Страница 43 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

На какие классы делят углеводороды (см. схему 2)?

Углеводороды — это органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода (C) и водорода (H). Классификация углеводородов основана на строении их углеродного скелета и типе химических связей между атомами углерода.

Всю совокупность углеводородов принято делить на два больших класса по строению углеродной цепи: ациклические (алифатические) и циклические. Каждый из этих классов, в свою очередь, подразделяется на группы.

Ациклические (алифатические) углеводороды

Это углеводороды, в молекулах которых атомы углерода соединены в открытые (незамкнутые) цепи, которые могут быть как прямыми, так и разветвленными. Они делятся на насыщенные и ненасыщенные.

• Насыщенные (предельные) углеводороды — Алканы. В их молекулах все атомы углерода связаны между собой только одинарными (простыми) связями. Общая формула гомологического ряда алканов: $C_nH_{2n+2}$, где $n \geq 1$. Простейший представитель — метан ($CH_4$).
• Ненасыщенные (непредельные) углеводороды. В их молекулах, помимо одинарных, содержатся также кратные (двойные или тройные) связи между атомами углерода. К ним относятся:
  • Алкены (олефины): содержат одну двойную связь C=C. Общая формула: $C_nH_{2n}$, где $n \geq 2$. Простейший представитель — этен (этилен) ($C_2H_4$).
  • Алкины: содержат одну тройную связь C≡C. Общая формула: $C_nH_{2n-2}$, где $n \geq 2$. Простейший представитель — этин (ацетилен) ($C_2H_2$).
  • Алкадиены (диены): содержат две двойные связи C=C. Общая формула: $C_nH_{2n-2}$, где $n \geq 3$. Простейший представитель — пропадиен ($C_3H_4$).

Циклические углеводороды

Это углеводороды, в молекулах которых атомы углерода образуют замкнутые цепи (циклы). Их делят на карбоциклические (циклы только из атомов углерода) и гетероциклические (в цикле есть и другие атомы). К углеводородам в строгом смысле относятся только карбоциклические.

• Карбоциклические углеводороды. Эта группа подразделяется на:
  • Алициклические углеводороды: по химическим свойствам близки к соответствующим ациклическим соединениям.
    • Циклоалканы: содержат только одинарные связи в цикле. Общая формула: $C_nH_{2n}$, где $n \geq 3$. Простейший представитель — циклопропан ($C_3H_6$).
    • Циклоалкены: содержат одну двойную связь в цикле. Общая формула: $C_nH_{2n-2}$, где $n \geq 3$. Простейший представитель — циклопропен ($C_3H_4$).
  • Ароматические углеводороды (Арены): содержат в своих молекулах одно или несколько бензольных колец — особых циклических структур с сопряженной системой π-связей. Простейший представитель — бензол ($C_6H_6$).

Ответ:

Углеводороды классифицируют по строению углеродного скелета и типу связей. Основное деление — на ациклические (с открытой цепью) и циклические (с замкнутой цепью).

Ациклические углеводороды делятся на:

• Насыщенные (предельные) – алканы. В них только одинарные связи C-C.
• Ненасыщенные (непредельные) – содержат кратные связи. К ним относятся алкены (одна двойная связь C=C), алкины (одна тройная связь C≡C), алкадиены (две двойные связи) и другие.

Циклические углеводороды делятся на:

• Алициклические – неароматические циклические углеводороды, например, циклоалканы и циклоалкены.
• Ароматические (арены) – содержат ароматическую систему, как в бензоле.

Какое состояние атома углерода называют возбуждённым?

Решение

Чтобы понять, что такое возбуждённое состояние атома углерода, нужно сначала рассмотреть его электронное строение в основном, или невозбуждённом, состоянии.

Атом углерода (C) — шестой элемент в периодической таблице, следовательно, у него 6 протонов и 6 электронов. Электронная конфигурация атома углерода в основном состоянии: $1s^22s^22p^2$.

Нас интересуют валентные электроны, находящиеся на внешнем (втором) энергетическом уровне. Их электронно-графическая формула, показывающая распределение по орбиталям, такова:
2p-подуровень: [↑][↑][ ]
2s-подуровень: [↑↓]
В основном состоянии атом углерода имеет два неспаренных электрона на $2p$-орбиталях. Это предполагает, что углерод должен быть двухвалентным, то есть образовывать две химические связи.

Однако в подавляющем большинстве своих соединений (например, в метане $CH_4$, этане $C_2H_6$ и других органических веществах) углерод проявляет валентность IV, то есть образует четыре химические связи. Это становится возможным благодаря переходу атома в возбуждённое состояние.

Возбуждённое состояние (обозначается C*) — это состояние с более высокой энергией. Атом переходит в него, поглощая небольшое количество энергии (квант энергии). В случае углерода эта энергия вызывает "распаривание" электронной пары на $2s$-подуровне: один из $2s$-электронов переходит на вакантную (свободную) $2p$-орбиталь.

Электронная конфигурация возбуждённого атома углерода (C*) становится $1s^22s^12p^3$. Его электронно-графическая формула для внешнего уровня выглядит так:
2p-подуровень: [↑][↑][↑]
2s-подуровень: [↑]
Теперь у атома углерода четыре неспаренных электрона, и он может образовать четыре ковалентные связи. Энергия, затраченная на возбуждение атома, с избытком компенсируется энергией, выделяющейся при образовании двух дополнительных, более прочных связей.

Ответ: Возбуждённым состоянием атома углерода называют его состояние с более высокой энергией, в которое он переходит при поглощении энергии. Этот переход заключается в том, что один электрон с $2s$-подуровня перемещается на свободную $2p$-орбиталь, в результате чего электронная конфигурация внешнего слоя становится $2s^12p^3$. В возбуждённом состоянии атом углерода имеет четыре неспаренных электрона, что позволяет ему проявлять валентность IV и образовывать четыре ковалентные связи.

Какие вещества называют гомологами? изомерами?

Гомологи

Гомологами называют органические вещества, которые принадлежат к одному и тому же классу соединений (имеют одинаковые функциональные группы), обладают сходным строением и химическими свойствами, но отличаются друг от друга по составу на одну или несколько групп $CH_2$ (так называемая гомологическая разность). Совокупность гомологов образует гомологический ряд. Все члены гомологического ряда можно описать одной общей формулой.

Например, гомологический ряд предельных углеводородов (алканов) описывается общей формулой $C_n H_{2n+2}$. Его представителями являются метан ($CH_4$), этан ($C_2H_6$), пропан ($C_3H_8$), бутан ($C_4H_{10}$) и так далее. Каждый последующий член этого ряда отличается от предыдущего на группу $CH_2$. Свойства веществ в гомологическом ряду закономерно изменяются с увеличением молекулярной массы.

Ответ: Гомологи — это вещества, сходные по строению и свойствам, принадлежащие к одному классу органических соединений и отличающиеся друг от друга по составу на одну или несколько групп $CH_2$.

Изомеры

Изомерами называют вещества, которые имеют одинаковый качественный и количественный состав (то есть одинаковую молекулярную формулу), но разное химическое строение или пространственное расположение атомов. Из-за различий в строении изомеры являются разными веществами и, как правило, обладают разными физическими и химическими свойствами.

Различают два основных вида изомерии:

• Структурная изомерия, при которой атомы в молекулах соединены в разном порядке. Она, в свою очередь, подразделяется на:
  • изомерию углеродного скелета (например, н-бутан и изобутан);
  • изомерию положения функциональной группы или кратной связи (например, пропанол-1 и пропанол-2);
  • межклассовую изомерию (например, этанол и диметиловый эфир, оба с формулой $C_2H_6O$).
• Пространственная изомерия (стереоизомерия), при которой порядок соединения атомов одинаков, но молекулы различаются расположением атомов в пространстве (например, цис- и транс-изомеры).

Например, для молекулярной формулы $C_4H_{10}$ существуют два структурных изомера (изомеры углеродного скелета):

1. н-бутан: $CH_3–CH_2–CH_2–CH_3$ (температура кипения -0,5 °C)
2. изобутан (2-метилпропан): $CH_3–CH(CH_3)–CH_3$ (температура кипения -11,7 °C)

Ответ: Изомеры — это вещества, имеющие одинаковую молекулярную формулу (одинаковый атомный состав), но разное строение и, как следствие, разные свойства.