Сторінки 130–140

Розв’язання

1. Перевіряємо перші чотири назви: метан, етан, пропан, бутан — це історичні назви, які не підлягають загальному правилу утворення від числівників.

2. Дивимось на наступні назви: пентан (5), гексан (6), гептан (7) тощо. Вони утворюються від грецьких чи латинських числівників з додаванням суфікса -ан-.

3. Порівнюємо з теорією музики: як і в сольфеджіо, де є послідовність нот, тут є послідовність атомів карбону, що визначають назву сполуки.

Розв’язання

1. Формула метану — $C{H}_4$, а етану — $C_2{H}_6$. Різниця в складі: один атом C ($2-1=1$) і два атоми H ($6-4=2$). Це одна група $C{H}_2$.

2. Формула етану — $C_2{H}_6$, а бутану — $C_4{H}_{10}$. Різниця в складі: два атоми C ($4-2=2$) і чотири атоми H ($10-6=4$). Це дві групи $C{H}_2$.

Розв’язання

1. Аналізуємо формули алканів з таблиці 5: $C{H}_4$, $C_2{H}_6$, $C_3{H}_8$ тощо.

2. Бачимо, що в усіх цих молекулах є лише два типи атомів: Карбон (C) та Гідроген (H).

3. Висновуємо, що оскільки алкани складаються тільки з цих двох елементів, вони належать до класу вуглеводнів.

Розв’язання

1. Для пропану ($n=3$): з'єднуємо три атоми Карбону $C-C-C$, додаємо по чотири зв'язки до кожного та заповнюємо Гідрогеном, отримуючи розгорнуту формулу ${\text{H}}_3\text{C}-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3$ або скорочену ${\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3$.

2. Для бутану ($n=4$): з'єднуємо чотири атоми Карбону $C-C-C-C$, заповнюємо Гідрогеном, отримуючи розгорнуту формулу ${\text{H}}_3\text{C}-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3$ або скорочену ${\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3$.

3. Для пентану ($n=5$): з'єднуємо п'ять атомів Карбону $C-C-C-C-C$, заповнюємо Гідрогеном, отримуючи розгорнуту формулу ${\text{H}}_3\text{C}-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3$ або скорочену ${\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3$.

Розв’язання

1. Оцінюємо полярність середовищ: вода та етиловий спирт є полярними, а бензин, соняшникова олія та уайт-спірит — неполярними (оскільки складаються з алканів).

2. Прогнозуємо взаємодію: краплі уайт-спіриту розчиняться в бензині та олії, але будуть відштовхуватися від води та спирту, залишаючись окремими краплями або шаром.

3. Робимо висновок щодо заміни: оскільки бензин також є сумішшю алканів (неполярним), він поводиться так само, як уайт-спірит, тому результати досліду не зміняться.

Розв’язання

1. Проаналізуйте текст про те, що атоми Карбону в цих сполуках пов'язані лише одинарними зв'язками і не можуть приєднати інших атомів.

2. Складіть визначення, поєднавши поняття «насичені», «вуглеводні» та опис хімічних зв'язків.

Розв’язання

1. Визначте корені слів для чисел від 15 до 19: 15 — пентадек-, 16 — гексадек-, 17 — гептадек-, 18 — октадек-, 19 — нонадек-.

2. Прикріпіть закінчення «-ан» до кожного кореня, утворивши повні назви сполук.

Розв’язання

1. Перекладіть латинські слова parum («мало») та affinis («споріднений/подібний») в контексті хімічної активності.

2. Зв'яжіть це з тим, що алкани майже не реагують (неактивні) у порівнянні з іншими органічними сполуками того часу.

Розв’язання

1. Оберемо пропан-бутанову суміш як приклад газопального палива.

2. Визначимо властивості: це газ, який добре горить і легко скраплюється під тиском.

3. Сформулюємо заходи безпеки: не допускати витоку (пожежонебезпечно) та використовувати спеціальні балони.

Розв’язання

1. Напишемо послідовність реакцій хлорування метану: $C{H}_4+C{l}_2\to C{H}_{3}Cl$, далі до $CC{l}_4$.

2. Визначимо назви продуктів: хлористий метил, дихлорметан, трихлорметан (хлороформ), тетрахлорметан (тетрафторид вуглецю — помилка в тексті підручника, правильно тетрафторид не утворюється при хлоруванні, це тетрахлорметан).

3. Опишемо застосування: розчинники для фарб та лакків (дихлорметан), засіб проти судоми (хлороформ), інсектицид та промисловий хладагент (тетрахлорметан).

Розв’язання

1. Аналізуємо будову молекул алканів: всі зв'язки між атомами Карбону є одинарними ($C-C$).

2. Перевіряємо валентність Карбону: кожен атом $C$ утворив 4 зв'язки, тому валентність задоволена.

3. Висновуємо назву: оскільки молекула не може приєднати більше атомів без розриву зв'язків, такі вуглеводні називають насиченими.

Розв’язання

1. Обираємо пропан (${\text{C}}_3{\text{H}}_8$) і бутан (${\text{C}}_4{\text{H}}_{10}$) як об'єкти порівняння.

2. Визначаємо спільні риси: обидва належать до класу алканів, мають загальну формулу ${\text{C}}_n{\text{H}}_{2n+2}$, складаються з одинарних зв'язків ($\text{C}-\text{C}$ та $\text{C}-\text{H}$), є насиченими вуглеводнями.

3. Визначаємо відмінності: у пропану 3 атоми Карбону, у бутану — 4; молекулярна маса бутана більша; при кімнатній температурі пропан — газ, а бутан також газ, але ближче до рідини (зазвичай порівнюють з пентаном як рідиною для контрасту, або просто вказують на різницю у складі).

Розв’язання

1. Для гексану ($n=6$): Записуємо повну структуру як ланцюг $-{\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3$. Скорочену формулу пишемо так: ${\text{CH}}_3({\text{CH}}_2{)}_4{\text{CH}}_3$.

2. Для гептану ($n=8$): Записуємо повну структуру як ланцюг $-{\text{CH}}_3-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_2-{\text{CH}}_3$. Скорочену формулу пишемо так: ${\text{CH}}_3({\text{CH}}_2{)}_6{\text{CH}}_3$.

Розв’язання

1. Записуємо молекулярну формулу бутану: ${\text{C}}_4{\text{H}}_{10}$.

2. Записуємо молекулярну формулу гептану: ${\text{C}}_7{\text{H}}_{16}$.

3. Порівнюємо склад: кількість атомів Карбону відрізняється на $7-4=3$, кількість атомів Гідрогену — на $16-10=6$.

4. Перевіряємо відмінність: група метилен має склад ${\text{CH}}_2$ (1 C і 2 H). Три такі групи дають $3\times \text{C}=3\text{C}$ та $3\times 2\text{H}=6\text{H}$. Оскільки різниця у складі дорівнює трьом групам $-{\text{CH}}_2-$, речовини є гомологами.

Розв’язання

1. Запишемо молекулярну формулу пропану: $C_3{H}_8$. Сума валентностей всіх атомів дорівнює $(3\times 4)+(8\times 1)=20$. Кількість зв'язків — половина від цієї суми, тобто $20/2=10$.

2. Атоми Карбону утворюють ланцюг: перший атом пов'язаний із другим ($C–C$), другий — із третім ($C–C$). Отже, зв'язків $C–C$ є два.

3. Решта валентностей заповнюються атомами Гідрогену: кожен з трьох атомів Карбону пов'язаний із певною кількістю атомів Гідрогену, що дає всього 8 зв'язків $C–H$.

Розв’язання

1. Перевіримо $C_3{H}_6$: для $n=3$ має бути $2\cdot 3+2=8$ атомів Гідрогену. Отримано 6, отже це ненасичений вуглеводень (алкен), не підходить.

2. Перевіримо $C_4{H}_{10}$: для $n=4$ має бути $2\cdot 4+2=10$ атомів Гідрогену. Отримано 10, це алкан (бутан), підходить.

3. Перевіримо $C_6{H}_6$: для $n=6$ має бути $2\cdot 6+2=14$. Отримано 6, не підходить.

4. Перевіримо $C_{14}{H}_{30}$: для $n=14$ має бути $2\cdot 14+2=30$. Отримано 30, це алкан (тетрадекан), підходить.

5. Перевіримо $C_8{H}_8$: для $n=8$ має бути $2\cdot 8+2=18$. Отримано 8, не підходить.

Розв’язання

1. Обчислимо молярну масу метану ($C{H}_4$): $M(C{H}_4)=12+4\cdot 1=16$ г/моль. Масова частка Карбону: $w_C(C{H}_4)=\frac{12}{16}\cdot 100\%=75\%$.

2. Обчислимо молярну масу пропану ($C_3{H}_8$): $M(C_3{H}_8)=3\cdot 12+8\cdot 1=44$ г/моль. Масова частка Карбону: $w_C(C_3{H}_8)=\frac{3\cdot 12}{44}\cdot 100\%=\frac{36}{44}\cdot 100\%\approx 81,8\%$.

3. Порівнюємо: $81,8\%>75\%$, отже, у пропані частка Карбону більша.

4. Аналізуємо тенденцію: зі збільшенням числа атомів Карбону ($n$) масова частка Карбону зростає і наближається до $100\%$. Це можна передбачити без обчислень, оскільки відношення маси Карбону до Гідрогену в формулі $C_n{H}_{2n+2}$ змінюється як $\frac{12n}{2n+2}=\frac{6n}{n+1}$, яке є зростаючою функцією.

Розв’язання

1. Спільні властивості: обидві речовини — безбарвні (газ бутан має специфічний запах), неполярні, майже нерозчинні у воді, горять з утворенням $C{O}_2$ і $H_{2}O$, реагують з галогенами за освітлення.

2. Відмінні властивості: бутан — газ (температура кипіння нижча за кімнатну), гексан — рідина (температура кипіння вища). Гексан важчий за воду, бутан легший.

3. Рівняння реакцій горіння (спільна хімічна властивість):
   $C_4{H}_{10}+6,5O_2\to 4C{O}_2+5H_{2}O$
   $C_6{H}_{14}+9,5O_2\to 6C{O}_2+7H_{2}O$

Розв’язання

1. Спосіб 1 (Розчинність): Додайте краплю йоду або спирту до невідомої рідини. Якщо речовина розчиняється — це вода (спирт полярний), якщо ні — гексан. Простіше: змішайте з водою. Якщо рідини розшаруються, а легша знаходиться зверху — це гексан.

2. Спосіб 2 (Щільність): Змішайте невідому речовину з водою в пробірці. Якщо суміш розшарується і шари розділяються, то це два різних рідких тіла. Оскільки гексан легший за воду, він буде на поверхні.

3. Спосіб 3 (Температура кипіння): Нагрійте рідину. Вода кипить при $100{}^{\circ }\text{C}$, а гексан — при значно нижчій температурі ($69{}^{\circ }\text{C}$).

4. Спосіб 4 (Запах): Оскільки вода без запаху, а гексан має характерний квітковий запах, можна розрізнити їх за запахом (з обережністю).

Розв’язання

1. Знайдемо середню молярну масу парафіну: $M({\text{C}}_{24}{\text{H}}_{50})=24\cdot 12+50\cdot 1=288+50=338\text{г/моль}$.

2. Обчислимо кількість молей парафіну в зразку: $n(\text{парафін})=\frac{1\text{г}}{338\text{г/моль}}\approx 0,00296\text{моль}$.

3. Кількість молей атомів Карбону (і отже, ${\text{CO}}_2$): $n(\text{C})=n(\text{парафін})\cdot 24\approx 0,071\text{моль}$.

4. За рівнянням реакції ${\text{Ca(OH)}}_2+{\text{CO}}_2\to {\text{CaCO}}_3\downarrow +{\text{H}}_2\text{O}$, $n({\text{CaCO}}_3)=n({\text{CO}}_2)$. Молярна маса ${\text{CaCO}}_3$ дорівнює $40+12+3\cdot 16=100\text{г/моль}$.

5. Знайдемо масу осаду: $m({\text{CaCO}}_3)=n({\text{CaCO}}_3)\cdot M({\text{CaCO}}_3)=0,071\text{моль}\cdot 100\text{г/моль}\approx 7,1\text{г}$.

Розв’язання

1. Знайдемо кількість молей метану: $n({\text{CH}}_4)=\frac{7,84\text{л}}{22,4\text{л/моль}}=0,35\text{моль}$.

2. За рівнянням реакції $n({\text{CH}}_3\text{Cl})=n({\text{CH}}_4)=0,35\text{моль}$.

3. Молярна маса хлорометану: $M({\text{CH}}_3\text{Cl})=12+3\cdot 1+35,5=50,5\text{г/моль}$.

4. Обчислимо масу продукту: $m({\text{CH}}_3\text{Cl})=0,35\text{моль}\cdot 50,5\text{г/моль}=17,675\text{г}$.

Розв’язання

1. а) $n({\text{Cl}}_2)=3,36/22,4=0,15\text{моль}$. Співвідношення $1:1$. Продукт: ${\text{CH}}_3\text{Cl}$.
   Реакція: ${\text{CH}}_4+{\text{Cl}}_2\to {\text{CH}}_3\text{Cl}+\text{HCl}$.
   Маси вхідних речовин: $m({\text{CH}}_4)=0,15\cdot 16=2,4\text{г}$; $m({\text{Cl}}_2)=0,15\cdot 71=10,65\text{г}$.
   Загальна маса продуктів: $2,4+10,65=13,05\text{г}$ (сума мас ${\text{CH}}_3\text{Cl}$ і $\text{HCl}$).

2. б) $n({\text{Cl}}_2)=6,72/22,4=0,3\text{моль}$. Співвідношення $2:1$. Продукт: ${\text{CH}}_2{\text{Cl}}_2$.
   Реакція: ${\text{CH}}_4+2{\text{Cl}}_2\to {\text{CH}}_2{\text{Cl}}_2+2\text{HCl}$.
   Маси вхідних речовин: $m({\text{CH}}_4)=0,15\cdot 16=2,4\text{г}$; $m({\text{Cl}}_2)=0,3\cdot 71=21,3\text{г}$.
   Загальна маса продуктів: $2,4+21,3=23,7\text{г}$.

3. в) $n({\text{Cl}}_2)=10,08/22,4=0,45\text{моль}$. Співвідношення $3:1$. Продукт: ${\text{CHCl}}_3$.
   Реакція: ${\text{CH}}_4+3{\text{Cl}}_2\to {\text{CHCl}}_3+3\text{HCl}$.
   Маси вхідних речовин: $m({\text{CH}}_4)=2,4\text{г}$; $m({\text{Cl}}_2)=0,45\cdot 71=31,95\text{г}$.
   Загальна маса продуктів: $2,4+31,95=34,35\text{г}$.

4. г) $n({\text{Cl}}_2)=13,44/22,4=0,6\text{моль}$. Співвідношення $4:1$. Продукт: ${\text{CCl}}_4$.
   Реакція: ${\text{CH}}_4+4{\text{Cl}}_2\to {\text{CCl}}_4+4\text{HCl}$.
   Маси вхідних речовин: $m({\text{CH}}_4)=2,4\text{г}$; $m({\text{Cl}}_2)=0,6\cdot 71=42,6\text{г}$.
   Загальна маса продуктів: $2,4+42,6=45,0\text{г}$.

Розв’язання

1. Запишемо рівняння згоряння метану: $C{H}_4+2O_2\to C{O}_2+2H_{2}O$. З одного об'єму метану утворюється 1 об'єм $C{O}_2$.

2. Запишемо рівняння згоряння етану: $C_2{H}_6+\frac{7}{2}{O}_2\to 2C{O}_2+3H_{2}O$ (або $2C_2{H}_6+7O_2\to 4C{O}_2+6H_{2}O$). З одного об'єму етану утворюється 2 об'єми $C{O}_2$.

3. Запишемо рівняння згоряння пропану: $C_3{H}_8+5O_2\to 3C{O}_2+4H_{2}O$. З одного об'єму пропану утворюється 3 об'єми $C{O}_2$.

Розв’язання

1. Запишемо рівняння згоряння алкану загального вигляду: $C_n{H}_{2n+2}+O_2\to nC{O}_2+(n+1)H_{2}O$.

2. Коефіцієнт перед $C{O}_2$ дорівнює $n$, а коефіцієнт перед алканом — 1 (якщо взяти найпростіше відношення). За умовою $n=4\cdot 1$, отже, $n=4$.

3. Формула речовини: $C_4{H}_{2\cdot 4+2}$, тобто $C_4{H}_{10}$ (бутан). Перевіримо агрегатний стан: бутан є газом при кімнатній температурі.

Розв’язання

1. Рівняння згоряння метану: $C{H}_4+2O_2\to C{O}_2+2H_{2}O$. На 1 л метану потрібно 2 л кисню. Для 40 л метану потрібно $40\cdot 2=80$ л $O_2$.

2. Рівняння згоряння етану: $C_2{H}_6+3,5O_2\to 2C{O}_2+3H_{2}O$ (або $2C_2{H}_6+7O_2\to 4C{O}_2+6H_{2}O$). На 1 л етану потрібно 3,5 л кисню. Для 20 л етану потрібно $20\cdot 3,5=70$ л $O_2$.

3. Сума необхідного кисню: $80\text{л}+70\text{л}=150\text{л}$.

Розв’язання

1. Знайдемо кількість речовини газу, що спалюється за годину: $n=\frac{0,25{\text{м}}^3}{24\text{л/моль}}=\frac{250\text{л}}{24\text{л/моль}}\approx 10,42\text{моль}$.

2. Обчислимо загальну кількість теплоти, що виділяється: $Q_{\text{заг}}=n\cdot Q_m=10,42\text{моль}\cdot 760\text{кДж/моль}\approx 7918\text{кДж}$.

3. Знайдемо зміну температури води: $\Delta t=100{}^{\circ }\text{C}-20{}^{\circ }\text{C}=80{}^{\circ }\text{C}$.

4. Обчислимо теплоту, що пішла на нагрівання води (корисна): $Q_{\text{кор}}=c\cdot m\cdot \Delta t=4,2\text{кДж}/(\text{кг}{\cdot }^{\circ }\text{C})\cdot 1\text{кг}\cdot 80{}^{\circ }\text{C}=336\text{кДж}$.

5. Знайдемо частку, що розсіюється: $Q_{\text{розс}}=Q_{\text{заг}}-Q_{\text{кор}}=7918\text{кДж}-336\text{кДж}=7582\text{кДж}$.