучение, хранение и поиск информации. Это похоже на библиотечный каталог, который помогает найти нужную книгу среди миллионов других.

Важнейшей функцией классификации является прогнозирование свойств. Отнесение вещества к определенному классу на основе его состава или строения позволяет с высокой долей вероятности предсказать его физические и химические свойства. Например, зная, что вещество относится к классу щелочей, можно ожидать, что оно будет реагировать с кислотами (реакция нейтрализации) и изменять окраску индикаторов. В органической химии, определив, что в молекуле есть карбоксильная группа $(–COOH)$, мы можем предсказать, что это вещество — кислота, которая будет диссоциировать в воде, реагировать с основаниями и спиртами.

Классификация помогает устанавливать взаимосвязи и закономерности. Она выявляет генетические связи между различными классами веществ, например, цепочку превращений: металл → основный оксид → основание → соль. Понимание этих связей является основой для планирования химического синтеза — целенаправленного получения веществ с заданными свойствами.

Кроме того, классификация облегчает коммуникацию и обучение. Она создает универсальный и однозначный язык для химиков по всему миру. Термины, такие как «алкен», «аминокислота» или «соль», несут в себе большой объем информации о строении и типичных свойствах соединения. Это делает процесс обучения химии более структурированным и логичным, а также обеспечивает эффективность научного общения.

Наконец, классификация имеет огромное практическое применение. Она важна для решения задач в области безопасности, технологий и медицины. Например, разделение веществ на горючие, токсичные, взрывоопасные основано на классификации по их химической активности и определяет правила обращения с ними. В фармакологии классификация лекарственных средств по химической структуре помогает в разработке новых, более эффективных препаратов.

Таким образом, классификация является не просто формальным упорядочиванием, а мощным инструментом познания, который лежит в основе теоретической и практической химии.

Ответ: Классификация веществ в химии имеет ключевое значение для систематизации знаний о миллионах соединений, прогнозирования их химических и физических свойств на основе принадлежности к определенному классу, выявления закономерностей и взаимосвязей между веществами, а также для обеспечения эффективного обучения и международной научной коммуникации. Она является основой для практического применения химии в промышленности, медицине и обеспечении безопасности.

2. По каким двум признакам принято классифицировать органические вещества?

Классификация органических веществ, основанная на теории химического строения А. М. Бутлерова, базируется на двух главных признаках.

Углеродный скелет — это последовательность атомов углерода, образующих основу молекулы. По этому признаку все органические соединения делятся на две большие группы:

• Ациклические (нециклические) соединения. В молекулах этих веществ атомы углерода соединены в незамкнутые, прямые или разветвленные цепи. Их также называют алифатическими.
  • Насыщенные (предельные) — содержат только одинарные связи между атомами углерода (C–C), например, алканы.
  • Ненасыщенные (непредельные) — содержат кратные связи: двойные (C=C), как в алкенах, или тройные (C≡C), как в алкинах.
• Циклические соединения. Молекулы этих веществ содержат одно или несколько колец (циклов), образованных атомами.
  • Карбоциклические соединения. Их циклы построены только из атомов углерода. Они, в свою очередь, делятся на:
    • Алициклические — по свойствам похожи на ациклические (например, циклогексан).
    • Ароматические — содержат особое циклическое образование, бензольное кольцо (например, бензол, нафталин).
  • Гетероциклические соединения. В состав цикла, помимо атомов углерода, входят атомы других элементов (гетероатомы), чаще всего кислорода (O), азота (N) или серы (S) (например, пиридин, фуран).

Функциональная группа — это атом или группа атомов, не являющаяся частью углеводородного радикала, которая определяет характерные химические свойства целого класса соединений (гомологического ряда).

По этому признаку вещества относят к различным классам. Например:

• Спирты и фенолы — содержат гидроксогруппу (–OH).
• Простые эфиры — содержат кислородный мостик (–O–) между двумя углеводородными радикалами.
• Альдегиды и кетоны — содержат карбонильную группу (>C=O).
• Карбоновые кислоты — содержат карбоксильную группу (–COOH).
• Амины — содержат аминогруппу (–NH₂).
• Галогенпроизводные — содержат атом галогена (–F, –Cl, –Br, –I).

Полная классификация органического соединения всегда учитывает оба этих признака. Например, этанол (C₂H₅OH) — это ациклический насыщенный спирт.

Ответ:

Органические вещества принято классифицировать по двум основным признакам: 1) по строению углеродного скелета (деление на ациклические и циклические соединения); 2) по наличию и типу функциональных групп (деление на классы соединений, такие как спирты, альдегиды, карбоновые кислоты и др.).

3. Какие вещества называют производными углеводородов?

Производными углеводородов называют органические соединения, которые образуются из углеводородов путем замены одного или нескольких атомов водорода на другие атомы или группы атомов. Эти замещающие группы атомов называются функциональными группами.

Углеводороды, такие как алканы, алкены, алкины и арены, состоят только из атомов углерода и водорода. В производных углеводородов углеродный скелет сохраняется, но присоединение функциональной группы кардинально меняет химические и физические свойства вещества, определяя его принадлежность к определенному классу органических соединений.

Функциональная группа — это структурный фрагмент молекулы (атом или группа атомов), который определяет её характерные химические свойства. В зависимости от типа функциональной группы производные углеводородов делятся на различные классы:

• Галогенопроизводные: Атом водорода заменен на атом галогена (например, F, Cl, Br, I). Пример: хлорметан ($CH_3Cl$) является производным метана ($CH_4$).
• Спирты и фенолы: Содержат гидроксильную группу (–OH). Пример: этанол ($C_2H_5OH$) — производное этана ($C_2H_6$).
• Альдегиды и кетоны: Содержат карбонильную группу ($>C=O$). Пример: уксусный альдегид (этаналь, $CH_3CHO$) — производное этана.
• Карбоновые кислоты: Содержат карбоксильную группу (–COOH). Пример: уксусная кислота ($CH_3COOH$) — производное этана.
• Амины: Содержат аминогруппу (–NH₂, –NHR, –NR₂). Пример: метиламин ($CH_3NH_2$) — производное метана.
• Сложные эфиры: Являются производными карбоновых кислот, в которых атом водорода карбоксильной группы замещен на углеводородный радикал (R–COO–R'). Пример: этилацетат ($CH_3COOC_2H_5$).
• Нитросоединения: Содержат нитрогруппу (–NO₂). Пример: нитрометан ($CH_3NO_2$) — производное метана.

Таким образом, углеводородный радикал выступает в роли основы (скелета) молекулы, а функциональная группа — как активный центр, отвечающий за большинство химических превращений данного соединения.

Ответ: Производные углеводородов — это органические соединения, которые можно рассматривать как продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекулах углеводородов на другие атомы (например, галогены) или группы атомов, называемые функциональными группами (например, –OH, –CHO, –COOH, –NH₂).

4. Какие признаки положены в основу современной классификации органических соединений? Приведите примеры.

Современная классификация органических соединений основана на теории химического строения и базируется на двух главных признаках: строении углеродного скелета и наличии и природе функциональных групп.

Углеродный скелет — это последовательность соединенных между собой атомов углерода, которая составляет основу молекулы органического соединения. По этому признаку все органические соединения делят на ациклические и циклические.

• Ациклические (нециклические) соединения — это соединения, в молекулах которых атомы углерода образуют открытые (незамкнутые) цепи.
  • По строению цепи они могут быть неразветвленными (например, н-бутан $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$) и разветвленными (например, изобутан или 2-метилпропан $CH_3-CH(CH_3)-CH_3$).
  • По характеру связей между атомами углерода они делятся на:
    • Предельные (насыщенные), содержащие только одинарные связи C–C. Пример: пропан $CH_3-CH_2-CH_3$.
    • Непредельные (ненасыщенные), содержащие кратные связи: двойные C=C (алкены) или тройные C≡C (алкины). Примеры: пропен $CH_2=CH-CH_3$, пропин $CH≡C-CH_3$.
• Циклические соединения — это соединения, в молекулах которых атомы образуют замкнутые цепи (циклы).
  • Карбоциклические соединения, циклы которых состоят только из атомов углерода. Они подразделяются на:
    • Алициклические — по химическим свойствам напоминают ациклические соединения. Пример: циклогексан $C_6H_{12}$.
    • Ароматические — содержат в своей структуре одно или несколько бензольных колец, обладающих особыми свойствами. Пример: бензол $C_6H_6$.
  • Гетероциклические соединения, в состав цикла которых, кроме атомов углерода, входят атомы других элементов (гетероатомы), чаще всего кислорода (O), азота (N), серы (S). Пример: пиридин $C_5H_5N$.

Функциональная группа — это атом или группа атомов, которая определяет характерные химические свойства данного класса соединений. Наличие той или иной функциональной группы является важнейшим классификационным признаком.

Примеры классов органических соединений, выделяемых по этому признаку:

• Спирты — содержат гидроксогруппу $–OH$. Пример: этанол $C_2H_5OH$.
• Альдегиды — содержат альдегидную группу $–CHO$. Пример: этаналь (уксусный альдегид) $CH_3CHO$.
• Кетоны — содержат карбонильную группу $>C=O$, связанную с двумя углеводородными радикалами. Пример: пропанон (ацетон) $CH_3-CO-CH_3$.
• Карбоновые кислоты — содержат карбоксильную группу $–COOH$. Пример: уксусная кислота $CH_3COOH$.
• Сложные эфиры — содержат сложноэфирную группу $–COO–$. Пример: метилпропионат $CH_3CH_2COOCH_3$.
• Амины — органические производные аммиака, содержат аминогруппу $–NH_2$. Пример: метиламин $CH_3NH_2$.

Таким образом, полное название органического соединения часто отражает оба классификационных признака. Например, циклогексанол — это циклический спирт, а 2-аминопропановая кислота (аланин) — это ациклическая аминокислота.

Ответ: В основу современной классификации органических соединений положены два главных признака: 1) строение углеродного скелета (ациклические и циклические, которые в свою очередь делятся на карбо- и гетероциклические, предельные и непредельные) и 2) наличие и тип функциональных групп (например, $–OH$, $–CHO$, $–COOH$, $–NH_2$), которые определяют принадлежность соединения к определенному классу (спирты, альдегиды, карбоновые кислоты, амины и т.д.) и его химические свойства.

5. Выберите формулы веществ, содержащих функциональные группы, и назовите эти группы.

$ \text{CH}_3—\text{CH}_2—\text{CH}(\text{CH}_3)—\text{CH}_3 $ $ \text{CH}_2=\text{CH}_2 $ $ \text{CH}_3—\text{CH}_2—\text{OH} $

$ \text{CH}_3—\text{NH}_2 $ $ \text{CH}_3—\text{CH}_2—\text{C}(=\text{O})\text{OH} $ $ \text{CH}_3—\text{CH}_2—\text{CH}_3 $

Найти:

Формулы веществ из предложенного списка, которые содержат функциональные группы, и названия этих групп.

Решение:

Функциональная группа — это структурный фрагмент молекулы (атом или группа атомов), который определяет её принадлежность к определённому классу органических соединений и её характерные химические свойства. Проанализируем все представленные формулы.

Соединения $CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH_3$ (2-метилбутан) и $CH_3-CH_2-CH_3$ (пропан) относятся к классу предельных углеводородов (алканов). Молекулы алканов состоят только из атомов углерода и водорода, соединенных простыми ($\sigma$-) связями, и не содержат функциональных групп.

Вещества, содержащие функциональные группы:

$CH_2=CH_2$

Это этен, представитель класса алкенов. Его функциональной группой, определяющей химические свойства, является двойная углерод-углеродная связь.

Ответ: двойная связь ($C=C$).

$CH_3-CH_2-OH$

Это этанол, представитель класса одноатомных спиртов. Его функциональной группой является гидроксильная группа.

Ответ: гидроксильная группа ($-OH$).

$CH_3-NH_2$

Это метиламин, представитель класса аминов. Его функциональной группой является аминогруппа.

Ответ: аминогруппа ($-NH_2$).

$CH_3-CH_2-COOH$

Это пропановая кислота, представитель класса карбоновых кислот. Её функциональной группой является карбоксильная группа, которая состоит из карбонильной ($>C=O$) и гидроксильной ($-OH$) групп, связанных с одним и тем же атомом углерода.

Ответ: карбоксильная группа ($-COOH$).