Номер 107, страница 38 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

107. Ниже приведены температуры кипения и плотности изомерных пентанов:

a) В каком агрегатном состоянии находятся изомерные пентаны при нормальных условиях?

б) Какой из изомеров при комнатной температуре ($20 ^\circ C$) является газом?

в) Какую закономерность можно проследить?

г) Что будет наблюдаться, если смешать н-пентан с водой? Какой из способов, показанных на рисунке, следует использовать для разделения полученной смеси?

а) В каком агрегатном состоянии находятся изомерные пентаны при нормальных условиях?

Нормальными условиями (н.у.) в химии считают температуру 0 °C (273,15 К) и давление 1 атм (101,325 кПа). Чтобы определить агрегатное состояние вещества, нужно сравнить его температуру кипения с температурой окружающей среды. Если температура кипения выше, вещество находится в жидком состоянии; если ниже — в газообразном.

Для н-пентана: $t_{кип.} = 36 \text{ °C}$. Так как $36 \text{ °C} > 0 \text{ °C}$, при нормальных условиях н-пентан является жидкостью.

Для изопентана: $t_{кип.} = 28 \text{ °C}$. Так как $28 \text{ °C} > 0 \text{ °C}$, при нормальных условиях изопентан является жидкостью.

Для неопентана: $t_{кип.} = 10 \text{ °C}$. Так как $10 \text{ °C} > 0 \text{ °C}$, при нормальных условиях неопентан также является жидкостью.

Ответ: При нормальных условиях (0 °C) все изомерные пентаны находятся в жидком агрегатном состоянии.

б) Какой из изомеров при комнатной температуре (20 °C) является газом?

Сравним температуры кипения изомеров с комнатной температурой, равной 20 °C.

Для н-пентана: $t_{кип.} = 36 \text{ °C}$. Так как $36 \text{ °C} > 20 \text{ °C}$, н-пентан является жидкостью.

Для изопентана: $t_{кип.} = 28 \text{ °C}$. Так как $28 \text{ °C} > 20 \text{ °C}$, изопентан является жидкостью.

Для неопентана: $t_{кип.} = 10 \text{ °C}$. Так как $10 \text{ °C} < 20 \text{ °C}$, неопентан при комнатной температуре уже испарился и находится в газообразном состоянии.

Ответ: При комнатной температуре (20 °C) газом является неопентан.

в) Какую закономерность можно проследить?

Анализ данных из таблицы позволяет установить связь между строением молекул изомеров и их физическими свойствами (температурой кипения и плотностью). Все три изомера имеют одинаковую молекулярную формулу $C_5H_{12}$, но разное строение углеродного скелета:

н-пентан имеет линейное, неразветвленное строение.

изопентан имеет одно разветвление.

неопентан имеет наиболее разветвленное и симметричное (сферическое) строение.

При переходе от н-пентана к изопентану и далее к неопентану (то есть по мере увеличения разветвленности цепи) наблюдается следующее:

Температура кипения уменьшается: $36 \text{ °C} > 28 \text{ °C} > 10 \text{ °C}$. Это объясняется тем, что у молекул с более разветвленной, компактной и близкой к сферической формой (как у неопентана) меньше площадь поверхности контакта. Это ослабляет межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, для преодоления которых требуется меньше энергии.

Плотность уменьшается: $0,626 \text{ г/см}^3 > 0,620 \text{ г/см}^3 > 0,613 \text{ г/см}^3$. Это связано с тем, что более разветвленные молекулы менее эффективно упаковываются в объеме жидкости, оставляя между собой больше свободного пространства.

Ответ: С увеличением разветвленности углеродного скелета в ряду изомеров пентана их температуры кипения и плотности закономерно уменьшаются.

г) Что будет наблюдаться, если смешать н-пентан с водой? Какой из способов, показанных на рисунке, следует использовать для разделения полученной смеси?

н-пентан является представителем алканов — неполярных углеводородов. Вода ($H_2O$) — сильнополярный растворитель. Согласно эмпирическому правилу «подобное растворяется в подобном», неполярные вещества не растворяются в полярных. Следовательно, н-пентан и вода не смешиваются друг с другом.
При их смешивании образуется гетерогенная (неоднородная) система, которая при отстаивании разделится на два слоя. Так как плотность н-пентана $(\rho = 0,626 \text{ г/см}^3)$ меньше плотности воды $(\rho \approx 1,0 \text{ г/см}^3)$, то верхний слой будет состоять из пентана, а нижний — из воды.
Для разделения двух несмешивающихся жидкостей с разными плотностями используется метод, изображенный на рисунке 1. Этот прибор называется делительная воронка. Он позволяет аккуратно слить сначала нижний, более плотный слой, а затем собрать верхний.
Другие методы не подходят:

Рисунок 2 (Фильтрование) — для разделения нерастворимого твердого вещества и жидкости.

Рисунок 3 (Выпаривание) — для выделения растворенного твердого вещества из раствора.

Рисунок 4 (Перегонка или дистилляция) — для разделения смеси жидкостей, имеющих разные температуры кипения и смешивающихся друг с другом.

Ответ: При смешивании н-пентана с водой образуется двухслойная эмульсия, которая расслаивается на два слоя: верхний — пентан, нижний — вода. Для разделения этой смеси следует использовать делительную воронку, изображенную на рисунке 1.