Практическая работа №1, страница 103 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1

Получение этилена и изучение его свойств

Реактивы: этиловый спирт, концентрированный раствор серной кислоты, разбавленный раствор перманганата калия, раствор бромной воды.

Химическая посуда и лабораторное оборудование: пробирки, штатив для пробирок, металлический штатив, газоотводная трубка с пробкой, спиртовка, стакан, колба, спички, песок.

Техника безопасности. Требуется соблюдение правил работы с растворами кислот, щелочей и нагревательными приборами.

Ход работы

Опыт 1. В одну пробирку налейте 2-3 мл этилового спирта и осторожно добавьте 6-9 мл концентрированной серной кислоты. Затем всыпьте немного предварительно прокаленного песка, чтобы избежать разбрызгивания при кипении. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, закрепите ее в штативе и осторожно нагрейте.

Опыт 2. В другую пробирку налейте 2-3 мл бромной воды. Опустите газоотводную трубку до дна пробирки с бромной водой и пропустите через нее выделяющийся газ. Обратите внимание на окраску раствора.

Опыт 3. В третью пробирку налейте 2-3 мл разбавленного раствора перманганата калия, подкисленного серной кислотой, и пропустите через него газ. Обратите внимание на окраску раствора.

Опыт 4. Подожгите выделяющийся газ.

Вопросы и задания

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

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

3. Почему этилен горит более светящимся пламенем, чем метан? Напишите уравнения соответствующих реакций.

4. Чем отличаются свойства этилена от свойств соответствующего предельного углеводорода?

5. Напишите уравнения реакций.

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

При нагревании смеси этилового спирта ($C_2H_5OH$) с концентрированной серной кислотой ($H_2SO_4$) при температуре выше 140o C происходит реакция внутримолекулярной дегидратации, то есть отщепление молекулы воды от молекулы спирта. Серная кислота в этой реакции выполняет роль катализатора и водоотнимающего средства. В результате реакции образуется газообразный непредельный углеводород — этилен (этен).

Уравнение реакции получения этилена:

$C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, t>140^\circ C} CH_2=CH_2\uparrow + H_2O$

Ответ: При нагревании смеси этилового спирта с серной кислотой выделяется газ этилен (этен), химическая формула которого $C_2H_4$.

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

При пропускании этилена через бромную воду и раствор перманганата калия наблюдается их обесцвечивание. Это качественные реакции на наличие двойной связи в молекуле этилена.

• Бромная вода, представляющая собой раствор брома $Br_2$ в воде и имеющая желто-бурую окраску, становится бесцветной. Происходит реакция присоединения брома к этилену по месту двойной связи с образованием бесцветного 1,2-дибромэтана.

• Раствор перманганата калия ($KMnO_4$), имеющий характерную фиолетовую окраску, также обесцвечивается. Этилен окисляется перманганатом калия. В кислой среде (подкисленной серной кислотой) этилен окисляется до углекислого газа, а ион перманганата $MnO_4^-$ (в котором марганец имеет степень окисления +7) восстанавливается до бесцветного иона $Mn^{2+}$.

Ответ: Бромная вода и раствор перманганата калия обесцвечиваются, что доказывает наличие в молекуле пропущенного газа (этилена) двойной связи и его ненасыщенный характер.

3. Почему этилен горит более светящимся пламенем, чем метан? Напишите уравнения соответствующих реакций.

Этилен горит более светящимся пламенем по сравнению с метаном из-за более высокой массовой доли углерода в его молекуле. Яркость пламени при горении углеводородов напрямую связана с образованием раскаленных твердых частиц углерода (сажи) в результате неполного сгорания.

Рассчитаем массовую долю углерода ($\omega(C)$) для обоих веществ:

• Для этилена ($C_2H_4$): $\omega(C) = \frac{2 \cdot 12.01}{2 \cdot 12.01 + 4 \cdot 1.008} \approx 0.857$ или 85,7%.

• Для метана ($CH_4$): $\omega(C) = \frac{12.01}{12.01 + 4 \cdot 1.008} \approx 0.75$ или 75%.

Более высокое содержание углерода в этилене означает, что для его полного сгорания требуется относительно больше кислорода. При горении в обычных условиях (в воздухе) кислорода часто не хватает, что приводит к неполному сгоранию части этилена с образованием частиц сажи. Эти частицы сильно раскаляются в пламени и испускают яркий желтый свет. Метан, имея меньшую долю углерода, сгорает более полно, образуя меньше сажи, и его пламя менее яркое, голубоватое.

Уравнения реакций полного сгорания:

Горение этилена: $C_2H_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O$

Горение метана: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

Ответ: Этилен горит более светящимся пламенем из-за более высокой массовой доли углерода в его молекуле, что при обычном горении в воздухе приводит к образованию раскаленных частиц сажи, делающих пламя ярким.

4. Чем отличаются свойства этилена от свойств соответствующего предельного углеводорода?

Соответствующим этилену ($C_2H_4$, алкен) предельным углеводородом (алканом) является этан ($C_2H_6$). Основное различие в их строении заключается в наличии у этилена одной двойной связи C=C, в то время как у этана все связи одинарные (C-C и C-H). Эта двойная связь, состоящая из прочной $\sigma$-связи и менее прочной $\pi$-связи, определяет высокую реакционную способность этилена по сравнению с этаном.

Основные отличия в свойствах:

1. Реакции присоединения: Для этилена характерны реакции присоединения, в ходе которых разрывается $\pi$-связь. Он может присоединять водород (гидрирование), галогены (галогенирование), воду (гидратация), галогеноводороды. Этан в такие реакции не вступает.

2. Реакции окисления: Этилен легко окисляется раствором перманганата калия (реакция Вагнера) даже на холоде. Этан устойчив к действию таких окислителей в обычных условиях.

3. Реакции полимеризации: Молекулы этилена способны соединяться друг с другом, образуя полимер — полиэтилен. Этан не способен к полимеризации.

4. Реакции замещения: Для этана характерны реакции замещения (например, с хлором на свету), протекающие по свободно-радикальному механизму. Для этилена такие реакции нехарактерны, для него типичны реакции присоединения.

Ответ: Главное отличие свойств этилена от свойств этана обусловлено наличием у этилена двойной связи. Вследствие этого для этилена характерны реакции присоединения, полимеризации и легкое окисление, в то время как для этана — реакции замещения и устойчивость к окислителям.

5. Напишите уравнения реакций.

В ходе данной практической работы осуществляются следующие химические превращения:

1. Получение этилена путем дегидратации этилового спирта:

$C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, t>140^\circ C} CH_2=CH_2\uparrow + H_2O$

2. Реакция этилена с бромной водой (обесцвечивание):

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

3. Окисление этилена подкисленным раствором перманганата калия (жесткое окисление):

$5CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \rightarrow 10CO_2\uparrow + 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 8H_2O$

4. Горение этилена в кислороде:

$C_2H_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O$

Ответ:

$C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4, t>140^\circ C} CH_2=CH_2\uparrow + H_2O$

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

$5CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \rightarrow 10CO_2\uparrow + 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 8H_2O$

$C_2H_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O$