Номер 8, страница 58 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Вопросы и задания. Параграф 7. Многообразие веществ и его причины. Глава 2. Строение вещества. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева - номер 8, страница 58.

Условие.

8. На конкретных примерах докажите, что явления аллотропии, изомерии, изотопии и гомологии являются причинами многообразия веществ.

Решение.

Решение 2.

Многообразие веществ в природе и созданных человеком обусловлено несколькими фундаментальными явлениями, такими как аллотропия, изомерия, изотопия и гомология. Каждое из этих явлений показывает, как из ограниченного числа химических элементов может возникнуть огромное количество различных по строению и свойствам веществ.

Аллотропия

Аллотропия — это способность одного и того же химического элемента существовать в виде двух или более простых веществ, называемых аллотропными модификациями. Эти модификации различаются строением и, как следствие, свойствами.

Пример: Химический элемент углерод (C) образует несколько аллотропных модификаций.

• Алмаз: атомы углерода соединены в прочную трехмерную тетраэдрическую кристаллическую решетку. Алмаз — самое твердое из известных природных веществ, прозрачен и является диэлектриком.
• Графит: атомы углерода организованы в плоские слои, состоящие из гексагональных ячеек. Связи внутри слоя прочные, а между слоями — слабые. Графит — мягкое, непрозрачное, жирное на ощупь вещество, проводящее электрический ток.
• Фуллерены и нанотрубки: представляют собой каркасные молекулы (например, $C_{60}$, $C_{70}$) или цилиндрические структуры, обладающие уникальными полупроводниковыми и механическими свойствами.

Таким образом, один элемент — углерод — порождает несколько совершенно разных по физическим и химическим свойствам веществ.

Ответ: Явление аллотропии, при котором один химический элемент образует несколько простых веществ с разным строением и свойствами (например, алмаз и графит для углерода), является причиной многообразия веществ.

Изомерия

Изомерия — это явление существования химических соединений (изомеров), которые имеют одинаковый качественный и количественный состав (одну и ту же молекулярную формулу), но разное строение и, следовательно, разные свойства.

Пример 1: Молекулярная формула $C_4H_{10}$ соответствует двум разным веществам:

• Бутан (н-бутан): имеет линейное строение углеродной цепи $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$. Температура кипения –0,5 °C.
• Изобутан (2-метилпропан): имеет разветвленное строение углеродной цепи $CH_3-CH(CH_3)-CH_3$. Температура кипения –11,7 °C.

Пример 2 (межклассовая изомерия): Молекулярная формула $C_2H_6O$ соответствует двум веществам, относящимся к разным классам органических соединений:

• Этиловый спирт (этанол): $C_2H_5OH$. Жидкость при комнатной температуре, реагирует с активными металлами.
• Диметиловый эфир: $CH_3-O-CH_3$. Газ при комнатной температуре, химически инертен по отношению к активным металлам.

Таким образом, одна и та же формула может описывать несколько совершенно разных соединений.

Ответ: Явление изомерии, при котором соединения с одинаковой молекулярной формулой имеют разное строение и свойства (например, бутан и изобутан для формулы $C_4H_{10}$), значительно увеличивает число существующих соединений.

Изотопия

Изотопия — это существование атомов одного и того же химического элемента, имеющих одинаковый заряд ядра (число протонов), но разную массу (разное число нейтронов). Такие атомы называются изотопами.

Хотя химические свойства изотопов почти идентичны, вещества, образованные разными изотопами (изотопологами), могут иметь разные физические свойства.

Пример: Водород имеет три изотопа: протий ($^1H$), дейтерий ($^2H$ или $D$) и тритий ($^3H$ или $T$). Они могут образовывать разные молекулы воды:

• Легкая вода: $^1H_2O$ или $H_2O$. Обычная вода, температура кипения 100 °C.
• Тяжелая вода: $^2H_2O$ или $D_2O$. Имеет большую плотность (около 1,1 г/см³), температура кипения 101,4 °C. Используется в ядерной энергетике.

Существование изотопов у многих других элементов (углерода-$12, 13, 14$, кислорода-$16, 17, 18$ и т.д.) позволяет получать огромное количество изотопно-меченых соединений, которые, имея тот же химический состав, отличаются по массе и некоторым физическим свойствам.

Ответ: Явление изотопии приводит к существованию веществ, одинаковых по химическому составу, но различающихся изотопным составом и, как следствие, массой и некоторыми физическими свойствами (например, легкая вода $H_2O$ и тяжелая вода $D_2O$), что вносит вклад в многообразие веществ.

Гомология

Гомология — это существование рядов органических соединений (гомологических рядов), в которых каждый последующий член отличается от предыдущего на постоянную структурную единицу, называемую гомологической разностью (чаще всего это метиленовая группа $-CH_2-$).

Соединения одного гомологического ряда (гомологи) имеют сходное химическое строение и сходные химические свойства, а их физические свойства закономерно изменяются с увеличением молекулярной массы.

Пример: Гомологический ряд предельных углеводородов (алканов) с общей формулой $C_nH_{2n+2}$.

• Метан ($CH_4$)
• Этан ($C_2H_6$)
• Пропан ($C_3H_8$)
• Бутан ($C_4H_{10}$)
• Пентан ($C_5H_{12}$) и так далее до соединений с сотнями атомов углерода.

Каждый класс органических соединений (спирты, альдегиды, карбоновые кислоты и др.) образует свой гомологический ряд. Это позволяет теоретически существовать практически бесконечному числу соединений.

Ответ: Явление гомологии, позволяющее создавать длинные ряды соединений с подобным строением и свойствами путем добавления повторяющейся группы (например, ряд алканов $CH_4, C_2H_6, C_3H_8, ...$), является одной из главных причин огромного разнообразия органических веществ.