Страница 99 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

8. Чтобы сжечь водород, который выделился при взаимодействии пропанола с металлическим натрием, потребовалось 10 л воздуха (н. у.). Вычислите, сколько пропанола (в граммах) прореагировало.

Дано:

$V(воздуха) = 10 \, л$

Условия: нормальные (н. у.)

Объемная доля кислорода в воздухе $\phi(O_2) \approx 21\% = 0.21$

Найти:

$m(C_3H_7OH) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнения химических реакций, описанных в задаче. Сначала реакция пропанола с натрием, в результате которой выделяется водород:

$2C_3H_7OH + 2Na \rightarrow 2C_3H_7ONa + H_2 \uparrow$

Затем реакция горения выделившегося водорода в кислороде воздуха:

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

2. Вычислим объем кислорода, который потребовался для сжигания водорода. Примем, что объемная доля кислорода в воздухе составляет 21%.

$V(O_2) = V(воздуха) \cdot \phi(O_2) = 10 \, л \cdot 0.21 = 2.1 \, л$

3. Найдем количество вещества (моль) кислорода. При нормальных условиях (н. у.) молярный объем газа $V_m$ равен 22,4 л/моль.

$n(O_2) = \frac{V(O_2)}{V_m} = \frac{2.1 \, л}{22.4 \, л/моль} = 0.09375 \, моль$

4. Используя уравнение реакции горения водорода, найдем количество вещества водорода.

Из уравнения $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$ видно, что мольное соотношение $n(H_2) : n(O_2) = 2 : 1$.

Следовательно, количество вещества водорода в 2 раза больше количества вещества кислорода:

$n(H_2) = 2 \cdot n(O_2) = 2 \cdot 0.09375 \, моль = 0.1875 \, моль$

5. Используя уравнение реакции взаимодействия пропанола с натрием, найдем количество вещества пропанола.

Из уравнения $2C_3H_7OH + 2Na \rightarrow 2C_3H_7ONa + H_2$ видно, что мольное соотношение $n(C_3H_7OH) : n(H_2) = 2 : 1$.

Следовательно, количество вещества пропанола в 2 раза больше количества вещества водорода:

$n(C_3H_7OH) = 2 \cdot n(H_2) = 2 \cdot 0.1875 \, моль = 0.375 \, моль$

6. Вычислим молярную массу пропанола (химическая формула $C_3H_8O$).

$M(C_3H_8O) = 3 \cdot A_r(C) + 8 \cdot A_r(H) + 1 \cdot A_r(O) = 3 \cdot 12 + 8 \cdot 1 + 16 = 60 \, г/моль$

7. Найдем массу пропанола, вступившего в реакцию.

$m(C_3H_7OH) = n(C_3H_7OH) \cdot M(C_3H_8O) = 0.375 \, моль \cdot 60 \, г/моль = 22.5 \, г$

Ответ:

масса прореагировавшего пропанола составляет 22,5 г.

9. Какой объём раствора с массовой долей этанола 96 % $(\rho = 0,80 \text{ г/см}^3)$ можно получить из $1000 \text{ м}^3$ этилена (н. у.)?

Дано:

$V(C_2H_4) = 1000 \text{ м}^3$
Условия: н. у. (нормальные условия)
$\omega(C_2H_5OH) = 96\% = 0.96$
$\rho_{\text{р-ра}} = 0.80 \text{ г/см}^3$

$\rho_{\text{р-ра}} = 0.80 \text{ г/см}^3 = 0.80 \cdot \frac{10^{-3} \text{ кг}}{(10^{-2} \text{ м})^3} = 800 \text{ кг/м}^3$

Найти:

$V_{\text{р-ра}} - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции гидратации этилена, в результате которой образуется этанол:
$C_2H_4 + H_2O \rightarrow C_2H_5OH$
Из уравнения реакции следует, что из 1 моль этилена образуется 1 моль этанола, то есть их количества вещества соотносятся как 1:1.

2. Найдем количество вещества ($\nu$) этилена. При нормальных условиях (н. у.) молярный объем газа ($V_m$) равен $22.4 \text{ л/моль}$ или $0.0224 \text{ м}^3/\text{моль}$.
$\nu(C_2H_4) = \frac{V(C_2H_4)}{V_m} = \frac{1000 \text{ м}^3}{0.0224 \text{ м}^3/\text{моль}} \approx 44642.86 \text{ моль}$

3. Согласно стехиометрии реакции, теоретически возможное количество вещества этанола равно количеству вещества этилена:
$\nu(C_2H_5OH) = \nu(C_2H_4) \approx 44642.86 \text{ моль}$

4. Рассчитаем молярную массу этанола ($C_2H_5OH$), используя округленные атомные массы: C - 12, H - 1, O - 16.
$M(C_2H_5OH) = 2 \cdot 12 + 6 \cdot 1 + 16 = 46 \text{ г/моль}$

5. Найдем массу чистого этанола, которая образуется в реакции:
$m(C_2H_5OH) = \nu(C_2H_5OH) \cdot M(C_2H_5OH) \approx 44642.86 \text{ моль} \cdot 46 \text{ г/моль} \approx 2053571.4 \text{ г}$

6. Рассчитаем массу 96%-го раствора, который содержит полученную массу этанола. Массовая доля ($\omega$) — это отношение массы растворенного вещества к массе всего раствора.
$m_{\text{р-ра}} = \frac{m(C_2H_5OH)}{\omega(C_2H_5OH)} \approx \frac{2053571.4 \text{ г}}{0.96} \approx 2139136.9 \text{ г}$

7. Зная массу и плотность раствора, найдем его объем. Переведем массу раствора в килограммы ($2139.14 \text{ кг}$) и используем плотность в кг/м³.
$V_{\text{р-ра}} = \frac{m_{\text{р-ра}}}{\rho_{\text{р-ра}}} \approx \frac{2139.14 \text{ кг}}{800 \text{ кг/м}^3} \approx 2.674 \text{ м}^3$

Ответ: можно получить $2.674 \text{ м}^3$ раствора этанола.

10. Напишите уравнения химических реакций, подтверждающих генетическую связь между классами органических соединений в схеме 4 (с. 98).

Поскольку в условии задачи не приведена конкретная "схема 4", иллюстрирующая генетическую связь, будет рассмотрена одна из наиболее распространенных и показательных цепочек превращений в органической химии, связывающая различные классы соединений:

Алкан → Алкин → Ароматический углеводород → Галогенпроизводное → Фенол

Конкретный пример такой цепочки:

Метан → Ацетилен → Бензол → Хлорбензол → Фенол

Ниже приведены уравнения реакций для каждого этапа этой цепочки.

Решение

1. Получение ацетилена из метана

Первый этап — переход от предельного углеводорода (алкана) к непредельному (алкину). Ацетилен ($C_2H_2$) получают из метана ($CH_4$) путем крекинга (пиролиза) при очень высокой температуре.

$2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$

Ответ: $2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$

2. Получение бензола из ацетилена

Ароматический углеводород бензол ($C_6H_6$) синтезируют из ацетилена реакцией тримеризации (реакция Зелинского). Процесс заключается в пропускании ацетилена над активированным углем при высокой температуре.

$3C_2H_2 \xrightarrow{C_{акт.}, 600^\circ C} C_6H_6$

Ответ: $3C_2H_2 \xrightarrow{C_{акт.}, 600^\circ C} C_6H_6$

3. Получение хлорбензола из бензола

Хлорбензол ($C_6H_5Cl$) получают из бензола реакцией электрофильного замещения (галогенирование). Реакция идет в присутствии катализатора — кислоты Льюиса, например, хлорида железа(III) или хлорида алюминия.

$C_6H_6 + Cl_2 \xrightarrow{FeCl_3} C_6H_5Cl + HCl$

Ответ: $C_6H_6 + Cl_2 \xrightarrow{FeCl_3} C_6H_5Cl + HCl$

4. Получение фенола из хлорбензола

Фенол ($C_6H_5OH$) можно получить из хлорбензола путем щелочного гидролиза. Это реакция нуклеофильного замещения, которая требует жестких условий: высокой температуры и высокого давления. Реакция обычно протекает в две стадии.

На первой стадии под действием избытка щелочи образуется фенолят натрия:
$C_6H_5Cl + 2NaOH_{(водн.)} \xrightarrow{350-400^\circ C, 300\ атм} C_6H_5ONa + NaCl + H_2O$

На второй стадии из фенолята натрия получают фенол, действуя на него сильной кислотой (например, соляной):
$C_6H_5ONa + HCl \rightarrow C_6H_5OH + NaCl$

Ответ:
1) $C_6H_5Cl + 2NaOH \xrightarrow{t, p} C_6H_5ONa + NaCl + H_2O$
2) $C_6H_5ONa + HCl \rightarrow C_6H_5OH + NaCl$

1. В метаноле между молекулами возникает

1) металлическая связь

2) водородная связь

3) ионная связь

4) ковалентная полярная связь

1. Для определения типа связи, возникающей между молекулами метанола, необходимо проанализировать строение молекулы метанола и характер распределения электронной плотности в ней. Химическая формула метанола — $CH_3OH$.

Молекула метанола содержит гидроксильную группу (-OH). Связь кислород-водород (O-H) в этой группе является сильно полярной. Это обусловлено тем, что кислород — один из самых электроотрицательных элементов, и он сильно оттягивает на себя общую электронную пару от атома водорода. В результате на атоме кислорода возникает частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а на атоме водорода — значительный частичный положительный заряд ($\delta+$).

Благодаря этому полярному характеру связи O-H, атом водорода одной молекулы метанола, несущий частичный положительный заряд, может сильно притягиваться к атому кислорода соседней молекулы, который несет частичный отрицательный заряд и имеет неподеленные электронные пары. Такое специфическое и сильное межмолекулярное взаимодействие называется водородной связью.

Рассмотрим предложенные варианты ответа:

• 1) Металлическая связь характерна для металлов и их сплавов. Метанол является органическим молекулярным соединением.
• 3) Ионная связь возникает между ионами (обычно между атомами металлов и неметаллов) за счет электростатического притяжения. Метанол состоит из молекул, а не ионов.
• 4) Ковалентная полярная связь (например, C-O, O-H) действительно присутствует в метаноле, но она является внутримолекулярной, то есть связывает атомы внутри одной молекулы, а не разные молекулы между собой.

Следовательно, именно водородная связь является тем типом взаимодействия, который возникает между молекулами метанола и обуславливает его физические свойства, такие как относительно высокая температура кипения по сравнению с углеводородами близкой молярной массы.

Ответ: 2) водородная связь

2. В предложенную схему реакции

$... + Na \rightarrow C_2H_5ONa + H_2$

следует вписать формулу

1) $CH_3OH$

2) $C_2H_6O$

3) $C_2H_5OH$

4) $C_3H_7OH$

2. В предложенную схему реакции ... + Na → C₂H₅ONa + H₂ следует вписать формулу

Решение

В представленной схеме реакции одним из реагентов является натрий ($Na$), а продуктами — этилат натрия ($C_2H_5ONa$) и водород ($H_2$). Реакции, в которых органическое вещество взаимодействует с активным металлом (таким как натрий) с выделением водорода, характерны для спиртов. В этих реакциях атом водорода в гидроксильной группе ($-OH$) спирта замещается на атом металла.

Продукт реакции, этилат натрия ($C_2H_5ONa$), содержит в своем составе этильный радикал ($C_2H_5$). Это указывает на то, что исходное вещество, прореагировавшее с натрием, было этиловым спиртом (этанолом), формула которого $C_2H_5OH$.

Запишем полное уравнение реакции взаимодействия этанола с натрием и уравняем его: $2C_2H_5OH + 2Na \rightarrow 2C_2H_5ONa + H_2$

Рассмотрим предложенные варианты ответов:

• 1) $CH_3OH$ (метанол) при реакции с натрием образовал бы метилат натрия ($CH_3ONa$).
• 2) $C_2H_6O$ - это общая молекулярная формула, которой соответствует как этанол ($C_2H_5OH$), так и диметиловый эфир ($CH_3–O–CH_3$). Диметиловый эфир не содержит гидроксильной группы и не реагирует с натрием. Поэтому, хотя этанол и подходит под эту формулу, вариант 3 является более конкретным и правильным.
• 3) $C_2H_5OH$ (этанол) вступает в реакцию с натрием с образованием этилата натрия и водорода, что соответствует условию задачи.
• 4) $C_3H_7OH$ (пропанол) при реакции с натрием образовал бы пропилат натрия ($C_3H_7ONa$).

Следовательно, пропущенным веществом в схеме реакции является этиловый спирт.

Ответ: 3) $C_2H_5OH$

3. Этанол можно получить гидратацией

1) пропана

2) этана

3) этена

4) этина

3. Гидратация — это реакция присоединения воды к молекулам органических веществ. Эта реакция характерна для непредельных углеводородов, содержащих двойные или тройные связи. Продукт реакции зависит от исходного вещества.

Рассмотрим предложенные варианты:

1) Пропан ($C_3H_8$) и 2) Этан ($C_2H_6$) являются алканами — предельными (насыщенными) углеводородами. Они не содержат кратных связей, поэтому не вступают в реакции присоединения, включая гидратацию.

3) Этен ($C_2H_4$), также известный как этилен, является алкеном и имеет одну двойную связь ($CH_2=CH_2$). Присоединение воды к этену в присутствии катализатора (например, ортофосфорной кислоты $H_3PO_4$ или серной кислоты $H_2SO_4$) при повышенной температуре и давлении приводит к разрыву двойной связи и образованию этанола. Это один из основных промышленных способов получения этанола.

Уравнение реакции:

$CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+, t, p} CH_3-CH_2-OH$

4) Этин ($C_2H_2$), также известный как ацетилен, является алкином и имеет тройную связь ($CH \equiv CH$). Гидратация алкинов (реакция Кучерова) происходит в присутствии солей ртути(II) в кислой среде. В результате присоединения одной молекулы воды к этину образуется неустойчивый виниловый спирт, который немедленно изомеризуется в более стабильное соединение — уксусный альдегид (этаналь), а не этанол.

Уравнение реакции:

$CH \equiv CH + H_2O \xrightarrow{Hg^{2+}, H^+} [CH_2=CH-OH] \rightarrow CH_3-CHO$

Таким образом, этанол можно получить гидратацией этена.

Ответ: 3