Номер 17, страница 326 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 46. Азотная кислота и нитраты - номер 17, страница 326.

Условие.

17. Азотная кислота используется для получения нитросоединений, в том числе нитроэфиров. Вспомните, какие из них вы изучали в курсе органической химии. Почему и те и другие применяются в качестве взрывчатых веществ? Почему при разложении таких веществ происходит взрыв? Какие из этих соединений можно восстановить до соответствующих аминов?

Решение.

Решение 2.

Вспомните, какие из них вы изучали в курсе органической химии.

Решение

В курсе органической химии изучаются два основных класса соединений, получаемых с использованием азотной кислоты: нитросоединения и сложные эфиры азотной кислоты (нитроэфиры).

Нитросоединения — это органические вещества, содержащие одну или несколько нитрогрупп ($-NO_2$), непосредственно связанных с атомом углерода. Примерами являются: нитрометан ($CH_3NO_2$), нитробензол ($C_6H_5NO_2$), 2,4,6-тринитротолуол (ТНТ, тротил), 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота).

Нитроэфиры (сложные эфиры азотной кислоты) — это органические вещества, содержащие нитратную группу ($-O-NO_2$), где атом кислорода связывает углеродный радикал с нитрогруппой. Их часто не совсем корректно называют нитросоединениями. Примерами являются: нитроглицерин (правильнее — тринитрат глицерина) и нитроцеллюлоза (пироксилин, тринитрат целлюлозы).

Ответ: В курсе органической химии изучают нитросоединения (например, нитробензол, тринитротолуол) и нитроэфиры (например, нитроглицерин, нитроцеллюлоза).

Почему и те и другие применяются в качестве взрывчатых веществ?

Решение

Основная причина использования этих соединений в качестве взрывчатых веществ заключается в их молекулярной структуре. В одной молекуле такого вещества одновременно содержатся горючая часть (восстановитель) — углеводородный скелет, состоящий из атомов углерода и водорода, и окисляющая часть (окислитель) — нитрогруппы ($-NO_2$) или нитратные группы ($-O-NO_2$), которые являются источником кислорода.

Такая комбинация позволяет реакции горения (разложения) протекать чрезвычайно быстро, без доступа кислорода извне. Процесс представляет собой внутримолекулярное окисление-восстановление. Связи в исходной молекуле (например, $N-O$) относительно слабые, а в продуктах реакции (например, в $N_2$, $CO_2$) — очень прочные. Выделяющаяся при образовании прочных связей энергия значительно превышает энергию, затрачиваемую на разрыв слабых связей, что делает процесс сильно экзотермическим.

Ответ: Нитросоединения и нитроэфиры применяются в качестве взрывчатых веществ, так как их молекулы содержат и горючие компоненты (углеродный скелет), и окислитель (нитро- или нитратные группы), что обеспечивает возможность быстрой, самоподдерживающейся экзотермической реакции разложения без доступа внешнего окислителя.

Почему при разложении таких веществ происходит взрыв?

Решение

Взрыв — это чрезвычайно быстрый процесс разложения, сопровождающийся выделением огромного количества энергии и образованием большого объема газообразных продуктов. Разложение взрывчатых веществ на основе нитросоединений и нитроэфиров соответствует этому определению по нескольким причинам.
Во-первых, это высокая скорость реакции. Реакция разложения протекает в режиме детонации, со скоростью в тысячи метров в секунду.
Во-вторых, это высокая экзотермичность. В ходе реакции выделяется большое количество тепла, что приводит к мгновенному нагреву продуктов реакции до нескольких тысяч градусов.
В-третьих, это образование большого объема газов. Исходное взрывчатое вещество (твердое или жидкое) превращается в огромное количество газообразных продуктов. Например, при разложении нитроглицерина из одного моля жидкости образуется 7,25 молей газов (при стандартных условиях объем увеличивается более чем в 1000 раз, а с учетом высокой температуры — в 10-15 тысяч раз):
$4C_3H_5(ONO_2)_3(ж) \rightarrow 12CO_2(г) + 10H_2O(г) + 6N_2(г) + O_2(г)$
Мгновенное образование большого объема сильно нагретых газов создает колоссальное давление и ударную волну, что и представляет собой взрыв.

Ответ: Взрыв происходит из-за чрезвычайно быстрой, высокоэкзотермической реакции разложения, в результате которой из малого объема исходного вещества образуется огромный объем раскаленных газов, создающих сверхвысокое давление и ударную волну.

Какие из этих соединений можно восстановить до соответствующих аминов?

Решение

Восстановить до соответствующих аминов можно только нитросоединения, то есть соединения, в которых нитрогруппа ($-NO_2$) связана непосредственно с атомом углерода (связь $C-N$). При восстановлении нитрогруппа превращается в аминогруппу ($-NH_2$). Общая схема реакции:
$R-NO_2 + 6[H] \rightarrow R-NH_2 + 2H_2O$
Классическим примером является реакция Зинина — восстановление нитробензола до анилина:
$C_6H_5NO_2 + 6[H] \xrightarrow{Fe, HCl} C_6H_5NH_2 + 2H_2O$

Нитроэфиры (сложные эфиры азотной кислоты) имеют другую структуру, где атом углерода связан с нитрогруппой через атом кислорода (связь $C-O-NO_2$). При действии восстановителей происходит разрыв сложноэфирной связи ($C-O$ или $O-N$), и образуется исходный спирт и продукты восстановления азотной кислоты, но не амин. Например, при восстановлении нитроглицерина образуется глицерин.

Ответ: Восстановить до аминов можно нитросоединения (например, нитробензол до анилина), так как в них есть прямая связь углерод-азот. Нитроэфиры (например, нитроглицерин) не могут быть восстановлены до аминов, так как в них отсутствует связь $C-N$.