Страница 97 - гдз по химии 9 класс рабочая тетрадь Габриелян, Сладков

6. Причины многообразия органических соединений:

1) одну – объемную, обозначив число атомов углерода в молекуле через индекс $n$.

2) одну – структурную, где $(y, x)$ является молекулярной

1) Способность атомов углерода образовывать прочные ковалентные связи друг с другом и с атомами большинства других элементов. Атом углерода, находящийся в IV группе периодической системы, имеет на внешнем энергетическом уровне четыре валентных электрона, что позволяет ему формировать четыре ковалентные связи. Благодаря сочетанию валентности IV и небольшого атомного радиуса, атомы углерода могут соединяться друг с другом в устойчивые цепи различной длины (линейные и разветвленные) и циклы. Эта способность к самосоединению называется катенацией. Кроме того, атомы углерода способны образовывать не только одинарные, но и кратные связи (двойные и тройные), что еще больше расширяет разнообразие возможных структур.

Ответ: Способность атомов углерода образовывать прочные одинарные, двойные и тройные ковалентные связи друг с другом, формируя устойчивые цепи и циклы различного строения.

2) Явление изомерии. Изомерия — это существование соединений, которые имеют одинаковый качественный и количественный состав (т.е. одинаковую молекулярную формулу), но разное химическое строение или пространственное расположение атомов и, как следствие, разные физические и химические свойства. Различают структурную изомерию (изомерия углеродного скелета, положения кратной связи/функциональной группы, межклассовая изомерия) и пространственную изомерию (стереоизомерию). Например, молекулярной формуле $C_4H_{10}$ соответствуют два разных вещества: н-бутан (линейная цепь) и изобутан (разветвленная цепь). С увеличением числа атомов углерода в молекуле число возможных изомеров растет в геометрической прогрессии, что вносит огромный вклад в многообразие органических соединений.

Ответ: Существование изомеров — веществ, имеющих одинаковую молекулярную формулу, но разное строение и, следовательно, разные свойства.

Часть II

1. Реакция дегидрирования — это

Решение

Реакция дегидрирования (от латинской приставки "де-", означающей удаление, и "hydrogenium" — водород) — это химическая реакция, в ходе которой происходит отщепление атомов водорода от молекулы органического соединения. Этот процесс является одним из видов реакций элиминирования (отщепления). С точки зрения окислительно-восстановительных процессов, дегидрирование является реакцией окисления органического вещества, так как степень окисления атомов углерода, от которых отщепляется водород, повышается. Реакция, обратная дегидрированию, называется гидрированием (присоединение водорода).

Ключевые особенности реакций дегидрирования:
1. Условия проведения: Реакции, как правило, эндотермические, то есть требуют подвода тепла (протекают при высокой температуре, обычно 300–600 °C). Для их ускорения и повышения селективности (избирательности) используют катализаторы.
2. Катализаторы: Наиболее распространенными катализаторами являются металлы VIII группы (платина $Pt$, палладий $Pd$, никель $Ni$) и оксиды металлов (оксид хрома(III) $Cr_2O_3$ на оксиде алюминия $Al_2O_3$, оксид цинка $ZnO$).
3. Продукты: В результате отщепления молекулы водорода $H_2$ в исходной молекуле образуется дополнительная $\pi$-связь (двойная или тройная) или замыкается цикл.

Рассмотрим основные примеры реакций дегидрирования:

1. Дегидрирование алканов в алкены. Это важнейший промышленный способ получения непредельных углеводородов, являющихся сырьем для производства пластмасс и каучуков.
Пример: получение этилена из этана.
$CH_3-CH_3 \xrightarrow{t, Pt} CH_2=CH_2 + H_2$

2. Дегидрирование циклоалканов в ароматические углеводороды (ароматизация).
Пример: получение бензола из циклогексана.
$C_6H_{12} \xrightarrow{t, Pt} C_6H_6 + 3H_2$

3. Дегидрирование спиртов в альдегиды и кетоны. Тип продукта зависит от строения спирта.
- Из первичных спиртов получают альдегиды.
Пример: получение этаналя (ацетальдегида) из этанола.
$CH_3CH_2OH \xrightarrow{t, Cu} CH_3CHO + H_2$
- Из вторичных спиртов получают кетоны.
Пример: получение пропанона (ацетона) из пропанола-2.
$CH_3CH(OH)CH_3 \xrightarrow{t, Cu} CH_3C(O)CH_3 + H_2$
Третичные спирты в условиях каталитического дегидрирования не окисляются, а подвергаются дегидратации (отщеплению воды) с образованием алкенов.

Ответ: реакция дегидрирования — это реакция отщепления молекулы водорода ($H_2$) от органического соединения, как правило, протекающая при нагревании в присутствии катализатора и приводящая к образованию кратных связей или циклических систем.

2. Установите соответствие между уравнением реакции дегидрирования и названием углеводорода-реагента.

УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ

А) $C_2H_6 \to C_2H_4 + H_2$

Б) $C_3H_8 \to C_3H_6 + H_2$

В) $C_4H_{10} \to C_4H_8 + H_2$

УГЛЕВОДОРОД

1) пропан

2) бутан

3) этан

Ответ:

A Б В

Решение

Для того чтобы установить соответствие, необходимо определить название каждого углеводорода-реагента (исходного вещества) на основе его химической формулы. Все реагенты являются алканами, общая формула которых $C_nH_{2n+2}$.

А) В уравнении реакции $C_2H_6 \rightarrow C_2H_4 + H_2$ в качестве реагента выступает углеводород с формулой $C_2H_6$. Это алкан, в молекуле которого содержится два атома углерода ($n=2$). В соответствии с номенклатурой, такой углеводород называется этан. В списке названий этан указан под номером 3. Ответ: 3.

Б) В уравнении реакции $C_3H_8 \rightarrow C_3H_6 + H_2$ реагентом является углеводород с формулой $C_3H_8$. Это алкан с тремя атомами углерода ($n=3$). Название этого углеводорода — пропан. В списке названий пропан указан под номером 1. Ответ: 1.

В) В уравнении реакции $C_4H_{10} \rightarrow C_4H_8 + H_2$ реагентом является углеводород с формулой $C_4H_{10}$. Это алкан с четырьмя атомами углерода ($n=4$). Название этого углеводорода — бутан. В списке названий бутан указан под номером 2. Ответ: 2.

Итоговая таблица соответствий:

3. Запишите уравнение реакции дегидрирования для веществ из задания 2 в общем виде, обозначив число атомов углерода через n.

Решение

В задаче требуется записать общее уравнение реакции дегидрирования. Будем предполагать, что веществами из задания 2 являются алканы, так как это наиболее типичный класс соединений для данной реакции в курсе органической химии. Общая формула гомологического ряда алканов: $C_nH_{2n+2}$, где $n$ — это число атомов углерода ($n \ge 2$).

Дегидрирование представляет собой химическую реакцию отщепления молекулы водорода ($H_2$) от органического соединения. При дегидрировании алканов образуются алкены, которые являются ненасыщенными углеводородами с одной двойной связью и имеют общую формулу $C_nH_{2n}$.

Реакция обычно протекает при нагревании в присутствии катализаторов (например, $Pt$, $Ni$, $Cr_2O_3$). В общем виде уравнение реакции выглядит следующим образом:

$C_nH_{2n+2} \xrightarrow{t, kat} C_nH_{2n} + H_2$

Здесь $C_nH_{2n+2}$ — это исходный алкан, а $C_nH_{2n}$ — образовавшийся алкен.

Ответ: $C_nH_{2n+2} \rightarrow C_nH_{2n} + H_2$.

4. Запишите уравнения реакций горения метана, этана и ацетилена.

1)

2)

3)

Горение (или полное окисление) углеводородов в избытке кислорода является экзотермической реакцией, в результате которой образуются углекислый газ и вода. Ниже приведены уравнения реакций горения для метана, этана и ацетилена с подробным объяснением расстановки коэффициентов методом подбора.

1)

Решение

Требуется написать уравнение реакции горения метана ($CH_4$).

Запишем исходную схему реакции: $CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$.

Начнем уравнивать количество атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения.

1. Углерод (C): В левой части 1 атом C (в $CH_4$), в правой части 1 атом C (в $CO_2$). Атомы углерода сбалансированы.

2. Водород (H): В левой части 4 атома H (в $CH_4$), в правой части 2 атома H (в $H_2O$). Чтобы уравнять, поставим коэффициент 2 перед $H_2O$: $CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$. Теперь в обеих частях по 4 атома водорода.

3. Кислород (O): В левой части 2 атома O (в $O_2$). В правой части после расстановки коэффициентов имеем 2 атома O в $CO_2$ и $2 \cdot 1 = 2$ атома O в $2H_2O$, что в сумме дает 4 атома. Чтобы уравнять, поставим коэффициент 2 перед $O_2$: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$.

Проверим баланс атомов: C: 1=1; H: 4=4; O: 4=4. Уравнение составлено верно.

Ответ: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$.

2)

Решение

Требуется написать уравнение реакции горения этана ($C_2H_6$).

Запишем исходную схему реакции: $C_2H_6 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$.

1. Углерод (C): Слева 2 атома, справа 1. Ставим коэффициент 2 перед $CO_2$: $C_2H_6 + O_2 \rightarrow 2CO_2 + H_2O$.

2. Водород (H): Слева 6 атомов, справа 2. Ставим коэффициент 3 перед $H_2O$: $C_2H_6 + O_2 \rightarrow 2CO_2 + 3H_2O$.

3. Кислород (O): Слева 2 атома. Справа $2 \cdot 2 + 3 \cdot 1 = 7$ атомов. Для баланса требуется $7/2$ молекул $O_2$. Так как в уравнениях принято использовать целочисленные коэффициенты, умножим все коэффициенты уравнения на 2.

$2 \cdot (C_2H_6 + \frac{7}{2}O_2 \rightarrow 2CO_2 + 3H_2O) \Rightarrow 2C_2H_6 + 7O_2 \rightarrow 4CO_2 + 6H_2O$.

Проверим баланс атомов: C: $2 \cdot 2 = 4$ слева, $4 \cdot 1 = 4$ справа; H: $2 \cdot 6 = 12$ слева, $6 \cdot 2 = 12$ справа; O: $7 \cdot 2 = 14$ слева, $4 \cdot 2 + 6 \cdot 1 = 14$ справа. Уравнение составлено верно.

Ответ: $2C_2H_6 + 7O_2 \rightarrow 4CO_2 + 6H_2O$.

3)

Решение

Требуется написать уравнение реакции горения ацетилена ($C_2H_2$).

Запишем исходную схему реакции: $C_2H_2 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$.

1. Углерод (C): Слева 2 атома, справа 1. Ставим коэффициент 2 перед $CO_2$: $C_2H_2 + O_2 \rightarrow 2CO_2 + H_2O$.

2. Водород (H): Слева 2 атома, справа 2. Атомы водорода сбалансированы.

3. Кислород (O): Слева 2 атома. Справа $2 \cdot 2 + 1 = 5$ атомов. Для баланса требуется $5/2$ молекул $O_2$. Умножим все коэффициенты на 2, чтобы они стали целыми.

$2 \cdot (C_2H_2 + \frac{5}{2}O_2 \rightarrow 2CO_2 + H_2O) \Rightarrow 2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O$.

Проверим баланс атомов: C: $2 \cdot 2 = 4$ слева, $4 \cdot 1 = 4$ справа; H: $2 \cdot 2 = 4$ слева, $2 \cdot 2 = 4$ справа; O: $5 \cdot 2 = 10$ слева, $4 \cdot 2 + 2 \cdot 1 = 10$ справа. Уравнение составлено верно.

Ответ: $2C_2H_2 + 5O_2 \rightarrow 4CO_2 + 2H_2O$.

5. Составьте уравнения реакций, соответствующих следующей схеме:

$C \to Al_4C_3 \to CH_4 \to CO_2 \to CaCO_3 \to Ca(HCO_3)_2$

1)

2)

3)

Решение

1) Для осуществления первого превращения C → Al₄C₃ необходимо провести реакцию соединения между простыми веществами: алюминием и углеродом. Реакция требует сильного нагревания.

$4Al + 3C \xrightarrow{t^{\circ}} Al_4C_3$

Ответ: $4Al + 3C \rightarrow Al_4C_3$

2) Следующий этап – получение метана из карбида алюминия: Al₄C₃ → CH₄. Карбид алюминия является метанидом, поэтому при его взаимодействии с водой (гидролизе) образуется метан и гидроксид алюминия.

$Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 3CH_4 \uparrow + 4Al(OH)_3 \downarrow$

Ответ: $Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 3CH_4 + 4Al(OH)_3$

3) Превращение метана в углекислый газ (CH₄ → CO₂) представляет собой реакцию полного сгорания метана в кислороде. Продуктами реакции являются оксид углерода(IV) и вода.

$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

Ответ: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

4) Для получения карбоната кальция из углекислого газа (CO₂ → CaCO₃) необходимо пропустить углекислый газ через раствор гидроксида кальция, также известного как известковая вода. В результате реакции образуется нерастворимый карбонат кальция, который выпадает в осадок.

$CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$

Ответ: $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O$

5) Последнее превращение в цепочке: CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂. Нерастворимый карбонат кальция можно перевести в растворимый гидрокарбонат кальция, пропуская избыток углекислого газа через водную суспензию карбоната кальция.

$CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

Ответ: $CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2$