Страница 252 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Назовите важнейшие кислородсодержащие органические вещества, которые вы изучили.

К важнейшим кислородосодержащим органическим веществам относятся соединения, содержащие различные функциональные группы с атомами кислорода. Основные классы таких веществ, изучаемые в школьном курсе химии, включают спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, эфиры и углеводы.

Спирты и фенолы

Это органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько гидроксильных групп ($-OH$), соединенных с углеводородным радикалом. Если гидроксильная группа связана с насыщенным атомом углерода (в $sp^3$-гибридизации), то соединение является спиртом. Общая формула одноатомных предельных спиртов — $C_nH_{2n+1}OH$. Примерами являются метанол ($CH_3OH$) и этанол ($C_2H_5OH$). Многоатомные спирты содержат несколько гидроксильных групп, например, глицерин ($CH_2(OH)CH(OH)CH_2(OH)$). Если гидроксильная группа связана непосредственно с атомом углерода ароматического кольца, то такие соединения называют фенолами. Простейший представитель — фенол ($C_6H_5OH$).

Альдегиды и кетоны

Это классы соединений, объединенные наличием карбонильной группы ($>C=O$). В альдегидах атом углерода карбонильной группы связан как минимум с одним атомом водорода. Их функциональная группа называется альдегидной ($-CHO$). Примеры: метаналь, или формальдегид ($HCHO$), и этаналь, или ацетальдегид ($CH_3CHO$). В кетонах атом углерода карбонильной группы связан с двумя углеводородными радикалами. Простейший представитель кетонов — пропанон, или ацетон ($CH_3-CO-CH_3$).

Карбоновые кислоты

Это органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп ($-COOH$). Карбоксильная группа является сочетанием карбонильной ($>C=O$) и гидроксильной ($-OH$) групп, связанных с одним и тем же атомом углерода. Карбоновые кислоты проявляют кислотные свойства. Примеры: муравьиная (метановая) кислота ($HCOOH$), уксусная (этановая) кислота ($CH_3COOH$).

Сложные эфиры

Это производные карбоновых кислот, в которых атом водорода в гидроксильной группе замещен на углеводородный радикал ($R'$). Их общая формула $R-COO-R'$. Они образуются в реакции этерификации между карбоновой кислотой и спиртом. Многие сложные эфиры имеют характерные фруктовые или цветочные запахи и используются в пищевой и парфюмерной промышленности. Пример: этилацетат (этиловый эфир уксусной кислоты), $CH_3COOC_2H_5$. Жиры также являются сложными эфирами глицерина и высших карбоновых кислот.

Простые эфиры

Это органические соединения, в которых два углеводородных радикала (одинаковых или разных) связаны между собой через атом кислорода. Их общая формула $R-O-R'$. Пример: диэтиловый эфир ($C_2H_5-O-C_2H_5$), который широко используется как растворитель и в медицине.

Углеводы

Это обширная группа природных органических соединений, которые являются полигидроксиальдегидами или полигидроксикетонами. Их название исторически связано с тем, что состав первых известных представителей этого класса описывался общей формулой $C_n(H_2O)_m$. Углеводы делятся на три основные группы: моносахариды (например, глюкоза $C_6H_{12}O_6$ и фруктоза $C_6H_{12}O_6$), дисахариды (например, сахароза $C_{12}H_{22}O_{11}$) и полисахариды (например, крахмал и целлюлоза, имеющие общую формулу $(C_6H_{10}O_5)_n$). Углеводы играют важнейшую биологическую роль, являясь источником энергии и структурным компонентом клеток.

Ответ: Важнейшими классами кислородосодержащих органических веществ являются: спирты и фенолы, альдегиды и кетоны, карбоновые кислоты, сложные и простые эфиры, углеводы.

2. Предположим, вы съели 50 г сыра. Какую энергию получит ваш организм?

Для решения этой задачи необходимо знать энергетическую ценность (калорийность) сыра. Этот показатель может значительно различаться в зависимости от сорта сыра (его жирности, содержания белков и углеводов). В среднем, калорийность твердых сортов сыра составляет около 350-400 ккал на 100 грамм. Для нашего расчета примем среднее значение энергетической ценности.

Дано:

Масса сыра: $m = 50 \text{ г}$

Удельная энергетическая ценность сыра (принятое среднее значение): $q = 350 \frac{\text{ккал}}{100 \text{ г}}$

Перевод данных в систему СИ и в удобные для расчета единицы:

Масса сыра в килограммах: $m = 50 \text{ г} = 0.05 \text{ кг}$

Удельная энергетическая ценность в ккал/г: $q = \frac{350 \text{ ккал}}{100 \text{ г}} = 3.5 \frac{\text{ккал}}{\text{г}}$

Для перевода в систему СИ (Джоули) используем соотношение 1 ккал ≈ 4.2 кДж (килоджоуль):

$q = 3.5 \frac{\text{ккал}}{\text{г}} \times 4.2 \frac{\text{кДж}}{\text{ккал}} = 14.7 \frac{\text{кДж}}{\text{г}} = 14.7 \times 10^3 \frac{\text{Дж}}{\text{г}}$

Удельная энергетическая ценность в СИ (Дж/кг):

$q = 14.7 \times 10^3 \frac{\text{Дж}}{\text{г}} \times 1000 \frac{\text{г}}{\text{кг}} = 14.7 \times 10^6 \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$

Найти:

Общая энергия, полученная организмом: $E - ?$

Решение:

Энергию, которую получит организм, можно рассчитать, умножив массу съеденного продукта на его удельную энергетическую ценность. Формула для расчета:$E = m \times q$

Сначала проведем расчет в килокалориях, так как это наиболее распространенная единица для пищевой ценности:

$E = 50 \text{ г} \times 3.5 \frac{\text{ккал}}{\text{г}} = 175 \text{ ккал}$

Теперь переведем полученное значение в килоджоули (кДж), которые являются единицей энергии в системе СИ. Используем соотношение 1 ккал ≈ 4.2 кДж:

$E = 175 \text{ ккал} \times 4.2 \frac{\text{кДж}}{\text{ккал}} = 735 \text{ кДж}$

Для проверки можно провести расчет сразу в единицах СИ:

$E = 0.05 \text{ кг} \times 14.7 \times 10^6 \frac{\text{Дж}}{\text{кг}} = 0.735 \times 10^6 \text{ Дж} = 735000 \text{ Дж} = 735 \text{ кДж}$

Результаты, полученные двумя способами, совпадают.

Ответ: съев 50 г сыра, ваш организм получит примерно 175 ккал (что эквивалентно 735 кДж). Важно помнить, что это значение является приблизительным и зависит от конкретного сорта сыра.

3. Из перечисленных формул выберите те, которые могут относиться к углеводам: $C_3H_8O$, $C_5H_{10}O_5$, $C_3H_8O_3$, $C_{12}H_{22}O_{11}$, $C_6H_{12}O$.

Решение

Углеводы (также известные как сахариды) представляют собой обширный класс органических соединений. Их название исторически связано с тем, что состав первых изученных углеводов соответствовал общей формуле $C_n(H_2O)_m$, то есть "углерод + вода". Хотя существуют исключения, для большинства классических углеводов эта формула или её вариации верны.

Рассмотрим основные группы углеводов и их формулы:

• Моносахариды — простейшие углеводы, их общая формула $C_n H_{2n} O_n$, где $n \ge 3$.
• Дисахариды — состоят из двух остатков моносахаридов. Их формула получается путем конденсации двух молекул моносахаридов с отщеплением молекулы воды. Например, при соединении двух гексоз ($C_6H_{12}O_6$) образуется дисахарид с формулой $C_{12}H_{22}O_{11}$.

Теперь проанализируем каждую из предложенных формул на соответствие классу углеводов:

1. $C_3H_8O$ — Эта формула не соответствует общей формуле углеводов. Для трех атомов углерода ($n=3$) у моносахарида (триозы) должна быть формула $C_3H_6O_3$. В данной формуле соотношение атомов водорода и кислорода не характерно для углеводов. Это формула, например, спирта пропанола.

2. $C_5H_{10}O_5$ — Эта формула полностью соответствует общей формуле моносахаридов $C_n H_{2n} O_n$ при $n=5$. Это формула пентоз, к которым относятся, например, рибоза и дезоксирибоза (с поправкой на один атом кислорода, $C_5H_{10}O_4$, но рибоза и ксилоза имеют именно эту формулу). Следовательно, вещество с такой формулой является углеводом.

3. $C_3H_8O_3$ — Эта формула не соответствует общей формуле моносахаридов $C_n H_{2n} O_n$. При $n=3$ формула должна быть $C_3H_6O_3$. Формула $C_3H_8O_3$ соответствует многоатомному спирту глицерину, который не является углеводом.

4. $C_{12}H_{22}O_{11}$ — Эта формула является классической для дисахаридов, образованных из двух остатков гексоз. Она получается в результате реакции: $2C_6H_{12}O_6 \rightarrow C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O$. Эту формулу имеют такие известные углеводы, как сахароза, лактоза и мальтоза. Следовательно, это вещество является углеводом.

5. $C_6H_{12}O$ — Эта формула не может принадлежать углеводу. Для моносахарида с шестью атомами углерода (гексозы) формула должна быть $C_6H_{12}O_6$. Недостаток атомов кислорода указывает на принадлежность к другому классу органических соединений, например, к альдегидам (гексаналь) или кетонам.

Ответ: $C_5H_{10}O_5$, $C_{12}H_{22}O_{11}$.

4. Дерево способно превращать за сутки 55 г $CO_2$ в углеводы. Сколько литров $O_2$ (н. у.) при этом выделяется?

Дано:

$m(CO_2) = 55$ г

Все данные представлены в единицах, подходящих для расчетов, перевод в СИ не требуется.

Найти:

$V(O_2)$ (н. у.) - ?

Решение:

Процесс превращения оксида углерода(IV) в углеводы, происходящий в растениях, — это фотосинтез. Запишем его обобщенное уравнение, где в качестве углевода образуется глюкоза $C_6H_{12}O_6$:

$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет, хлорофилл} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

1. Найдем количество вещества оксида углерода(IV), которое было поглощено. Для этого сначала вычислим молярную массу $CO_2$. Используем относительные атомные массы из периодической системы: $Ar(C) = 12$, $Ar(O) = 16$.

$M(CO_2) = Ar(C) + 2 \cdot Ar(O) = 12 + 2 \cdot 16 = 44$ г/моль.

Теперь вычислим количество вещества ($n$) поглощенного $CO_2$ по формуле $n = m/M$:

$n(CO_2) = \frac{m(CO_2)}{M(CO_2)} = \frac{55 \text{ г}}{44 \text{ г/моль}} = 1,25$ моль.

2. Используя уравнение реакции, найдем количество вещества кислорода ($O_2$), который выделился в процессе. Согласно стехиометрическим коэффициентам в уравнении, соотношение количеств вещества $CO_2$ и $O_2$ составляет 6:6 или 1:1.

$\frac{n(CO_2)}{6} = \frac{n(O_2)}{6} \implies n(O_2) = n(CO_2)$

Следовательно, количество вещества выделившегося кислорода равно:

$n(O_2) = 1,25$ моль.

3. Рассчитаем объем кислорода при нормальных условиях (н. у.). При н. у. (температура 0 °C и давление 1 атм) молярный объем любого газа ($V_m$) составляет 22,4 л/моль. Объем газа можно найти по формуле $V = n \cdot V_m$.

$V(O_2) = n(O_2) \cdot V_m = 1,25 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 28$ л.

Ответ: при этом выделяется 28 л кислорода.

5. Термохимическое уравнение сгорания глюкозы имеет вид:

$C_6H_{12}O_{6(\text{тв})} + 6O_{2(\text{г})} = 6CO_{2(\text{г})} + 6H_2O_{(\text{ж})} + 2800 \text{ кДж}$

Сколько энергии выделяется при сгорании 1 г твёрдой глюкозы?

Дано:

Термохимическое уравнение: $C_6H_{12}O_{6(тв)} + 6O_{2(г)} = 6CO_{2(г)} + 6H_2O_{(ж)} + 2800 \text{ кДж}$

Масса глюкозы: $m(C_6H_{12}O_6) = 1 \text{ г}$

Найти:

Количество выделившейся энергии — $Q$

Решение:

Из термохимического уравнения следует, что при сгорании 1 моль твердой глюкозы ($C_6H_{12}O_6$) выделяется 2800 кДж энергии.

1. Рассчитаем молярную массу глюкозы ($C_6H_{12}O_6$), используя относительные атомные массы элементов: $Ar(C) = 12$, $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$.

$M(C_6H_{12}O_6) = 6 \cdot Ar(C) + 12 \cdot Ar(H) + 6 \cdot Ar(O) = 6 \cdot 12 + 12 \cdot 1 + 6 \cdot 16 = 72 + 12 + 96 = 180 \text{ г/моль}$.

Таким образом, при сгорании 180 г (1 моль) глюкозы выделяется 2800 кДж энергии.

2. Составим пропорцию, чтобы найти, сколько энергии ($Q$) выделится при сгорании 1 г глюкозы.

При сгорании 180 г глюкозы — выделяется 2800 кДж энергии.

При сгорании 1 г глюкозы — выделяется $Q$ кДж энергии.

$\frac{180 \text{ г}}{1 \text{ г}} = \frac{2800 \text{ кДж}}{Q}$

Отсюда выразим и вычислим $Q$:

$Q = \frac{1 \text{ г} \cdot 2800 \text{ кДж}}{180 \text{ г}} = \frac{280}{18} \text{ кДж} \approx 15.56 \text{ кДж}$.

Ответ: при сгорании 1 г твёрдой глюкозы выделяется 15.56 кДж энергии.

6. Рассчитайте массовые доли углерода и воды в:

а) глюкозе;

б) сахарозе;

в) целлюлозе.

Какое из этих веществ наиболее богато углеродом, а какое — водой?

Дано:

Формула глюкозы: $C_6H_{12}O_6$

Формула сахарозы: $C_{12}H_{22}O_{11}$

Формула элементарного звена целлюлозы: $C_6H_{10}O_5$

Относительные атомные массы (Ar):

Ar(C) = 12

Ar(H) = 1

Ar(O) = 16

Найти:

Массовые доли углерода $ω(C)$ и воды $ω(H_2O)$ в глюкозе, сахарозе и целлюлозе.

Какое из веществ наиболее богато углеродом, а какое — водой?

Решение:

Общая формула для расчета массовой доли элемента (или группы атомов) в веществе:

$ω(X) = \frac{n \cdot M_r(X)}{M_r(вещества)} \cdot 100\%$

где $n$ — число атомов (или групп атомов) в формуле, $M_r$ — относительная молекулярная масса.

Сначала рассчитаем относительную молекулярную массу воды ($H_2O$):

$M_r(H_2O) = 2 \cdot Ar(H) + Ar(O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$

а) глюкоза ($C_6H_{12}O_6$)

Формулу глюкозы можно представить в виде $C_6(H_2O)_6$.

1. Рассчитаем относительную молекулярную массу глюкозы:

$M_r(C_6H_{12}O_6) = 6 \cdot Ar(C) + 12 \cdot Ar(H) + 6 \cdot Ar(O) = 6 \cdot 12 + 12 \cdot 1 + 6 \cdot 16 = 72 + 12 + 96 = 180$

2. Рассчитаем массовую долю углерода:

$ω(C) = \frac{6 \cdot Ar(C)}{M_r(C_6H_{12}O_6)} \cdot 100\% = \frac{6 \cdot 12}{180} \cdot 100\% = \frac{72}{180} \cdot 100\% = 0.4 \cdot 100\% = 40\%$

3. Рассчитаем массовую долю воды:

$ω(H_2O) = \frac{6 \cdot M_r(H_2O)}{M_r(C_6H_{12}O_6)} \cdot 100\% = \frac{6 \cdot 18}{180} \cdot 100\% = \frac{108}{180} \cdot 100\% = 0.6 \cdot 100\% = 60\%$

Ответ: в глюкозе массовая доля углерода составляет 40%, а массовая доля воды — 60%.

б) сахароза ($C_{12}H_{22}O_{11}$)

Формулу сахарозы можно представить в виде $C_{12}(H_2O)_{11}$.

1. Рассчитаем относительную молекулярную массу сахарозы:

$M_r(C_{12}H_{22}O_{11}) = 12 \cdot Ar(C) + 22 \cdot Ar(H) + 11 \cdot Ar(O) = 12 \cdot 12 + 22 \cdot 1 + 11 \cdot 16 = 144 + 22 + 176 = 342$

2. Рассчитаем массовую долю углерода:

$ω(C) = \frac{12 \cdot Ar(C)}{M_r(C_{12}H_{22}O_{11})} \cdot 100\% = \frac{12 \cdot 12}{342} \cdot 100\% = \frac{144}{342} \cdot 100\% \approx 42.1\%$

3. Рассчитаем массовую долю воды:

$ω(H_2O) = \frac{11 \cdot M_r(H_2O)}{M_r(C_{12}H_{22}O_{11})} \cdot 100\% = \frac{11 \cdot 18}{342} \cdot 100\% = \frac{198}{342} \cdot 100\% \approx 57.9\%$

Ответ: в сахарозе массовая доля углерода составляет примерно 42,1%, а массовая доля воды — 57,9%.

в) целлюлоза ($(C_6H_{10}O_5)_n$)

Для расчета массовых долей достаточно взять формулу элементарного звена $C_6H_{10}O_5$, которую можно представить в виде $C_6(H_2O)_5$.

1. Рассчитаем относительную молекулярную массу элементарного звена целлюлозы:

$M_r(C_6H_{10}O_5) = 6 \cdot Ar(C) + 10 \cdot Ar(H) + 5 \cdot Ar(O) = 6 \cdot 12 + 10 \cdot 1 + 5 \cdot 16 = 72 + 10 + 80 = 162$

2. Рассчитаем массовую долю углерода:

$ω(C) = \frac{6 \cdot Ar(C)}{M_r(C_6H_{10}O_5)} \cdot 100\% = \frac{6 \cdot 12}{162} \cdot 100\% = \frac{72}{162} \cdot 100\% \approx 44.4\%$

3. Рассчитаем массовую долю воды:

$ω(H_2O) = \frac{5 \cdot M_r(H_2O)}{M_r(C_6H_{10}O_5)} \cdot 100\% = \frac{5 \cdot 18}{162} \cdot 100\% = \frac{90}{162} \cdot 100\% \approx 55.6\%$

Ответ: в целлюлозе массовая доля углерода составляет примерно 44,4%, а массовая доля воды — 55,6%.

Сравним полученные результаты:

• Массовая доля углерода: глюкоза (40%), сахароза (42,1%), целлюлоза (44,4%).
• Массовая доля воды: глюкоза (60%), сахароза (57,9%), целлюлоза (55,6%).

Таким образом, наиболее богатое углеродом вещество — целлюлоза, а наиболее богатое водой — глюкоза.

Ответ: Наиболее богатое углеродом вещество — целлюлоза ($ω(C) \approx 44,4\%$). Наиболее богатое водой вещество — глюкоза ($ω(H_2O) = 60\%$).

7. Рассчитайте объём одного моля целлюлозы (степень полимеризации 10 тысяч, плотность $1,52 \text{ г/см}^3$).

Дано:

Количество вещества целлюлозы $\nu = 1$ моль

Степень полимеризации $n = 10 \text{ тысяч} = 10000$

Плотность целлюлозы $\rho = 1,52 \text{ г/см}^3$

Перевод в СИ:

$\rho = 1,52 \text{ г/см}^3 = 1,52 \times \frac{10^{-3} \text{ кг}}{(10^{-2} \text{ м})^3} = 1,52 \times \frac{10^{-3}}{10^{-6}} \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} = 1520 \text{ кг/м}^3$

Найти:

$V$ — ?

Решение:

1. Целлюлоза является полимером, структурная формула которого $(C_6H_{10}O_5)_n$, где $C_6H_{10}O_5$ — мономерное звено (остаток глюкозы), а $n$ — степень полимеризации.

2. Рассчитаем молярную массу мономерного звена целлюлозы, используя относительные атомные массы элементов из периодической таблицы Д. И. Менделеева: $Ar(C)=12$, $Ar(H)=1$, $Ar(O)=16$.

$M(C_6H_{10}O_5) = 6 \times Ar(C) + 10 \times Ar(H) + 5 \times Ar(O) = 6 \times 12 + 10 \times 1 + 5 \times 16 = 72 + 10 + 80 = 162 \text{ г/моль}$.

3. Теперь определим молярную массу макромолекулы целлюлозы с учетом степени полимеризации $n = 10000$.

$M_{целлюлозы} = n \times M(C_6H_{10}O_5) = 10000 \times 162 \text{ г/моль} = 1620000 \text{ г/моль}$.

4. По определению, масса одного моля вещества численно равна его молярной массе. Следовательно, масса 1 моля данной целлюлозы составляет $m = 1620000 \text{ г}$.

5. Объем тела связан с его массой и плотностью формулой $\rho = \frac{m}{V}$. Выразим из этой формулы объем: $V = \frac{m}{\rho}$.

6. Подставим числовые значения массы и плотности для расчета объема одного моля целлюлозы.

$V = \frac{1620000 \text{ г}}{1,52 \text{ г/см}^3} \approx 1065789,47 \text{ см}^3$.

7. Для удобства представления результата переведем объем из кубических сантиметров в кубические метры, зная, что $1 \text{ м}^3 = 10^6 \text{ см}^3$.

$V \approx 1065789,47 \text{ см}^3 \times \frac{1 \text{ м}^3}{1000000 \text{ см}^3} \approx 1,066 \text{ м}^3$.

Ответ: объем одного моля целлюлозы составляет примерно $1065789,5 \text{ см}^3$ или $1,066 \text{ м}^3$.