Страница 31 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Какие вещества называют углеводородами?

Углеводородами (или карбоводородами) называют обширный класс органических соединений, молекулы которых состоят исключительно из атомов двух химических элементов: углерода ($C$) и водорода ($H$). Само название отражает их состав: «уголь» (основа для углерода) и «водород».

Атомы углерода, обладающие уникальной способностью соединяться друг с другом, образуют «скелет» молекулы в виде цепей (прямых, разветвленных) или циклов. Атомы водорода присоединяются к этому углеродному скелету, насыщая свободные валентности атомов углерода.

В зависимости от строения углеродного скелета и типа химических связей между атомами углерода, углеводороды классифицируют на несколько основных групп.

1. Ациклические (алифатические) углеводороды — соединения с открытой (незамкнутой) цепью атомов углерода.
   • Предельные (насыщенные) углеводороды, или алканы. В их молекулах все связи между атомами углерода одинарные ($C-C$). Общая формула гомологического ряда алканов — $C_nH_{2n+2}$. Простейший представитель — метан ($CH_4$).
   • Непредельные (ненасыщенные) углеводороды. В их молекулах присутствуют кратные связи между атомами углерода: двойные ($C=C$) или тройные ($C \equiv C$). К ним относятся:
     • Алкены: содержат одну двойную связь (общая формула $C_nH_{2n}$, пример: этен $C_2H_4$).
     • Алкадиены: содержат две двойные связи (общая формула $C_nH_{2n-2}$, пример: бутадиен-1,3 $C_4H_6$).
     • Алкины: содержат одну тройную связь (общая формула $C_nH_{2n-2}$, пример: этин (ацетилен) $C_2H_2$).
2. Циклические (карбоциклические) углеводороды — соединения, в которых углеродный скелет представляет собой замкнутую цепь (цикл).
   • Алициклические углеводороды. По химическим свойствам они похожи на ациклические аналоги. Наиболее известны циклоалканы, содержащие только одинарные связи в цикле (общая формула $C_nH_{2n}$, пример: циклогексан $C_6H_{12}$).
   • Ароматические углеводороды (арены). Это соединения, которые содержат в своих молекулах одно или несколько бензольных колец — особых устойчивых циклических структур. Простейший представитель — бензол ($C_6H_6$).

Углеводороды являются основными компонентами природных ископаемых — нефти, природного газа и угля. Они играют ключевую роль в мировой экономике как основной источник энергии (топливо) и как сырье для химического синтеза пластмасс, каучуков, волокон, растворителей, лекарств и множества других органических продуктов.

Ответ: Углеводороды — это органические вещества, молекулы которых состоят только из атомов углерода ($C$) и водорода ($H$).

Какова общая формула алканов (предельных углеводородов)?

Какова общая формула алканов (предельных углеводородов)?

Алканы, также известные как предельные (или насыщенные) углеводороды или парафины, представляют собой класс ациклических углеводородов. Особенностью их строения является то, что в их молекулах атомы углерода соединены между собой только одинарными (простыми) связями. Это означает, что все валентности атомов углерода, не задействованные в образовании углерод-углеродных связей, полностью насыщены атомами водорода. Из-за этого их и называют предельными.

Общая формула гомологического ряда алканов выводится из их строения. В любой нециклической (с открытой цепью) молекуле алкана, содержащей n атомов углерода, эти атомы образуют углеродный скелет. Каждый "внутренний" атом углерода в цепи связан с двумя соседними атомами углерода и, следовательно, с двумя атомами водорода. Два "концевых" атома углерода (на концах цепи) связаны только с одним соседним атомом углерода и с тремя атомами водорода.

Таким образом, общее количество атомов водорода в молекуле алкана можно рассчитать как 2 атома водорода на каждый из n атомов углерода плюс еще 2 дополнительных атома водорода на концах цепи. Это приводит к следующей общей формуле:

$C_nH_{2n+2}$

В этой формуле n — это целое число, представляющее количество атомов углерода в молекуле, причем $n \ge 1$.

Например, для первых представителей гомологического ряда алканов: при n=1 получается метан с формулой $CH_4$ ($C_1H_{2 \cdot 1+2}$); при n=2 — этан, $C_2H_6$ ($C_2H_{2 \cdot 2+2}$); при n=3 — пропан, $C_3H_8$ ($C_3H_{2 \cdot 3+2}$); при n=4 — бутан, $C_4H_{10}$ ($C_4H_{2 \cdot 4+2}$). Эта формула справедлива для всех алканов с открытой цепью, как линейного, так и разветвленного строения.

Ответ: Общая формула алканов (предельных ациклических углеводородов) — $C_nH_{2n+2}$, где n — число атомов углерода.

Что такое изомерия?

Изомерия (от греческих слов ἴσος — «равный» и μέρος — «часть, доля») — это явление, заключающееся в существовании химических соединений (изомеров), которые имеют одинаковый качественный и количественный состав (то есть одинаковую молекулярную формулу), но различное строение и, следовательно, разные физические и химические свойства.

Соединения, являющиеся изомерами по отношению друг к другу, называются изомерами. Различия в строении могут касаться как порядка соединения атомов в молекуле, так и их пространственного расположения.

Например, молекулярной формуле $C_4H_{10}$ соответствуют два разных вещества: н-бутан (имеет линейное строение углеродной цепи) и изобутан (2-метилпропан, имеет разветвленное строение). Эти вещества обладают разными свойствами: температура кипения н-бутана составляет –0,5 °C, а изобутана –11,7 °C.

Различают два основных вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию).

1. Структурная изомерия
Структурные изомеры отличаются друг от друга порядком связей между атомами в молекуле. Выделяют несколько ее типов:
• Изомерия углеродного скелета: связана с различным строением углеродной цепи. Пример: уже упомянутые н-бутан и изобутан ($C_4H_{10}$).
• Изомерия положения: связана с различным положением кратной связи, функциональной группы или заместителя при одинаковом углеродном скелете. Пример: бутен-1 ($CH_2=CH-CH_2-CH_3$) и бутен-2 ($CH_3-CH=CH-CH_3$); пропанол-1 ($CH_3-CH_2-CH_2-OH$) и пропанол-2 ($CH_3-CH(OH)-CH_3$).
• Межклассовая изомерия: изомеры относятся к разным классам органических соединений. Пример: для формулы $C_2H_6O$ существуют этанол ($C_2H_5OH$, класс спиртов) и диметиловый эфир ($CH_3-O-CH_3$, класс простых эфиров).

2. Пространственная изомерия (стереоизомерия)
Стереоизомеры имеют одинаковый порядок соединения атомов, но различаются их расположением в пространстве. Основные виды стереоизомерии:
• Геометрическая (цис-транс) изомерия: характерна для соединений, в молекулах которых есть двойная связь или цикл, что ограничивает свободное вращение атомов. Заместители могут располагаться по одну сторону от плоскости двойной связи (цис-изомер) или по разные стороны (транс-изомер). Пример: цис-бутен-2 и транс-бутен-2.
• Оптическая (зеркальная) изомерия: характерна для хиральных молекул, которые несовместимы со своим зеркальным отражением, как левая и правая рука. Такие изомеры называются энантиомерами. Чаще всего хиральность обусловлена наличием асимметрического атома углерода (хирального центра) — атома, связанного с четырьмя разными заместителями. Пример: L- и D-формы молочной кислоты.

Ответ: Изомерия — это явление существования соединений (изомеров), одинаковых по составу (имеющих одинаковую молекулярную формулу), но различных по химическому строению или пространственному расположению атомов, и вследствие этого обладающих разными свойствами.

Чем определяется многообразие углеводородов?

Многообразие углеводородов, как и всех органических соединений, обусловлено несколькими уникальными свойствами атома углерода, который является их структурной основой.

Ключевыми факторами, определяющими это многообразие, являются:

1. Способность атомов углерода образовывать прочные ковалентные связи друг с другом (катенация). Атомы углерода могут соединяться в цепи различной длины и формы:
   • Линейные (неразветвленные) цепи, например, в молекуле н-пентана ($CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$).
   • Разветвленные цепи, например, в молекуле изопентана (2-метилбутана).
   • Замкнутые цепи (циклы), например, в молекуле циклопентана.

   Энергия связи $C-C$ достаточно велика (около 348 кДж/моль), что обеспечивает стабильность таких углеродных скелетов.

2. Способность атомов углерода образовывать кратные связи. Помимо одинарных связей ($C-C$), атомы углерода могут образовывать друг с другом двойные ($C=C$) и тройные ($C \equiv C$) связи. Это приводит к существованию различных классов углеводородов:
   • Алканы (предельные углеводороды) — содержат только одинарные связи. Общая формула $C_nH_{2n+2}$.
   • Алкены (непредельные) — содержат одну или несколько двойных связей. Общая формула для алкенов с одной двойной связью — $C_nH_{2n}$.
   • Алкины (непредельные) — содержат одну или несколько тройных связей. Общая формула для алкинов с одной тройной связью — $C_nH_{2n-2}$.
   • Арены (ароматические углеводороды) — содержат особое бензольное кольцо с сопряженной системой $\pi$-электронов.
3. Четырехвалентность углерода. Атом углерода на внешнем электронном слое имеет четыре электрона и может образовывать четыре ковалентные связи. Это позволяет ему присоединять к себе до четырех других атомов (водорода или других атомов углерода), создавая стабильные молекулярные структуры.
4. Явление изомерии. Изомеры — это вещества, имеющие одинаковый качественный и количественный состав (одну и ту же молекулярную формулу), но разное строение и, следовательно, разные свойства. Для углеводородов характерны:
   • Структурная изомерия:
     • Изомерия углеродного скелета: например, бутан $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$ и изобутан (2-метилпропан) $CH(CH_3)_3$. Оба имеют формулу $C_4H_{10}$.
     • Изомерия положения кратной связи: например, бутен-1 $CH_2=CH-CH_2-CH_3$ и бутен-2 $CH_3-CH=CH-CH_3$. Оба имеют формулу $C_4H_8$.
     • Межклассовая изомерия: например, алкены и циклоалканы имеют общую формулу $C_nH_{2n}$ (например, пропен и циклопропан, $C_3H_6$).
   • Пространственная изомерия (стереоизомерия):
     • Геометрическая (цис-транс) изомерия: возникает из-за невозможности свободного вращения вокруг двойной связи или в цикле. Например, цис-бутен-2 и транс-бутен-2.

Сочетание этих четырех факторов приводит к тому, что число возможных углеводородов практически не ограничено.

Ответ:

Многообразие углеводородов определяется главным образом четырьмя причинами, связанными со свойствами атома углерода:

1. Способностью атомов углерода соединяться друг с другом в длинные и разветвленные цепи, а также в циклы (катенация).
2. Способностью атомов углерода образовывать не только одинарные, но и кратные (двойные и тройные) связи.
3. Четырехвалентностью атома углерода, позволяющей создавать стабильные разветвленные структуры.
4. Широко распространенным явлением изомерии (структурной и пространственной), из-за которого соединения одного и того же состава могут иметь разное строение и свойства.