Страница 55 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Вспомните правила безопасного обращения с концентрированной серной кислотой.

Концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$) — это чрезвычайно едкое и опасное вещество, работа с которым требует строгого соблюдения правил техники безопасности. Ниже перечислены основные правила безопасного обращения с ней.

• Средства индивидуальной защиты (СИЗ): Работать с концентрированной серной кислотой можно только с использованием СИЗ. К ним относятся:
  • Защитные очки или лицевой щиток для предотвращения попадания брызг в глаза.
  • Химически стойкие перчатки (например, из бутилкаучука или неопрена).
  • Лабораторный халат или химически стойкий фартук для защиты кожи и одежды.
  • Работы следует проводить в хорошо вентилируемом помещении, предпочтительно под тягой в вытяжном шкафу.
• Правило разбавления: Это одно из самых важных правил. При разбавлении концентрированной серной кислоты всегда следует медленно и при постоянном перемешивании приливать кислоту к воде, а не наоборот. Процесс растворения кислоты в воде является сильно экзотермическим (выделяется большое количество тепла). Если добавлять воду в кислоту, вода из-за меньшей плотности останется на поверхности и может мгновенно закипеть, что приведет к разбрызгиванию горячей концентрированной кислоты. Запомните мнемоническое правило: "Сначала вода, потом кислота, иначе случится большая беда" или "Лей кислоту в воду".
• Работа и хранение:
  • Все манипуляции с кислотой проводить аккуратно, избегая разливов. Для переноски использовать специальные поддоны или вторичные контейнеры.
  • Хранить кислоту следует в плотно закрытой таре из химически стойкого материала (стекло, специальный пластик) в прохладном, сухом и хорошо вентилируемом месте.
  • Необходимо хранить серную кислоту отдельно от несовместимых с ней веществ: оснований, горючих и органических материалов, металлов, восстановителей, так как она является сильным окислителем и водоотнимающим средством.
• Действия в чрезвычайных ситуациях:
  • При попадании на кожу или в глаза: Немедленно промыть пораженный участок большим количеством проточной воды в течение не менее 15–20 минут. Снять загрязненную одежду, не прекращая промывания. Срочно обратиться за медицинской помощью.
  • При разливе кислоты: Небольшие разливы следует нейтрализовать слабым основанием, например, гидрокарбонатом натрия (пищевой содой), затем собрать инертным абсорбентом (песком, вермикулитом) и утилизировать как опасные отходы. При крупных разливах необходимо эвакуировать персонал и вызвать аварийную службу.
• Водоотнимающие свойства: Помните, что концентрированная серная кислота — сильное водоотнимающее средство. Она вызывает глубокие химические ожоги при контакте с кожей. Также она обугливает органические вещества (сахар, бумагу, древесину, ткани), отнимая у них воду.

Ответ: Правила безопасного обращения с концентрированной серной кислотой включают обязательное использование средств индивидуальной защиты (очки, перчатки, халат), работу под вытяжкой, а также соблюдение ключевого правила разбавления: медленно приливать кислоту в воду при постоянном перемешивании. Кроме того, необходимо обеспечить правильное хранение вдали от несовместимых веществ и знать порядок действий при разливах и попадании кислоты на кожу или в глаза.

1. В одну пробирку налейте 2–3 мл этилового спирта и осторожно добавьте 6–9 мл концентрированной серной кислоты. Затем всыпьте немного предварительно прокалённого песка, чтобы избежать толчков жидкости при кипении. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, закрепите её в штативе (рис. 18) и осторожно нагрейте.

• Какой газ выделяется при нагревании смеси этилового спирта с серной кислотой?

Рис. 18. Получение этилена и его взаимодействие с бромной водой

Какой газ выделяется при нагревании смеси этилового спирта с серной кислотой?

При нагревании смеси этилового спирта с концентрированной серной кислотой происходит реакция внутримолекулярной дегидратации. В этой реакции концентрированная серная кислота действует как водоотнимающее средство и катализатор. Температура реакции должна быть выше 140°C.

От молекулы этилового спирта ($C_2H_5OH$) отщепляется молекула воды ($H_2O$), что приводит к образованию двойной связи между атомами углерода. В результате образуется непредельный углеводород из класса алкенов — этилен (по номенклатуре ИЮПАК — этен), который при нормальных условиях является бесцветным горючим газом со слабым запахом.

Уравнение химической реакции получения этилена:

$C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4(конц.), t > 140°C} CH_2=CH_2\uparrow + H_2O$

Название рисунка ("Получение этилена...") также прямо указывает на то, какой газ является продуктом данной реакции.

Ответ: При нагревании смеси этилового спирта с серной кислотой выделяется газ этилен (этен) с химической формулой $C_2H_4$.

2. В другую пробирку налейте 2—3 мл бромной воды. Опустите газоотводную трубку до дна пробирки с бромной водой и пропустите через неё выделяющийся газ.

2. Решение

Данная инструкция описывает проведение качественной реакции для определения химической природы выделяющегося газа. В качестве реагента используется бромная вода — водный раствор брома ($Br_2$), который имеет характерную желто-оранжевую или бурую окраску.

При пропускании неизвестного газа через пробирку с бромной водой возможны следующие наблюдения и выводы:

1. Происходит обесцвечивание бромной воды.

Это наиболее вероятный исход, если предыдущий опыт был направлен на получение непредельных (ненасыщенных) углеводородов — алкенов или алкинов. Эти соединения содержат одну или несколько кратных (двойных или тройных) связей между атомами углерода, которые способны вступать в реакции присоединения. Бром присоединяется по месту разрыва кратной связи, образуя бесцветные бромпроизводные. В результате молекулярный бром ($Br_2$), отвечающий за окраску раствора, расходуется, и раствор обесцвечивается.

Пример реакции с этиленом (алкен):

$CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br$

Образуется бесцветный 1,2-дибромэтан.

Обесцвечивание также может быть вызвано газами-восстановителями, такими как диоксид серы ($SO_2$) или сероводород ($H_2S$), которые реагируют с бромом (окислителем):

$SO_2 + Br_2 + 2H_2O \rightarrow H_2SO_4 + 2HBr$

2. Окраска бромной воды не изменяется.

Это означает, что газ не реагирует с бромом в данных условиях. Такой результат характерен для предельных (насыщенных) углеводородов (алканов), например, метана ($CH_4$) или этана ($C_2H_6$). Молекулы алканов не содержат кратных связей и не вступают в реакции присоединения. Также не будут реагировать с бромной водой инертные газы, водород, азот, оксид углерода(IV).

Таким образом, этот опыт является качественной реакцией, позволяющей отличить непредельные углеводороды от предельных.

Ответ: При пропускании газа через бромную воду необходимо наблюдать за изменением ее цвета. Обесцвечивание желто-оранжевого раствора свидетельствует о том, что газ является непредельным углеводородом (например, этиленом или ацетиленом) или сильным восстановителем (например, $SO_2$). Если окраска раствора не меняется, значит, газ не вступает в реакцию с бромом, что характерно для предельных углеводородов (алканов).

3. В третью пробирку налейте 2–3 мл разбавленного раствора перманганата калия, подкисленного серной кислотой, и пропустите через него газ.

• Что происходит при пропускании выделяющегося газа через бромную воду и раствор перманганата калия?

Что происходит при пропускании выделяющегося газа через бромную воду и раствор перманганата калия?

Данные реакции являются качественными тестами на наличие в газе непредельных соединений (например, алкенов или алкинов) или других восстановителей (например, сернистого газа $SO_2$). Предположим, что выделяющийся газ — это этилен ($C_2H_4$), который часто получают в лабораторных условиях. В этом случае, при пропускании газа через оба раствора, будет наблюдаться их обесцвечивание.

1. Взаимодействие с бромной водой.

Бромная вода (раствор брома $Br_2$ в воде) имеет характерную желто-бурую окраску. Этилен вступает с бромом в реакцию присоединения по двойной связи. В результате образуется бесцветный продукт — 1,2-дибромэтан.

Уравнение реакции:
$CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow BrCH_2-CH_2Br$
Поскольку бром, отвечающий за окраску, расходуется, раствор обесцвечивается.

2. Взаимодействие с раствором перманганата калия.

Раствор перманганата калия ($KMnO_4$), подкисленный серной кислотой, имеет интенсивную фиолетовую окраску. Это сильный окислитель. При взаимодействии с этиленом происходит окислительно-восстановительная реакция. В жестких условиях (кислая среда) этилен окисляется до углекислого газа ($CO_2$), а перманганат-ион $MnO_4^-$ (фиолетовый) восстанавливается до иона марганца(II) $Mn^{2+}$ (практически бесцветный в разбавленном растворе).

Уравнение реакции:
$5C_2H_4 + 12KMnO_4 + 18H_2SO_4 \rightarrow 10CO_2 \uparrow + 12MnSO_4 + 6K_2SO_4 + 28H_2O$
В результате этой реакции фиолетовый раствор также обесцвечивается.

Ответ: При пропускании выделяющегося газа, являющегося восстановителем (например, непредельного углеводорода типа этилена), через бромную воду и подкисленный раствор перманганата калия наблюдается обесцвечивание обоих растворов.

4. Подожгите выделяющийся газ.

• Почему этилен горит более светящимся пламенем, чем метан?

• Чем отличаются свойства этилена от свойств предельных углеводородов? Напишите уравнения соответствующих реакций.

Почему этилен горит более светящимся пламенем, чем метан?

Свечение пламени при горении углеводородов обусловлено наличием в нем раскаленных до высоких температур твердых частиц углерода (сажи). Чем больше массовая доля углерода в молекуле горючего вещества, тем выше вероятность его неполного сгорания с образованием сажи, и, как следствие, тем более ярким и светящимся будет пламя.

Сравним массовые доли углерода ($\omega(C)$) в метане ($CH_4$) и этилене ($C_2H_4$).

Для метана ($CH_4$):

$\omega(C) = \frac{M(C)}{M(CH_4)} = \frac{12}{12 + 4 \cdot 1} = \frac{12}{16} = 0,75$ или 75%.

Для этилена ($C_2H_4$):

$\omega(C) = \frac{2 \cdot M(C)}{M(C_2H_4)} = \frac{2 \cdot 12}{2 \cdot 12 + 4 \cdot 1} = \frac{24}{28} \approx 0,857$ или 85,7%.

Массовая доля углерода в этилене значительно выше. Поэтому при его горении в воздухе, где количество кислорода ограничено, происходит неполное сгорание. Часть углерода не окисляется до $CO_2$, а выделяется в виде мелкодисперсных частиц сажи, которые, раскаляясь в пламени, создают яркое свечение. Метан, с меньшим содержанием углерода, сгорает более полно с образованием менее яркого, голубоватого пламени.

Уравнение неполного горения этилена с образованием сажи:

$C_2H_4 + O_2 \rightarrow 2C\downarrow + 2H_2O$

Ответ: Этилен горит более светящимся пламенем, чем метан, так как в молекуле этилена выше массовая доля углерода (85,7% против 75% у метана). Это приводит к его неполному сгоранию с образованием частиц сажи, которые раскаляются в пламени и вызывают яркое свечение.

Чем отличаются свойства этилена от свойств предельных углеводородов? Напишите уравнения соответствующих реакций.

Основное отличие свойств этилена от свойств предельных углеводородов (алканов) обусловлено их строением. Молекула этилена ($CH_2=CH_2$) относится к непредельным углеводородам (алкенам) и содержит одну двойную связь между атомами углерода. Предельные углеводороды, например, этан ($CH_3-CH_3$), содержат только одинарные связи.

Двойная связь состоит из одной прочной $\sigma$-связи и одной менее прочной $\pi$-связи. Наличие непрочной $\pi$-связи, которая легко разрывается, определяет высокую реакционную способность этилена. В отличие от предельных углеводородов, для которых характерны реакции замещения, для этилена и других алкенов наиболее характерны реакции присоединения, окисления и полимеризации.

1. Реакции присоединения. Происходят с разрывом $\pi$-связи. Предельные углеводороды в такие реакции не вступают.

• Присоединение галогенов (например, обесцвечивание бромной воды) — качественная реакция на двойную связь:

  $CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br$ (1,2-дибромэтан)

• Присоединение водорода (гидрирование):

  $CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow{Ni, t^\circ} CH_3-CH_3$ (этан)

2. Реакция окисления. Этилен легко окисляется, например, раствором перманганата калия (реакция Вагнера), обесцвечивая его. Это также качественная реакция на кратную связь. Предельные углеводороды в этих условиях не окисляются.

$3CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3HOCH_2-CH_2OH + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$ (этиленгликоль)

3. Реакция полимеризации. Молекулы этилена способны соединяться друг с другом, образуя высокомолекулярное соединение — полиэтилен. Предельные углеводороды к полимеризации не способны.

$nCH_2=CH_2 \xrightarrow{t^\circ, P, кат.} (-CH_2-CH_2-)_n$ (полиэтилен)

Для сравнения, типичная реакция для предельных углеводородов — это реакция замещения, которая протекает в жестких условиях (например, под действием УФ-света):

$CH_3-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH_2Cl + HCl$ (хлорэтан)

Ответ: Главное отличие свойств этилена от предельных углеводородов заключается в том, что из-за наличия двойной связи этилен вступает в реакции присоединения, легко окисляется и полимеризуется. Для предельных углеводородов, имеющих только одинарные связи, характерны реакции замещения, и они значительно менее реакционноспособны.

5. Отчёт о работе оформите в виде таблицы (см. § 3).

5. Данное задание представляет собой инструкцию по оформлению отчёта о выполненной работе. В нём указано, что результаты вашей работы необходимо представить в виде таблицы.

Ключевым моментом является ссылка «(см. § 3)», которая означает, что образец, структура и требования к оформлению этой таблицы находятся в параграфе №3 вашего учебного пособия, методических указаний или текста задания. Без доступа к этому параграфу невозможно составить правильную таблицу.

Таким образом, для выполнения этого пункта вам необходимо:

1. Найти в вашем учебном материале параграф под номером 3.
2. Изучить приведённый в нём пример или описание таблицы: какие у неё должны быть столбцы и строки, как они должны называться, в каких единицах измерения следует указывать величины и т.д.
3. Создать таблицу, точно соответствующую этому образцу.
4. Заполнить эту таблицу данными, которые вы получили в ходе выполнения работы.

Ответ: необходимо оформить отчёт о работе в виде таблицы, структура которой приведена в параграфе 3 исходного задания или учебного материала.