При сгорании 16 2 г органического вещества нециклического строения: При сгорании 16,2 г органического вещества нециклического строения получили 26,88 л (н.у.) углекислого газа и 16,2 г воды. Известно, что 1 моль этого органического

Сайт преподавателя биологии и химии Дмитрия Андреевича Соловкова

Обновлены задания 3, 6, 11, 27 и 28 по биологии — добавлены новые номера из ЕГЭ-2020.

Рубрика: Абитуриенту

Обновил задания 1, 2, 20 и 21 в первой части — добавил около 30 новых номеров.

Рубрика: Абитуриенту

За последний месяц обновлены все задания второй части экзамена (№№30-35) — добавлены задания образца 2020 года. Согласно проекту ЕГЭ-2021, изменений во второй части по химии не планируется.

Рубрика: Абитуриенту

Обновлено задание 33 — добавлено около 15 новых цепочек.

Рубрика: Без рубрики |

В задания 34 добавлен новый раздел — задачи на атомистику и молярные соотношения. Также обновлены задачи по электролизу с учетом новых задач ЕГЭ-2020.

Рубрика: Абитуриенту |

Обновлены задания 32 и 35 — добавлены задачи 2020 года

Рубрика: Абитуриенту |

Обновлены задания 30 и 31 — добавлены номера образца 2020 года. Посмотреть их можно здесь.

Рубрика: Абитуриенту

Задания 19 и 20 первой части обновлены в соответствии со спецификатором ЕГЭ-2021 года. В задание 24 добавлено около 10 номеров.

Рубрика: Абитуриенту

Выложены последние 2 презентации по цитологии — репликация ДНК и биосинтез белка. Таким образом, полностью закончен целый раздел общей биологии. Всем рекомендую для подготовки к ЕГЭ.

Рубрика: Абитуриенту |

Добавлены очередные презентации по цитологии: по диссимиляции и автотрофному питанию

Рубрика: Абитуриенту

Задачи на нахождение формул углеводородов в формате ЕГЭ с решениями

Определение формулы вещества (углеводороды)-решение –задание 35

1. В результате сплавления натриевой соли карбоновой кислоты с гидроксидом натрия массой 14 г получили карбонат натрия и газообразное органическое вещество массой 15,4 г. Определите молекулярную формулу полученного газообразного соединения.

Пояснение.

Составим уравнение реакции:

Определим количество моль гидроксида натрия и углеводорода:

Установим формулу углеводорода:

Молекулярная формула пропана —

2. Для полного гидрирования 4,6 г гомолога бензола потребовалось 3,36 л (н. у.) водорода. Запишите уравнение реакции в общем виде. Определите молекулярную формулу циклоалкана, образовавшегося при гидрировании.

Пояснение.

Элементы ответа:

1) Составлено уравнение реакции в общем виде:

2) Рассчитано количество вещества водорода и гомолога бензола:

3) Определено число атомов углерода в составе гомолога бензола, и установлена молекулярная формула циклоалкана:

Молекулярная формула циклоалкана —

3. При сгорании 17,5 г органического вещества получили 28 л (н. у.) углекислого газа и 22,5 мл воды. Плотность паров этого вещества (н. у.) составляет 3,125 г/л. Известно также, что это вещество было получено в результате дегидратации третичного спирта. На основании данных условия задачи:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу органического вещества;

3) составьте структурную формулу исходного вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле;

4) напишите уравнение реакции получения данного вещества дегидратацией соответствующего третичного спирта.

Пояснение.

1) Найдено количество вещества продуктов сгорания:

Значит никаких других элементов в состав вещества не входит, так как его масса равна сумме масс водорода и углерода.

2) Установлена молекулярная формула вещества: простейшая формула — это алкен или циклоалкан.

Так как вещество может быть получено при дегидратации спирта, то это алкен.

Для определения его молекулярной формулы напишем реакцию горения в общем виде

Вспомним, что плотность паров этого вещества (н.у.) составляет 3,125 г/л.

Значит .

По уравнению реакции

получаем, что

Молекулярная формула соединения

3) Учитывая, что вещество может быть получено из третичного спирта, получаем структурную формулу вещества:

4) Составлено уравнение реакции дегидратации:

4. Жидкий при обычных условиях ацетиленовый углеводород массой 4,51 г может полностью прореагировать с 440 г бромной воды с массовой долей брома 4 %. Углеводород взаимодействует с аммиачным раствором оксида серебра, и в его составе есть четвертичный атом углерода. Установите молекулярную формулу углеводорода, изобразите его структурную формулу и напишите уравнение реакции с водой.

Пояснение.

1) Напишем уравнение реакции в общем виде и вычислим количество вещества брома:

2) Установим молекулярную формулу углеводорода:

Молекулярная формула углеводорода —

3) Изобразим структурную формулу.

Углеводород взаимодействует с аммиачным раствором оксида серебра, следовательно тройная связь находится на краю цепи. Структурная формула с четвертичным атомом углерода:

4) Напишем уравнение реакции с водой:

5. Смесь цис- и транс-изомеров этиленового углеводорода общим объёмом 1,568 л (н. у.) пропустили через избыток водного раствора перманганата калия, в результате образовался двухатомный спирт массой 6,30 г. Установите молекулярную формулу углеводорода, изобразите структурную формулу транс-изомера и напишите уравнение его реакции с подкисленным раствором перманганата калия.

Пояснение.

1) Напишем уравнение реакции в общем виде и вычислим:

общее количество вещества этиленового углеводорода:

или

2) Установим молекулярную формулу углеводорода:

Молекулярная формула углеводорода —

3) Изобразим структурную формулу.

Цис-транс-изомеры есть только у бутена-2. Структура транс-изомера:

4) Напишем уравнение окисления бутена-2 до уксусной кислоты:

6. При полном сгорании 17,1 г жидкого углеводорода образовалось 26,88 л (н. у.) углекислого газа. Известно, что при радикальном хлорировании углеводорода образуется только одно монохлорпроизводное. Установите молекулярную формулу углеводорода, изобразите его структурную формулу и напишите уравнение реакции с хлором на свету.

Пояснение.

1) Напишем уравнение реакции в общем виде:

2) Установим молекулярную формулу углеводорода:

Молекулярная формула углеводорода —

3) Изобразим структурную формулу.

Все атомы водорода в молекуле эквивалентны. Среди всех изомеров таким свойством обладает только 2,2,3,3-тетраметилбутан:

4) Напишем уравнение реакции с хлором на свету:

7. При бромировании 28,8 г гомолога бензола в присутствии железа получено 35,82 г монобромпроизводного. Выход продукта составил 75 %. Известно, что при бромировании этого углеводорода на свету образуется единственное монобромпроизводное. Установите молекулярную формулу углеводорода, изобразите его структурную формулу и напишите уравнение реакции с бромом на свету.

Пояснение.

1) Напишем уравнение реакции в общем виде:

2) Установим молекулярную формулу углеводорода:

m_теор

Молекулярная формула —

3) Изображена структурная формула.

Так как на свету образуется только одно монобромпроизводное, все атомы водорода в боковых цепях эквивалентны. Это означает, что в боковых цепях есть только метильные группы. Среди трёх триметилбензолов наиболее симметричным является 1,3,5-триметилбензол:

4) Написано уравнение реакции с бромом на свету:

8. При полной гидратации 20,5 г ацетиленового углеводорода образовалось органическое вещество массой 25,0 г. Определите молекулярную формулу углеводорода и установите его структуру, если известно, что он реагирует с аммиачным раствором оксида серебра, а в состав молекулы входят три метильные группы. Напишите уравнение реакции этого углеводорода с избытком хлороводорода.

Пояснение.

1) Напишем уравнение с водой в общем виде.

C_nH₂_n₋₂+H₂O → C_nH₂_nO

2) Составим математическое выражение и определим молекулярную формулу углеводорода.

Молекулярная формула —

3) Изобразим структурную формулу.

Углеводород реагирует с аммиачным раствором оксида серебра, следовательно, тройная связь находится на краю цепи. Три метильные группы есть в молекуле 3,3-диметилбутина-1:

4) Напишем уравнение реакции с избытком хлороводорода:

9. При действии избытка водного раствора перманганата калия на 10,5 г этиленового углеводорода образовалось органическое вещество массой 15,6 г. Определите молекулярную формулу углеводорода и установите его структуру, если известно, что в результате реакции с горячим подкисленным раствором перманганата калия образуются кетон и углекислый газ. Напишите уравнение гидратации этого углеводорода.

Пояснение.

1) Напишем уравнение окисления в общем виде:

Допускается также схема в виде

2) Составим математическое выражение и определим молекулярную формулу углеводорода.

Молекулярная формула —

3) Изобразим структурную формулу.

При окислении углеводорода образуются кетон и углекислый газ, следовательно, двойная связь находится при разветвлении цепи, с одной стороны, и с края цепи, с другой стороны. Углеводород – 2-метилбутен-1.

4) Напишем уравнение реакции с водой:

10. При сгорании 4,48 л (н. у.) газообразного органического вещества получили 35,2 г углекислого газа и 10,8 г воды. Плотность этого вещества составляет 2,41 г/л (н. у.). Известно также, что это вещество не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра, а при реакции его с избытком бромной воды происходит присоединение атомов брома только ко вторичным атомам углерода.

На основании данных условия задачи:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу органического вещества;

4) напишите уравнение реакции этого вещества с избытком бромной воды.

Пояснение.

Общая формула вещества —

1) Найдены количество вещества углекислого газа, воды и органического вещества:

= 35,2 / 44 = 0,8 моль

= 10,8 / 18 = 0,6 моль

= 2,41 · 22, 4 = 54 г/моль

= 4,48 / 22,4 = 0,2 моль

2) Определена молекулярная формула вещества:

= = 0,8 моль

= = 1,2 моль

= / = 0,8 / 0,2 = 4

= / = 1,2 / 0,2 = 6

4 · 12 + 6 + z · 16 = 54

= 0

Молекулярная формула —

3) Составлена структурная формула вещества:

4) Составлено уравнение реакции этого вещества с избытком бромной воды:

11. При сгорании 16,2 г органического вещества нециклического строения получили 26,88 л (н. у.) углекислого газа и 16,2 г воды. Известно, что 1 моль этого органического вещества в присутствии катализатора присоединяет только 1 моль воды и данное вещество не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра.

На основании данных условия задачи:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу органического вещества;

3) составьте структурную формулу органического вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле;

4) напишите уравнение реакции гидратации органического вещества.

Пояснение.

Искомое вещество — углеводород

Простейшая формула

Возможные молекулярные формулы:, , и т.д. Условию, что 1 моль этого органического вещества в присутствии катализатора присоединяет только 1 моль воды, соответствует только формула , при условии, что это алкин, а не алкадиен (остальные могут присоединять большее количество воды)

Молекулярная формула: — бутин

Вещество не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра, значит, тройная связь находится не у крайнего атома углерода − бутин-2

Структурная формула:

12. При нитровании 26,5 г гомолога бензола получено 30,2 г мононитропроизводного. Выход продукта составил 80 %, других нитропроизводных не образовалось. Установите молекулярную формулу углеводорода, изобразите его структурную формулу и напишите уравнение реакции с хлором на свету.

Пояснение.

1) Напишем уравнение реакции в общем виде:

2) Установим молекулярную формулу углеводорода:

m_теор

Молекулярная формула —

3) Изобразим структурную формулу.

Так как образуется только одно мононитропроизводное, все атомы водорода в бензольном кольце эквивалентны. Среди всех изомеров таким свойством обладает только 1,4-диметилбензол (пара-ксилол):

4) Напишем уравнение реакции с хлором на свету:

13. При сгорании 10,5 г органического вещества получили 16,8 л углекислого газа (н. у.) и 13,5 г воды. Плотность паров этого вещества (н. у.) составляет 1,875 г/л.

Известно, что в результате присоединения хлороводорода к этому веществу образуется только одно монохлорпроизводное.

На основании данных условия задания:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу исходного органического вещества;

3) составьте структурную формулу этого вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле;

4) напишите уравнение реакции этого вещества с хлороводородом.

Пояснение.

1) Найдем количество вещества продуктов сгорания:

кислород отсутствует; вещество — углеводород

2) Установим молекулярную формулу вещества:

простейшая формула

Значит, молекулярная формула вещества — .

3) Приведем структурную формулу вещества:

— циклопропан или пропен. Циклопропан образует только одно хлоропроизводное в реакции с хлороводородом:

4) Составим уравнение реакции вещества с хлороводородом:

14. При сжигании паров углеводорода было получено 20,16 л (н. у.) углекислого газа и 7,2 г воды. При окислении углеводорода горячим подкисленным раствором перманганата калия образуется терефталевая (бензол-1,4-дикарбоновая) кислота. Определите молекулярную формулу углеводорода и установите его структуру. Напишите уравнение описанной реакции с перманганатом калия.

Пояснение.

Вариант ответа:

1) Найдены количества углекислого газа и воды:

2) Определена молекулярная формула углеводорода.

Из условия следует, что углеводород – ароматический и содержит одно бензольное кольцо, следовательно простейшая формула совпадает с молекулярной формулой.

3) Изображена структурная формула.

До терефталевой кислоты окисляется ароматический углеводород, имеющий две боковые цепи в пара-положении относительно друг друга. Подсчет атомов водорода приводит к выводу о том, что в одной из цепей – тройная связь.

4) Написано уравнение реакции с перманганатом калия:

15. При гидратации 31,50 г этиленового углеводорода образовалось 23,76 г органического вещества. Выход продукта составил 60 %. Определите молекулярную формулу углеводорода и установите его структуру, если известно, что при его жёстком окислении перманганатом калия образуются кетон и кислота. Напишите уравнение реакции углеводорода с водой, в уравнении изобразите структурные формулы органических веществ.

Пояснение.

1) Написано уравнение реакции гидратации в общем виде:

2) Определена молекулярная формула углеводорода:

Молекулярная формула углеводорода —

(Возможен и другой способ вывода молекулярной формулы по массам реагента и продукта)

3) Изображена структурная формула.

При окислении образуются кетон и кислота, следовательно углеродный скелет разветвлённый, а двойная связь находится в середине цепи:

4) Написано уравнение реакции с водой:

Некоторый углеводород содержит 11 76.

Задача 24-4. Эквимолярная смесь ацетилена и формальдегида полностью прореагировала с 69,6 г оксида серебра (аммиачный раствор). Определите состав смеси (в % по массе).

Решение. Оксид серебра реагирует с обоими веществами в смеси:

HC=CH + Ag20 — AgC=CAgl + Н20, Ch30 + 2Ag20 — 4Agi + С02 + Н20. (Уравнения реакции записаны в упрощенном виде.)

310 2400 задач по химии для школьников и поступающих в.вузы

3. Органическая химия

Пусть в смеси содержалось по х моль С2Н2 и СН20. Эта смесь прореагировала с 69,6 г оксида серебра, что составляет 69,6/232 = 0,3 моль. В первую реакцию вступило х моль Ag20, во вторую — 2х моль Ag20, всего — 0,3 моль, откуда следует, что х = 0,1.СН + 8KMn04 + 12h3S04 — 5CflHfiCOOH 4- 5С02 + 4K2S04 + 8MnS04 + 12Н20.

Гидратация этого углеводорода протекает аналогично гидратации гомологов ацетилена:

Ответ. Фенилацетилен.

*3адача 24-6. При гидратации двух нециклических углеводородов, содержащих одинаковое число атомов углерода, образовались монофункциональные производные — спирт и кетон — в молярном соотношении 2:1. Масса продуктов сгорания исходной смеси после пропускания через трубку с избытком сульфата меди уменьшилась на 27,27%. Установите строение исходных углеводородов, если известно, что при пропускании их смеси через аммиачный раствор оксида серебра выпадает осадок, а один из них имеет разветвленный углеродный скелет. Напишите уравнения всех упомянутых реакций и укажите условия их проведения.

Решение. Естественная переменная для этой задачи — число атомов углерода п. Как следует из продуктов гидратации, в состав исходной смеси входили алкен СпН2и и алкин СпН2п_2, причем алке-на было в 2 раза больше: v(Cnh3n) = 2v(Cnh3n_2). Запишем уравнения гидратации в молекулярном виде:

с„н2„ + н2о-с„н2„+1он, с„н2„_2 + н2о-с„н2„о.

Возьмем два моля алкена и один моль алкина. В результате. сгорания этой смеси по уравнениям

С„Н2„ + Зп/202 — пС02 + пН20,

С„Н2„_2 + (Зп — 1)/202 — пС02 + (в — 1)Н20

312 2400 задач по химии для школьников и поступающих а вузы

3. Органическая химия

2400 задач по химии для школьников и поступающих в вузы 313 Глава 24. Ацетиленовые углеводороды

образуются углекислый газ в количестве v(C02) — 2п + п — Зп и вода в количестве v(h30) — 2п + (п — 1) — (Зге — 1). Общая масса продуктов сгорания равна

т(прод) — т(С02) + т(Н20) -= Зл 44 + (Зп — 1) 18 = 186я — 18 г. Пары воды поглощаются сульфатом меди:

CuS04 + 5Н20 — CuS04 5Н20. По условию масса воды 27,27% от массы продуктов сгорания: (Зп — 1) 18 — 0,2727 (186п — 18),

откуда и — 4.

Единственный алкин состава С4Н6, который дает Осадок с OH,-бутин-1:

СНа-СН2-С=СН + OH — Ch4-Ch3-C=CAgl + 2Nh4 + Н20 .

Этот углеводород имеет неразветвленный углеродный скелет, следовательно, у алкена — разветвленный скелет. Существует единственный алкен состава С4На с разветвленным скелетом — 2-метил-пропен.

СН3-С=СН2 СН3-СН2-С=СН

2-метилпропен бутин-1

Реакции гидратации протекают по правилу Марковникова.

Задания для самопроверки являются обязательным условием для усвоения материала, к каждому разделу прилагаются тестовые задания по пройденной тематике, которые необходимо решить.
Решив все задания из раздела, вы увидите свой результат и сможете посмотреть ответы ко всем примерам, что поможет понять какие ошибки вы совершили, и где ваши знания необходимо укрепить!
Тест представляет собой 29 заданий «части 1» ЕГЭ и 5 заданий части 2, ответы перемешиваются случайным образом, и берутся из созданной нами базы вопросов!
Постарайтесь получить выше 90% верных ответов, чтобы быть уверенными в своих знаниях!

Если вы занимаетесь с репетитором, то пишите в начале тестирования свое реальное имя! Полагаясь на ваше имя, репетитор найдет пройденное вами тестирование, просмотрит ваши ошибки и учтет ваши пробелы чтобы в дальнейшем их заполнить!

Пользуйтесь только справочным материалом представленным ниже, если вы хотите проверить закрепление материала!
После прохождения теста посмотрите ответы к вопросам где вы ошиблись и закрепите материал перед повторным прохождением!

Ответом к заданиям 1-26 является последовательность цифр. Цифры в ответах на задания 5, 10-12, 18, 19, 22-26 могут повторятся.

Ответом в заданиях 27-29 работы, является число. Запишите это число с указанной точностью.

Ответом к заданиям 30-34 является подробное решение.

Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции, определите окислитель и восстановитель.

Железо сожгли в атмосфере хлора. Полученное вещество обработали избытком раствора гидроксида натрия. Образовался бурый осадок, который отфильтровали и прокалили. Остаток после прокаливания растворили в йодоводородной кислоте.

Напишите уравнения четырёх описанных реакций.

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения. При написании уравнений реакций используйте структурные формулы органических веществ.

При нагревании образца гидрокарбоната натрия часть вещества разложилась. При этом выделилось 4,48 л газа и образовалось 63,2 г твёрдого безводного остатка. К полученному остатку добавили минимальный объём 20%-ного раствора соляной кислоты, необходимый для полного выделения углекислого газа. Определите массовую долю хлорида натрия в конечном растворе.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).

Задание №1

При сжигании образца этого вещества массой 26 г получили 33 г углекислого газа и 9 г воды.

Ответ:

HOOC-CH 2 -COOH

CH 2 =CH-CH 2 -CH=CH 2 + 4KMnO 4 + 6H 2 SO 4 = 2CO 2 + HOOC-CH 2 -COOH + 4MnSO 4 + 2K 2 SO 4 + 8H 2 O

Расчеты и пояснения:

При сгорании неизвестного вещества, полученного окислением углеводорода C 5 H 8 , образовались только углекислый газ и вода. Это значит, что формулу данного соединения можно записать как C x H y O z , где z может оказаться равным нулю.

1) ν(CO 2) = m(CO 2)/M(CO 2) = 33/44 = 0,75 моль =>

ν(С) = ν(CO 2) = 0,75 моль => m(C) = ν(С)∙M(C) = 0,75∙12 = 9 г

2) ν(H 2 O) = m(H 2 O)/M(H 2 O) = 9/18 = 0,5 моль =>

ν(H) = 2∙ν(h3O) = 2∙0,5 = 1 моль => m(H) = ν(H)∙M(H) = 1∙1 = 1 г

3) m(O) = m(в-ва) – m(C) – m(H) = 26 – 9 – 1 = 16 г =>

ν(O) = m(O)/M(O) = 16/16 = 1 моль

Таким образом:

x: y: z = ν(C) : ν(H) : ν(O) = 0,75: 1: 1 = 1: 1,333: 1,333 = 3: 4: 4

Продуктами окисления углеводородов подкисленным раствором перманганата калия могут быть карбоновые кислоты, кетоны, а также углекислый газ. Формула C 3 H 4 O 4 описывается общей формулой C n H 2n-2 O 4 . Такую общую формулу имеют предельные двухосновные карбоновые кислоты. Единственной двухосновной кислотой с формулой C 3 H 4 O 4 является малоновая кислота:

Задание №2

При сжигании образца органического вещества А получено 4,48 л (н.у.) углекислого газа, 0,9 г воды и 16,2 г бромоводорода.

Данное вещество А может быть получено присоединением избытка брома к соответствующему углеводороду Б. Также известно, что при бромировании этого углеводорода Б в условиях недостатка брома возможно образование структурных изомеров.

На основании данных условия задания:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу органического вещества А;

3) составьте возможную структурную формулу вещества А, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле;

4) напишите уравнение реакции получения данного вещества А взаимодействием соответствующего углеводорода Б с избытком брома.

Ответ:

Молекулярная формула искомого органического вещества: C 4 H 6 Br 4

Структурная формула искомого органического вещества А:

Уравнение реакции получения данного вещества А взаимодействием соответствующего углеводорода Б с избытком брома:

Расчеты и пояснения:

ν(CO 2) = V(CO 2)/V m = 4,48/22,4 = 0,2 моль => v(C) = v(CO 2) = 0,2 моль.

ν(H 2 O) = m(H 2 O)/M(H 2 O) = 0,9/18 = 0,05 моль.

ν(HBr) = m(HBr)/M(HBr) = 16,2/81 = 0,2 моль, тогда:

ν(H) = 2ν(H 2 O) + ν(HBr) = 2∙0,05 + 0,2 = 0,3 моль

ν(Br) = ν(HBr) = 0,2 моль.

Поскольку вещество А может быть получено присоединением брома к углеводороду Б, очевидно, что вещество А кислород не содержит и его общая формула может быть записана как C x H y Br z . Тогда:

x: y: z = 0,2: 0,3: 0,2 = 1: 1,5: 1 = 2: 3: 2

Таким образом, простейшая формула вещества А – C 2 H 3 Br 2 .

Суммарное количество атомов галогена и атомов водорода в одной молекуле галогенпроизводного углеводорода не может равняться нечетному числу. По этой причине истинная формула вещества А, очевидно, не совпадает с простейшей и кратна ей, как минимум, в 2 раза. Удвоив простейшую формулу, мы получим C 4 H 6 Br 4 .

В таком случае исходный углеводород Б, очевидно, имеет формулу C 4 H 6 .

Данная молекулярная формула вписывается в гомологический ряд соединений с общей формулой C n H 2n-2 .

Такую формулу могут иметь алкины и алкадиены. Вариант с алкином отпадает, т.к. при частичном бромировании алкинов образование структурных изомеров невозможно.

Таким образом, наиболее вероятен в качестве решения алкадиен. При этом одновременно подходят два алкадиена:

бутадиен-1,3: CH 2 =CH-CH=CH 2

и бутадиен-1,2: CH 2 =C=CH-CH 3

В таком случае уравнение получения вещества А присоединением избытка брома к соответствующему углеводороду будет иметь вид:

Задание №3

При взаимодействии соли первичного амина с ацетатом серебра образуется органическое вещество А и хлорид серебра. Вещество А содержит 45,71% углерода, 13,33% азота и 30,48% кислорода по массе.

На основании данных условия задания:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества А;

2) запишите молекулярную формулу вещества А;

3) составьте структурную формулу вещества А, которая однозначно отражает порядок связи атомов в соединении;

4) напишите уравнение реакции получения вещества А взаимодействием соли первичного амина и ацетата серебра.

Ответ:

Молекулярная формула искомого органического вещества А: C 4 H 11 NO 2

Структурная формула искомого органического вещества А: CH 3 COO − +

Уравнение реакции получения вещества А взаимодействием соли первичного амина и ацетата серебра:

Расчеты и пояснения:

Рассчитаем массовую долю углерода в веществе А:

w(C) = 100% — w(N) — w(H) — w(O) = 100% — 13,33% — 10,48% — 30,48% = 45,71%

Таким образом, в 100 г вещества А:

m(C) = 47,71 г; m(H) = 10,48 г; m(N) = 13,33 г; m(O) = 30,48 г.

Пересчитаем массы элементов в их количества вещества:

ν(C) = m(C)/M(C) = 45,71/12 = 3,81 моль,

ν(H) = m(H)/M(H) = 10,48/1 = 10,48 моль,

ν(N) = m(N)/M(N) = 13,33/14 ≈ 0,9521 моль,

ν(O) = m(O)/M(O) = 30,48/16 = 1,905 моль.

Записав формулу вещества А как C x H y N z O k рассчитаем соотношение между атомами разных элементов:

x: y: z: k = 3,81: 10,48: 0,9521: 1,905 = 4: 11: 1: 2

Таким образом, простейшая формула вещества А – C 4 H 11 NO 2

Поскольку вещество А получается при взаимодействии соли первичного амина с ацетатом серебра, то количество атомов азота в веществе А, как и в первичном амине, должно быть равно 1. Следовательно, истинная формула вещества А совпадает с его простейшей формулой. Таким образом, молекулярная формула вещества А – C 4 H 11 NO 2 .

Также, ввиду того что одним из продуктов является бромид серебра, следует, что исходная соль первичного амина является солью бромоводородной кислоты. Таким образом, записав формулу первичного амина как R-NH 2 , формулу соли первичного амина можно записать как + Br — . Уравнение реакции тогда будет иметь вид:

Br — + CH 3 COOAg = AgBr + CH 3 COO — + — вещество А

Зная, что формула вещества А может быть записана как C 4 H 11 NO 2 , а также как

CH 3 COO — + , легко определить состав углеводородного радикала R. В нем должны содержаться 2 атома углерода и 5 атомов водорода. Т.е. искомый радикал – этил С 2 Н 5 -, первичный амин имеет формулу C 2 H 5 NH 2 , а формула вещества А может быть записана как:

CH 3 COO — +

Уравнение реакции соли первичного амина с ацетатом серебра:

Br — + CH 3 COOAg = AgBr↓ + CH 3 COO — +

Задание №4

Органическое вещество содержит 72% углерода и 21,33% кислорода и 6,67% водорода по массе.

Данное вещество подвергается гидролизу под действием гидроксида калия с образованием двух солей.

На основании данных условия задания:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу исходного органического вещества;

3) составьте возможную структурную формулу этого вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле;

4) напишите уравнение гидролиза данного вещества в присутствии гидроксида калия.

Ответ:

Молекулярная формула искомого органического вещества: C 9 H 10 O 2

Структурная формула искомого органического вещества:

Уравнение гидролиза данного вещества в присутствии гидроксида калия:

Расчеты и пояснения:

m(C) = 72 г, m(H) = 6,67 г, m(О) = 21,33 г, тогда:

ν(С) = m(C)/M(C) = 72/12 = 6 моль,

ν(H) = m(H)/M(H) = 6,67/1 = 6,67 моль,

ν(O) = m(O)/M(O) = 21,33/16 = 1,33 моль,

Тогда, записав простейшую формулу искомого вещества как C x H y O z , найдем значения x, y и z:

x: y: z = ν(С) : ν(H) : ν(O) = 6: 6,67: 1,33 = 4,5: 5: 1 = 9: 10: 2

Таким образом, простейшая формула искомого вещества может быть записана как C 9 H 10 O 2 . Данная формула вписывается в гомологический ряд ароматических карбоновых кислот, а также в ряд ароматических сложных эфиров с общей формулой C n H 2n-8 O 2 . Однако карбоновые кислоты не гидролизуются, следовательно, искомое вещество может представлять собой только сложный эфир. При щелочном гидролизе сложных эфиров, образованных спиртом и карбоновой кислотой, среди продуктов гидролиза образуется только одна соль — соль карбоновой кислоты. Связано это с тем, что спирты с щелочами не реагируют. В таком случае, искомое вещество может представлять собой сложный эфир, образованный карбоновой кислотой и фенолом, например, фенилпропионат. Структурная формула фенилпропионата:

Уравнение гидролиза фенилпропионата в присутствии гидроксида калия:

Следует отметить, что возможны и другие варианты решения. В частности, в качестве искомого вещества подходят также сложные эфиры орто- , мета- или пара -крезола и уксусной кислоты.

Задание №5

Некоторое вещество было получено при окислении углеводорода состава С 5 Н 8 перманганатом калия в присутствии серной кислоты.

Это вещество содержит 61,54% кислорода, 34,62% углерода и 3,84% водорода по массе.

На основании данных условия задания:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу органического вещества;

4) напишите уравнение получения этого вещества окислением соответствующего углеводорода состава С 5 Н 8 перманганатом калия в присутствии серной кислоты.

Ответ:

Молекулярная формула искомого органического вещества: C 3 H 4 O 4

Структурная формула искомого органического вещества:

Уравнение получения этого вещества окислением соответствующего углеводорода:

Расчеты и пояснения:

Пусть нам дана навеска искомого вещества массой 100 г. Тогда массы углерода, водорода и кислорода в этой навеске будут равны соответственно:

m(C) = 34,62 г, m(H) = 3,84 г, m(О) = 61,54 г, тогда:

ν(С) = m(C)/M(C) = 34,62/12 = 2,885 моль,

ν(H) = m(H)/M(H) = 3,84/1 = 3,84 моль,

ν(O) = m(O)/M(O) = 61,54/16 = 3,85 моль

Формулу данного соединения можно записать как C x H y O z ,

Таким образом:

x: y: z = ν(C) : ν(H) : ν(O) = 2,885: 3,84: 3,85 = 1: 1,33: 1,33 = 3: 4: 4

Следовательно, простейшая формула может быть записана, как C 3 H 4 O 4 .

Тогда логично предположить, что атомы углерода, входящие в состав карбоксильных групп, до момента окисления в исходном углеводороде C 5 H 8 образовывали кратные (двойные или тройные) связи с другими атомами углерода. Т.е. в молекуле исходного углеводорода были, как минимум, две кратные связи.

Молекулярная формула C 5 H 8 удовлетворяет общей формуле C n H 2n-2 . Такую общую формулу имеют алкадиены и алкины.

Среди указанных классов соединений более одной кратной связи содержится в молекулах алкадиенов. Таким образом, углеводород C 5 H 8 представляет собой алкадиен, структурную формулу которого можно записать как:

Тогда уравнение получения искомого вещества окислением соответствующего углеводорода имеет вид:

Задание №6

При сгорании 16,2 г органического вещества нециклического строения получили 26,88 л (н.у.) углекислого газа и 16,2 г воды. Известно, что 1 моль этого органического вещества в присутствии катализатора присоединяет только 1 моль воды и данное вещество не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра.

На основании данных условия задачи:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу органического вещества;

4) напишите уравнение реакции гидратации органического вещества.

Ответ:

Молекулярная формула органического вещества: C 4 H 6

Структурная формула органического вещества: CH 3 -C≡C-CH 3

Уравнение реакции гидратации органического вещества:

Расчеты и пояснения:

ν(CO 2) = V(CO 2)/V m = 26,88/22,4 = 1,2 моль => ν(C) = ν(CO 2) = 1,2 моль => m(C) = M(C)∙ν(C) = 12∙1,2 = 14,4 г

ν(H 2 O) = m(H 2 O)/M(H 2 O)= 16,2/18 = 0,9 моль => ν(H) = 2∙ν(H 2 O) = 2∙0,9 = 1,8 моль => m(H) = M(H)∙ν(H) = 1,8∙1 = 1,8 г,

m(O) = m(вещества) — m(C) — m(H) = 16,2 — 14,4 — 1,8 = 0, следовательно, кислорода в искомом соединении нет. Таким образом, искомое соединение представляет собой углеводород и его формулу в общем виде можно записать как C x H y . Тогда:

x: y = ν(C) : ν(H) = 1,2: 1,8 = 1: 1,5 = 2: 3

То есть простейшая формула искомого вещества — C 2 H 3 .

Истинная формула может отличаться от простейшей в целое число раз, т.е. в нашем случае может быть записана как C 2n H 3n , где n — некоторое положительное целое число.

Поскольку молекула любого углеводорода не может содержать нечетное число атомов водорода, то истинная формула может отличаться от рассчитанной нами простейшей лишь в четное число раз (2, 4, 6 и т.д.).

Пусть истинная формула отличается от простейшей в два раза, т.е. может быть записана как C 4 H 6 .

Данная формула вписывается в гомологические ряды алкинов и алкадиенов, общая формула которых имеет вид C n H 2n-2 .

Искомое вещество не может быть алкадиеном, т.к. 1 молекула любого алкадиена из-за наличия двух кратных связей может присоединить максимум 2 молекулы воды или, что то же самое, 1 моль любого алкадиена может присоединить максимум 2 моля воды.

Таким образом, искомое вещество может представлять собой алкин. Из условия известно, что искомое вещество не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра. Следовательно, в молекуле алкина оба атома углерода, образующие тройную связь, не являются первичными. Таким образом, искомое вещество представляет собой бутин-2.

Уравнение гидратации органического вещества.

Фипи досрочный егэ по химии. Дополнительные материалы и оборудование

Задания 33 и 34 с решениями.

№ 33: Смесь меди и оксида меди (II) обработали концентрированной серной кислотой. Объем выделившегося газа составил 4,48 л. При этом образовался раствор массой 300 г с массовой долей соли 16%. Определить массовую долю оксида меди (II) в исходной смеси.

№ 34: Углеводород нециклического строения сожгли в кислороде, при этом выделился углекислый газ массой 70,4 г и вода массой 21,6 г. При взаимодействии с HCl этот углеводород присоединяет хлор к первичному атому углерода. На основании данных условия задачи: 1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества; 2) запишите молекулярную формулу органического вещества; 3) составьте структурную формулу исходного вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле; 4) напишите уравнение реакции с HCl.

№ 34: При сжигании органического вещества нециклического строения массой 16,2 г, выделилось 26,88 л (н. у.) углекислого газа, 16,2 г воды. 1 моль вещества полностью реагирует с 1 моль воды. Известно, что данное вещество не реагирует с OH. На основании данных условия задачи: 1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества; 2) запишите молекулярную формулу органического вещества; 3) составьте структурную формулу исходного вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле; 4) напишите уравнение реакции данного вещества с водой.

Общегосударственная экзаменация по химии относится к числу предметов, которые выпускник может выбрать самостоятельно. Данный предмет необходим для тех учеников, которые собираются продолжить обучение в сфере медицины, химии и химической технологии, строительстве, биотехнологии, пищевой промышленности и схожих отраслях.

Начинать готовиться к по данному предмету лучше заблаговременно, так как на зубрежке в данном случае выехать не получится. Кроме того, нужно заранее уточнить возможные изменения и даты проведения экзамена, чтобы суметь грамотно распределить силы при подготовке. Чтобы максимально упростить вам эту задачу, мы разберем особенности ЕГЭ по химии в 2017 году.

Демонстрационный вариант ЕГЭ-2017

Даты ЕГЭ по химии

Сдать экзамен по химии можно в такие даты:

Досрочный период. Досрочной датой для проведения экзамена станет 16.03.2017 года, а 3.05.2017 заявлено в качестве резерва.
Основной этап. Основная дата для проведения экзаменации – 2.06.2017 года.
Резервная дата. 19.06.2017 было выбрано в качестве резервного дня.

Сдать ЕГЭ ранее основного срока могут несколько категорий лиц, к которым отнесены:

учащиеся школ вечернего типа обучения;
ученики, которые призываются для прохождения службы в рядах ;
школьники, уезжающие на конкурс, соревнование или олимпиаду федерального или международного значения,
одиннадцатиклассники, которые уезжают за границу из-за смены места проживания или для учебы в зарубежном ВУЗе;
учащиеся, которым предписано профилактическое, оздоровительное лечение или прохождение реабилитационных процедур в основную дату для сдачи ЕГЭ;
выпускники прошлых лет;
школьники, которые обучались за границей.

Напомним, что заявление на прохождение экзаменации в досрочное время нужно написать и представить до 1.03.2017 года.

Статистическая информация

Практика проведения ЕГЭ показывает, что химия не пользуется у выпускников особой популярностью. Этот экзамен непрост, так что его выбирает лишь один ученик из десяти. Сложность подтверждается и процентом учеников, которые сдают этот предмет на неудовлетворительную оценку – в разные годы этот показатель колеблется в промежутке от 6,1 до 11% от общей массы школьников, экзаменующихся по химии.

Что касается средних баллов за экзамен, то в последнее время они составляют от 67,8 (2013 год) до 56,3 (2015 год) баллов. С одной стороны, можно заметить тренд на снижение данного показателя, однако, с другой стороны, мы поспешим успокоить учеников. Эти баллы отвечают уровню школьной «четверки», так что не стоит слишком сильно бояться химии.

Химия считается одним из сложных ЕГЭ и требует серьезной подготовки

Чем можно пользоваться на ЕГЭ по химии?

На экзамене по химии ученики могут воспользоваться периодической системой, таблицей, содержащей информацию о растворимости солей, кислот и оснований, а также справочными материалами с данными об электрохимическом ряде напряжений металлов. Все необходимые материалы будут выданы школьникам вместе с билетом. Из на ЕГЭ по химии также упомянут калькулятор непрограммируемого типа.

Любые другие предметы типа смартфонов, планшетов, плееров, справочников и программируемых вычислительных машинок запрещены и являются поводом для удаления ученика из аудитории. Если вам потребуется выйти в медпункт или туалет, стоит предупредить об этом наблюдателя, который сопроводит вас в нужное место. Другие действия (например, разговоры с соседями или смена экзаменационного места) также попадают под запрет.

Структура экзаменационного билета

Билет по химии состоит из 34 заданий, распределенных на 2 части:

первая часть включает 29 заданий, предполагающих краткий ответ;
вторая часть состоит из 5 заданий, решение которых потребует дать развернутый ответ.

При выполнении заданий по химии ученики должны уложиться в отведенные для этого 210 минут.

Государственная экзаменация по химии в 2017 году будет длиться 3.5 часа

Изменения в КИМ-2017 по химии

Общегосударственная экзаменация по химии претерпела массу изменений, которые выражаются в оптимизации структуры билета. Новый КИМ ориентирован на то, чтобы повысить объективность при оценивании знаний и практических навыков учеников. Стоит обратить внимание на такие моменты:

В структуре первой части экзаменационного листа исключили задания, предполагающие выбор одного варианта из предложенных ответов. Новые задания дают выбор нескольких правильных ответов из предложенных (например, 2 из 5 или 3 из 6), требовать от учеников умения устанавливать соответствие между отдельными позициями из нескольких множеств, а также проводить расчеты. Кроме того, задания сгруппировали в отдельные тематические блоки, каждый из которых содержит задачи, относящиеся к базовому уровню сложности и повышенному. В отдельных блоках задания располагаются по нарастанию сложности, то есть от одного к другому будет увеличиваться количество действий, которые нужно выполнить для получения ответа. Согласно заявлению представителей ФИПИ, эти изменения приведут билет в соответствие с программой школьного курса химии и помогут ученикам эффективнее продемонстрировать знания терминологии и закономерностей химических процессов.
В 2017 году уменьшил общее число заданий – теперь их будет не 40, а всего 34. Из билета изъяты задания, предусматривающие аналогичные виды деятельности: например, направленные на выявление знаний о солях, кислотах и основаниях и их химических свойствах. Данные изменения поясняются тем, что новый билет носит практическую ориентированность, поэтому даже базовые задания потребуют от учеников системно применять полученные знания.
Задания базового уровня (номера 9 и 17) проверяют знания генетических связей веществ органической и неорганической природы. Теперь они оцениваются не в 1, а в 2 балла.
Изменен первичный балл, который начисляется за работу – теперь он составляет не 64, а 60 баллов.

Система оценивания

Баллы за ЕГЭ выставляются, исходя из ста максимальных. В привычную школьникам систему оценок до 2017 года их не переводили, но это можно сделать самостоятельно.

Чтобы получить пятерку, уделите внимание дисциплине и демо-вариантам

Если школьник набрал от 0 до 35 баллов, его уровень знаний оценивается как неудовлетворительный и соответствует оценке «2»;
Баллы в промежутке от 36 до 55 являются показателем удовлетворительного уровня знаний и соответствуют отметке «3»;
Набрав от 56 до 72 баллов, вы можете рассчитывать на оценку «4»;
При баллах от 73 и выше оценка считается отличной, то есть «5».

Итоговый результат вы сможете посмотреть на портале ЕГЭ, идентифицировав себя при помощи паспортных данных. Напомним также, что минимальный балл, который нужно набрать для ЕГЭ по химии — 36. Стоит также сказать, что, согласно последним известиям, баллы за ЕГЭ по химии будут оказывать влияние на оценку в аттестате. Вам стоит непременно воспользоваться этим шансом, чтобы исправить отметку в табеле, которая вас не устраивает.

Для выполнения заданий 1–3 используйте следующий ряд химических элементов. Ответом в заданиях 1–3 является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду.

1. S
2. Na
3. Al
4. Si
5. Mg

Задание №1

Определите, атомы каких из указанных в ряду элементов в основном состоянии содержат один неспаренный электрон.

Ответ: 23

Пояснение:

Запишем электронную формулу для каждого из указанных химических элементов и изобразим электроно-графическую формулу последнего электронного уровня:

1) S: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

2) Na: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1

3) Al: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

4) Si: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

5) Mg: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2

Задание №2

Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента-металла. Расположите выбранные элементы в порядке возрастания восстановительных свойств.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов в нужной последовательности.

Ответ: 352

Пояснение:

В главных подгруппах таблицы Менделеева металлы расположены под диагональю бор-астат, а также в побочных подгруппах. Таким образом, к металлам из указанного списка относятся Na, Al и Mg.

Металлические и, следовательно, восстановительные свойства элементов возрастают при движении влево по периоду и вниз по подгруппе. Таким образом, металлические свойства перечисленных выше металлов возрастают в ряду Al, Mg, Na

Задание №3

Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые в соединении с кислородом проявляют степень окисления +4.

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Ответ: 14

Пояснение:

Основные степени окисления элементов из представленного списка в сложных веществах:

Сера – «-2», «+4» и «+6»

Натрий Na – «+1» (единственная)

Алюминий Al – «+3» (единственная)

Кремний Si – «-4», «+4»

Магний Mg – «+2» (единственная)

Задание №4

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, в которых присутствует ионная химическая связь.

1. KCl
2. KNO 3
3. H 3 BO 3
4. H 2 SO 4
5. PCl 3

Ответ: 12

Пояснение:

Определить наличие ионного типа связи в соединении в подавляющем большинстве случаев можно по тому, что в состав его структурных единиц одновременно входят атомы типичного металла и атомы неметалла.

Исходя из этого критерия, ионный тип связи имеет место в соединениях KCl и KNO 3 .

Помимо указанного выше признака, о наличии ионной связи в соединении можно говорить, если в составе его структурной единицы содержится катион аммония (NH 4 +) или его органические аналоги — катионы алкиламмония RNH 3 + , диалкиламония R 2 NH 2 + , триалкиламмония R 3 NH + и тетраалкиламмония R 4 N + , где R — некоторый углеводородный радикал. Например, ионный тип связи имеет место в соединении (CH 3) 4 NCl между катионом (CH 3) 4 + и хлорид-ионом Cl − .

Задание №5

Установите соответствие между формулой вещества и классом/группой, к которому(-ой) это вещество принадлежит: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Ответ: 241

Пояснение:

N 2 O 3 – оксид неметалла. Все оксиды неметаллов кроме N 2 O, NO, SiO и CO относятся к кислотным.

Al 2 O 3 – оксид металла в степени окисления +3. Оксиды металлов в степени окисления +3,+4, а также BeO, ZnO, SnO и PbO, относятся к амфотерным.

HClO 4 – типичный представитель кислот, т.к. при диссоциации в водном растворе из катионов образуются только катионы Н + :

HClO 4 = H + + ClO 4 —

Задание №6

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, с каждым из которых взаимодействует цинк.

1) азотная кислота (р-р)

2) гидроксид железа(II)

3) сульфат магния (р-р)

4) гидроксид натрия (р-р)

5) хлорид алюминия (р-р)

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 14

Пояснение:

1) Азотная кислота – сильный окислитель и реагирует со всеми металлами кроме платины и золота.

2) Гидроксид железа (ll) – нерастворимое основание. С нерастворимыми гидроксидами металлы не реагируют вообще, а с растворимыми (щелочами) реагируют только три металла – Be, Zn, Al.

3) Сульфат магния – соль более активного металла, чем цинк, в связи с чем реакция не протекает.

4) Гидроксид натрия – щелочь (растворимый гидроксид металла). С щелочами из металлов работают только Be, Zn, Al.

5) AlCl 3 – соль более активного, чем цинк металла, т.е. реакция невозможна.

Задание №7

Из предложенного перечня веществ выберите два оксида, которые реагируют с водой.

1. BaO
2. CuO
3. NO
4. SO 3
5. PbO 2

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 14

Пояснение:

Из оксидов с водой реагируют только оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов, а также все кислотные оксиды кроме SiO 2 .

Таким образом, подходят варианты ответов 1 и 4:

BaO + H 2 O = Ba(OH) 2

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

Задание №8

1) бромоводород

3) нитрат натрия

4) оксид серы(IV)

5) хлорид алюминия

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 52

Пояснение:

Солями среди указанных веществ являются только нитрат натрия и хлорид алюминия. Все нитраты, как и соли натрия растворимы, в связи с чем осадок нитрат натрия не может дать в принципе ни с одним из реагентов. Поэтому, солью X может являться только хлорид алюминия.

Распространенная ошибка среди сдающих ЕГЭ по химии это непонимание того, что в водном растворе аммиак образует слабое основание – гидроксид аммония в связи с протеканием реакции:

NH 3 + H 2 O NH 4 OH

В связи с этим водный раствор аммиака дает осадок при смешении с растворами солей металлов, образующих нерастворимые гидроксиды:

3NH 3 + 3H 2 O + AlCl 3 = Al(OH) 3 + 3NH 4 Cl

Задание №9

В заданной схеме превращений

Cu X > CuCl 2 Y > CuI

веществами Х и Y являются:

1. AgI
2. I 2
3. Cl 2
4. HCl
5. KI

Ответ: 35

Пояснение:

Медь – металл, расположенный в ряду активности правее водорода, т.е. не реагирует с кислотами (кроме H 2 SO 4 (конц.) и HNO 3). Таким образом, образование хлорида меди (ll) возможно в нашем случае только при реакции с хлором:

Cu + Cl 2 = CuCl 2

Иодид-ионы (I -) не могут сосуществовать в одном растворе с ионами двухвалентной меди, т.к. окисляются ими:

Cu 2+ + 3I — = CuI + I 2

Задание №10

Установите соответствие между уравнением реакции и веществом- окислителем в этой реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Ответ: 1433

Пояснение:

Окислителем в реакции является то вещество, которое содержит элемент, понижающий свою степень окисления

Задание №11

Установите соответствие между формулой вещества и реагентами, с каждым из которых это вещество может взаимодействовать: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Ответ: 1215

Пояснение:

А) Cu(NO 3) 2 + NaOH и Cu(NO 3) 2 + Ba(OH) 2 – аналогичные взаимодействия. Соль с гидроксидом металла реагирует в том случае если исходные вещества растворимы, а в продуктах есть осадок, газ или малодиссоциирующее вещество. И для первой и для второй реакции оба требования выполняются:

Cu(NO 3) 2 + 2NaOH = 2NaNO 3 + Cu(OH) 2 ↓

Cu(NO 3) 2 + Ba(OH) 2 = Na(NO 3) 2 + Cu(OH) 2 ↓

Cu(NO 3) 2 + Mg – соль с металлом реагирует в том случае, если свободный металл активнее того, что входит в состав соли. Магний в ряду активности расположен левее меди, что говорит о его большей активности, следовательно, реакция протекает:

Cu(NO 3) 2 + Mg = Mg(NO 3) 2 + Cu

Б) Al(OH) 3 – гидроксид металла в степени окисления +3. Гидроксиды металлов в степени окисления +3,+4, а также в качестве исключений гидроксиды Be(OH) 2 и Zn(OH) 2 , относятся к амфотерным.

По определению, амфотерными гидроксидами называют те, которые реагируют с щелочами и почти всеми растворимыми кислотами. По этой причине сразу же можно сделать вывод, что подходит вариант ответа 2:

Al(OH) 3 + 3HCl = AlCl 3 + 3H 2 O

Al(OH) 3 + LiOH (р-р) = Li или Al(OH) 3 + LiOH(тв.) =to=> LiAlO 2 + 2H 2 O

2Al(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

В) ZnCl 2 + NaOH и ZnCl 2 + Ba(OH) 2 – взаимодействие типа «соль + гидроксид металла». Объяснение дано в п.А.

ZnCl 2 + 2NaOH = Zn(OH) 2 + 2NaCl

ZnCl 2 + Ba(OH) 2 = Zn(OH) 2 + BaCl 2

Следует отметить, что при избытке NaOH и Ba(OH) 2:

ZnCl 2 + 4NaOH = Na 2 + 2NaCl

ZnCl 2 + 2Ba(OH) 2 = Ba + BaCl 2

Г) Br 2 , O 2 – сильные окислители. Из металлов не реагируют только с серебром, платиной, золотом:

Cu + Br 2 t° > CuBr 2

2Cu + O 2 t° > 2CuO

HNO 3 – кислота с сильными окислительными свойствами, т.к. окисляет не катионами водорода, а кислотообразующим элементом – азотом N +5 . Реагирует со всеми металлами кроме платины и золота:

4HNO 3(конц.) + Cu = Cu(NO 3)2 + 2NO 2 + 2H 2 O

8HNO 3(разб.) + 3Cu = 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O

Задание №12

Установите соответствие между общей формулой гомологического ряда и названием вещества, принадлежащего к этому ряду: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 231

Пояснение:

Задание №13

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, которые являются изомерами циклопентана.

1) 2-метилбутан

2) 1,2-диметилциклопропан

3) пентен-2

4) гексен-2

5) циклопентен

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 23

Пояснение:

Циклопентан имеет молекулярную формулу C 5 H 10 . Напишем структурные и молекулярные формулы перечисленных в условии веществ

Название вещества	Структурная формула	Молекулярная формула
циклопентан		C 5 H 10
2-метилбутан
1,2-диметилциклопропан		C 5 H 10
		C 5 H 10

циклопентен

Задание №14

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, каждое из которых реагирует с раствором перманганата калия.

1) метилбензол

2) циклогексан

3) метилпропан

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 15

Пояснение:

Из углеводородов с водным раствором перманганата калия реагируют те, которые содержат в своей структурной формуле С=С или C≡C связи, а также гомологи бензола (кроме самого бензола).

Таким образом подходит метилбензол и стирол.

Задание №15

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, с которыми взаимодействует фенол.

1) соляная кислота

2) гидроксид натрия

4) азотная кислота

5) сульфат натрия

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 24

Пояснение:

Фенол обладает слабыми кислотными свойствами, выраженными более ярко, чем у спиртов. По этой причине, фенолы в отличие от спиртов реагируют с щелочами:

C 6 H 5 OH + NaOH = C 6 H 5 ONa + H 2 O

Фенол содержит в своей молекуле гидроксильную группу непосредственно прикрепленную к бензольному кольцу. Гидрокси-группа является ориентантом первого рода, то есть облегчает реакции замещения в орто- и пара-положениях:

Задание №16

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, которые подвергаются гидролизу.

1) глюкоза

2) сахароза

3) фруктоза

5) крахмал

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 25

Пояснение:

Все перечисленные вещества являются углеводами. Из углеводов гидролизу не подвергаются моносахариды. Глюкоза, фруктоза и рибоза являются моносахаридами, сахароза — дисахарид, а крахмал — полисахарид. Следовательно гидролизу подвергаются из указанного списка сахароза и крахмал.

Задание №17

Задана следующая схема превращений веществ:

1,2-дибромэтан → X → бромэтан → Y → этилформиат

Определите, какие из указанных веществ являются веществами Х и Y.

2) этаналь

4) хлорэтан

5) ацетилен

Запишите в таблицу номера выбранных веществ под соответствующими буквами.

Задание №18

Установите соответствие между названием исходного вещества и продуктом, который преимущественно образуется при взаимодействии этого вещества с бромом: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 2134

Пояснение:

Замещение при вторичном атоме углерода протекает в большей степени, чем при первичном. Таким образом, основным продуктом бромирования пропана является 2-бромпропан, а не 1-бромпропан:

Циклогексан — циклоалкан с размером цикла более 4-х атомов углерода. Циклоалканы с размером цикла более 4-х атомов углерода при взаимодействии с галогенами вступают в реакцию замещения с сохранением цикла:

Циклопропан и циклобутан — циклоалканы с минимальным размером цикла преимущественно вступают в реакции присоединения, сопровождающиеся разрывом цикла:

Замещение атомов водорода при третичном атоме углерода происходит в большей степени, чем при вторичном и первичном. Таким образом, бромирование изобутана протекает преимущественно следующим образом:

Задание №19

Установите соответствие между схемой реакции и органическим веществом, которое является продуктом этой реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 6134

Пояснение:

Нагревание альдегидов со свежеосажденным гидроксидом меди приводит к окислению альдегидной группы до карбоксильной:

Альдегиды и кетоны восстанавливаются водородом в присутствии никеля, платины или палладия до спиртов:

Первичные и вторичные спирты окисляются раскаленным CuO до альдегидов и кетонов соответственно:

При действии концентрированной серной кислоты на этанол при нагревании возможно образование двух различных продуктов. При нагревании до температуры ниже 140 оС преимущественно протекает межмолекулярная дегидратация с образованием диэтилового эфира, а при нагревании более 140оС — внутримолекулярная, в результате которой образуется этилен:

Задание №20

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, реакция термического разложения которых является окислительно-восстановительной.

1) нитрат алюминия

2) гидрокарбонат калия

3) гидроксид алюминия

4) карбонат аммония

5) нитрат аммония

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 15

Пояснение:

Окислительно-восстановительными называют такие реакции в результате протекания которых химические один или более химических элемента изменяют свою степень окисления.

Реакции разложения абсолютно всех нитратов относятся к окислительно-восстановительным. Нитраты металлов от Mg до Cu включительно разлагаются до оксида металла, диоксида азота и молекулярного кислорода:

Все гидрокарбонаты металлов разлагаются уже при незначительном нагревании (60 о С) до карбоната металла, углекислого газа и воды. При этом изменения степеней окисления не происходит:

Нерастворимые оксиды разлагаются при нагревании. Реакция при этом не является окислительно-восстановительной т.к. ни один химический элемент степень окисления в результате нее не меняет:

Карбонат аммония разлагается при нагревании на углекислый газ, воду и аммиак. Реакция не является окислительно-восстановительной:

Нитрат аммония разлагается на оксид азота (I) и воду. Реакция относится к ОВР:

Задание №21

Из предложенного перечня выберите два внешних воздействия, которые приводят к увеличению скорости реакции азота с водородом.

1) понижение температуры

2) повышение давления в системе

5) использование ингибитора

Запишите в поле ответа номера выбранных внешних воздействий.

Ответ: 24

Пояснение:

1) понижение температуры:

Скорость любой реакции при понижении температуры снижается

2) повышение давления в системе:

Повышение давления увеличивает скорость любой реакции, в которой принимает участие хотя бы одно газообразное вещество.

3) уменьшение концентрации водорода

Уменьшение концентрации всегда снижает скорость реакции

4) увеличение концентрации азота

Увеличение концентрации реагентов всегда повышает скорость реакции

5) использование ингибитора

Ингибиторами называют вещества, которые замедляют скорость реакции.

Задание №22

Установите соответствие между формулой вещества и продуктами электролиза водного раствора этого вещества на инертных электродах: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 5251

Пояснение:

А) NaBr → Na + + Br —

За катод между собой конкурируют катионы Na + и молекулы воды.

2H 2 O + 2e — → H 2 + 2OH —

2Cl — -2e → Cl 2

Б) Mg(NO 3) 2 → Mg 2+ + 2NO 3 —

За катод между собой конкурируют катионы Mg 2+ и молекулы воды.

Катионы щелочных металлов, а также магния и алюминия не способны восстановиться в условиях водного раствора ввиду высокой активности. По этой причине вместо них восстанавливаются молекулы воды в соответствии с уравнением:

2H 2 O + 2e — → H 2 + 2OH —

За анод между собой конкурируют анионы NO 3 — и молекулы воды.

2H 2 O — 4e — → O 2 + 4H +

Таким образом, подходит ответ 2 (водород и кислород).

В) AlCl 3 → Al 3+ + 3Cl —

2H 2 O + 2e — → H 2 + 2OH —

За анод между собой конкурируют анионы Cl — и молекулы воды.

Анионы, состоящие из одного химического элемента (кроме F -) выигрывают конкуренцию у молекул воды за окисление на аноде:

2Cl — -2e → Cl 2

Таким образом подходит вариант ответа 5 (водород и галоген).

Г) CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2-

Катионы металлов правее водорода в ряду активности легко восстанавливаются в условиях водного раствора:

Cu 2+ + 2e → Cu 0

Кислотные остатки, содержащие кислотообразующий элемент в высшей степени окисления, проигрывают конкуренцию молекулам воды за окисление на аноде:

2H 2 O — 4e — → O 2 + 4H +

Таким образом подходит вариант ответа 1 (кислород и металл).

Задание №23

Установите соответствие между названием соли и средой водного раствора этой соли: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 3312

Пояснение:

А) сульфат железа(III) — Fe 2 (SO 4) 3

образован слабым «основанием» Fe(OH) 3 и сильной кислотой H 2 SO 4 . Вывод — среда кислая

Б) хлорид хрома(III) — CrCl 3

образован слабым «основанием» Cr(OH) 3 и сильной кислотой HCl. Вывод — среда кислая

В) сульфат натрия — Na 2 SO 4

Образован сильным основанием NaOH и сильной кислотой H 2 SO 4 . Вывод — среда нейтральная

Г) сульфид натрия — Na 2 S

Образован сильным основанием NaOH и слабой кислотой H 2 S. Вывод — среда щелочная.

Задание №24

Установите соответствие между способом воздействия на равновесную систему

СO (г) + Cl 2(г) СOCl 2(г) + Q

и направлением смещения химического равновесия в результате этого воздействия: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 3113

Пояснение:

Смещение равновесия при внешнем воздействии на систему происходит таким образом, чтобы минимизировать эффект от этого внешнего воздействия (принцип Ле Шателье).

А) Увеличение концентрации CO приводит к смещению равновесия в сторону прямой реакции, поскольку в результате нее уменьшается количество CO.

Б) Повышение температуры будет смещать равновесие в сторону эндотермической реакции. Поскольку прямая реакция является экзотермической (+Q), то равновесие будет смещаться в сторону обратной реакции.

В) Понижение давления будет смещать равновесие в сторону той реакции в результате которой происходит увеличение количества газов. В результате обратной реакции образуется больше газов, чем в результате прямой. Таким образом, равновесие сместится в сторону обратной реакции.

Г) Увеличение концентрации хлора приводит к смещению равновесия в сторону прямой реакции, поскольку в результате нее уменьшается количество хлора.

Задание №25

Установите соответствие между двумя веществами и реагентом, с помощью которого можно различить эти вещества: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Ответ: 3454

Пояснение:

Различить два вещества с помощью третьего можно только в том случае, если эти два вещества по-разному с ним взаимодействуют, и, главное, эти отличия внешне различимы.

А) Растворы FeSO 4 и FeCl 2 можно различить с помощью раствора нитрата бария. В случае FeSO 4 происходит образование белого осадка сульфата бария:

FeSO 4 + BaCl 2 = BaSO 4 ↓ + FeCl 2

В случае FeCl 2 никаких видимых признаков взаимодействия нет, поскольку реакция не протекает.

Б) Растворы Na 3 PO 4 и Na 2 SO 4 можно различить с помощью раствора MgCl 2 . Раствор Na 2 SO 4 в реакцию не вступает, а в случае Na 3 PO 4 выпадает белый осадок фосфата магния:

2Na 3 PO 4 + 3MgCl 2 = Mg 3 (PO 4) 2 ↓ + 6NaCl

В) Растворы KOH и Ca(OH) 2 можно различить с помощью раствора Na 2 CO 3 . KOH с Na 2 CO 3 не реагирует, а Ca(OH) 2 дает с Na 2 CO 3 белый осадок карбоната кальция:

Ca(OH) 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaOH

Г) Растворы KОН и KCl можно различить с помощью раствора MgCl 2 . KCl с MgCl 2 не реагирует, а смешение растворов KОН и MgCl 2 приводит к образованию белого осадка гидроксида магния:

MgCl 2 + 2KОН = Mg(OH) 2 ↓ + 2KCl

Задание №26

Установите соответствие между веществом и областью его применения: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 2331

Пояснение:

Аммиак — используется в производстве азотистых удобрений. В частности, аммиак является сырьем для производства азотной кислоты, из которой в свою очередь получают удобрения — натриевую, калиевую и аммиачную селитры (NaNO 3 , KNO 3 , NH 4 NO 3).

Тетрахлорид углерода и ацетон используются в качестве растворителей.

Этилен используется для получения высокомолекулярных соединений (полимеров), а именно полиэтилена.

Ответом к заданиям 27–29 является число. Запишите это число в поле ответа в тексте работы, соблюдая при этом указанную степень точности. Затем перенесите это число в БЛАНК ОТВЕТОВ № 1 справа от номера соответствующего задания, начиная с первой клеточки. Каждый символ пишите в отдельной клеточке в соответствии с приведёнными в бланке образцами. Единицы измерения физических величин писать не нужно.

Задание №27

Какую массу гидроксида калия необходимо растворить в 150 г воды для получения раствора с массовой долей щёлочи 25%? (Запишите число с точностью до целых.)

Ответ: 50

Пояснение:

Пусть масса гидроксида калия, которую необходимо растворить в 150 г воды, равна x г. Тогда масса полученного раствора будет составлять (150+х) г, а массовую долю щелочи в таком растворе можно выразить как x/(150+х). Из условия мы знаем, что массовая доля гидроксида калия равна 0,25 (или 25%). Таким образом, справедливо уравнение:

x/(150+х) = 0,25

Таким образом, масса, которую необходимо растворить в 150 г воды для получения раствора с массовой долей щёлочи 25% равна 50 г.

Задание №28

В реакцию, термохимическое уравнение которой

MgO (тв.) + CO 2(г) → MgCO 3(тв.) + 102 кДж,

вступило 88 г углекислого газа. Какое количество теплоты выделится при этом? (Запишите число с точностью до целых.)

Ответ: ___________________________ кДж.

Ответ: 204

Пояснение:

Рассчитаем количество вещества углекислого газа:

n(CO 2) = n(CO 2)/ M(CO 2) = 88/44 = 2 моль,

Согласно уравнению реакции, при взаимодействии 1 моль CO 2 с оксидом магния выделяется 102 кДж. В нашем случае, количество углекислого газа составляет 2 моль. Обозначив количество теплоты, выделившейся при этом как x кДж можно записать следующую пропорцию:

1 моль CO 2 – 102 кДж

2 моль CO 2 – x кДж

Следовательно, справедливо уравнение:

1 ∙ x = 2 ∙ 102

Таким образом, количество теплоты, которая выделится при участии в реакции с оксидом магния 88 г углекислого газа составляет 204 кДж.

Задание №29

Определите массу цинка, который вступает в реакцию с соляной кислотой для получения 2,24 л (н.у.) водорода. (Запишите число с точностью до десятых.)

Ответ: ___________________________ г.

Ответ: 6,5

Пояснение:

Запишем уравнение реакции:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2

Рассчитаем количество вещества водорода:

n(H 2) = V(H 2)/V m = 2,24/22,4 = 0,1 моль.

Поскольку в уравнении реакции перед цинком и водородом стоят равные коэффициенты, это означает, что и количества веществ цинка, вступившего в реакцию и водорода, образовавшегося в результате нее, также равны, т.е.

n(Zn) = n(H 2) = 0,1 моль, следовательно:

m(Zn) = n(Zn) ∙ M(Zn) = 0,1 ∙ 65 = 6,5 г.

Не забудьте перенести все ответы в бланк ответов № 1 в соответствии с инструкцией по выполнению работы.

Задание №33

Гидрокарбонат натрия массой 43,34 г прокалили до постоянной массы. Остаток растворили в избытке соляной кислоты. Получившийся при этом газ пропустили через 100 г 10%-ного раствора гидроксида натрия. Определите состав и массу образовавшейся соли, её массовую долю в растворе. В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).

Ответ:

Пояснение:

Гидрокарбонат натрия при нагревании разлагается в соответствии с уравнением:

2NaHCO 3 → Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O (I)

Получившийся твердый остаток, очевидно, состоит только из карбоната натрия. При растворении карбоната натрия в соляной кислоте протекает следующая реакция:

Na 2 CO 3 + 2HCl → 2NaCl + CO 2 + H 2 O (II)

Вычисли количество вещества гидрокарбоната натрия и карбоната натрия:

n(NaHCO 3) = m(NaHCO 3)/M(NaHCO 3) = 43,34 г/84 г/моль ≈ 0,516 моль,

следовательно,

n(Na 2 CO 3) =0,516 моль/2 = 0,258 моль.

Рассчитаем количество углекислого газа образовавшегося по реакции (II):

n(CO 2) = n(Na 2 CO 3) = 0,258 моль.

Вычислим массу чистого гидроксида натрия и его количество вещества:

m(NaOH) = m р-ра (NaOH) ∙ ω(NaOH)/100% = 100 г ∙ 10%/100% = 10 г;

n(NaOH) = m(NaOH)/ M(NaOH) = 10/40 = 0,25 моль.

Взаимодействие углекислого газа с гидроксидом натрия, в зависимости от их пропорций, может протекать в соответствии с двумя разными уравнениями:

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O (при избытке щелочи)

NaOH + CO 2 = NaHCO 3 (при избытке углекислого газа)

Из представленных уравнений следует, что только средняя соль получается при соотношении n(NaOH)/n(CO 2) ≥2, а только кислая, при соотношении n(NaOH)/n(CO 2) ≤ 1.

По расчетам ν(CO 2) > ν(NaOH), следовательно:

n(NaOH)/n(CO 2) ≤ 1

Т.е. взаимодействие углекислого газа с гидроксидом натрия происходит исключительно с образованием кислой соли, т.е. в соответствии с уравнением:

NaOH + CO 2 = NaHCO 3 (III)

Расчет проводим по недостатку щелочи. По уравнению реакци (III):

n(NaHCO 3) = n(NaOH) = 0,25 моль, следовательно:

m(NaHCO 3) = 0,25 моль ∙ 84 г/моль = 21 г.

Масса образовавшегося раствора будет складываться из массы раствора щелочи и массы поглощенного им углекислого газа.

Из уравнения реакции следует, что прореагировало, т.е. поглотилось только 0,25 моль CO 2 из 0,258 моль. Тогда масса поглощенного CO 2 составляет:

m(CO 2) = 0,25 моль ∙ 44 г/моль = 11 г.

Тогда, масса раствора равна:

m(р-ра) = m(р-ра NaOH) + m(CO 2) = 100 г + 11 г = 111 г,

а массовая доля гидрокарбоната натрия в растворе таким образом будет равна:

ω(NaHCO 3) = 21 г/111 г ∙ 100% ≈ 18,92%.

Задание №34

На основании данных условия задачи:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу органического вещества;

4) напишите уравнение реакции гидратации органического вещества.

Ответ:

Пояснение:

1) Для определения элементного состава вычислим количества веществ углекислого газа, воды и затем массы входящих в них элементов:

n(CO 2) = 26,88 л/22,4 л/моль = 1,2 моль;

n(CO 2) = n(C) = 1,2 моль; m(C) = 1,2 моль ∙ 12 г/моль = 14,4 г.

n(H 2 O) = 16,2 г/18 г/моль = 0,9 моль; n(H) = 0,9 моль ∙ 2 = 1,8 моль; m(H) = 1,8 г.

m(орг. в-ва) = m(C) + m(H) = 16,2 г, следовательно, в органическом веществе кислорода нет.

Общая формула органического соединения — C x H y .

x: y = ν(C) : ν(H) = 1,2: 1,8 = 1: 1,5 = 2: 3 = 4: 6

Таким образом простейшая формула вещества C 4 H 6 . Истинная формула может вещества может совпадать с простейшей, а может и отличаться от нее в целое число раз. Т.е. быть, например, С 8 Н 12 , С 12 H 18 и т.д.

В условии сказано, что углеводород является нециклическим и одна его молекула может присоединить только одну молекулу воды. Такое возможно при наличии в структурной формуле вещества только одной кратной связи (двойной или тройной). Поскольку искомый углеводород является нециклическим, очевидно, что одна кратная связь может быть только для вещества с формулой C 4 H 6 . В случае остальных углеводородов с большей молекулярной массой количество кратных связей везде больше одной. Таким образом, молекулярная формула вещества C 4 H 6 совпадает с простейшей.

2) Молекулярная формула органического вещества – C 4 H 6 .

3) Из углеводородов с аммиачным раствором оксида серебра взаимодействуют алкины, у которых тройная связь расположена на конце молекулы. Для того чтобы взаимодействия с аммиачным раствором оксида серебра не было, алкин состава C 4 H 6 должен быть следующего строения:

CH 3 -C≡C-CH 3

4) Гидратация алкинов протекает в присутствии солей двухвалентной ртути.

Досрочный ЕГЭ по химии 2017. Задание 31

Газ, полученный при прокаливании нитрата серебра (I), смешали с другим газом, полученным при разложении хлората калия. Полученную смесь газов поглотили водой, при этом образовалась кислота. Фосфид магния обработали соляной кислотой, при этом выделился газ. Этот газ осторожно пропустили через горячий концентрированный раствор полученной кислоты. Напишите уравнения пяти описанных реакций. В ответе укажите сумму коэффициентов во всех уравнениях.

Досрочный ЕГЭ по химии 2017. Задание 33

Гидрокарбонат калия массой 45 г прокалили до постоянной массы. Остаток растворили в избытке серной кислоты. Получившийся при этом газ пропустили через 200 г 5,6% раствора гидроксида калия. Определите состав и массу образовавшейся соли, её массовую долю (%) в растворе. При решении записывайте уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приводите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин). В ответе запишите сумму молярной массы (г/моль) образовавшейся соли, её массы (г) и её массовой доли (%, округлить до целого числа) в конечном растворе. Растворимостью газов в воде пренебречь.

Досрочный ЕГЭ по химии 2017. Задание 34

При сгорании 12,24 г органического вещества нециклического строения получили 20,16 л (н.у.) углекислого газа и 12,96 г воды. Известно, что 1 моль этого органического вещества присоединяет только 1 моль воды и данное вещество не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра. На основании данных условия задачи: 1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества. 2) составьте молекулярную формулу органического вещества. 3) составьте структурную формулу органического вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле. 4) составьте уравнение реакции гидратации органического вещества. В ответе запишите молярную массу (г/моль) исходного органического вещества.

Результат ЕГЭ по химии не ниже минимально установленного количества баллов дает право поступления в вузы на специальности, где в перечне вступительных испытаний есть предмет химия.

Вузы не имеют права устанавливать минимальный порог по химии ниже 36 баллов. Престижные вузы, как правило, устанавливают свой минимальный порог гораздо выше. Потому что для учебы там у студентов-первокурсников должны быть очень хорошие знания.

На официальном сайте ФИПИ каждый год публикуются варианты ЕГЭ по химии: демонстрационный, досрочного периода. Именно эти варианты дают представление о структуре будущего экзамена и об уровне сложности заданий и являются источниками достоверной информации при подготовке к ЕГЭ.

Досрочный вариант ЕГЭ по химии 2017 год

Год	Скачать досрочный вариант
2017	variant po himii
2016	скачать

Демонстрационный вариант ЕГЭ по химии 2017 года от ФИПИ

Вариант заданий + ответы	Скачать демо вариант
Спецификация	demo variant himiya ege
Кодификатор	kodifikator

В вариантах ЕГЭ по химии 2017 года есть изменения по сравнению с КИМ прошлого 2016 года, поэтому желательно вести подготовку по актуальной версии, а для разнопланового развития выпускников использовать варианты прошлых лет.

Дополнительные материалы и оборудование

К каждому варианту экзаменационной работы ЕГЭ по химии прилагаются следующие материалы:

− периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева;

− таблица растворимости солей, кислот и оснований в воде;

− электрохимический ряд напряжений металлов.

Во время выполнения экзаменационной работы разрешается использовать непрограммируемый калькулятор. Перечень дополнительных устройств и материалов, пользование которы- ми разрешено на ЕГЭ, утверждается приказом Минобрнауки России.

Для тех, кто хочет продолжить образование в вузе, выбор предметов должен зависеть от перечня вступительных испытаний по выбранной специальности
(направлению подготовки).

Перечень вступительных испытаний в вузах для всех специальностей (направлений подготовки) определен приказом Минобрнауки России. Каждый вуз выбирает из этого перечня те или иные предметы, которые указывает в своих правилах приема. Нужно ознакомиться с этой информацией на сайтах выбранных вузов, прежде чем подать заявление на участие в ЕГЭ с перечнем выбранных предметов.

Некоторый углеводород содержит 12.19. Железо сожгли в атмосфере хлора

Задания для самопроверки являются обязательным условием для усвоения материала, к каждому разделу прилагаются тестовые задания по пройденной тематике, которые необходимо решить.
Решив все задания из раздела, вы увидите свой результат и сможете посмотреть ответы ко всем примерам, что поможет понять какие ошибки вы совершили, и где ваши знания необходимо укрепить!
Тест представляет собой 29 заданий «части 1» ЕГЭ и 5 заданий части 2, ответы перемешиваются случайным образом, и берутся из созданной нами базы вопросов!
Постарайтесь получить выше 90% верных ответов, чтобы быть уверенными в своих знаниях!

Пользуйтесь только справочным материалом представленным ниже, если вы хотите проверить закрепление материала!
После прохождения теста посмотрите ответы к вопросам где вы ошиблись и закрепите материал перед повторным прохождением!

Ответом к заданиям 1-26 является последовательность цифр. Цифры в ответах на задания 5, 10-12, 18, 19, 22-26 могут повторятся.

Ответом в заданиях 27-29 работы, является число. Запишите это число с указанной точностью.

Ответом к заданиям 30-34 является подробное решение.

Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции, определите окислитель и восстановитель.

Железо сожгли в атмосфере хлора. Полученное вещество обработали избытком раствора гидроксида натрия. Образовался бурый осадок, который отфильтровали и прокалили. Остаток после прокаливания растворили в йодоводородной кислоте.

Напишите уравнения четырёх описанных реакций.

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения. При написании уравнений реакций используйте структурные формулы органических веществ.

Решение. Оксид серебра реагирует с обоими веществами в смеси:

HC=CH + Ag20 — AgC=CAgl + Н20, Ch30 + 2Ag20 — 4Agi + С02 + Н20. (Уравнения реакции записаны в упрощенном виде.)

310 2400 задач по химии для школьников и поступающих в.вузы

3. Органическая химия

т(С2Н2) = 0,1 26 = 2,6 г; m(Ch30) = 0,1 30 = 3,0 г; общая масса смеси равна 2,6 + 3,0 = 5,6 г.СН + 8KMn04 + 12h3S04 — 5CflHfiCOOH 4- 5С02 + 4K2S04 + 8MnS04 + 12Н20.

Гидратация этого углеводорода протекает аналогично гидратации гомологов ацетилена:

Ответ. Фенилацетилен.

с„н2„ + н2о-с„н2„+1он, с„н2„_2 + н2о-с„н2„о.

Возьмем два моля алкена и один моль алкина. В результате. сгорания этой смеси по уравнениям

С„Н2„ + Зп/202 — пС02 + пН20,

С„Н2„_2 + (Зп — 1)/202 — пС02 + (в — 1)Н20

312 2400 задач по химии для школьников и поступающих а вузы

3. Органическая химия

2400 задач по химии для школьников и поступающих в вузы 313 Глава 24. Ацетиленовые углеводороды

т(прод) — т(С02) + т(Н20) -= Зл 44 + (Зп — 1) 18 = 186я — 18 г. Пары воды поглощаются сульфатом меди:

CuS04 + 5Н20 — CuS04 5Н20. По условию масса воды 27,27% от массы продуктов сгорания: (Зп — 1) 18 — 0,2727 (186п — 18),

откуда и — 4.

Единственный алкин состава С4Н6, который дает Осадок с OH,-бутин-1:

СНа-СН2-С=СН + OH — Ch4-Ch3-C=CAgl + 2Nh4 + Н20 .

СН3-С=СН2 СН3-СН2-С=СН

2-метилпропен бутин-1

Реакции гидратации протекают по правилу Марковникова.

Задание №1

При сжигании образца этого вещества массой 26 г получили 33 г углекислого газа и 9 г воды.

Ответ:

HOOC-CH 2 -COOH

CH 2 =CH-CH 2 -CH=CH 2 + 4KMnO 4 + 6H 2 SO 4 = 2CO 2 + HOOC-CH 2 -COOH + 4MnSO 4 + 2K 2 SO 4 + 8H 2 O

Расчеты и пояснения:

1) ν(CO 2) = m(CO 2)/M(CO 2) = 33/44 = 0,75 моль =>

ν(С) = ν(CO 2) = 0,75 моль => m(C) = ν(С)∙M(C) = 0,75∙12 = 9 г

2) ν(H 2 O) = m(H 2 O)/M(H 2 O) = 9/18 = 0,5 моль =>

ν(H) = 2∙ν(h3O) = 2∙0,5 = 1 моль => m(H) = ν(H)∙M(H) = 1∙1 = 1 г

3) m(O) = m(в-ва) – m(C) – m(H) = 26 – 9 – 1 = 16 г =>

ν(O) = m(O)/M(O) = 16/16 = 1 моль

Таким образом:

x: y: z = ν(C) : ν(H) : ν(O) = 0,75: 1: 1 = 1: 1,333: 1,333 = 3: 4: 4

Задание №2

На основании данных условия задания:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу органического вещества А;

Ответ:

Молекулярная формула искомого органического вещества: C 4 H 6 Br 4

Структурная формула искомого органического вещества А:

Расчеты и пояснения:

ν(CO 2) = V(CO 2)/V m = 4,48/22,4 = 0,2 моль => v(C) = v(CO 2) = 0,2 моль.

ν(H 2 O) = m(H 2 O)/M(H 2 O) = 0,9/18 = 0,05 моль.

ν(HBr) = m(HBr)/M(HBr) = 16,2/81 = 0,2 моль, тогда:

ν(H) = 2ν(H 2 O) + ν(HBr) = 2∙0,05 + 0,2 = 0,3 моль

ν(Br) = ν(HBr) = 0,2 моль.

x: y: z = 0,2: 0,3: 0,2 = 1: 1,5: 1 = 2: 3: 2

Таким образом, простейшая формула вещества А – C 2 H 3 Br 2 .

В таком случае исходный углеводород Б, очевидно, имеет формулу C 4 H 6 .

Данная молекулярная формула вписывается в гомологический ряд соединений с общей формулой C n H 2n-2 .

Таким образом, наиболее вероятен в качестве решения алкадиен. При этом одновременно подходят два алкадиена:

бутадиен-1,3: CH 2 =CH-CH=CH 2

и бутадиен-1,2: CH 2 =C=CH-CH 3

Задание №3

На основании данных условия задания:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества А;

2) запишите молекулярную формулу вещества А;

3) составьте структурную формулу вещества А, которая однозначно отражает порядок связи атомов в соединении;

4) напишите уравнение реакции получения вещества А взаимодействием соли первичного амина и ацетата серебра.

Ответ:

Молекулярная формула искомого органического вещества А: C 4 H 11 NO 2

Структурная формула искомого органического вещества А: CH 3 COO − +

Уравнение реакции получения вещества А взаимодействием соли первичного амина и ацетата серебра:

Расчеты и пояснения:

Рассчитаем массовую долю углерода в веществе А:

w(C) = 100% — w(N) — w(H) — w(O) = 100% — 13,33% — 10,48% — 30,48% = 45,71%

Таким образом, в 100 г вещества А:

m(C) = 47,71 г; m(H) = 10,48 г; m(N) = 13,33 г; m(O) = 30,48 г.

Пересчитаем массы элементов в их количества вещества:

ν(C) = m(C)/M(C) = 45,71/12 = 3,81 моль,

ν(H) = m(H)/M(H) = 10,48/1 = 10,48 моль,

ν(N) = m(N)/M(N) = 13,33/14 ≈ 0,9521 моль,

ν(O) = m(O)/M(O) = 30,48/16 = 1,905 моль.

Записав формулу вещества А как C x H y N z O k рассчитаем соотношение между атомами разных элементов:

x: y: z: k = 3,81: 10,48: 0,9521: 1,905 = 4: 11: 1: 2

Таким образом, простейшая формула вещества А – C 4 H 11 NO 2

Br — + CH 3 COOAg = AgBr + CH 3 COO — + — вещество А

Зная, что формула вещества А может быть записана как C 4 H 11 NO 2 , а также как

CH 3 COO — +

Уравнение реакции соли первичного амина с ацетатом серебра:

Br — + CH 3 COOAg = AgBr↓ + CH 3 COO — +

Задание №4

Органическое вещество содержит 72% углерода и 21,33% кислорода и 6,67% водорода по массе.

Данное вещество подвергается гидролизу под действием гидроксида калия с образованием двух солей.

На основании данных условия задания:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу исходного органического вещества;

4) напишите уравнение гидролиза данного вещества в присутствии гидроксида калия.

Ответ:

Молекулярная формула искомого органического вещества: C 9 H 10 O 2

Структурная формула искомого органического вещества:

Уравнение гидролиза данного вещества в присутствии гидроксида калия:

Расчеты и пояснения:

m(C) = 72 г, m(H) = 6,67 г, m(О) = 21,33 г, тогда:

ν(С) = m(C)/M(C) = 72/12 = 6 моль,

ν(H) = m(H)/M(H) = 6,67/1 = 6,67 моль,

ν(O) = m(O)/M(O) = 21,33/16 = 1,33 моль,

Тогда, записав простейшую формулу искомого вещества как C x H y O z , найдем значения x, y и z:

x: y: z = ν(С) : ν(H) : ν(O) = 6: 6,67: 1,33 = 4,5: 5: 1 = 9: 10: 2

Уравнение гидролиза фенилпропионата в присутствии гидроксида калия:

Задание №5

Это вещество содержит 61,54% кислорода, 34,62% углерода и 3,84% водорода по массе.

На основании данных условия задания:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу органического вещества;

Ответ:

Молекулярная формула искомого органического вещества: C 3 H 4 O 4

Структурная формула искомого органического вещества:

Уравнение получения этого вещества окислением соответствующего углеводорода:

Расчеты и пояснения:

m(C) = 34,62 г, m(H) = 3,84 г, m(О) = 61,54 г, тогда:

ν(С) = m(C)/M(C) = 34,62/12 = 2,885 моль,

ν(H) = m(H)/M(H) = 3,84/1 = 3,84 моль,

ν(O) = m(O)/M(O) = 61,54/16 = 3,85 моль

Формулу данного соединения можно записать как C x H y O z ,

Таким образом:

x: y: z = ν(C) : ν(H) : ν(O) = 2,885: 3,84: 3,85 = 1: 1,33: 1,33 = 3: 4: 4

Следовательно, простейшая формула может быть записана, как C 3 H 4 O 4 .

Молекулярная формула C 5 H 8 удовлетворяет общей формуле C n H 2n-2 . Такую общую формулу имеют алкадиены и алкины.

Тогда уравнение получения искомого вещества окислением соответствующего углеводорода имеет вид:

Задание №6

На основании данных условия задачи:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу органического вещества;

4) напишите уравнение реакции гидратации органического вещества.

Ответ:

Молекулярная формула органического вещества: C 4 H 6

Структурная формула органического вещества: CH 3 -C≡C-CH 3

Уравнение реакции гидратации органического вещества:

Расчеты и пояснения:

ν(CO 2) = V(CO 2)/V m = 26,88/22,4 = 1,2 моль => ν(C) = ν(CO 2) = 1,2 моль => m(C) = M(C)∙ν(C) = 12∙1,2 = 14,4 г

ν(H 2 O) = m(H 2 O)/M(H 2 O)= 16,2/18 = 0,9 моль => ν(H) = 2∙ν(H 2 O) = 2∙0,9 = 1,8 моль => m(H) = M(H)∙ν(H) = 1,8∙1 = 1,8 г,

x: y = ν(C) : ν(H) = 1,2: 1,8 = 1: 1,5 = 2: 3

То есть простейшая формула искомого вещества — C 2 H 3 .

Пусть истинная формула отличается от простейшей в два раза, т.е. может быть записана как C 4 H 6 .

Уравнение гидратации органического вещества.

10-1. При сливании водных растворов солей А и Б выпадает темный осадок вещества В. Осадок растворяется в концентрированной соляной кислоте с образованием соли А и с выделением газа Г. Если газ Г пропустить в водный раствор газа Д выпадает осадок простого вещества Е, который можно растворить в концентрированной азотной кислоте. Что могут представлять собой вещества А-Е? Напишите уравнения упомянутых реакций.

10-2. Углеводород, содержащий одну двойную и одну тройную связь (но не содержащий циклов), смешали с эквивалентным количеством кислорода и сожгли. После сгорания общее число молей в системе не изменилось. Определите структурную формулу углеводорода. Что можно сказать о его химических свойствах? (приведите не более 4 реакций).

10-3. Смесь алкена с водородом общим объемом 26,88 л (н.у.) пропустили над платиновым катализатором при 200°С. При этом прореагировало 75% алкена, и объем смеси уменьшился до 20,16 л (н.у.). При пропускании исходной смеси через склянку с бромной водой весь углеводород прореагировал, и масса склянки увеличилась на 16,8 г. Определите состав исходной смеси (в % по объему) и строение исходного алкена.

10-4. Атом углерода в органических соединениях называют первичным, вторичным, третичным или четвертичным, в зависимости от того, с каким числом соседних углеродных атомов он связан (с одним, двумя, тремя или четырьмя). В таблице представлены сведения о структуре некоторых углеводородов, не содержащих кратных связей.

Алкан	Число первичных атомов	Число вторичных атомов	Число третичных атомов	Число четвертичных атомов

Изобразите структурные формулы углеводородов А —З

10-5. Имеется сплав двух металлов А и Б в молярном отношении 1: 1. Один и тот же объем водорода -1120 мл (н.у.) — получается при растворении сплава массой 1,02 г (в виде порошка) в избытке соляной кислоты или при обработке 1,70 г сплава избытком раствора NaOH. Определить металлы А и Б и их массовые доли в сплаве.

10-6. В анализ природной воды входит определение множества параметров, например, цветность, жесткость, содержание металлов, нефтепродуктов, и т.д. Один из параметров носит название БПК и определяется как убыль в воде некоторого компонента за время инкубации (выдержки) воды при 20°C в темноте без доступа воздуха. Этот показатель рассчитывают как разность количеств этого компонента в воде до и после инкубации. Для определения количества указанного компонента к образцу воды прибавляют раствор хлорида или сульфата марганца(II) и щелочной раствор иодида калия. После прибавления выпадает белый осадок, который быстро темнеет. Смесь выдерживают без доступа воздуха от 10 мин до 24 часов. Затем добавляют соляную кислоту, при этом осадок растворяется, а раствор окрашивается в желтый цвет. Раствор титруют тиосульфатом натрия до слабожелтого цвета. После этого добавляют раствор крахмала и титруют до исчезновения синей окраски. 1. Какой компонент определяют по описанной методике? 2. Напишите уравнения происходящих реакций. 3. На что расходуется описанный компонент в процессе инкубации? 4. В каком случае для правильного определения БПК требуется разбавление исходной воды в несколько раз? (в этом случае полученный результат умножают на кратность разбавления).

Решения

При сливании растворов выпадает осадок сульфида металла. Для того, чтобы удовлетворять условию задачи, сульфид должен быть нерастворим в воде, но растворим в соляной кислоте, кроме того, он должен быть темным. Все эти условия выполняются для железа: FeCl 2 + Na 2 S = FeS

тогда В — сульфид железа, А — хлорид железа, а Б — сульфид щелочного металла.

Помимо железа, подходят некоторые другие сульфиды, например, сульфид никеля, но не сульфид меди, так как сульфид меди не растворяется в соляной кислоте, а растворяется только с окислением, то есть в азотной кислоте.

FeS + 2 HCl = FeCl 2 + H 2 S (Г — сероводород)

2 H 2 S + SO 2 = 3 S + 2H 2 O (газД — SO 2 , веществоЕ — сера)

S + 2 HNO 3 = H 2 SO 4 + 2 NO

Вместо SO 2 , подходят другие окислители, но только являющиеся газообразными веществами и существующие в виде водных растворов. Например, Cl 2 .

Общая формула такого углеводорода C n H 2n -4

Уравнение горения: C n H 2n -4 + (1,5n — 1) O 2 = nCO 2 + (n — 2) H 2 O

Так как число молей в системе не изменилось

1 + 1,5n -1 = n + n — 2 Отсюда 1,5n = 2n — 2

Таким образом, неизвестный углеводород имеет формулу CH 2 =CH-CºCH

Так как в молекуле имеется двойная и тройная связь, то его химические свойства включают реакции 1,2-присоединения по двойной либо тройной связи, а также 1,4-присоединение различных реагентов (H 2 , HBr, Br 2), замещение атома водорода при тройной связи при реакции с аммиачным раствором оксида серебра и другие реакции, известные для алкенов и алкинов.

C n H 2n + H 2 = C n H 2n+2

В реакцию вступает 2 моля газов (углеводород и водород), а образуется один моль (алкан). Таким образом, уменьшение объема смеси равно объему водорода, который вступил в реакцию, либо объему прореагировавшего алкена.

Этот объем составляет 26,88 — 20,16 = 6,72 л, то есть 0,3 моль. Так как прореагировало 75% алкена, то всего его было 0,4 моль.

При пропускании через бромную воду масса склянки увеличилась на массу углеводорода, т.е. 0,4 моль алкена весят 16,8 г. Молярная масса 16,8/0,4 = 42 г/моль.

Алкен с такой молярной массой — C 3 H 6 , пропен.

Состав смеси:

0,4 моль пропена занимают объем 8,96 л. Это составляет 33% (1/3) от объема смеси. Остальное — 67% (2/3) — водород.

10-4. Формулы углеводородов:

А Б

В Г Д

Е или

Ж C 2 H 6

З CH 4

(атомы водорода не указаны)

Так как при растворении в соляной кислоте и в щелочи, степень окисления металла — одна и та же, очевидно, что во втором случае растворяется только один металл.

Пусть первая навеска содержит Х моль каждого из металлов, М А и М Б — их молярные массы, а и б — валентности.

объем водорода соответствует 0,05 моль

тогда Х а + Х б = 0,05 2 = 0,1 (для растворения в HCl)

(1,70/1,02) Х б = 0,1 (для растворения в NaOH)

отсюда (а + б )/б = 1,67 или а : б = 2: 3, т.е. степени окисления металлов 2 и 3.

таккак Х а + Х б = 0,1, Х = 0,02

Х М А + Х М Б = 1,02 отсюда М А + М Б = 1,02/Х = 1,02/0,02= 51

Трехвалентный амфотерный металл скорее всего алюминий (остальные слишком тяжелые),

второй металл 51 — 27 = 24 магний.

Массовые доли металлов: 27/51 = 53% и 47%.

1. По описанной методике определяют содержание растворенного кислорода

2. Уравнения происходящих реакций

MnCl 2 + 2 KOH = Mn(OH) 2 (белый осадок) + 2 KCl

2Mn(OH) 2 + O 2 = 2 MnO(OH) 2 (темный)

MnO(OH) 2 + 2HCl + 2 KI = MnCl 2 + I 2 + 3 H 2 O + KCl

I 2 + KI = KI 3 (желтое окрашивание раствора)

прититровании: I 2 + 2 Na 2 S 2 O 3 = 2 NaI + Na 2 S 4 O 6

3. БПК — биологическое потребление кислорода, т.е. в процессе инкубации кислород поглощается в результате жизнедеятельности микроорганизмов, а также окисления легкоокисляющихся веществ.

4. Если после инкубации кислород в растворе отсутствует, значит он израсходовался слишком рано, и неизвестно, сколько еще осталось в воде «потребителей кислорода», процесс должен проходить в аэробных условиях (т.е. должен быть избыток кислорода). Так как количество кислорода в растворе равновесное (при разбавлении не меняется), а количество его потребителей снижается в соответствии с кратностью разбавления, то в этом случае нужно повторить эксперимент в разбавленном растворе.

Досрочные варианты тесты егэ химия. Дополнительные материалы и оборудование

Задания 33 и 34 с решениями.

Демонстрационный вариант ЕГЭ-2017

Даты ЕГЭ по химии

Сдать экзамен по химии можно в такие даты:

Досрочный период. Досрочной датой для проведения экзамена станет 16.03.2017 года, а 3.05.2017 заявлено в качестве резерва.
Основной этап. Основная дата для проведения экзаменации – 2.06.2017 года.
Резервная дата. 19.06.2017 было выбрано в качестве резервного дня.

Сдать ЕГЭ ранее основного срока могут несколько категорий лиц, к которым отнесены:

учащиеся школ вечернего типа обучения;
ученики, которые призываются для прохождения службы в рядах ;
школьники, уезжающие на конкурс, соревнование или олимпиаду федерального или международного значения,
одиннадцатиклассники, которые уезжают за границу из-за смены места проживания или для учебы в зарубежном ВУЗе;
учащиеся, которым предписано профилактическое, оздоровительное лечение или прохождение реабилитационных процедур в основную дату для сдачи ЕГЭ;
выпускники прошлых лет;
школьники, которые обучались за границей.

Статистическая информация

Химия считается одним из сложных ЕГЭ и требует серьезной подготовки

Чем можно пользоваться на ЕГЭ по химии?

Структура экзаменационного билета

Билет по химии состоит из 34 заданий, распределенных на 2 части:

первая часть включает 29 заданий, предполагающих краткий ответ;
вторая часть состоит из 5 заданий, решение которых потребует дать развернутый ответ.

При выполнении заданий по химии ученики должны уложиться в отведенные для этого 210 минут.

Государственная экзаменация по химии в 2017 году будет длиться 3.5 часа

Изменения в КИМ-2017 по химии

В структуре первой части экзаменационного листа исключили задания, предполагающие выбор одного варианта из предложенных ответов. Новые задания дают выбор нескольких правильных ответов из предложенных (например, 2 из 5 или 3 из 6), требовать от учеников умения устанавливать соответствие между отдельными позициями из нескольких множеств, а также проводить расчеты. Кроме того, задания сгруппировали в отдельные тематические блоки, каждый из которых содержит задачи, относящиеся к базовому уровню сложности и повышенному. В отдельных блоках задания располагаются по нарастанию сложности, то есть от одного к другому будет увеличиваться количество действий, которые нужно выполнить для получения ответа. Согласно заявлению представителей ФИПИ, эти изменения приведут билет в соответствие с программой школьного курса химии и помогут ученикам эффективнее продемонстрировать знания терминологии и закономерностей химических процессов.
В 2017 году уменьшил общее число заданий – теперь их будет не 40, а всего 34. Из билета изъяты задания, предусматривающие аналогичные виды деятельности: например, направленные на выявление знаний о солях, кислотах и основаниях и их химических свойствах. Данные изменения поясняются тем, что новый билет носит практическую ориентированность, поэтому даже базовые задания потребуют от учеников системно применять полученные знания.
Задания базового уровня (номера 9 и 17) проверяют знания генетических связей веществ органической и неорганической природы. Теперь они оцениваются не в 1, а в 2 балла.
Изменен первичный балл, который начисляется за работу – теперь он составляет не 64, а 60 баллов.

Система оценивания

Чтобы получить пятерку, уделите внимание дисциплине и демо-вариантам

Если школьник набрал от 0 до 35 баллов, его уровень знаний оценивается как неудовлетворительный и соответствует оценке «2»;
Баллы в промежутке от 36 до 55 являются показателем удовлетворительного уровня знаний и соответствуют отметке «3»;
Набрав от 56 до 72 баллов, вы можете рассчитывать на оценку «4»;
При баллах от 73 и выше оценка считается отличной, то есть «5».

Досрочные варианты ЕГЭ по химии 2016-2015 г.

Химия	Скачать вариант
2016	variant ege 2016
2015	variant ege 2015

Изменения в КИМ ЕГЭ 2017 года в сравнении с 2016 годом

Химия – существенные изменения. Оптимизирована структура экзаменационной работы:

1. Принципиально изменена структура части 1 КИМ: исключены задания с выбором одного ответа; задания сгруппированы по отдельным тематическим блокам, в каждом из которых есть задания как базового, так и повышенного уровней сложности.

2. Уменьшено общее количество заданий с 40 (в 2016 г.) до 34.

3. Изменена шкала оценивания (с 1 до 2 баллов) выполнения заданий базового уровня сложности, которые проверяют усвоение знаний о генетической связи неорганических и органических веществ (9 и 17).

4. Максимальный первичный балл за выполнение работы в целом составит 60 баллов (вместо 64 баллов в 2016 году).

Структура КИМ ЕГЭ 2017 по химии

Каждый вариант экзаменационной работы построен по единому плану: работа состоит из двух частей, включающих в себя 34 задания. Часть 1 содержит 29 заданий с кратким ответом, в их числе 20 заданий базового уровня сложности (в варианте они присутствуют под номерами: 1–9, 12–17, 20–21, 27–29) и 9 заданий повышенного уровня сложности (их порядковые номера: 10, 11, 18, 19, 22–26).

Часть 2 содержит 5 заданий высокого уровня сложности, с развёрнутым ответом. Это задания под номерами 30–34.

Всего заданий – 34; из них по уровню сложности: Б – 20 П – 9; В – 5.

Максимальный первичный балл за работу – 60.

Общее время выполнения работы – 210 мин.

Ответы и решение — досрочный вариант по химии 2017

1) Определите, атомы каких из указанных в ряду элементов в основном состоянии содержат один неспаренный электрон. Запишите в поле ответа номера выбранных элементов

Распишем электронные конфигурации данных элементов

S: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

Na: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1

Al:s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

Si:1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Mg: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2

Видим, что у элементов Na и Al по одному неспаренному электрону

В заданной схеме превращений X Y Cu CuCl CuI ⎯⎯→ ⎯⎯ 2 → веществами Х и Y являются: 1) AgI 2) I2 3) Cl2 4) HCl 5) KI Запишите в таблицу номера выбранных веществ под соответствующими буквами

2 ) Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента-металла. Расположите выбранные элементы в порядке возрастания восстановительных свойств. Запишите в поле ответа номера выбранных элементов в нужной последовательности

Восстановительные свойства возрастают справа налево по группам и сверху вниз по периодам следовательно, три элемента-металла Na, Mg, Al расположим Al, Mg, Na

3) Из числа указанных в ряду элементов выберите два элемента, которые в соединении с кислородом проявляют степень окисления +4. Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

напишем возможные соединения с кислородом

4) Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, в которых присутствует ионная химическая связь.

1) KCl 2) KNO3 3) h4BO3 4) h3SO4 5) PCl3

5) Установите соответствие между формулой вещества и классом/группой, к которому(-ой) это вещество принадлежит: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

6) Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, с каждым из которых взаимодействует цинк.

1) азотная кислота (р-р)

2) гидроксид железа(II)

3) сульфат магния (р-р)

4) гидроксид натрия (р-р)

5) хлорид алюминия (р-р)

3Zn + 8HNO3= 3Zn(NO3)2 + 4h3O + 2NO

Zn+ 2NaOH +2h3O = Na2 + h3

7 ) Из предложенного перечня веществ выберите два оксида, которые реагируют с водой.

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

BaO+h3O= Ba(OH)2

8) В пробирку с раствором соли Х добавили раствор вещества Y. В результате реакции наблюдали образование белого осадка. Из предложенного перечня веществ выберите вещества X и Y, которые могут вступать в описанную реакцию.

1) бромоводород

3) нитрат натрия

4) оксид серы(IV)

5) хлорид алюминия

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

AlCl3 + 3Nh5OH = Al(OH)3+ 3Nh5Cl

раствор вещества Nh4 -> Nh4*h3O

9) В заданной схеме превращений

Cu—X—- CuCl2—Y—— CuI

веществами Х и Y являются:

Запишите в таблицу номера выбранных веществ под соответствующими буквами

2CuCl2 + 4KI = 2CuI + I2 + 2KCl

10) Установите соответствие между уравнением реакции и веществом- окислителем в этой реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.

УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ	ОКИСЛИТЕЛЬ
А) h3 + 2Li = 2LiH	1) h3
Б) N2h5 + h3 = 2Nh4	2) N2
В) N2O + h3 = N2 + h3O	3) N2O
Г) N2h5 + 2N2O = 3N2 + 2h3O	4) N2h5
	5) Li

Ответ: 1433

11) 1215

30) KI + KIO 3 + H 2 SO 4 = I 2 + K 2 SO 4 + H 2 O

2I -1 – 2e = I 2 0		5
	10
2I +5 + 10e =I 2 0		1

KI за счет I -1 восстановитель

KIO 3 за счет I +5 окислитель

5KI + KIO 3 + 3H 2 SO 4 = 3I 2 + 3K 2 SO 4 + 3H 2 O

1) 2Cu(NO 3) 2- →2CuO + 4NO 2 + O 2

Досрочный ЕГЭ по химии 2017. Задание 31

Досрочный ЕГЭ по химии 2017. Задание 33

Досрочный ЕГЭ по химии 2017. Задание 34

Решу егэ химия задания для подготовки. Егэ по химии

Подготовка к ЕГЭ по химии освещается нашими специалистами в данном разделе — разборы задач, справочные данные и теоретический материал. Готовиться к ЕГЭ теперь можно легко и бесплатно с нашими разделами по каждому предмету! Уверены, вы сдадите единый государственный экзамен в 2019 году на максимальный бал!

Общая информация об экзамене

ЕГЭ по химии состоит из двух частей и 34 заданий .

Первая часть содержит 29 заданий с кратким ответом, в их числе 20 заданий базового уровня сложности: №1–9, 12–17, 20–21, 27–29. Девять заданий повышенного уровня сложности: №9–11,17–19, 22–26.

Вторая часть содержит 5 заданий высокого уровня сложности с развёрнутым ответом: №30–34

Задания базового уровня сложности с кратким ответом проверяют усвоение содержания важнейших разделов школьного курса химии: теоретические основы химии, неорганическая химия, органическая химия, методы познания в химии, химия и жизнь.

Задания повышенного уровня сложности с кратким ответом ориентированы на проверку обязательных элементов содержания основных образовательных программ по химии не только базового, но и углубленного уровня. В сравнении с заданиями предыдущей группы они предусматривают выполнение большего разнообразия действий по применению знаний в изменённой, нестандартной ситуации (например, для анализа сущности изученных типов реакций), а также умения систематизировать и обобщать полученные знания.

Задания с развёрнутым ответом , в отличие от заданий двух предыдущих типов, предусматривают комплексную проверку усвоения на углубленном уровне нескольких элементов содержания из различных содержательных блоков.

Определите, атомы каких из указанных в ряду элементов в основном состоянии содержат один неспаренный электрон.
Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.
Ответ:

Ответ: 23
Пояснение:
Запишем электронную формулу для каждого из указанных химических элементов и изобразим электроно-графическую формулу последнего электронного уровня:
1) S: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

2) Na: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1

3) Al: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1

4) Si: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

5) Mg: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов в нужной последовательности.

Ответ: 352
Пояснение:
В главных подгруппах таблицы Менделеева металлы расположены под диагональю бор-астат, а также в побочных подгруппах. Таким образом, к металлам из указанного списка относятся Na, Al и Mg.
Металлические и, следовательно, восстановительные свойства элементов возрастают при движении влево по периоду и вниз по подгруппе.
Таким образом, металлические свойства перечисленных выше металлов возрастают в ряду Al, Mg, Na

Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

Ответ: 14
Пояснение:
Основные степени окисления элементов из представленного списка в сложных веществах:
Сера – «-2», «+4» и «+6»
Натрий Na – «+1» (единственная)
Алюминий Al – «+3» (единственная)
Кремний Si – «-4», «+4»
Магний Mg – «+2» (единственная)

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, в которых присутствует ионная химическая связь.

Ответ: 12

Пояснение:

Исходя из этого критерия, ионный тип связи имеет место в соединениях KCl и KNO 3 .

Помимо указанного выше признака, о наличии ионной связи в соединении можно говорить, если в составе его структурной единицы содержится катион аммония (NH

4 + ) или его органические аналоги — катионы алкиламмония RNH 3 + , диалкиламония R 2 NH 2 + , триалкиламмония R 3 NH + и тетраалкиламмония R 4 N + , где R — некоторый углеводородный радикал. Например, ионный тип связи имеет место в соединении (CH 3 ) 4 NCl между катионом (CH 3 ) 4 + и хлорид-ионом Cl − .

Ответ: 241

Пояснение:

N 2 O 3 – оксид неметалла. Все оксиды неметаллов кроме N 2 O, NO, SiO и CO относятся к кислотным.

HClO 4 = H + + ClO 4 —

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, с каждым из которых взаимодействует цинк.

1) азотная кислота (р-р)

2) гидроксид железа(II)

3) сульфат магния (р-р)

4) гидроксид натрия (р-р)

5) хлорид алюминия (р-р)

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 14

Пояснение:

1) Азотная кислота – сильный окислитель и реагирует со всеми металлами кроме платины и золота.

3) Сульфат магния – соль более активного металла, чем цинк, в связи с чем реакция не протекает.

4) Гидроксид натрия – щелочь (растворимый гидроксид металла). С щелочами из металлов работают только Be, Zn, Al.

5) AlCl 3 – соль более активного, чем цинк металла, т.е. реакция невозможна.

Из предложенного перечня веществ выберите два оксида, которые реагируют с водой.

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 14

Пояснение:

Таким образом, подходят варианты ответов 1 и 4:

BaO + H 2 O = Ba(OH) 2

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4

1) бромоводород

3) нитрат натрия

4) оксид серы(IV)

5) хлорид алюминия

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 52

Пояснение:

NH 3 + H 2 O NH 4 OH

3NH 3 + 3H 2 O + AlCl 3 = Al(OH) 3 + 3NH 4 Cl

В заданной схеме превращений

Cu X > CuCl 2 Y > CuI

веществами Х и Y являются:

Ответ: 35

Пояснение:

Cu + Cl 2 = CuCl 2

Иодид-ионы (I —) не могут сосуществовать в одном растворе с ионами двухвалентной меди, т.к. окисляются ими:

Cu 2+ + 3I — = CuI + I 2

УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ

А) H 2 + 2Li = 2LiH

Б) N 2 H 4 + H 2 = 2NH 3

В) N 2 O + H 2 = N 2 + H 2 O

Г) N 2 H 4 + 2N 2 O = 3N 2 + 2H 2 O

ОКИСЛИТЕЛЬ

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 1433
Пояснение:
Окислителем в реакции является то вещество, которое содержит элемент, понижающий свою степень окисления

ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА

РЕАГЕНТЫ

А) Cu(NO 3) 2

1) NaOH, Mg, Ba(OH) 2

2) HCl, LiOH, H 2 SO 4 (р-р)

3) BaCl 2 , Pb(NO 3) 2 , S

4) CH 3 COOH, KOH, FeS

5) O 2 , Br 2 , HNO 3

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 1215

Пояснение:

Cu(NO 3) 2 + 2NaOH = 2NaNO 3 + Cu(OH) 2 ↓

Cu(NO 3) 2 + Ba(OH) 2 = Na(NO 3) 2 + Cu(OH) 2 ↓

Cu(NO 3) 2 + Mg = Mg(NO 3) 2 + Cu

Al(OH) 3 + 3HCl = AlCl 3 + 3H 2 O

Al(OH) 3 + LiOH (р-р) = Li или Al(OH) 3 + LiOH(тв.) =to=> LiAlO 2 + 2H 2 O

2Al(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = Al 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

В) ZnCl 2 + NaOH и ZnCl 2 + Ba(OH) 2 – взаимодействие типа «соль + гидроксид металла». Объяснение дано в п.А.

ZnCl 2 + 2NaOH = Zn(OH) 2 + 2NaCl

ZnCl 2 + Ba(OH) 2 = Zn(OH) 2 + BaCl 2

Следует отметить, что при избытке NaOH и Ba(OH) 2:

ZnCl 2 + 4NaOH = Na 2 + 2NaCl

ZnCl 2 + 2Ba(OH) 2 = Ba + BaCl 2

Г) Br 2 , O 2 – сильные окислители. Из металлов не реагируют только с серебром, платиной, золотом:

Cu + Br 2 t° > CuBr 2

2Cu + O 2 t° > 2CuO

4HNO 3(конц.) + Cu = Cu(NO 3)2 + 2NO 2 + 2H 2 O

8HNO 3(разб.) + 3Cu = 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 231

Пояснение:

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, которые являются изомерами циклопентана.

1) 2-метилбутан

2) 1,2-диметилциклопропан

3) пентен-2

4) гексен-2

5) циклопентен

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 23
Пояснение:
Циклопентан имеет молекулярную формулу C 5 H 10 . Напишем структурные и молекулярные формулы перечисленных в условии веществ

Название вещества	Структурная формула	Молекулярная формула
циклопентан		C 5 H 10
2-метилбутан		C 5 H 12
1,2-диметилциклопропан		C 5 H 10
пентен-2		C 5 H 10
гексен-2		C 6 H 12
циклопентен		C 5 H 8

1) метилбензол

2) циклогексан

3) метилпропан

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 15

Пояснение:

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, с которыми взаимодействует фенол.

1) соляная кислота

2) гидроксид натрия

4) азотная кислота

5) сульфат натрия

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 24

Пояснение:

C 6 H 5 OH + NaOH = C 6 H 5 ONa + H 2 O

Из предложенного перечня веществ выберите два вещества, которые подвергаются гидролизу.

1) глюкоза

2) сахароза

3) фруктоза

5) крахмал

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 25

Пояснение:

Задана следующая схема превращений веществ:

1,2-дибромэтан → X → бромэтан → Y → этилформиат

Определите, какие из указанных веществ являются веществами Х и Y.

2) этаналь

4) хлорэтан

5) ацетилен

Запишите в таблицу номера выбранных веществ под соответствующими буквами.

Ответ: 31

Пояснение:

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 2134

Пояснение:

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 6134

Пояснение:

Альдегиды и кетоны восстанавливаются водородом в присутствии никеля, платины или палладия до спиртов:

Первичные и вторичные спирты окисляются раскаленным CuO до альдегидов и кетонов соответственно:

1) нитрат алюминия

2) гидрокарбонат калия

3) гидроксид алюминия

4) карбонат аммония

5) нитрат аммония

Запишите в поле ответа номера выбранных веществ.

Ответ: 15

Пояснение:

Нитрат аммония разлагается на оксид азота (I) и воду. Реакция относится к ОВР:

1) понижение температуры

2) повышение давления в системе

5) использование ингибитора

Запишите в поле ответа номера выбранных внешних воздействий.

Ответ: 24

Пояснение:

1) понижение температуры:

Скорость любой реакции при понижении температуры снижается

2) повышение давления в системе:

3) уменьшение концентрации водорода

Уменьшение концентрации всегда снижает скорость реакции

4) увеличение концентрации азота

Увеличение концентрации реагентов всегда повышает скорость реакции

5) использование ингибитора

Ингибиторами называют вещества, которые замедляют скорость реакции.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 5251

Пояснение:

А) NaBr → Na + + Br —

За катод между собой конкурируют катионы Na + и молекулы воды.

2H 2 O + 2e — → H 2 + 2OH —

2Cl — -2e → Cl 2

Б) Mg(NO 3) 2 → Mg 2+ + 2NO 3 —

За катод между собой конкурируют катионы Mg 2+ и молекулы воды.

2H 2 O + 2e — → H 2 + 2OH —

За анод между собой конкурируют анионы NO 3 — и молекулы воды.

2H 2 O — 4e — → O 2 + 4H +

Таким образом, подходит ответ 2 (водород и кислород).

В) AlCl 3 → Al 3+ + 3Cl —

2H 2 O + 2e — → H 2 + 2OH —

За анод между собой конкурируют анионы Cl — и молекулы воды.

Анионы, состоящие из одного химического элемента (кроме F —) выигрывают конкуренцию у молекул воды за окисление на аноде:

2Cl — -2e → Cl 2

Таким образом подходит вариант ответа 5 (водород и галоген).

Г) CuSO 4 → Cu 2+ + SO 4 2-

Катионы металлов правее водорода в ряду активности легко восстанавливаются в условиях водного раствора:

Cu 2+ + 2e → Cu 0

2H 2 O — 4e — → O 2 + 4H +

Таким образом подходит вариант ответа 1 (кислород и металл).

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 3312

Пояснение:

А) сульфат железа(III) — Fe 2 (SO 4) 3

образован слабым «основанием» Fe(OH) 3 и сильной кислотой H 2 SO 4 . Вывод — среда кислая

Б) хлорид хрома(III) — CrCl 3

образован слабым «основанием» Cr(OH) 3 и сильной кислотой HCl. Вывод — среда кислая

В) сульфат натрия — Na 2 SO 4

Образован сильным основанием NaOH и сильной кислотой H 2 SO 4 . Вывод — среда нейтральная

Г) сульфид натрия — Na 2 S

Образован сильным основанием NaOH и слабой кислотой H 2 S. Вывод — среда щелочная.

Установите соответствие между способом воздействия на равновесную систему

СO (г) + Cl 2(г) СOCl 2(г) + Q

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 3113

Пояснение:

ВЕЩЕСТВА

А) FeSO 4 и FeCl 2

Б) Na 3 PO 4 и Na 2 SO 4

В) KOH и Ca(OH) 2

Г) KОН и KCl

РЕАГЕНТ

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 3454

Пояснение:

FeSO 4 + BaCl 2 = BaSO 4 ↓ + FeCl 2

В случае FeCl 2 никаких видимых признаков взаимодействия нет, поскольку реакция не протекает.

2Na 3 PO 4 + 3MgCl 2 = Mg 3 (PO 4) 2 ↓ + 6NaCl

Ca(OH) 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaOH

MgCl 2 + 2KОН = Mg(OH) 2 ↓ + 2KCl

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Ответ: 2331
Пояснение:
Аммиак — используется в производстве азотистых удобрений. В частности, аммиак является сырьем для производства азотной кислоты, из которой в свою очередь получают удобрения — натриевую, калиевую и аммиачную селитры (NaNO 3 , KNO 3 , NH 4 NO 3).
Тетрахлорид углерода и ацетон используются в качестве растворителей.
Этилен используется для получения высокомолекулярных соединений (полимеров), а именно полиэтилена.

MgO (тв.) + CO 2(г) → MgCO 3(тв.) + 102 кДж,

Ответ: ___________________________ кДж.

Ответ: 204

Пояснение:

Рассчитаем количество вещества углекислого газа:

n(CO 2) = n(CO 2)/ M(CO 2) = 88/44 = 2 моль,

1 моль CO 2 – 102 кДж

2 моль CO 2 – x кДж

Следовательно, справедливо уравнение:

1 ∙ x = 2 ∙ 102

Ответ: ___________________________ г.

Ответ: 6,5

Пояснение:

Запишем уравнение реакции:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2

Рассчитаем количество вещества водорода:

n(H 2) = V(H 2)/V m = 2,24/22,4 = 0,1 моль.

n(Zn) = n(H 2) = 0,1 моль, следовательно:

m(Zn) = n(Zn) ∙ M(Zn) = 0,1 ∙ 65 = 6,5 г.

Не забудьте перенести все ответы в бланк ответов № 1 в соответствии с инструкцией по выполнению работы.

C 6 H 5 COOH + CH 3 OH = C 6 H 5 COOCH 3 + H 2 O

Ответ:

Пояснение:

Гидрокарбонат натрия при нагревании разлагается в соответствии с уравнением:

2NaHCO 3 → Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O (I)

Na 2 CO 3 + 2HCl → 2NaCl + CO 2 + H 2 O (II)

Вычисли количество вещества гидрокарбоната натрия и карбоната натрия:

n(NaHCO 3) = m(NaHCO 3)/M(NaHCO 3) = 43,34 г/84 г/моль ≈ 0,516 моль,

следовательно,

n(Na 2 CO 3) =0,516 моль/2 = 0,258 моль.

Рассчитаем количество углекислого газа образовавшегося по реакции (II):

n(CO 2) = n(Na 2 CO 3) = 0,258 моль.

Вычислим массу чистого гидроксида натрия и его количество вещества:

m(NaOH) = m р-ра (NaOH) ∙ ω(NaOH)/100% = 100 г ∙ 10%/100% = 10 г;

n(NaOH) = m(NaOH)/ M(NaOH) = 10/40 = 0,25 моль.

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O (при избытке щелочи)

NaOH + CO 2 = NaHCO 3 (при избытке углекислого газа)

По расчетам ν(CO 2) > ν(NaOH), следовательно:

n(NaOH)/n(CO 2) ≤ 1

NaOH + CO 2 = NaHCO 3 (III)

Расчет проводим по недостатку щелочи. По уравнению реакци (III):

n(NaHCO 3) = n(NaOH) = 0,25 моль, следовательно:

m(NaHCO 3) = 0,25 моль ∙ 84 г/моль = 21 г.

m(CO 2) = 0,25 моль ∙ 44 г/моль = 11 г.

Тогда, масса раствора равна:

m(р-ра) = m(р-ра NaOH) + m(CO 2) = 100 г + 11 г = 111 г,

а массовая доля гидрокарбоната натрия в растворе таким образом будет равна:

ω(NaHCO 3) = 21 г/111 г ∙ 100% ≈ 18,92%.

На основании данных условия задачи:

1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества;

2) запишите молекулярную формулу органического вещества;

4) напишите уравнение реакции гидратации органического вещества.

Ответ:

Пояснение:

n(CO 2) = 26,88 л/22,4 л/моль = 1,2 моль;

n(CO 2) = n(C) = 1,2 моль; m(C) = 1,2 моль ∙ 12 г/моль = 14,4 г.

n(H 2 O) = 16,2 г/18 г/моль = 0,9 моль; n(H) = 0,9 моль ∙ 2 = 1,8 моль; m(H) = 1,8 г.

m(орг. в-ва) = m(C) + m(H) = 16,2 г, следовательно, в органическом веществе кислорода нет.

Общая формула органического соединения — C x H y .

x: y = ν(C) : ν(H) = 1,2: 1,8 = 1: 1,5 = 2: 3 = 4: 6

2) Молекулярная формула органического вещества – C 4 H 6 .

CH 3 -C≡C-CH 3

4) Гидратация алкинов протекает в присутствии солей двухвалентной ртути:

Видеокурс «Получи пятерку» включает все темы, необходимые для успешной сдачи ЕГЭ по математике на 60-65 баллов. Полностью все задачи 1-13 Профильного ЕГЭ по математике. Подходит также для сдачи Базового ЕГЭ по математике. Если вы хотите сдать ЕГЭ на 90-100 баллов, вам надо решать часть 1 за 30 минут и без ошибок!

Курс подготовки к ЕГЭ для 10-11 класса, а также для преподавателей. Все необходимое, чтобы решить часть 1 ЕГЭ по математике (первые 12 задач) и задачу 13 (тригонометрия). А это более 70 баллов на ЕГЭ, и без них не обойтись ни стобалльнику, ни гуманитарию.

Вся необходимая теория. Быстрые способы решения, ловушки и секреты ЕГЭ. Разобраны все актуальные задания части 1 из Банка заданий ФИПИ. Курс полностью соответствует требованиям ЕГЭ-2018.

Курс содержит 5 больших тем, по 2,5 часа каждая. Каждая тема дается с нуля, просто и понятно.

Сотни заданий ЕГЭ. Текстовые задачи и теория вероятностей. Простые и легко запоминаемые алгоритмы решения задач. Геометрия. Теория, справочный материал, разбор всех типов заданий ЕГЭ. Стереометрия. Хитрые приемы решения, полезные шпаргалки, развитие пространственного воображения. Тригонометрия с нуля — до задачи 13. Понимание вместо зубрежки. Наглядное объяснение сложных понятий. Алгебра. Корни, степени и логарифмы, функция и производная. База для решения сложных задач 2 части ЕГЭ.

М.: 2017. — 120 с.

Типовые тестовые задания по химии содержат 10 вариантов комплектов заданий, составленных с учетом всех особенностей и требований Единого государственного экзамена в 2017 году. Назначение пособия — предоставить читателям информацию о структуре и содержании КИМ 2017 года по химии, степени трудности заданий. В сборнике даны ответы на все варианты тестов и приводятся решения всех заданий одного из вариантов. Кроме того, приведены образцы бланков, используемых на ЕГЭ, для записи ответов и решений. Автор заданий — ведущий ученый, преподаватель и методист, принимающий непосредственное участие в разработке контрольных измерительных материалов ЕГЭ. Пособие предназначено учителям для подготовки учащихся к экзамену по химии, а также учащимся-старшеклассникам и выпускникам — для самоподготовки и самоконтроля.

Формат: pdf

Размер: 1,5 Мб

Смотреть, скачать: drive.google

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 4
Инструкция по выполнению работы 5
ВАРИАНТ 1 8
Часть 1 8
Часть 2 , 15
ВАРИАНТ 2 17
Часть 1 17
Часть 2 24
ВАРИАНТ 3 26
Часть 1 26
Часть 2 33
ВАРИАНТ 4 35
Часть 1 35
Часть 2 41
ВАРИАНТ 5 43
Часть 1 43
Часть 2 49
ВАРИАНТ 6 51
Часть 1 51
Часть 2 57
ВАРИАНТ 7 59
Часть 1 59
Часть 2 65
ВАРИАНТ 8 67
Часть 1 67
Часть 2 73
ВАРИАНТ 9 75
Часть 1 75
Часть 2 81
ВАРИАНТ 10 83
Часть 1 83
Часть 2 89
ОТВЕТЫ И РЕШЕНИЯ 91
Ответы к заданиям части 1 91
Решения и ответы к заданиям части 2 93
Решение заданий варианта 10 99
Часть 1 99
Часть 2 113

Настоящее учебное пособие представляет собой сборник заданий для подготовки к сдаче Единого государственного экзамена (ЕГЭ) по химии, который является как выпускным экзаменом за курс средней школы, так и вступительным экзаменом в вуз. Структура пособия отражает современные требования к процедуре сдачи ЕГЭ по химии, что позволит вам лучше подготовиться к новым формам выпускной аттестации и к поступлению в вузы.
Пособие состоит из 10 вариантов заданий, которые по форме и содержанию приближены к демоверсии ЕГЭ и не выходят за рамки содержания курса химии, нормативно определенного Федеральным компонентом государственного стандарта общего образования. Химия (приказ Минобразования № 1089 от 05.03.2004 г.).
Уровень предъявления содержания учебного материала в заданиях соотнесен с требованиями государственного стандарта к подготовке выпускников средней (полной) школы по химии.
В контрольных измерительных материалах Единого государственного экзамена используются задания трех типов:
— задания базового уровня сложности с кратким ответом,
— задания повышенного уровня сложности с кратким ответом,
— задания высокого уровня сложности с развернутым ответом.
Каждый вариант экзаменационной работы построен по единому плану. Работа состоит из двух частей, включающих в себя суммарно 34 задания. Часть 1 содержит 29 заданий с кратким ответом, в их числе 20 заданий базового уровня сложности и 9 заданий повышенного уровня сложности. Часть 2 содержит 5 заданий высокого уровня сложности, с развернутым ответом (задания под номерами 30-34).
В заданиях высокого уровня сложности текст решения записывается на специальном бланке. Задания именно этого типа составляют основную часть письменной работы по химии на вступительных экзаменах в вузы.

Глава 7 — Алканы и галогенированные углеводороды — Химия

Глава 7: Алканы и галогенированные углеводороды

Этот текст опубликован под лицензией Creative Commons, для ссылки и адаптации нажмите здесь.

Вступительное эссе

7.1 Распознавание органических структур

7.2 Знакомство с алканами

Алканы с прямой цепью

Алканы с разветвленной цепью

Циклоалканы

Классификация углеродных облигаций

7.3 Свойства алканов

Точки плавления и кипения

Растворимость

Свойства алканов и опасность для окружающей среды: внимательный взгляд

7.4 Химическая реакционная способность алканов

Реакции горения

Реакции галогенирования (Тип замещения)

Алканы крекинга

7.5 Краткое содержание главы

7.6 Упражнения в конце главы

7.7 Ссылки

Вступительное эссе

Углеводороды — это простейшие органические соединения, но они обладают интересными физиологическими эффектами. Эти эффекты зависят от размера молекул углеводородов и от того, на каком участке тела или в теле они применяются. Алканы с низкой молярной массой — от 1 до примерно 10 или около того атомов углерода — представляют собой газы или легкие жидкости, которые действуют как анестетики. Вдыхание («нюхание») этих углеводородов в бензине или аэрозольных пропеллентах из-за их опьяняющего действия является серьезной проблемой для здоровья, которая может привести к повреждению печени, почек или мозга или к немедленной смерти от удушья из-за отсутствия кислорода.Канистры под давлением с пропаном и бутаном, оба из которых предназначены для использования в качестве топлива, используются как ингалянты.

Рисунок 7.1. Ряд продуктов на нефтяной основе, которыми можно злоупотреблять в качестве ингалянтов . Автор фото: Лэнс Капрал. Мэтью К. Хакер

Проглоченные жидкие алканы в желудке не причиняют большого вреда. Однако в легких они вызывают «химическую» пневмонию, растворяя жироподобные молекулы клеточных мембран в крошечных воздушных мешочках (альвеолах).Легкие перестают выводить жидкость, как при пневмонии, вызванной бактериями или вирусами. Людей, которые проглотили бензин или другие смеси жидких алканов, не следует вызывать рвоту, поскольку это увеличивает вероятность попадания алканов в легкие. (Противоядия от отравления бензином в домашних условиях не существует; позвоните в токсикологический центр.)

Жидкие алканы, содержащие приблизительно 5–16 атомов углерода на молекулу, смывают натуральные кожные кожные кожные покровы и вызывают высыхание и растрескивание кожи, в то время как более тяжелые жидкие алканы (содержащие приблизительно 17 или более атомов углерода на молекулу) действуют как смягчающие вещества (смягчители кожи).В качестве защитной пленки можно использовать такие смеси алканов, как минеральное масло и вазелин. Вода и водные растворы, такие как моча, не растворяют такую пленку, что объясняет, почему вазелин защищает нежную кожу ребенка от опрелостей.

В этой главе мы исследуем алканы, соединения, содержащие только два элемента, углерод и водород, и имеющие только одинарные связи. Мы также будем исследовать алканы, в структуру которых входят галогены. Напомним, что галогены являются элементами семейства 7A в периодической таблице Менделеева и содержат репрезентативные элементы, такие как хлор, фтор, йод и бром.Есть несколько других видов углеводородов, различающихся типом связи между атомами углерода и свойствами, возникающими в результате этой связи. В главе 8 мы рассмотрим углеводороды с двойными связями, с тройными связями и с особым видом связи, называемым ароматичностью . Затем в главе 9 мы изучим некоторые соединения, которые считаются производными от углеводородов, путем замены одного или нескольких атомов водорода кислородсодержащей группой. Глава 10 посвящена органическим кислотам и основаниям.

(Вернуться к началу)

7.1 Распознавание органических структур

Цель обучения

Чтобы уметь распознавать состав и свойства, типичные для органических и неорганических соединений.

Ученые 18-го и начала 19-го веков изучали соединения, полученные из растений и животных, и назвали их органическими , поскольку они были изолированы от «организованных» (живых) систем.Соединения, выделенные из неживых систем, таких как горные породы и руды, атмосфера и океаны, были помечены как неорганические . В течение многих лет ученые считали, что органические соединения могут производиться только живыми организмами, потому что они обладают жизненной силой, присущей только живым системам. Теория жизненной силы начала приходить в упадок в 1828 году, когда немецкий химик Фридрих Велер синтезировал мочевину из неорганических исходных материалов. Он прореагировал цианат серебра (AgOCN) и хлорид аммония (NH ₄ Cl), ожидая получить цианат аммония (NH ₄ OCN).То, что он ожидал, описывается следующим уравнением.

AgOCN + NH ₄ Cl → AgCl + NH ₄ OCN

Вместо этого он обнаружил, что продукт представляет собой мочевину (NH ₂ CONH ₂), хорошо известное органическое вещество, легко выделяемое из мочи. Этот результат привел к серии экспериментов, в которых из неорганических исходных материалов были получены самые разные органические соединения. Теория жизненной силы постепенно исчезла, когда химики узнали, что они могут создавать многие органические соединения в лаборатории.

Сегодня Органическая химия был реклассифицирован как исследование соединений, содержащих углерод, а неорганическая химия — это изучение химии всех других элементов. Может показаться странным, что мы разделяем химию на две ветви — одну, которая рассматривает соединения только одного элемента, и другую, которая охватывает более 100 оставшихся элементов. Однако такое разделение кажется более разумным, если учесть, что из десятков миллионов охарактеризованных соединений подавляющее большинство составляют соединения углерода.

Примечание

Слово органический имеет разные значения. Органические удобрения, такие как коровий навоз, являются органическими в первоначальном смысле; он получен из живых организмов. Органические продукты — это, как правило, продукты, выращенные без синтетических пестицидов и удобрений. Органическая химия — это химия соединений углерода. Углерод уникален среди других элементов тем, что его атомы могут образовывать стабильные ковалентные связи друг с другом и с атомами других элементов во множестве вариаций.Полученные молекулы могут содержать от одного до миллионов атомов углерода.

Органические соединения, как и неорганические соединения, подчиняются всем законам природы. Часто нет четкого различия в химических или физических свойствах между органическими и неорганическими молекулами. Тем не менее, полезно сравнить типичные представители каждого класса, как в таблице 7.1 (помните, однако, что есть исключения для каждой категории в этой таблице.) Чтобы дополнительно проиллюстрировать типичные различия между органическими и неорганическими соединениями, таблица 7.1 также перечислены свойства неорганического соединения хлорида натрия (обычная поваренная соль, NaCl) и органического соединения гексана (C ₆ H ₁₄), растворителя, который используется для экстракции соевого масла из соевых бобов (среди прочего). Многие соединения можно классифицировать как органические или неорганические по наличию или отсутствию определенных типичных свойств, как показано в таблице 7.1.

Таблица 7.1 Общие контрастные свойства и примеры органических и неорганических соединений

Упражнения по обзору концепции: нажмите, чтобы ответить на вопросы

Ключевые вынос
Органическая химия — это изучение углеродных соединений, почти все из которых также содержат атомы водорода.
Дополнительная практика
Классифицируйте каждое соединение как органическое или неорганическое.
C ₆ H ₁₀
CoCl ₂
С ₁₂ В ₂₂ О ₁₁
Классифицируйте каждое соединение как органическое или неорганическое.
CH ₃ NH ₂
NaNH ₂
Cu (NH ₃) ₆ Cl ₂
Какой член каждой пары имеет более высокую температуру плавления?
CH ₃ OH и NaOH
CH ₃ Cl и KCl
Какой член каждой пары имеет более высокую температуру плавления?
C ₂ H ₆ и CoCl ₂
CH ₄ и LiH
Ответы на нечетные вопросы:
органические
неорганическое
органические
(Вернуться к началу)
7.2 Введение в алканы
Алканы — это органические соединения, которые полностью состоят из одинарных атомов углерода и водорода и лишены каких-либо других функциональных групп. Алканы имеют общую формулу C _n H _2n +2 и могут быть подразделены на следующие три группы: линейные алканы с прямой цепью, разветвленные алканы и циклоалканы (рис. 7.2). Алканы также представляют собой насыщенных углеводородов, , то есть все атомы углерода «насыщены» атомами водорода и не содержат никаких углерод-углеродных двойных или тройных связей.Алканы — это простейшие и наименее химически активные углеводородные соединения, содержащие только углерод и водород. Они имеют большое коммерческое значение, поскольку являются основным компонентом бензина и смазочных масел и широко используются в органической химии; хотя роль чистых алканов (таких как гексаны) делегируется в основном растворителям. Отличительной чертой алкана, отличающей его от других соединений, которые также содержат исключительно углерод и водород, является отсутствие ненасыщенности.Другими словами, он не содержит двойных или тройных связей, которые обладают высокой реакционной способностью в органической химии. Хотя они не полностью лишены реакционной способности, их отсутствие реакционной способности в большинстве лабораторных условий делает их относительно неинтересным, но очень важным компонентом органической химии. Как вы узнаете позже, энергия, заключенная в углерод-углеродной связи и углерод-водородной связи, довольно высока, и их быстрое окисление производит большое количество тепла, обычно в форме огня.
Рисунок 7.2. Примеры алканов
Алканы с прямой цепью
Алканы с прямой цепью, метан (CH ₄), этан (C ₂ H ₆) и пропан (C ₃ H ₈) представляют собой начало ряда соединений, в которых любые два члены в последовательности отличаются одним атомом углерода и двумя атомами водорода, а именно единицей CH ₂ (рис. 7.3)
Рисунок 7.3 Три простейших алкана
Первые 10 членов этой серии приведены в таблице 7.2. Обратите внимание, что по мере увеличения длины углеродной цепи количество возможных различных структурных изомеров также увеличивается.
Таблица 7.2 Первые 10 алканов с прямой цепью
Начиная с пропана (C ₃ H ₈₎ и далее, вы заметите, что единственная разница между углеводородами с более длинной цепью заключается в добавлении единиц CH ₂ по мере продвижения вверх по ряду (рис.7.4). Любое семейство соединений, в котором соседние члены отличаются друг от друга определенным фактором (здесь группа CH ₂), называется гомологической серией и может быть определено математически. Члены такой серии называли гомологами . В органической химии гомологи обладают свойствами, которые меняются регулярно и предсказуемо. Таким образом, принцип гомологии обеспечивает организацию органической химии во многом так же, как периодическая таблица дает организацию неорганической химии.Вместо ошеломляющего множества отдельных углеродных соединений мы можем изучить несколько членов гомологического ряда и на их основе вывести некоторые свойства других соединений в этом ряду.
Рисунок 7.4 Члены гомологической серии
Обратите внимание, что на рис. 7.4 каждая последующая формула включает на один атом углерода и на два атома водорода больше, чем предыдущая формула. Принцип гомологии позволяет записать общую формулу для алканов: C _n H ₂ _n _{+ 2}.Используя эту формулу, мы можем написать молекулярную формулу для любого алкана с заданным числом атомов углерода. Например, алкан с восемью атомами углерода имеет молекулярную формулу C ₈ H _{(2 × 8) + 2} = C ₈ H ₁₈.
Упражнения по обзору концепции
В гомологическом ряду алканов, какова молекулярная формула члена, расположенного чуть выше C ₈ H ₁₈?
Используйте общую формулу алканов, чтобы написать молекулярную формулу алкана с 12 атомами углерода.
Алканы с разветвленной цепью
Мы можем записать структуру бутана (C ₄ H ₁₀), разместив четыре атома углерода в ряд,
–C – C – C – C–
, а затем добавив достаточно атомов водорода, чтобы каждый атом углерода получил четыре связи:
Составной бутан имеет такую структуру, но есть другой способ соединить вместе 4 атома углерода и 10 атомов водорода. Поместите 3 атома углерода в ряд, а затем ответвите четвертый от среднего атома углерода:
Теперь мы добавляем достаточно атомов водорода, чтобы у каждого углерода четыре связи.
Существует углеводород, который соответствует этой структуре, что означает, что два разных соединения имеют одинаковую молекулярную формулу (C ₄ H ₁₀), но разное расположение атомов в пространстве. Напомним, что соединения, имеющие ту же молекулярную формулу, но другое расположение в пространстве, называются структурными изомерами . Структурные изомеры обладают разными химическими и физическими свойствами. На рис. 7.5 показана модель шара и стержня для бутана с прямой цепью и разветвленного изомера изобутана.
Рис. 7.5 Бутан и изобутан. Шарообразные модели этих двух соединений показывают, что они являются изомерами; оба имеют молекулярную формулу C ₄ H ₁₀.
Обратите внимание, что C ₄ H ₁₀ изображена с изогнутой цепью на рисунке 7.5. Цепь из четырех атомов углерода может быть изогнута по-разному, поскольку группы могут свободно вращаться вокруг связей C – C. Однако это вращение не меняет идентичности соединения.Важно понимать, что изгиб цепи , а не не изменяет идентичность соединения; все следующие элементы представляют собой одно и то же соединение:
Формула изобутана показывает непрерывную цепочку только из трех атомов углерода, с четвертым присоединенным в качестве ответвления от среднего атома углерода непрерывной цепи.
В отличие от C ₄ H ₁₀, соединения метана (CH ₄), этана (C ₂ H ₆) и пропана (C ₃ H ₈) не существуют в изомерных формы, потому что существует только один способ расположить атомы в каждой формуле так, чтобы каждый атом углерода имел четыре связи.
Примечание
Непрерывную (неразветвленную) цепочку атомов углерода часто называют прямой цепью , хотя тетраэдрическое расположение каждого углерода придает ей зигзагообразную форму. Алканы с прямой цепью иногда называют нормальными алканами , и их названиям дается префикс n -. Например, бутан называется n -бутан.
Упражнения по обзору концепции
В алканах может быть двухуглеродная ветвь от второго углеродного атома четырехуглеродной цепи? Объяснять.
Студенту предлагается написать структурные формулы для двух разных углеводородов, имеющих молекулярную формулу C ₅ H ₁₂. Она пишет одну формулу со всеми пятью атомами углерода в горизонтальной линии, а другую с четырьмя атомами углерода в линию, с группой CH ₃, идущей вниз от первого, присоединенной к третьему атому углерода. Представляют ли эти структурные формулы разные молекулярные формулы? Объясните, почему да или почему нет.
Ответы
Нет; ветвь будет самой длинной непрерывной цепочкой из пяти атомов углерода.
Нет; оба представляют собой непрерывные цепи из пяти атомов углерода.
Ключевые вынос
Алканы с четырьмя или более атомами углерода могут существовать в изомерных формах.
Упражнения
Кратко опишите важные различия между алканом с прямой цепью и алканом с разветвленной цепью.
Изобразите структурные изомеры следующих алканов.
Укажите, представляют ли структуры в каждом наборе одно и то же соединение или изомеры.
Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ и
Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ и
Ответы
Алканы с прямой цепью и алканы с разветвленной цепью имеют разные свойства, а также разную структуру.
Дополнительная практика
Напишите сжатую структурную формулу для каждой структурной формулы.
Конденсированная структурная формула изогексана может быть записана как (CH ₃) ₂ CHCH ₂ CH ₂ CH ₃. Нарисуйте формулу линейного угла для изогексана.
Нарисуйте формулу линейного угла для соединения CH ₃ CH ₂ CH (CH ₃) CH ₂ CH ₂ CH ₃.
Приведите структурную формулу соединения, представленного этой формулой линейного угла:
(Вернуться к началу)
Циклоалканы
Циклоалканы очень важны в компонентах пищевых продуктов, фармацевтических препаратов и многого другого.Однако, чтобы использовать циклоалканы в таких приложениях, мы должны знать эффекты, функции, свойства и структуру циклоалканов. Циклоалканы — это алканы, имеющие форму кольца; следовательно, для названия этих алканов используется префикс цикло- . Стабильные циклоалканы не могут образовываться с углеродными цепями любой длины. Напомним, что в алканах углерод принимает тетраэдрическую геометрию, в которой углы между связями составляют 109,5 °.
Источник: Википедия
Для образования некоторых циклоалканов угол между связями должен отклоняться от этого идеального угла, эффект известен как угловая деформация .Кроме того, некоторые атомы водорода могут оказаться ближе друг к другу, чем это желательно (затмиться), эффект, называемый деформацией кручения . Эти дестабилизирующие эффекты, угловая деформация и деформация кручения известны вместе как кольцевая деформация . Циклоалканы меньшего размера, циклопропан и циклобутан, имеют особенно высокие кольцевые деформации, поскольку их валентные углы существенно отклоняются от 109,5 °, а их атомы водорода затмевают друг друга. Таким образом, обе эти кольцевые конформации крайне неблагоприятны и нестабильны.Циклопентан — более стабильная молекула с небольшой степенью деформации кольца, в то время как циклогексан способен принять идеальную геометрию циклоалкана, в которой все углы составляют идеальные 109,5 ° и никакие водороды не затмеваются; у него вообще нет кольцевой деформации. Циклоалканы большего размера, чем циклогексан, имеют кольцевую деформацию и не так часто встречаются в органической химии. На рисунке 7.6 представлены примеры циклоалкановых структур.
Рисунок 7.6. Типичные циклоалкановые структуры. Указаны средние валентные углы и энергия деформации.
Для вашего здоровья: Циклопропан в качестве анестетика
Циклопропан с температурой кипения -33 ° C представляет собой газ при комнатной температуре. Это также мощный анестетик быстрого действия с небольшим количеством нежелательных побочных эффектов в организме. Однако он больше не используется в хирургии, поскольку образует взрывоопасные смеси с воздухом почти во всех концентрациях.
(Вернуться к началу)
Классификация углеродных облигаций
Атомов углерода, участвующих в химических связях внутри молекулы, можно классифицировать по количеству образующихся углерод-углеродных связей.
первичный атом углерода : один соседний углерод
вторичный атом углерода : два соседних атома углерода
третичный атом углерода : три соседних атома углерода
четвертичный атом углерода : четыре соседних атома углерода
Число соседних атомов углерода у атома углерода может помочь определить реакционную способность этого положения углерода. Таким образом, важно уметь распознать, является ли атом углерода первичным, вторичным, третичным или четвертичным по своей структуре (рис.7.7).
Рисунок 7.7. Классификация атомов углерода на первичные, вторичные, третичные или четвертичные. В приведенных выше молекулах центральный углерод оценивается по количеству атомов углерода, которые непосредственно связаны с центральным углеродом. Первичный углерод связан с одним углеродом, вторичный углерод связан с двумя атомами углерода, третичный углерод связан с тремя атомами углерода, а четвертичный углерод связан с четырьмя атомами углерода.
В любой данной молекуле можно классифицировать каждый атом углерода (рис.7.8).
Рисунок 7.8. Классификация атомов углерода в молекуле
(Вернуться к началу)
7.3 Свойства алканов
Алканы — это простейшее семейство углеводородов — соединений, содержащих углерод и водород только с углеродно-водородными связями и одинарными углерод-углеродными связями. Алканы не очень реакционноспособны и обладают небольшой биологической активностью; все алканы не имеют цвета и запаха.Поскольку алканы обладают относительно предсказуемыми физическими свойствами и подвергаются относительно небольшому количеству химических реакций, кроме горения, они служат основой для сравнения свойств многих других семейств органических соединений. Давайте сначала рассмотрим их физические свойства.
В таблице 7.3 описаны некоторые свойства некоторых из первых 10 алканов с прямой цепью. Почти все алканы имеют плотность менее 1,0 г / мл и поэтому менее плотны, чем вода (плотность H ₂ O равна 1.00 г / мл при 20 ° C).
Таблица 7.3 Физические свойства некоторых алканов
Присмотритесь: плотность газа и опасность пожара
Таблица 7.3 показывает, что первые четыре члена алканового ряда являются газами при обычных температурах. Природный газ состоит в основном из метана, плотность которого составляет около 0,67 г / л. Плотность воздуха около 1,29 г / л. Поскольку природный газ менее плотен, чем воздух, он поднимается вверх.Когда утечка природного газа обнаружена и перекрыта в помещении, газ можно удалить, открыв верхнее окно. С другой стороны, баллонный газ может быть пропаном (плотность 1,88 г / л) или бутаном (смесь бутана и изобутана; плотность около 2,5 г / л). Оба намного тяжелее воздуха (плотность 1,2 г / л). Если баллонный газ попадает в здание, он собирается у пола. Это представляет гораздо более серьезную опасность возгорания, чем утечка природного газа, потому что избавить помещение от более тяжелого газа труднее.
(Вернуться к началу)
Точки плавления и кипения
И точки плавления, и точки кипения алканов являются характеристиками межмолекулярных сил, обнаруживаемых между молекулами. Разница в электроотрицательности углерода и водорода (2,1 — 1,9 = 0,2) мала; следовательно, связь C-H неполярна, а это означает, что единственными притяжениями между одной молекулой и ее соседями будут силы лондонской дисперсии.Эти силы будут очень малы для такой молекулы, как метан, но будут увеличиваться по мере увеличения размера молекул. Следовательно, температуры плавления и кипения алканов увеличиваются с увеличением размера молекулы из-за увеличения лондонских дисперсионных сил. (т.е. межмолекулярные силы сильнее в более крупных углеводородах, поэтому требуется больше энергии, чтобы вызвать фазовые изменения). На рис. 7.9 показаны тенденции плавления и кипения первых 16 углеводородов. Обратите внимание, что первые четыре алкана являются газами при комнатной температуре, а твердые частицы не начинают появляться примерно до C ₁₇ H ₃₆.

Рисунок 7.9. Точки плавления и кипения алканов с прямой цепью
По материалам: Techstepp
Что касается изомеров, то чем более разветвлена цепь, тем ниже температура кипения. Лондонские дисперсионные силы меньше для более коротких молекул и действуют только на очень коротких расстояниях между одной молекулой и ее соседями. Коротким объемным молекулам (со значительным количеством разветвлений) труднее располагаться близко друг к другу (компактным) по сравнению с длинными тонкими молекулами.Циклоалканы похожи на алканы по своим общим физическим свойствам, но имеют более высокие температуры кипения, плавления и плотности, чем алканы. Это происходит из-за более сильных сил Лондона, потому что форма кольца допускает большую площадь контакта.
(Вернуться к началу)
Растворимость
Алканы (как нормальные, так и циклоалканы) практически нерастворимы в воде, но растворяются в органических растворителях. Жидкие алканы являются хорошими растворителями для многих других ковалентных соединений.Когда молекулярное вещество растворяется в воде, должно происходить следующее:
нарушение межмолекулярных сил в веществе. В случае алканов это лондонские дисперсионные силы.
нарушение межмолекулярных сил в воде, чтобы вещество могло поместиться между молекулами воды. В воде основным межмолекулярным притяжением являются водородные связи.
Разрушение любого из этих аттракционов требует энергии, хотя количество энергии, необходимое для разрушения лондонских дисперсионных сил в соединении, таком как метан, относительно незначительно; это не относится к водородным связям в воде.Напомним, что водородные связи намного прочнее.
Чтобы упростить, вещество будет растворяться, если выделяется достаточно энергии при образовании новых связей между веществом и водой, чтобы восполнить энергию, необходимую для разрушения первоначального притяжения. Единственное новое притяжение между алканом и молекулами воды — это лондонские дисперсионные силы. Эти силы не выделяют достаточного количества энергии, чтобы компенсировать энергию, необходимую для разрыва водородных связей в воде.Следовательно, алкан не растворяется, как показано на рисунке 7.10.
Рисунок 7.10. Углеводороды с длинной цепью нерастворимы в воде. Ни насыщенные, ни ненасыщенные углеводороды в этом подсолнечном масле не обладают достаточно сильными межмолекулярными силами, чтобы разрушить водородные связи между молекулами воды. Таким образом, масло не растворяется в воде и образует пузырьки масла на поверхности границы раздела вода / масло.В этом случае масло менее плотное, чем вода, и будет плавать поверх слоя воды.
Растворимость в органических растворителях
В большинстве органических растворителей основными силами притяжения между молекулами растворителя являются дисперсионные силы Лондона. Следовательно, когда алкан растворяется в органическом растворителе, дисперсионные силы Лондона нарушаются и заменяются новыми дисперсионными силами Лондона между смесью. Эти два процесса более или менее энергетически нейтрализуют друг друга; таким образом, нет барьера для растворимости.
(Вернуться к началу)
Свойства алканов и опасность для окружающей среды: внимательный взгляд
Из-за растворимости и плотности алканов разливы нефти в океане или других водоемах могут иметь разрушительные экологические последствия. Нефть не может растворяться или смешиваться с водой, и поскольку она менее плотная, чем вода, она плавает на поверхности воды, образуя нефтяное пятно, как показано на рисунке 7.11. Поскольку нефтяное пятно остается на поверхности воды, организмы, наиболее подверженные воздействию нефтяных пятен, — это организмы, обитающие на поверхности океана или вблизи береговой линии, включая каланов и морских птиц.Химические составляющие масла токсичны при проглатывании, вдыхании, раздражении кожи и глаз.
Рисунок 7.11 Разливы нефти. Нефть покрывает поверхность воды в Мексиканском заливе после того, как нефтяная вышка Deepwater Horizon затонула в результате взрыва. Утечка была на милю ниже поверхности, что затрудняло оценку размера разлива. Один литр масла может создать пятно размером 2,5 гектара (6,3 акра). Этот и аналогичные разливы служат напоминанием о том, что углеводороды и вода не смешиваются.
Источник: Фото любезно предоставлено NASA Goddard / MODIS Rapid Response Team.
Упражнения по обзору концепции
Не обращаясь к таблице, сделайте прогноз, у которого температура кипения выше — гексан или додекан. Объяснять.
Если к 100 мл воды в химическом стакане добавить 25 мл гексана, чего из следующего вы ожидаете? Объяснять.
Гексан растворяется в воде.
Гексан не растворяется в воде и плавает сверху.
Гексан не растворяется в воде и опускается на дно емкости.
Ответы
додекан в связи с его большей молярной массой
б; гексан не растворим в воде и менее плотен, чем вода.
Ключевые вынос
Алканы — это неполярные соединения, низкокипящие и нерастворимые в воде.
Упражнения
Не обращаясь к таблице или другой справочной информации, спрогнозируйте, какой член каждой пары имеет более высокую точку кипения.
пентан или бутан
гептан или нонан
Для какого члена каждой пары гексан является хорошим растворителем?
пентан или вода
хлорид натрия или соевое масло
(Вернуться к началу)
7.4 Химическая реакционная способность алканов
Алканы содержат сильные одинарные углерод-углеродные связи и сильные углерод-водородные связи. Обе эти связи неполярны. Следовательно, в молекуле нет части, несущей сколько-нибудь значительный положительный или отрицательный заряд, который требуется для притяжения к ней других ионных и полярных молекул. Поэтому алканы обычно не реагируют с ионными соединениями, такими как большинство лабораторных кислот, оснований, окислителей или восстановителей.Рассмотрим, например, бутан:
Ни положительные, ни отрицательные ионы не притягиваются к неполярной молекуле. Фактически, алканы подвергаются так мало реакциям, что их иногда называют парафинами , от латинского parum affinis , что означает «слабое сродство».
В результате алканы обладают очень низкой реакционной способностью и подвергаются только трем основным типам реакций, включая следующие:
Реакции горения — сжечь их — уничтожить всю молекулу;
Реакции галогенирования (тип замещения) — реагируют с некоторыми галогенами, разрывая углерод-водородные связи;
Реакции крекинга — используют тепло и / или катализатор для крекинга алканов, разрыва углерод-углеродных связей.
Реакции горения
Сжигание соединений углерода, особенно углеводородов, было наиболее важным источником тепловой энергии для человеческих цивилизаций на протяжении всей истории человечества. Практическое значение этой реакции нельзя отрицать, но массивные и неконтролируемые химические изменения, происходящие при горении, затрудняют определение механистических путей. Используя в качестве примера горение пропана, мы видим из следующего уравнения, что каждая ковалентная связь в реагентах была разорвана, и в продуктах образовался совершенно новый набор ковалентных связей.Никакая другая обычная реакция не включает в себя столь глубоких и всепроникающих изменений, а механизм горения настолько сложен, что химики только начинают исследовать и понимать некоторые из его элементарных особенностей.
CH ₃ CH ₂ CH ₃ + 5O ₂ → 3CO ₂ + 4H ₂ O + тепло
Обратите внимание, что в приведенной выше реакции соединения в левой части стрелки называются субстратами или реагентами , а соединения в правой части стрелки являются продуктами реакции.Энергия, чаще всего выделяющаяся в виде тепла, может быть либо субстратом, либо продуктом реакции, в зависимости от вовлеченных соединений. Также обратите внимание, что ни один из атомов не теряется в рамках данного химического уравнения. Закон сохранения массы гласит, что материю нельзя ни создать, ни уничтожить. Таким образом, уравнение должно быть сбалансировано и иметь такое же количество атомов в левой части уравнения, что и в правой. Напомним, что коэффициенты уравнения определяют, сколько молей соединения присутствует, и что, если коэффициент не показан, по умолчанию он равен единице.Например, приведенное выше уравнение будет читаться так: 1 моль пропана (CH ₃ CH ₂ CH ₃) реагирует с 5 молями кислорода (O ₂) с образованием 3 моль диоксида углерода (CO ₂) и 4 моля воды (H ₂ O) и выделяется тепло.
Химические связи также содержат потенциальную энергию. Если вы думаете о природе связи, она удерживается энергией притяжения. Чтобы разорвать связи на стороне реагента уравнения, требуется энергия, в то время как образование связей на стороне продукта высвободит энергию.Если энергия, выделяемая при образовании связи, выше, чем энергия, необходимая для диссоциации связи, энергия будет высвобождаться в результате реакции. Эта энергия обычно измеряется как теплота реакции, которая называется энтальпией .
Важны два момента относительно этой реакции:
Поскольку все ковалентные связи в молекулах реагентов разорваны, количество тепла, выделяемого в этой реакции, связано с прочностью этих связей (и, конечно, прочностью связей, образующихся в продуктах).Эти температуры могут быть оценены с использованием энергии диссоциации / образования связи (энергия, необходимая для разрыва связи на стороне реагента уравнения и энергия, высвобождаемая при образовании связи на стороне продукта уравнения).
Стехиометрия реагентов также важна. Если подается недостаточное количество кислорода, некоторые продукты будут состоять из менее окисленного газообразного монооксида углерода (CO).
Например, если бы присутствовало только 4 моля кислорода, при сгорании одного моля пропана образовался бы только 1 моль диоксида углерода и 2 моля монооксида углерода.
CH ₃ CH ₂ CH ₃ + 4O ₂ → CO ₂ + 2CO + 4H ₂ O + тепло
Энергия связи
Атомы соединяются вместе, образуя соединения, потому что при этом они достигают более низких энергий, чем они обладают как отдельные атомы. Количество энергии, равное разнице между энергиями связанных атомов и энергиями отделенных атомов, обычно выделяется в виде тепла.То есть связанные атомы имеют более низкую энергию, чем отдельные атомы как отдельные атомы. Когда атомы объединяются в соединение, всегда выделяется энергия, и соединение имеет более низкую общую энергию.
Когда происходит химическая реакция, молекулярные связи разрываются и образуются другие связи, в результате чего образуются другие молекулы. Например, связи двух молекул воды разрываются с образованием водорода и кислорода.
2H ₂ O → 2H ₂ + O ₂
Для разрыва связи всегда требуется энергия, известная как энергия связи .Хотя концепция может показаться простой, энергия связи служит очень важной цели при описании структуры и характеристик молекулы. Его можно использовать для определения наиболее подходящей точечной структуры Льюиса при наличии нескольких точечных структур Льюиса.
Ключевые выводы:
Для разрыва связи всегда требуется энергия.
Энергия всегда высвобождается при заключении облигации.
Хотя каждая молекула имеет свою характерную энергию связи, возможны некоторые обобщения.Например, хотя точное значение энергии связи C – H зависит от конкретной молекулы, все связи C – H имеют примерно одинаковую энергию связи, поскольку все они являются связями C – H. Для разрыва 1 моля связи C – H требуется примерно 100 ккал энергии, поэтому мы говорим об энергии связи C – H как около 100 ккал / моль. Связь C – C имеет приблизительную энергию связи 80 ккал / моль, а связь C = C имеет энергию связи около 145 ккал / моль. Мы можем вычислить более общую энергию связи, найдя среднее значение энергии связи конкретной связи в разных молекулах, чтобы получить среднюю энергию связи.В таблице 7.2 представлен список средних значений энергии связи для обычных органических связей. Помните, что энергия может быть измерена в ккал или кДж, а коэффициент преобразования между ними составляет: 4,184 кДж = 1 ккал
руб.
Таблица 7.4: Средняя энергия связи (кДж / моль)
Одинарные облигации Множественные облигации
H — H
432
N — H
391
I — I
149
С = С
614
H — F
565
N — N
160
I — Cl
208
C ≡ C
839
H — Cl
427
N — F
272
I — Br
175
O = O
495
H — Br
363
N — Cl
200
C = O *
745
H — I
295
N — Br
243
S — H
347
C ≡ O
1072
N — O
201
S — F
327
N = O
607
C — H
413
O — H
467
S — Cl
253
N = N
418
C — C
347
O — O
146
S — Br
218
№№
941
C — N
305
O — F
190
S — S
266
C ≡ N
891
C — O
358
O — Cl
203
C = N
615
C — F
485
O — I
234
Si — Si
340
C — Cl
339
Si — H
393
C — Br
276
F — F
154
Si — C
360
C — I
240
F — Cl
253
Si — O
452
C — S
259
F — Br
237
Cl — Cl
239
Cl — Br
218
руб. —
193
* C = O дюйм (CO ₂) = 799
Когда связь прочная, энергия связи выше, потому что для разрыва прочной связи требуется больше энергии.Это коррелирует с порядком и длиной облигации. Когда порядок связи выше, длина связи короче, и чем короче длина связи, тем выше энергия связи из-за повышенного электрического притяжения. Как правило, чем короче длина связи, тем больше энергия связи.
Разрыв и образование облигации
Когда происходит химическая реакция, атомы в реагентах меняют свои химические связи, образуя продукты. Новое расположение связей не имеет такой же полной энергии, как связи в реагентах.Следовательно, когда происходят химические реакции, , всегда будет сопутствующее изменение энергии . Изменение энергии реакции или теплота реакции называется энтальпией . Он представлен математическим символом ΔH и рассчитывается как разность энергии, необходимой для разрыва связей реагентов, за вычетом энергии, высвобождаемой при образовании связей в продуктах.
ΔH = Энергия реагентов — Энергия продуктов
Рисунок 7.12: Энтальпия реакции. (верхняя реакция) Экзотермические реакции. При экзотермической химической реакции выделяется энергия, поскольку реагенты превращаются в продукты. (низшая реакция) Эндотермические реакции. При эндотермической химической реакции энергия поглощается, поскольку реагенты превращаются в продукты.
В некоторых реакциях энергия образующихся продуктов ниже энергии реагентов. Таким образом, в ходе реакции избыточная энергия, выделяемая при образовании продукта, будет передаваться в окружающую среду.Такие реакции являются экзотермическими и могут быть представлены диаграммой уровней энергии на рис. 7.12 (верхний). В большинстве случаев энергия выделяется в виде тепла (хотя некоторые реакции выделяют энергию в виде света). В химических реакциях, где продукты имеют более высокую энергию, чем реагенты, реагенты должны поглощать энергию из окружающей среды, чтобы иметь возможность вступать в реакцию. Эти реакции являются эндотермическими и могут быть представлены в виде диаграмм уровней энергии, подобных рисунку 7.12 (внизу).
Экзотермические и эндотермические реакции можно рассматривать как имеющие энергию либо как «продукт» реакции, либо как «реагент», соответственно.Экзотермические реакции высвобождают энергию, поэтому энергия — это продукт. Эндотермические реакции требуют энергии, поэтому энергия — это реагент.
Экзотермические реакции будут иметь отрицательную общую энтальпию, а эндотермические реакции будут иметь положительную общую энтальпию.
ΔH = Энергия реагентов — Энергия продуктов
Энергия реакции может быть обработана стехиометрически внутри реакции так же, как любое из соединений внутри реакции.При сжигании метана, CH ₄, каждый сожженный моль выделяет 824 кДж энергии. Таким образом, легко подсчитать, сколько энергии выделяется при сжигании любого количества CH ₄. Мы также можем легко подсчитать, сколько CO ₂ образуется на каждый моль сожженного CH ₄, поскольку на каждый моль сожженного CH ₄ образуется один моль CO ₂.
(Вернуться к началу)
Полное сгорание (при наличии достаточного количества кислорода) любого углеводорода дает диоксида углерода (CO ₂) и воды (H ₂ O) .Очень важно, чтобы вы могли написать правильно сбалансированные уравнения для этих реакций, потому что они часто возникают как часть термохимических расчетов. Некоторые проще, чем другие. Например, для алканов алканы с четным числом атомов углерода немного сложнее, чем с нечетным числом!
Пример 1: Сжигание пропана
Например, с пропаном (C ₃ H ₈) вы можете сбалансировать углерод и водород, записывая уравнение.Ваш первый черновик будет:
C ₃ H ₈ +? O ₂ → 3CO ₂ + 4H ₂ O
Подсчет кислорода приводит непосредственно к окончательной версии:
C ₃ H ₈ + 5O ₂ → 3CO ₂ + 4H ₂ O
Пример 2: Сжигание бутана
С бутаном (C ₄ H ₁₀) вы снова можете уравновесить углерод и водород, записывая уравнение.
C ₄ H ₁₀ +? O ₂ → 4CO ₂ + 5H ₂ O
Подсчет кислорода приводит к небольшой проблеме — 13 справа. Наличие нечетного числа атомов кислорода на стороне продукта делает невозможным баланс с четным числом на стороне реагента. В подобных случаях начните пытаться сбалансировать уравнение, изменив кофактор перед алканом на 2. Затем повторно сбалансируйте углерод и водород на стороне продукта.В этом случае кислородное число должно быть положительным, и теперь вы сможете сбалансировать уравнение.
2C ₄ H ₁₀ + 13O ₂ → 8CO ₂ + 10H ₂ O
Углеводороды становится труднее воспламенять по мере того, как молекулы становятся больше. Это связано с тем, что более крупные молекулы не так легко испаряются — реакция будет намного лучше, если кислород и углеводород хорошо смешаны как газы. Если жидкость не очень летучая, только молекулы на поверхности могут реагировать с кислородом.Более крупные молекулы имеют большее притяжение Ван-дер-Ваальса, что затрудняет им отрыв от своих соседей и превращение в газ.
При полном сгорании все углеводороды будут гореть синим пламенем. Однако сгорание имеет тенденцию быть менее полным по мере увеличения количества атомов углерода в молекулах. Это означает, что чем больше углеводород, тем больше вероятность получить желтое дымное пламя.
Неполное сгорание
Неполное сгорание (при недостаточном количестве кислорода) может привести к образованию углерода или окиси углерода.Проще говоря, водород в углеводороде получает первый шанс у кислорода образовать воду в продукте, а углерод получает все, что осталось! Когда образуется только углерод, присутствие светящихся углеродных частиц в пламени делает его желтым, и черный углерод часто виден в дыме. Если некоторое количество кислорода может взаимодействовать с углеродом, но недостаточно для образования диоксида углерода (CO ₂), то оксид углерода (CO) образуется в виде бесцветного ядовитого газа.
Почему окись углерода ядовита: кислород переносится по крови гемоглобином, белком, содержащимся в красных кровяных тельцах.Углекислый газ также связывается с гемоглобином. Гемоглобин переносит кислород из ваших легких в каждую клетку вашего тела, где он отбрасывает кислород, улавливает углекислый газ и переносит его обратно в легкие. Затем гемоглобин будет заменять углекислый газ на кислород в воздухе, которым вы вдыхаете. Когда вы выдыхаете, вы выделяете углекислый газ. Окись углерода также может связываться с гемоглобином. Разница в том, что окись углерода связывается необратимо (или очень сильно), что делает эту конкретную молекулу гемоглобина бесполезной для переноса кислорода.Если вы вдохнете достаточно угарного газа, вы умрете от внутренней формы удушья!
Теплота сгорания
Теплота сгорания, ΔH _c, определяется как общая энергия, выделяемая в виде тепла, когда вещество полностью сгорает с кислородом при определенных стандартных условиях. Он рассчитывается так же, как рассчитывается энтальпия, однако он специфичен для набора стандартных условий. Теплота сгорания является полезной величиной, поскольку она является постоянной величиной для типа сжигаемого материала и может использоваться для сравнения эффективности и полезности различных источников топлива, наиболее часто используемых в обществе (нефть, бензин, природный газ, дизельное топливо, уголь). , дерево, водород, этанол и т. д.).В Соединенных Штатах номинальные значения нагрева обычно указываются в британских тепловых единицах (БТЕ) на фунт материала. Обычное преобразование в метрические единицы:
БТЕ / фунт = (кДж / кг) * 2,326
Теплота сгорания, ΔHc, значения обычных источников топлива и связанные с ними выбросы CO2 указаны в таблице 7.5
Таблица 7.5 Профиль теплоты сгорания и выбросов CO2 для обычных видов топлива
По материалам: EPA — (2014) и Википедия — Теплота сгорания
Нефть (от греческого: petra: «камень» + oleum : «нефть») — это встречающаяся в природе жидкость от желтого до черного цвета, обнаруживаемая в геологических формациях под поверхностью Земли, которая обычно перерабатывается в различные типы. топлива.Он состоит в основном из алканов, циклоалканов и алкенов различной длины и некоторых дополнительных второстепенных органических соединений. Алканы с пятью или более атомами углерода являются жидкостями и встречаются как обычные компоненты нефти (также называемой сырой нефтью ). Многие циклоалканы также содержатся в нефтепродуктах, включая бензин, керосин, дизельное топливо, моторное масло и многие другие тяжелые масла. С другой стороны, природный газ состоит преимущественно из метана (CH ₄), но также содержит этан (C ₂ H ₆), пропан (C ₃ H ₈) и бутан ( C ₄ H ₁₀).Природный газ также содержит следовые количества азота, диоксида углерода (CO ₂) и сероводорода (H ₂ S).
Компоненты нефти разделяются по размеру с помощью метода, называемого фракционной перегонкой. Полученные образцы включают бензин с содержанием алканов от пяти до десяти атомов углерода и керосин со смесью алканов с длиной углерода от десяти до семнадцати. Алканы с более длинными углеродными цепями содержатся в дизельном топливе, мазуте, вазелине, парафиновом воске, моторных маслах, а самые длинные цепи используются в асфальте.Подсчитано, что в мире ежедневно используется около 95 миллионов баррелей нефти! По оценкам Агентства по охране окружающей среды, каждый баррель нефти производит 0,43 метрических тонны CO ₂. Обратите внимание, что метрическая тонна эквивалентна 1000 кг. Это означает, что 40 850 000 метрических тонн CO ₂ или 40 850 000 000 кг CO ₂ выбрасываются в атмосферу каждый день только в результате потребления масла! Это почти 15 миллиардов метрических тонн CO ₂ в год! Этот расчет включает только потребление сырой нефти, а не других обычных источников топлива, таких как природный газ, уголь, древесина, и возобновляемых источников энергии, таких как этанол и биодизель.
Вверх для обсуждения:
Подсчитано, что в зимние месяцы в Орегоне для обогрева среднего дома с хорошей изоляцией требуется около 40 БТЕ в час на квадратный фут. Если бы у вас был дом площадью 2000 квадратных футов, сколько БТЕ вам потребовалось бы для обогрева собственного дома в течение 1 месяца? (предположим, 31 день в месяце). Если бы у вас был выбор отопления дома природным газом, углем (лигнитом) или дровами, сколько кг каждого из этих видов топлива потребовалось бы для обогрева вашего дома в течение одного месяца? Сколько СО2 будет производиться каждым видом топлива каждый зимний месяц?
(Вернуться к началу)
Реакции галогенирования (Тип замещения)
В присутствии тепла или света алканы могут реагировать с галогенами с образованием алкилгалогенидов (или галогеналканов). Этот тип реакции называется реакцией замещения , потому что атом галогена занимает место (или замещает) один из атомов водорода в структуре алкана. Следует отметить, что не все галогены одинаково реагируют с алканами.
Реакция между алканами и фтором: Эта реакция взрывоопасна даже на холоде и в темноте, и вы склонны получать углерод и фтороводород, а не желаемую реакцию замещения.Это не представляет особого интереса для химиков-органиков, поскольку реакция может быть очень опасной и не дает желаемого продукта. Например, желаемым продуктом может быть алкилфторид:
CH ₄ + F ₂ → CH ₃ F + HF
Но реакция идет так быстро, что вот и результат:
Канал ₄ + 2F ₂ → C + 4HF
Взаимодействие алканов с йодом: Йод никак не реагирует с алканами — по крайней мере, в нормальных лабораторных условиях.Так что и эта реакция бесполезна.
Реакции между алканами и хлором или бромом: В темноте реакции не происходит, но при наличии света и тепла в результате реакции образуются желаемые алкилгалогениды. Таким образом, мы сосредоточим наше обсуждение на реакциях галогенирования с хлором и бромом.
Реакция метана и хлора
В присутствии пламени реакции очень похожи на реакцию с фтором — образуется смесь углерода и галогенида водорода.При переходе от фтора к хлору к брому интенсивность реакции значительно снижается. Интересные реакции происходят в присутствии ультрафиолетового света (подойдет солнечный свет). Это фотохимические реакции, которые происходят при комнатной температуре. Мы рассмотрим реакции с хлором, хотя реакции с бромом аналогичны, но развиваются медленнее.
В реакции замещения атом водорода в метане заменяется атомом хлора. Это может происходить несколько раз, пока не будут заменены все атомы водорода.В конечном итоге, чем дольше протекает реакция, тем больше атомов водорода замещается в алкане. Таким образом, вы получаете смесь хлорметана (CH ₃ Cl), дихлорметана (CH ₂ Cl ₂), трихлорметана (CHCl ₃) и тетрахлорметана (CCl ₄).
Исходная смесь бесцветного газа (CH ₄) и зеленого газа (Cl ₂) будет производить пары хлористого водорода (HCl) и туман органических жидкостей (смесь хлорированного метана).Все органические продукты являются жидкими при комнатной температуре, за исключением хлорметана (CH ₃ Cl), который представляет собой газ.
Эта реакция замещения является примером радикальной реакции, когда только один электрон переносится за раз. Тепло или свет инициируют реакцию, разрывая связь между двумя атомами Cl в ионе хлорида. Это образует два радикала . Радикал — это атом, молекула или ион, имеющий неспаренные валентные электроны.Таким образом, они очень нестабильны и реактивны. На диаграмме ниже первая стадия реакции галогенирования показана ниже. Это называется инициирование .
Инициирование реакции
Как только радикал инициирован, он атакует алкан, в данном случае метан (CH ₄), и создает новый углеродный радикал. Эта стадия реакции называется распространение , поскольку одна разновидность радикала создает или распространяет другой радикал.
Реакция распространения
Заключительной стадией радикальной реакции является реакция обрыва , которая гасит присутствующие радикалы. Для реакции метан-хлор это образование хлорметана (CH ₃ Cl).
Реакция прекращения
Таким образом, радикальные реакции протекают в три стадии:
Инициирование — , когда радикалы образуются, как правило, под действием тепла, света или другого каталитического процесса.
Распространение — , где одна разновидность радикала взаимодействует с другой молекулой, создавая другую разновидность радикала.
Обрыв — , когда две радикальные разновидности взаимодействуют и гасят радикальную реакцию, образуя стабильный продукт.
(Вернуться к началу)
Более крупные алканы и хлор
Как видно на примере метана, если вы галогенируете более крупные алканы, вы снова получите смесь продуктов замещения, но стоит просто кратко взглянуть на то, что произойдет, если будет замещен только один из атомов водорода (монозамещение) — просто чтобы показать что не всегда все так просто, как кажется! Например, с пропаном можно получить один из двух изомеров:
Если бы случай был единственным фактором, вы ожидали бы получить в три раза больше изомера с хлором на конце.Есть 6 атомов водорода, которые можно заменить на концевых атомах углерода, по сравнению только с 2 атомами в середине. Фактически, вы получаете примерно одинаковое количество каждого из двух изомеров. Если вы используете бром вместо хлора, большая часть продукта находится там, где бром присоединен к центральному атому углерода. Почему это происходит?
Это связано со стабильностью промежуточного углеродного радикала, образующегося во время реакции. Углероды, у которых больше углеродных соседей, легче теряют водород и образуют промежуточный углеродный радикал.Соседние атомы углерода, будучи крупнее соседних атомов водорода, могут помочь стабилизировать образование радикала углерода. Таким образом, в реакции галогенирования третичные атомы углерода будут наиболее реакционноспособными положениями, за ними следуют вторичные атомы углерода и, наконец, первичные атомы углерода. Четвертичные атомы углерода нереактивны, поскольку они не имеют доступных атомов водорода, которые можно было бы заменить галогеном.
Реакции галогенирования с циклоалканами
Реакции циклоалканов обычно такие же, как и реакции алканов, с заменой атомов водорода в циклической кольцевой структуре атомом галогена.Например, в присутствии УФ-света циклопропан будет вступать в реакции замещения хлором или бромом, как и нециклический алкан.
Однако небольшие кольцевые структуры, особенно циклопропан, также способны реагировать в темноте. В отсутствие УФ-света циклопропан может вступать в реакции присоединения, в которых кольцо разрывается. Например, с бромом циклопропан дает следующее линейное соединение.
Это все еще может происходить в присутствии УФ-света, но вы также получите смесь реакций замещения.Кольцо сломано, потому что циклопропан сильно страдает от деформации кольца. Напомним, что валентные углы в кольце составляют 60 °, а не нормальное значение около 109,5 °, когда углерод образует четыре одинарные связи.
Упражнения по обзору концепции
Почему алканы иногда называют парафинами?
Какой галоген наиболее легко реагирует с алканами? Которая реагирует наименее охотно?
Ответы
Алканы не вступают в реакцию со многими обычными химическими веществами.Иногда их называют парафинами, от латинского parum affinis , что означает «слабое сродство».
проще всего: F ₂; наименее охотно: I ₂
Множество интересных и часто полезных соединений имеют один или несколько атомов галогена на молекулу. Например, метан (CH ₄) может реагировать с хлором (Cl ₂), заменяя один, два, три или все четыре атома водорода атомами Cl. Несколько галогенированных продуктов, полученных из метана и этана (CH ₃ CH ₃), перечислены в таблице 7.6 вместе с некоторыми из их использования.
Таблица 7.6: Некоторые галогенированные углеводороды
Для вашего здоровья: галогенированные углеводороды
Когда-то широко применяемые в потребительских товарах, многие хлорированные углеводороды считаются канцерогенами (веществами, вызывающими рак), а также, как известно, вызывают серьезные повреждения печени. Примером является четыреххлористый углерод (CCl ₄), который когда-то использовался в качестве растворителя для химической чистки и в огнетушителях, но больше не рекомендован для любого использования.Даже в небольших количествах его пары могут вызвать серьезное заболевание при продолжительном воздействии. Более того, он реагирует с водой при высоких температурах с образованием смертоносного фосгена (COCl ₂), что делает использование CCl ₄ в огнетушителях особенно опасным.
Этилхлорид, напротив, используется в качестве наружного местного анестетика. При нанесении на кожу он быстро испаряется, охлаждая пораженный участок, делая его нечувствительным к боли. Его также можно использовать в качестве экстренной общей анестезии.
Бромсодержащие соединения широко используются в огнетушителях и в качестве антипиренов для одежды и других материалов. Поскольку они тоже токсичны и оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду, ученые занимаются разработкой более безопасных заменителей для них, как и для многих других галогенированных соединений.
Для вашего здоровья: хлорфторуглероды и озоновый слой
Алканы, замещенные атомами фтора (F) и хлора (Cl), используются в качестве диспергирующих газов в аэрозольных баллончиках, в качестве вспенивающих агентов для пластмасс и в качестве хладагентов.Два наиболее известных из этих хлорфторуглеродов (ХФУ) перечислены в таблице 7.6.
Хлорфторуглероды способствуют парниковому эффекту в нижних слоях атмосферы. Они также диффундируют в стратосферу, где разрушаются ультрафиолетовым (УФ) излучением, высвобождая атомы Cl. Они, в свою очередь, разрушают молекулы озона (O ₃), которые защищают Землю от вредного УФ-излучения. Действия по всему миру привели к сокращению использования ХФУ и родственных соединений. ХФУ и другие озоноразрушающие соединения, содержащие Cl или бром (Br), заменяются более безвредными веществами.Одной альтернативой являются гидрофторуглероды (HFC), такие как CH ₂ FCF ₃, которые не содержат Cl или Br для образования радикалов. Другой — гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), такие как CHCl ₂ CF ₃. Молекулы ГХФУ легче распадаются в тропосфере, и меньшее количество молекул, разрушающих озон, достигает стратосферы.
Рисунок 7.13. Разрушение озонового слоя в верхних слоях атмосферы. Озон в верхних слоях атмосферы защищает поверхность Земли от ультрафиолетового излучения солнца, которое может вызывать рак кожи у людей, а также вредно для других животных и некоторых растений.Озоновые «дыры» в верхних слоях атмосферы (серые, розовые и пурпурные области в центре) представляют собой большие области значительного разрушения озонового слоя. Они встречаются в основном над Антарктидой с конца августа до начала октября и заполняют их примерно в середине ноября. Истощение озонового слоя также отмечено в арктических регионах. Самая большая озоновая дыра из когда-либо наблюдавшихся произошла 24 сентября 2006 года.
Алканы крекинга
Что такое треск? Крекингом называют разбиение больших молекул углеводородов на более мелкие и полезные части.Это достигается за счет использования высоких давлений и температур без катализатора или более низких температур и давлений в присутствии катализатора . Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции без каких-либо постоянных химических изменений.
Источником крупных молекул углеводорода часто является фракция нафты или фракция газойля, образующаяся при фракционной перегонке сырой нефти (нефти).Эти фракции получают в процессе перегонки в виде жидкостей, но повторно испаряются в газовую фазу перед крекингом. В взломщике не происходит ни одной уникальной реакции. Молекулы углеводородов распадаются довольно случайным образом с образованием смесей более мелких углеводородов, некоторые из которых имеют двойные связи углерод-углерод. Одна возможная реакция с участием углеводорода C ₁₅ H ₃₂ может быть:
C ₁₅ H ₃₂ → 2C ₂ H ₄ + C ₃ H ₆ + C ₈ H ₁₈
Или, более четко показывая, что происходит с различными атомами и связями:
Это только один из способов разрушения данной молекулы.Обратите внимание, что помимо получения более мелких алканов, реакция крекинга также может давать алкены с двойными связями. В этом случае алкены — этен (C ₂ H ₄) и пропен (C ₃ H ₆) — являются важными материалами для изготовления пластмасс или производства других органических химикатов. Октан — одна из молекул бензина (бензина).
Присмотревшись: алкановая основа свойств других соединений
Понимание физических свойств алканов важно в связи с тем, что нефть и природный газ, а также многие производные из них продукты — бензин, газ в баллонах, растворители, пластмассы и др. — состоят в основном из алканов.Это понимание также важно, потому что оно является основой для описания свойств других семейств органических и биологических соединений. Например, большая часть структур липидов состоит из неполярных алкильных групп. Липиды включают пищевые жиры и жироподобные соединения, называемые фосфолипидами и сфинголипидами, которые служат структурными компонентами живых тканей. Эти соединения имеют как полярные, так и неполярные группы, что позволяет им ликвидировать разрыв между водорастворимой и водонерастворимой фазами.Эта характеристика важна для избирательной проницаемости клеточных мембран.
Рисунок 7.13 Сравнение липидов и алканов. Трипальмитин (а), типичная молекула жира, имеет длинные углеводородные цепи, характерные для большинства липидов. Сравните эти цепи с гексадеканом (b), алканом с 16 атомами углерода.
(Вернуться к началу)
7.5 Краткое содержание главы
Чтобы убедиться, что вы понимаете материал этой главы, вам следует проанализировать значения следующих жирным шрифтом терминов в резюме и спросить себя, как они соотносятся с темами в главе.
Органическая химия — это химия углеродных соединений, а неорганическая химия — химия всех других элементов. Атомы углерода могут образовывать стабильные ковалентные связи с другими атомами углерода и с атомами других элементов, и это свойство позволяет образовывать десятки миллионов органических соединений. Углеводороды содержат только атомы водорода и углерода.
Углеводородов, в которых каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами, называют алканов или насыщенных углеводородов .Они имеют общую формулу C _n H ₂ _n _{+ 2}. Любой данный алкан отличается от следующего в серии единицей CH ₂. Любое семейство соединений, в котором соседние члены отличаются друг от друга определенным фактором, называется гомологической серией .
Атомы углерода в алканах могут образовывать прямые или разветвленные цепи. Два или более соединений, имеющих одинаковую молекулярную формулу, но разные структурные формулы, представляют собой изомеров друг друга.У трех мельчайших алканов нет изомерных форм; начиная с C ₄ H ₁₀, все другие алканы имеют изомерные формы.
Циклоалканы — это углеводороды, молекулы которых представляют собой замкнутые кольца, а не прямые или разветвленные цепи. Циклический углеводород представляет собой углеводород с кольцом из атомов углерода.
Напомним, что структурная формула показывает все атомы углерода и водорода и то, как они связаны друг с другом. Краткая структурная формула показывает атомы водорода рядом с атомами углерода, к которым они присоединены.Формула линейного угла — это формула, в которой атомы углерода подразумеваются в углах и на концах линий. Подразумевается, что каждый атом углерода присоединен к достаточному количеству атомов водорода, чтобы дать каждому атому углерода четыре связи
Физические свойства алканов отражают тот факт, что молекулы алканов неполярны. Алканы нерастворимы в воде и менее плотны, чем вода.
Алканы обычно не реагируют с лабораторными кислотами, основаниями, окислителями и восстановителями.Они действительно горят (претерпевают реакций горения, ).
Алканы реагируют с галогенами, замещая атомы водорода одним или несколькими атомами галогена с образованием галогенированных углеводородов. Эта реакция называется галогенированием . Аллгалогенид (галогеналкан) представляет собой соединение, полученное в результате замены атома водорода алкана на атом галогена.
Алканы большего размера можно разбить на алканы и алкены меньшего размера с использованием высокой температуры или катализаторов.Эти реакции называются реакциями крекинга .
(Вернуться к началу)
7.6 Упражнения в конце главы
Вы нашли банку без этикетки, содержащую твердое вещество, плавящееся при 48 ° C. Он легко воспламеняется и легко горит. Вещество не растворяется в воде и плавает на поверхности. Вещество может быть органическим или неорганическим?
В чем опасность проглатывания жидкого алкана?
Различают более легкие и тяжелые жидкие алканы с точки зрения их воздействия на кожу.
Ниже приводится формула линии для алкана. Нарисуйте уплотненную структуру.
Напишите уравнения полного сгорания каждого соединения.
бутан, C ₄ H ₁₀ (обычная жидкость для зажигалок)
Октан
, C ₈ H ₁₈ (типичный углеводород в бензине).
Плотность пробы бензина 0,690 г / мл. На основе полного сгорания октана рассчитайте количество в граммах диоксида углерода (CO ₂) и воды (H ₂ O), образовавшихся на галлон (3.78 л) бензина при использовании в автомобиле.
Изобразите структуры четырех из девяти изомерных гексанов (C ₇ H ₁₆).
Укажите, представляют ли структуры в каждом наборе одно и то же соединение или изомеры.
Рассмотрите приведенные здесь формулы линейного угла и ответьте на вопросы.
Какая пара формул представляет изомеры? Нарисуйте каждую конструкцию.
Какая формула представляет собой галогенид алкила? Напишите его сокращенную структурную формулу.
Какая формула представляет собой циклический алкан?
Это молекулярная формула соединения, представленного (i)?
(Вернуться к началу)
7.7 Ссылки
Текст этой главы был адаптирован из ресурсов Creative Commons, перечисленных ниже, если в тексте не указано иное.
Органическая химия (2016) Libretexts, U.C. Дэвис, под лицензией: Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Лицензия США. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Core/Organic_Chemistry
Ингалянт. (2017, 12 февраля). В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено 01:21, 13 февраля 2017 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Inhalant&oldid=765135147
.
Аноним. (2012) Введение в химию: общие, органические и биологические (V1.0). Опубликовано по лицензии Creative Commons by-NC-sa 3.0. Доступно по адресу: http://2012books.lardbucket.org/books/introduction-to-chemistry-general-organic-and-biological/index.html
Физическая и теоретическая химия (2017) Libretexts, U.C. Дэвис, под лицензией: Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Лицензия США. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Chemical_Bonding/General_Principles_of_Chemical_Bonding/Bond_Energies.
Нефть. (2017, 14 февраля). В Википедия, Бесплатная энциклопедия . Получено 06:29, 16 февраля 2017 г., с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Petroleum&oldid=765440823
.
Болл Д. У., Хилл Дж. У. и Скотт Р. Дж. (2016) MAP: Основы общей, органической и биологической химии . Свободные тексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Introductory_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_The_Basics_of_GOB_Chemistry_(Ball_et_al.)
Органическая химия: алканы и галогенированные углеводороды
Вступительное эссе
Углеводороды — это простейшие органические соединения, но они обладают интересными физиологическими эффектами. Эти эффекты зависят от размера молекул углеводородов и от того, на каком участке тела или в теле они применяются. Алканы с низкой молярной массой — от 1 до примерно 10 или около того атомов углерода — представляют собой газы или легкие жидкости, которые действуют как анестетики.Вдыхание («нюхание») этих углеводородов в бензине или аэрозольных пропеллентах из-за их опьяняющего действия является серьезной проблемой для здоровья, которая может привести к повреждению печени, почек или мозга или к немедленной смерти от удушья из-за отсутствия кислорода.
Проглоченные жидкие алканы в желудке не причиняют большого вреда. Однако в легких они вызывают «химическую» пневмонию, растворяя жироподобные молекулы клеточных мембран в крошечных воздушных мешочках (альвеолах). Легкие перестают выводить жидкость, как при пневмонии, вызванной бактериями или вирусами.Людей, которые проглотили бензин или другие смеси жидких алканов, не следует вызывать рвоту, поскольку это увеличивает вероятность попадания алканов в легкие. (Противоядия от отравления бензином в домашних условиях не существует; позвоните в токсикологический центр.)
Жидкие алканы, содержащие приблизительно 5–16 атомов углерода на молекулу, смывают натуральные кожные кожные кожные покровы и вызывают высыхание и растрескивание кожи, в то время как более тяжелые жидкие алканы (содержащие приблизительно 17 или более атомов углерода на молекулу) действуют как смягчающие вещества (смягчители кожи).В качестве защитной пленки можно использовать такие смеси алканов, как минеральное масло и вазелин. Вода и водные растворы, такие как моча, не растворяют такую пленку, что объясняет, почему вазелин защищает нежную кожу ребенка от опрелостей.
Мы начинаем изучение органической химии с алканов, соединений, содержащих только два элемента, углерод и водород, и имеющих только одинарные связи. Есть несколько других видов углеводородов, различающихся типом связи между атомами углерода и свойствами, возникающими в результате этой связи.В главе 13 «Ненасыщенные и ароматические углеводороды» мы исследуем углеводороды с двойными связями, с тройными связями и с особым видом связи, называемым ароматичностью . Затем в главе 14 «Органические соединения кислорода» мы изучим некоторые соединения, которые считаются производными от углеводородов, путем замены одного или нескольких атомов водорода кислородсодержащей группой. Глава 15 «Органические кислоты и основания и некоторые из их производных» посвящена органическим кислотам и основаниям, после чего мы будем готовы рассмотреть химию самой жизни — биохимию — в оставшихся пяти главах.
12.1 Органическая химия
Цель обучения
Распознавать состав и свойства, характерные для органических и неорганических соединений.
Ученые 18-го и начала 19-го веков изучали соединения, полученные из растений и животных, и назвали их органическими , поскольку они были изолированы от «организованных» (живых) систем. Соединения, выделенные из неживых систем, таких как горные породы и руды, атмосфера и океаны, были помечены как неорганические .В течение многих лет ученые считали, что органические соединения могут производиться только живыми организмами, потому что они обладают жизненной силой, присущей только живым системам. Теория жизненной силы начала приходить в упадок в 1828 году, когда немецкий химик Фридрих Велер синтезировал мочевину из неорганических исходных материалов. Он прореагировал цианат серебра (AgOCN) и хлорид аммония (NH ₄ Cl), ожидая получить цианат аммония (NH ₄ OCN). То, что он ожидал, описывается следующим уравнением.
AgOCN + NH ₄ Cl → AgCl + NH ₄ OCN
Вместо этого он обнаружил, что продукт представляет собой мочевину (NH ₂ CONH ₂), хорошо известное органическое вещество, легко выделяемое из мочи.Этот результат привел к серии экспериментов, в которых из неорганических исходных материалов были получены самые разные органические соединения. Теория жизненной силы постепенно исчезла, когда химики узнали, что они могут создавать многие органические соединения в лаборатории.
Сегодня органическая химия Изучение химии углеродных соединений. это изучение химии углеродных соединений и неорганической химии, изучение химии всех других элементов. это изучение химии всех других элементов.Может показаться странным, что мы разделяем химию на две ветви — одну, которая рассматривает соединения только одного элемента, и другую, которая охватывает более 100 оставшихся элементов. Однако такое разделение кажется более разумным, если учесть, что из десятков миллионов охарактеризованных соединений подавляющее большинство составляют соединения углерода.
Примечание
Слово органический имеет разные значения. Органические удобрения, такие как коровий навоз, являются органическими в первоначальном смысле; он получен из живых организмов.Органические продукты — это, как правило, продукты, выращенные без синтетических пестицидов и удобрений. Органическая химия — это химия соединений углерода.
Углерод уникален среди других элементов тем, что его атомы могут образовывать стабильные ковалентные связи друг с другом и с атомами других элементов во множестве вариаций. Полученные молекулы могут содержать от одного до миллионов атомов углерода. В главах 12 «Органическая химия: алканы и галогенированные углеводороды» по 15 «Органические кислоты и основания и некоторые их производные» мы рассматриваем органическую химию, разделяя ее соединения на семейства на основе функциональных групп.(Для получения общей информации об органических функциональных группах см. Главу 4 «Ковалентные связи и простые молекулярные соединения», раздел 4.6 «Введение в органическую химию».) Мы начинаем с простейших членов семейства, а затем переходим к молекулам, которые являются органическими в исходный смысл, то есть они созданы живыми организмами и находятся в них. Эти сложные молекулы (все содержащие углерод) определяют формы и функции живых систем и являются предметом биохимии, темы, представленной в главах 16 «Углеводы» до главы 20 «Энергетический метаболизм».
Органические соединения, как и неорганические соединения, подчиняются всем законам природы. Часто нет четкого различия в химических или физических свойствах между органическими и неорганическими молекулами. Тем не менее, полезно сравнить типичные представители каждого класса, как показано в Таблице 12.1 «Общие контрастирующие свойства и примеры органических и неорганических соединений». (Однако имейте в виду, что есть исключения для каждой категории в этой таблице.) Чтобы дополнительно проиллюстрировать типичные различия между органическими и неорганическими соединениями, таблица 12.1 «Общие контрастные свойства и примеры органических и неорганических соединений» также перечислены свойства неорганического соединения хлорида натрия (обычная поваренная соль, NaCl) и органического соединения гексана (C ₆ H ₁₄), используемого растворителя. для извлечения соевого масла из соевых бобов (среди прочего). Многие соединения можно классифицировать как органические или неорганические по наличию или отсутствию определенных типичных свойств, как показано в Таблице 12.1 «Общие контрастирующие свойства и примеры органических и неорганических соединений».
Таблица 12.1 Общие контрастные свойства и примеры органических и неорганических соединений
Органическое Гексан Неорганическое NaCl
низкие точки плавления −95 ° С высокие температуры плавления 801 ° С
низкие точки кипения 69 ° С высокие точки кипения 1,413 ° С
низкая растворимость в воде; высокая растворимость в неполярных растворителях не растворим в воде; растворим в бензине большая растворимость в воде; низкая растворимость в неполярных растворителях растворим в воде; не растворим в бензине
легковоспламеняющиеся легковоспламеняющийся негорючий негорючий
водные растворы не проводят электричество непроводящий водные растворы проводят электричество проводящий в водном растворе
демонстрируют ковалентную связь ковалентных связей демонстрируют ионную связь ионные связи
Упражнения по обзору концепции
Классифицируйте каждое соединение как органическое или неорганическое.
C ₃ H ₈ O
CaCl ₂
Cr (NH ₃) ₃ Cl ₃
C ₃₀ H ₄₈ O ₃ N
Какое соединение, вероятно, является органическим, а какое — неорганическим?
легковоспламеняющееся соединение, кипящее при 80 ° C и нерастворимое в воде
соединение, которое не горит, плавится при 630 ° C и растворимо в воде
ответов
органический
неорганическое
неорганическое
органические
Ключевые вынос
Органическая химия — это изучение соединений углерода, почти все из которых также содержат атомы водорода.
Упражнения
Классифицируйте каждое соединение как органическое или неорганическое.
С ₆ В ₁₀
CoCl ₂
С ₁₂ В ₂₂ О ₁₁
Классифицируйте каждое соединение как органическое или неорганическое.
CH ₃ NH ₂
NaNH ₂
Cu (NH ₃) ₆ Cl ₂
Какой член каждой пары имеет более высокую температуру плавления?
CH ₃ OH и NaOH
CH ₃ Cl и KCl
Какой член каждой пары имеет более высокую температуру плавления?
C ₂ H ₆ и CoCl ₂
CH ₄ и LiH
ответов
органический
неорганическое
органические
12.2 Структуры и названия алканов
Цель обучения
Определите и назовите простые (линейные) алканы с указанием формул и напишите формулы для алканов с прямой цепью с указанием их названий.
Мы начали наше изучение органической химии в главе 4 «Ковалентные связи и простые молекулярные соединения» с углеводородов. Простейшее органическое соединение, состоящее только из атомов углерода и водорода, простейшее органическое соединение, состоящее только из атомов углерода и водорода.Как мы уже отметили, существует несколько различных видов углеводородов. Их различают типы связи между атомами углерода и свойства, возникающие в результате этой связи. Углеводороды, имеющие только одинарные связи углерод-углерод (C – C) и существующие в виде непрерывной цепочки атомов углерода, также связанных с атомами водорода, называются алканами (или насыщенными углеводородами). Углеводород, имеющий только одинарные связи углерод-углерод и существующий как непрерывная цепочка атомов углерода, также связанных с атомами водорода. Насыщенный , в этом случае, означает, что каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами (водородом или углеродом) — наиболее вероятным; в молекулах нет двойных или тройных связей.
Мы ввели три простейших алкана — метан (CH ₄), этан (C ₂ H ₆) и пропан (C ₃ H ₈) — в главе 4 «Ковалентная связь и простая молекулярная связь. Соединения », раздел 4.6« Введение в органическую химию ». Они снова показаны на рисунке 12.1 «Три простейших алкана». Показанные плоские изображения не точно отображают валентные углы или геометрию молекул. Метан имеет четырехгранную форму, которую химики часто изображают с клиньями, указывающими на связи, идущие к вам, и пунктирными линиями, обозначающими связи, отходящие от вас. (Для получения дополнительной информации о форме молекул см. Главу 4 «Ковалентные связи и простые молекулярные соединения», раздел 4.5 «Характеристики молекул».) Обычная сплошная линия обозначает связь в плоскости страницы.
Рисунок 12.1 Три простейших алкана
Вспомните из главы 4 «Ковалентные связи и простые молекулярные соединения», раздела 4.5 «Характеристики молекул», что теория VSEPR правильно предсказывает тетраэдрическую форму молекулы метана (рисунок 12.2 «Тетраэдрическая молекула метана»).
Рисунок 12.2 Тетраэдрическая молекула метана
Метан (CH ₄), этан (C ₂ H ₆) и пропан (C ₃ H ₈) являются началом ряда соединений, в которых любые два члена в последовательности отличаются на один атом углерода и два атома водорода, а именно на звено CH ₂.Первые 10 членов этой серии приведены в Таблице 12.2 «Первые 10 алканов с прямой цепью».
Таблица 12.2 Первые 10 алканов с прямой цепью
Имя Молекулярная формула (C _n H ₂ _n _{+ 2}) Концентрированная структурная формула Число возможных изомеров
метан СН ₄ СН ₄ –
этан C ₂ H ₆ Канал ₃ Канал ₃ –
пропан C ₃ H ₈ Канал ₃ Канал ₂ Канал ₃ –
бутан C ₄ H ₁₀ Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ 2
пентан C ₅ H ₁₂ Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ 3
гексан C ₆ H ₁₄ Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ 5
гептан C ₇ H ₁₆ Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ 9
октановое число C ₈ H ₁₈ Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ 18
нонан C ₉ H ₂₀ Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ 35
декан C ₁₀ H ₂₂ Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ 75
Рассмотрим серию на рисунке 12.3 «Члены гомологического ряда». Последовательность начинается с C ₃ H ₈, и блок CH ₂ добавляется на каждом шаге, двигаясь вверх по серии. Любое семейство соединений, в котором соседние члены отличаются друг от друга определенным фактором (здесь группа CH ₂), называется гомологической серией. Любое семейство соединений, в котором соседние члены отличаются друг от друга определенным фактором. такая серия, называемая гомологов , имеет свойства, которые изменяются регулярно и предсказуемо.Принцип гомологии . дает организацию органической химии во многом так же, как таблица Менделеева дает организацию неорганической химии. Вместо ошеломляющего множества отдельных углеродных соединений мы можем изучить несколько членов гомологического ряда и на их основе вывести некоторые свойства других соединений в этом ряду.
Рисунок 12.3 Члены гомологической серии
Каждая последующая формула включает на один атом углерода и на два атома водорода больше, чем предыдущая формула.
Принцип гомологии позволяет нам написать общую формулу для алканов: C _n H ₂ _n _{+ 2}. Используя эту формулу, мы можем написать молекулярную формулу для любого алкана с заданным числом атомов углерода. Например, алкан с восемью атомами углерода имеет молекулярную формулу C ₈ H _{(2 × 8) + 2} = C ₈ H ₁₈.
Упражнения по обзору концепции
В гомологическом ряду алканов, какова молекулярная формула члена, расположенного чуть выше C ₈ H ₁₈?
Используйте общую формулу алканов, чтобы написать молекулярную формулу алкана с 12 атомами углерода.
Ключевые вынос
Простые алканы существуют в виде гомологического ряда, в котором соседние члены различаются единицей CH ₂.
Упражнения
Какие соединения содержат меньше атомов углерода, чем C ₃ H ₈, и являются ли их гомологами?
Какие соединения содержат от пяти до восьми атомов углерода и являются гомологами C ₄ H ₁₀?
12.3 алкана с разветвленной цепью
Цель обучения
Узнайте, как молекулы алканов могут иметь разветвленные цепи, и распознать соединения, являющиеся изомерами.
Мы можем записать структуру бутана (C ₄ H ₁₀), разместив четыре атома углерода в ряд,
–C – C – C – C–
, а затем добавив достаточно атомов водорода, чтобы каждый атом углерода получил четыре связи:
Составной бутан имеет такую структуру, но есть другой способ соединить вместе 4 атома углерода и 10 атомов водорода.Поместите 3 атома углерода в ряд, а затем ответвите четвертый от среднего атома углерода:
Теперь мы добавляем достаточно атомов водорода, чтобы у каждого углерода четыре связи.
Существует углеводород, соответствующий этой структуре, что означает, что два разных соединения имеют одинаковую молекулярную формулу: C ₄ H ₁₀. Два соединения имеют разные свойства — например, одно кипит при -0,5 ° C; другой — при -11,7 ° C. Различные соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу, называются изомерами. Соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но разные структурные формулы и свойства.. Соединение с такой разветвленной цепью называется изобутан (рис. 12.4 «Бутан и изобутан»).
Рисунок 12.4 Бутан и изобутан
Шариковые модели этих двух соединений показывают, что они являются изомерами; оба имеют молекулярную формулу C ₄ H ₁₀.
Обратите внимание, что C ₄ H ₁₀ изображен с изогнутой цепочкой на рисунке 12.4 «Бутан и изобутан». Цепь из четырех атомов углерода может быть изогнута по-разному, поскольку группы могут свободно вращаться вокруг связей C – C.Однако это вращение не меняет идентичности соединения. Важно понимать, что изгиб цепи , а не не изменяет идентичность соединения; все следующие элементы представляют собой одно и то же соединение:
Формула изобутана показывает непрерывную цепочку только из трех атомов углерода, с четвертым присоединенным в качестве ответвления от среднего атома углерода непрерывной цепи.
В отличие от C ₄ H ₁₀, соединения метана (CH ₄), этана (C ₂ H ₆) и пропана (C ₃ H ₈) не существуют в изомерных формы, потому что существует только один способ расположить атомы в каждой формуле так, чтобы каждый атом углерода имел четыре связи.
Следующим за C ₄ H ₁₀ в гомологическом ряду является пентан. Каждое соединение имеет одинаковую молекулярную формулу: C ₅ H ₁₂. (В таблице 12.2 «Первые 10 алканов с прямой цепью» есть столбец, в котором указано количество возможных изомеров для первых 10 алканов с прямой цепью.) Крайне левое соединение является пентаном, потому что оно имеет все пять атомов углерода в непрерывной цепи. . Соединение в середине — изопентан; подобно изобутану, он имеет одно ответвление CH ₃ от второго атома углерода непрерывной цепи.Соединение в правом углу, обнаруженное после двух других, было названо неопентаном (от греческого neos , что означает «новый»). Хотя все три имеют одинаковую молекулярную формулу, они имеют разные свойства, включая температуры кипения: пентан, 36,1 ° C; изопентан, 27,7 ° С; и неопентан, 9,5 ° С.
Примечание
Непрерывную (неразветвленную) цепочку атомов углерода часто называют прямой цепью , хотя тетраэдрическое расположение каждого углерода придает ей зигзагообразную форму.Алканы с прямой цепью иногда называют нормальными алканами , и их названиям дается префикс n -. Например, бутан называется n -бутан. Мы не будем использовать этот префикс здесь, потому что он не является частью системы, установленной Международным союзом чистой и прикладной химии.
Упражнения по обзору концепции
В алканах может быть двухуглеродная ветвь от второго углеродного атома четырехуглеродной цепи? Объяснять.
Студенту предлагается написать структурные формулы для двух разных углеводородов, имеющих молекулярную формулу C ₅ H ₁₂. Она пишет одну формулу со всеми пятью атомами углерода в горизонтальной линии, а другую с четырьмя атомами углерода в линию, с группой CH ₃, идущей вниз от первого, присоединенной к третьему атому углерода. Представляют ли эти структурные формулы разные молекулярные формулы? Объясните, почему да или почему нет.
ответов
Нет; ветвь будет самой длинной непрерывной цепочкой из пяти атомов углерода.
Нет; оба представляют собой непрерывные цепи из пяти атомов углерода.
Ключевые вынос
Алканы с четырьмя или более атомами углерода могут существовать в изомерных формах.
Упражнения
Кратко опишите важные различия между алканом с прямой цепью и алканом с разветвленной цепью.
Как связаны бутан и изобутан? Чем они отличаются?
Назовите каждое соединение.
Напишите структурную формулу для каждого соединения.
гексан
октановое число
Укажите, представляют ли структуры в каждом наборе одно и то же соединение или изомеры.
Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ и
Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ и
ответов
Алканы с прямой цепью и алканы с разветвленной цепью имеют разные свойства, а также разную структуру.
12.4 Краткие структурные формулы и формулы линейного угла
Цели обучения
Напишите сжатые структурные формулы для алканов с полными структурными формулами.
Нарисуйте формулы линейного угла по структурным формулам.
Мы используем несколько видов формул для описания органических соединений. Молекулярная формула показывает только виды и количество атомов в молекуле. Например, молекулярная формула C ₄ H ₁₀ говорит нам, что в молекуле 4 атома углерода и 10 атомов водорода, но не делает различий между бутаном и изобутаном. Структурная формула — химическая формула, показывающая, как атомы молекулы связаны друг с другом.показаны все атомы углерода и водорода, а также связи, соединяющие их. Таким образом, структурные формулы идентифицируют конкретные изомеры, показывая порядок присоединения различных атомов.
К сожалению, структурные формулы сложно набирать / писать, и они занимают много места. Химики часто используют сжатые структурные формулы — органическую химическую формулу, которая показывает атомы водорода (или другие атомы или группы) рядом с атомами углерода, к которым они присоединены. чтобы облегчить эти проблемы.В сжатых формулах атомы водорода показаны рядом с атомами углерода, к которым они присоединены, как показано для бутана:
Конечная сжатая формула — это формула линейного угла — органическая химическая формула, в которой атомы углерода присутствуют в углах и на концах линий. Подразумевается, что каждый атом углерода присоединен к достаточному количеству атомов водорода, чтобы дать каждому атому углерода четыре связи. у каждого атома углерода четыре связи.Например, мы можем представить пентан (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃) и изопентан [(CH ₃) ₂ CHCH ₂ CH ₃] следующим образом:
Примечание
Круглые скобки в сокращенных структурных формулах указывают на то, что замкнутая группа атомов присоединена к соседнему атому углерода.
Основные выводы
Краткие химические формулы показывают атомы водорода (или другие атомы или группы) рядом с атомами углерода, к которым они присоединены.
Формулы линейный угол подразумевают наличие атома углерода в углах и концах линий. Подразумевается, что каждый атом углерода присоединен к достаточному количеству атомов водорода, чтобы дать каждому атому углерода четыре связи.
Упражнения
Напишите сжатую структурную формулу для каждой структурной формулы.
Конденсированная структурная формула изогексана может быть записана как (CH ₃) ₂ CHCH ₂ CH ₂ CH ₃.Нарисуйте формулу линейного угла для изогексана.
Нарисуйте формулу линейного угла для соединения CH ₃ CH ₂ CH (CH ₃) CH ₂ CH ₂ CH ₃.
Приведите структурную формулу соединения, представленного этой формулой линейного угла:
ответов
Канал ₃ Канал ₃
Канал ₃ Канал ₂ Канал ₃
Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃
12.5 Номенклатура ИЮПАК
Цель обучения
Назовите алканы по системе ИЮПАК и напишите формулы для алканов по названиям ИЮПАК.
Как отмечено в таблице 12.2 «Первые 10 алканов с прямой цепью», количество изомеров быстро увеличивается по мере увеличения количества атомов углерода. Есть 3 пентана, 5 гексанов, 9 гептанов и 18 октанов. Было бы сложно присвоить уникальные индивидуальные имена, которые мы могли бы запомнить. Систематический способ обозначения углеводородов и других органических соединений был разработан Международным союзом чистой и прикладной химии (IUPAC).Эти правила, используемые во всем мире, известны как Система номенклатуры ИЮПАК — систематический способ наименования химических веществ, чтобы каждое из них имело уникальное имя. (Некоторые из названий, которые мы использовали ранее, такие как изобутан, изопентан и неопентан, не соответствуют эти правила и называются общих имен .) Название стержня (Таблица 12.3 «Стебли, указывающие количество атомов углерода в органических молекулах») указывает количество атомов углерода в самой длинной непрерывной цепи (LCC). Затем называются атомы или группы, присоединенные к этой углеродной цепи, называемые заместителями , а их положения обозначаются числами.Пока мы будем рассматривать только те заместители, которые называются алкильными группами.
Таблица 12.3 Стержни, указывающие количество атомов углерода в органических молекулах
Шток Номер
мет- 1
eth- 2
проп- 3
а — 4
пент- 5
шестнадцатеричный — 6
гепт- 7
окт — 8
не 9
дек — 10
Алкильная группа Углеводородная группа, полученная из алкана путем удаления атома водорода.представляет собой группу атомов, которая возникает при удалении одного атома водорода из алкана. Группа названа путем замены суффикса -ane исходного углеводорода на -yl . Например, группа CH ₃, полученная из метана (CH ₄), получается в результате вычитания одного атома водорода и называется метильной группой .
Алкильные группы, которые мы будем использовать чаще всего, перечислены в Таблице 12.4 «Общие алкильные группы». Алкильные группы не являются независимыми молекулами; они являются частями молекул, которые мы рассматриваем как единое целое, чтобы систематически называть соединения.
Таблица 12.4 Общие алкильные группы
Упрощенные правила ИЮПАК для наименования алканов следующие (продемонстрированы в Примере 12.1).
1. Назовите алканы в соответствии с LCC атомов углерода в молекуле (а не общим числом атомов углерода). Этот LCC, рассматриваемый как родительская цепь, определяет базовое имя, к которому мы добавляем суффикс — ane , чтобы указать, что молекула является алканом.
2. Если углеводород является разветвленным, пронумеруйте атомы углерода LCC. Номера присваиваются в том направлении, которое дает наименьшие числа атомам углерода с присоединенными заместителями. Дефисы используются для отделения чисел от названий заместителей; запятые отделяют числа друг от друга. (LCC не обязательно записывать прямой линией; например, LCC в следующем примере имеет пять атомов углерода.)
3. Поместите названия групп заместителей в алфавитном порядке перед названием родительского соединения. Если одна и та же алкильная группа встречается более одного раза, выражаются номера всех атомов углерода, к которым она присоединена.Если одна и та же группа встречается более одного раза на одном и том же атоме углерода, номер этого атома углерода повторяется столько раз, сколько появляется группа. Причем количество одинаковых групп обозначается греческими префиксами di -, tri -, tetra — и так далее. Эти префиксы , а не , учитываются при определении алфавитного порядка заместителей. Например, этил указан перед диметилом; ди- просто игнорируется. Последняя названная алкильная группа ставится перед названием родительского алкана, образуя одно слово.
При соблюдении этих правил каждое уникальное соединение получает собственное эксклюзивное имя. Правила позволяют нам не только называть соединение по заданной структуре, но и строить структуру по заданному имени. Лучший способ научиться пользоваться системой IUPAC — это заставить ее работать, а не просто запоминать правила. Это проще, чем кажется.
Пример 1
Назовите каждое соединение.
Решение
LCC имеет пять атомов углерода, поэтому исходным соединением является пентан (правило 1).К второму атому углерода пентановой цепи присоединена метильная группа (правило 2). Поэтому название — 2-метилпентан.
LCC имеет шесть атомов углерода, поэтому исходным соединением является гексан (правило 1). Метильные группы (правило 2) присоединены ко второму и пятому атомам углерода. Название — 2,5-диметилгексан.
LCC имеет восемь атомов углерода, поэтому исходным соединением является октан (правило 1). Есть метильная и этильная группы (правило 2), обе присоединены к четвертому атому углерода (отсчет от справа дает этому атому углерода меньшее число; правило 3).Таким образом, правильное название — 4-этил-4-метилоктан.
Упражнение по развитию навыков
Назовите каждое соединение.
Пример 2
Изобразите структуру каждого соединения.
2,3-диметилбутан
4-этил-2-метилгептан
Решение
В структурах чертежа всегда начинайте с родительской цепочки.
Исходной цепью является бутан, что указывает на четыре атома углерода в LCC.
Затем добавьте группы на их правильные позиции. Вы можете пронумеровать родительскую цепочку в любом направлении, если будете последовательны; просто не меняйте направления, пока не будет построена структура.Название указывает на две метильные (CH ₃) группы, одну на втором атоме углерода и одну на третьем.
Наконец, заполните все атомы водорода, помня, что каждый атом углерода должен иметь четыре связи.
В данном случае родительской цепью является гептан, что указывает на семь атомов углерода в LCC.
–C – C – C – C – C – C – C–
Добавление групп в их правильные позиции дает
Заполнение всех атомов водорода дает следующие сжатые структурные формулы:
Обратите внимание, что связки (тире) могут отображаться или нет; иногда они нужны для разнесения.
Упражнение по развитию навыков
Изобразите структуру каждого соединения.
Упражнения по обзору концепции
Как называется группа CH ₃, когда она присоединена к цепочке атомов углерода — заместителю или функциональной группе?
Какой тип имени использует числа для поиска заместителей — общепринятые названия или названия ИЮПАК?
Ключевые вынос
Алканы имеют как общие названия, так и систематические названия, определенные IUPAC.
Упражнения
Кратко опишите важные различия между алканом и алкильной группой.
Сколько атомов углерода присутствует в каждой молекуле?
2-метилбутан
3-этилпентан
Сколько атомов углерода присутствует в каждой молекуле?
2,3-диметилбутан
3-этил-2-метилгептан
Изобразите структуру каждого соединения.
3-метилпентан
2,2,5-триметилгексан
4-этил-3-метилоктан
Изобразите структуру каждого соединения.
2-метилпентан
4-этил-2-метилгексан
2,2,3,3-тетраметилбутан
Назовите каждое соединение в соответствии с системой IUPAC.
Назовите каждое соединение в соответствии с системой IUPAC.
Что такое заместитель? Как указывается расположение заместителя в системе ИЮПАК?
Кратко опишите важные различия между общим именем и именем IUPAC.
ответов
Алкан — это молекула; Алкильная группа не является независимой молекулой, а скорее частью молекулы, которую мы рассматриваем как единое целое.
2,2,4,4-тетраметилпентан
3-этилгексан
Общеупотребительные названия широко используются, но не очень систематичны; Названия IUPAC идентифицируют исходное соединение и называют другие группы в качестве заместителей.
12.6 Физические свойства алканов
Цель обучения
Определите физические свойства алканов и опишите тенденции в этих свойствах.
Поскольку алканы обладают относительно предсказуемыми физическими свойствами и подвергаются относительно небольшому количеству химических реакций, кроме горения, они служат основой для сравнения свойств многих других семейств органических соединений.Давайте сначала рассмотрим их физические свойства.
Таблица 12.5 «Физические свойства некоторых алканов» описывает некоторые свойства некоторых из первых 10 алканов с прямой цепью. Поскольку молекулы алканов неполярны, они нерастворимы в воде, которая является полярным растворителем, но растворимы в неполярных и слабополярных растворителях. (Для получения дополнительной информации о растворимости см. Главу 9 «Растворы», раздел 9.2 «Концентрация».) Следовательно, сами алканы обычно используются в качестве растворителей для органических веществ с низкой полярностью, таких как жиры, масла и воски.Почти все алканы имеют плотность менее 1,0 г / мл и поэтому менее плотны, чем вода (плотность H ₂ O составляет 1,00 г / мл при 20 ° C). Эти свойства объясняют, почему масло и жир не смешиваются с водой, а скорее плавают на ее поверхности.
Таблица 12.5 Физические свойства некоторых алканов
Молекулярное имя Формула Температура плавления (° C) Температура кипения (° C) Плотность (20 ° C) ^* Физическое состояние (при 20 ° C)
метан СН ₄ –182 –164 0.668 г / л газ
этан C ₂ H ₆ –183 –89 1,265 г / л газ
пропан C ₃ H ₈ –190 –42 1.867 г / л газ
бутан C ₄ H ₁₀ –138 –1 2,493 г / л газ
пентан C ₅ H ₁₂ –130 36 0.626 г / мл жидкость
гексан C ₆ H ₁₄ –95 69 0,659 г / мл жидкость
октановое число C ₈ H ₁₈ –57 125 0.703 г / мл жидкость
декан C ₁₀ H ₂₂ –30 174 0,730 г мл жидкость
* Обратите внимание на изменение единиц измерения при переходе от газов (граммы на литр) к жидкостям (граммы на миллилитр). Плотность газа при давлении 1 атм.
Рисунок 12.5 Разливы нефти
Нефть покрывает поверхность воды в Мексиканском заливе после того, как нефтяная вышка Deepwater Horizon затонула в результате взрыва. Утечка была на милю ниже поверхности, что затрудняло оценку размера разлива. Один литр масла может создать пятно размером 2,5 гектара (6,3 акра). Этот и аналогичные разливы служат напоминанием о том, что углеводороды и вода не смешиваются.
Присматриваясь: плотность газа и опасность пожара
Таблица 12.5 «Физические свойства некоторых алканов» указывает на то, что первые четыре члена алканового ряда являются газами при обычных температурах. Природный газ состоит в основном из метана, плотность которого составляет около 0,67 г / л. Плотность воздуха около 1,29 г / л. Поскольку природный газ менее плотен, чем воздух, он поднимается вверх. Когда утечка природного газа обнаружена и перекрыта в помещении, газ можно удалить, открыв верхнее окно. С другой стороны, баллонный газ может быть пропаном (плотность 1,88 г / л) или бутаном (смесь бутана и изобутана; плотность около 2.5 г / л). Оба намного тяжелее воздуха (плотность 1,2 г / л). Если баллонный газ попадает в здание, он собирается у пола. Это представляет гораздо более серьезную опасность возгорания, чем утечка природного газа, потому что избавить помещение от более тяжелого газа труднее.
Как показано в Таблице 12.5 «Физические свойства некоторых алканов», температуры кипения алканов с прямой цепью увеличиваются с увеличением молярной массы. Это общее правило справедливо для гомологов с прямой цепью всех семейств органических соединений.Более крупные молекулы имеют большую площадь поверхности и, следовательно, сильнее взаимодействуют; поэтому для их разделения требуется больше энергии. Для данной молярной массы точки кипения алканов относительно низкие, потому что эти неполярные молекулы обладают лишь слабыми дисперсионными силами, удерживающими их вместе в жидком состоянии.
Взгляд внимательнее: алкановая основа свойств других соединений
Понимание физических свойств алканов важно в связи с тем, что нефть и природный газ, а также многие производные из них продукты — бензин, газ в баллонах, растворители, пластмассы и др. — состоят в основном из алканов.Это понимание также важно, потому что оно является основой для описания свойств других семейств органических и биологических соединений. Например, большая часть структур липидов состоит из неполярных алкильных групп. Липиды включают пищевые жиры и жироподобные соединения, называемые фосфолипидами и сфинголипидами, которые служат структурными компонентами живых тканей. (Для получения дополнительной информации о липидах см. Главу 17 «Липиды».) Эти соединения имеют как полярные, так и неполярные группы, что позволяет им ликвидировать разрыв между водорастворимой и водонерастворимой фазами.Эта характеристика важна для избирательной проницаемости клеточных мембран.
Трипальмитин (а), типичная молекула жира, имеет длинные углеводородные цепи, характерные для большинства липидов. Сравните эти цепи с гексадеканом (b), алканом с 16 атомами углерода.
Упражнения по обзору концепции
Не обращаясь к таблице, сделайте прогноз, у которого температура кипения выше — гексан или октан.Объяснять.
Если к 100 мл воды в химическом стакане добавить 25 мл гексана, чего из следующего вы ожидаете? Объяснять.
Гексан растворяется в воде.
Гексан не растворяется в воде и плавает сверху.
Гексан не растворяется в воде и опускается на дно емкости.
ответов
Октан
из-за большей молярной массы
б; гексан не растворим в воде и менее плотен, чем вода.
Ключевые вынос
Алканы — это неполярные соединения, низкокипящие и нерастворимые в воде.
Упражнения
Не обращаясь к таблице или другой справочной информации, спрогнозируйте, какой член каждой пары имеет более высокую точку кипения.
пентан или бутан
гептан или нонан
Для какого члена каждой пары гексан является хорошим растворителем?
пентан или вода
хлорид натрия или соевое масло
12.7 Химические свойства алканов
Цель обучения
Определите основные химические свойства алканов.
Молекулы алканов неполярны и поэтому обычно не реагируют с ионными соединениями, такими как большинство лабораторных кислот, оснований, окислителей или восстановителей. Рассмотрим, например, бутан:
Ни положительные, ни отрицательные ионы не притягиваются к неполярной молекуле. Фактически, алканы подвергаются так мало реакциям, что их иногда называют парафинами , от латинского parum affinis , что означает «слабое сродство».”
Алканы подвергаются двум важным реакциям: горению и галогенированию. Ничего не происходит, когда алканы просто смешиваются с кислородом (O ₂) при комнатной температуре, но когда пламя или искра обеспечивают энергию активации, происходит высокоэкзотермическая реакция горения, химическая реакция, в которой вещество соединяется с молекулярным кислородом, образуя кислородсодержащее вещество. соединения других элементов в реакции. протекает энергично. Для метана (CH ₄) реакция выглядит следующим образом:
CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O + тепло
Если реагенты смешаны надлежащим образом и имеется достаточное количество кислорода, единственными продуктами являются углекислый газ (CO ₂), вода (H ₂ O) и тепло — тепло для приготовления пищи, обогрева домов и сушки одежды.Однако, поскольку условия редко бывают идеальными, часто образуются другие продукты. При ограничении подачи кислорода побочным продуктом является окись углерода (CO):
2CH ₄ + 3O ₂ → 2CO + 4H ₂ O
Эта реакция является причиной десятков смертей каждый год из-за невентилируемых или неправильно отрегулированных газовых обогревателей. (Аналогичные реакции с аналогичными результатами происходят с керосиновыми обогревателями.)
Алканы также реагируют с галогенами хлором (Cl ₂) и бромом (Br ₂) в присутствии ультрафиолетового света или при высоких температурах с образованием хлорированных и бромированных алканов.Например, хлор реагирует с избытком метана (CH ₄) с образованием хлористого метила (CH ₃ Cl).
CH ₄ + Cl ₂ → CH ₃ Cl + HCl
При увеличении количества хлора получается смесь продуктов: CH ₃ Cl, CH ₂ Cl ₂, CHCl ₃ и CCl ₄.
Фтор (F ₂), самый легкий галоген, взрывоопасно соединяется с большинством углеводородов. Йод (I ₂) относительно инертен.Фторированные и йодированные алканы получают косвенным методом. Мы обсудим названия и использование галогенированных углеводородов в Разделе 12.8 «Галогенированные углеводороды».
Упражнения по обзору концепции
Почему алканы иногда называют парафинами?
Какой галоген наиболее легко реагирует с алканами? Которая реагирует наименее охотно?
ответов
Алканы не вступают в реакцию со многими обычными химическими веществами.Иногда их называют парафинами, от латинского parum affinis , что означает «слабое сродство».
проще всего: F ₂; наименее охотно: I ₂
Ключевые вынос
Алканы реагируют с кислородом (горение) и галогенами (галогенирование).
Упражнения
Почему алканы обычно не реагируют с ионными соединениями, такими как большинство лабораторных кислот, оснований, окислителей или восстановителей?
Напишите уравнение полного сгорания метана (CH ₄, основной компонент природного газа).
Какая самая важная реакция алканов?
Назовите некоторые вещества, кроме кислорода, которые легко реагируют с алканами.
ответов
Алканы неполярны; они не притягивают ионы.
12.8 Галогенированные углеводороды
Цель обучения
Назовите галогенированные углеводороды по формулам и напишите формулы для этих соединений по названиям.
Многие органические соединения тесно связаны с алканами.Как мы отмечали в разделе 12.7 «Химические свойства алканов», алканы реагируют с галогенами с образованием галогенированных углеводородов, в простейшем из которых один атом галогена замещен атомом водорода алкана. Еще более тесно связаны циклоалканы, соединения, в которых атомы углерода соединены в кольцо или циклически.
Реакции алканов с галогенами дают галогенированные углеводороды Углеводород, в котором один или несколько атомов водорода заменены атомом галогена., соединения, в которых один или несколько атомов водорода углеводорода заменены атомами галогена:
Замена только одного атома водорода дает алкилгалогенид (или галогеналкан). Соединение, полученное в результате замены атома водорода алкана на атом галогена. Общие названия алкилгалогенидов состоят из двух частей: название алкильной группы плюс основа названия галогена с окончанием -ид . В системе IUPAC используется название исходного алкана с префиксом, обозначающим галогеновые заместители, которому предшествует число, указывающее расположение заместителя.Префиксы: фтор -, хлор -, бром — и йод -. Таким образом, CH ₃ CH ₂ Cl имеет общее название этилхлорид и название IUPAC — хлорэтан. Алкилгалогениды с простыми алкильными группами (от одного до четырех атомов углерода) часто называют общими названиями. Тем, у кого больше атомов углерода, обычно дают названия ИЮПАК.
Пример 3
Дайте общие названия и названия IUPAC для каждого соединения.
Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал
(CH ₃) ₂ CHCl
Решение
Алкильная группа (CH ₃ CH ₂ CH ₂ -) представляет собой пропильную группу, а галоген представляет собой бром (Br). Поэтому обычное название — пропилбромид. В названии IUPAC префикс для брома (bromo) сочетается с названием трехуглеродной цепи (пропан), которому предшествует число, идентифицирующее атом углерода, к которому присоединен атом Br, поэтому название IUPAC — 1- бромпропан.
Алкильная группа [(CH ₃) ₂ CH–] имеет три атома углерода, с атомом хлора (Cl), присоединенным к среднему атому углерода. Следовательно, алкильная группа представляет собой изопропил, а обычное название соединения — изопропилхлорид. В названии ИЮПАК атом Cl (префикс , хлор -), присоединенный к среднему (второму) атому углерода пропановой цепи, приводит к 2-хлорпропану.
Упражнение по развитию навыков
Дайте общие названия и названия IUPAC для каждого соединения.
Пример 4
Укажите название IUPAC для каждого соединения.
Решение
Исходный алкан имеет пять атомов углерода в самой длинной непрерывной цепи; это пентан.Группа брома (Br) присоединена ко второму атому углерода цепи. Название IUPAC — 2-бромпентан.
Исходный алкан — гексан. Метильная (CH ₃₎ и бром (Br) группы присоединены ко второму и четвертому атомам углерода соответственно. Перечисление заместителей в алфавитном порядке дает название 4-бром-2-метилгексан.
Упражнение по развитию навыков
Укажите название IUPAC для каждого соединения.
Множество интересных и часто полезных соединений имеют один или несколько атомов галогена на молекулу.Например, метан (CH ₄) может реагировать с хлором (Cl ₂), заменяя один, два, три или все четыре атома водорода атомами Cl. Несколько галогенированных продуктов, полученных из метана и этана (CH ₃ CH ₃), перечислены в Таблице 12.6 «Некоторые галогенированные углеводороды» вместе с некоторыми их применениями.
Таблица 12.6 Некоторые галогенированные углеводороды
Формула Общее название Название ИЮПАК Некоторые важные применения
Получено из CH ₄
CH ₃ Класс метилхлорид хлорметан хладагент; производство силиконов, метилцеллюлозы и синтетического каучука
CH ₂ Класс ₂ хлористый метилен дихлорметан растворитель лабораторный и промышленный
CHCl ₃ хлороформ трихлорметан промышленный растворитель
CCl ₄ четыреххлористый углерод тетрахлорметан растворитель для химической чистки и огнетушители (но больше не рекомендуются к использованию)
CBrF ₃ галон-1301 бромтрифторметан системы пожаротушения
CCl ₃ F хлорфторуглерод-11 (CFC-11) трихлорфторметан пенопласт
CCl ₂ F ₂ хлорфторуглерод-12 (CFC-12) дихлордифторметан хладагент
Получено из CH ₃ CH ₃
CH ₃ CH ₂ Класс этилхлорид хлорэтан местный анестетик
ClCH ₂ CH ₂ Cl этилендихлорид 1,2-дихлорэтан растворитель для резины
CCl ₃ CH ₃ метилхлороформ 1,1,1-трихлорэтан растворитель для чистки компьютерных микросхем и форм для формовки пластмасс
Для вашего здоровья: галогенированные углеводороды
Когда-то широко применяемые в потребительских товарах, многие хлорированные углеводороды считаются канцерогенами (веществами, вызывающими рак), а также, как известно, вызывают серьезные повреждения печени.Примером является четыреххлористый углерод (CCl ₄), который когда-то использовался в качестве растворителя для химической чистки и в огнетушителях, но больше не рекомендован для любого использования. Даже в небольших количествах его пары могут вызвать серьезное заболевание при продолжительном воздействии. Более того, он реагирует с водой при высоких температурах с образованием смертоносного фосгена (COCl ₂), что делает использование CCl ₄ в огнетушителях особенно опасным.
Этилхлорид, напротив, используется в качестве наружного местного анестетика.При нанесении на кожу он быстро испаряется, охлаждая пораженный участок, делая его нечувствительным к боли. Его также можно использовать в качестве экстренной общей анестезии.
Бромсодержащие соединения широко используются в огнетушителях и в качестве антипиренов для одежды и других материалов. Поскольку они тоже токсичны и оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду, ученые занимаются разработкой более безопасных заменителей для них, как и для многих других галогенированных соединений.
Для вашего здоровья: хлорфторуглероды и озоновый слой
Алканы, замещенные атомами фтора (F) и хлора (Cl), используются в качестве диспергирующих газов в аэрозольных баллончиках, в качестве вспенивающих агентов для пластмасс и в качестве хладагентов.Два наиболее известных из этих хлорфторуглеродов (CFC) перечислены в Таблице 12.6 «Некоторые галогенированные углеводороды».
Хлорфторуглероды способствуют парниковому эффекту в нижних слоях атмосферы. Они также диффундируют в стратосферу, где разрушаются ультрафиолетовым (УФ) излучением, высвобождая атомы Cl. Они, в свою очередь, разрушают молекулы озона (O ₃), которые защищают Землю от вредного УФ-излучения. Действия по всему миру привели к сокращению использования ХФУ и родственных соединений.ХФУ и другие озоноразрушающие соединения, содержащие Cl или бром (Br), заменяются более безвредными веществами. Одной альтернативой являются гидрофторуглероды (HFC), такие как CH ₂ FCF ₃, которые не содержат Cl или Br для образования радикалов. Другой — гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), такие как CHCl ₂ CF ₃. Молекулы ГХФУ легче распадаются в тропосфере, и меньшее количество молекул, разрушающих озон, достигает стратосферы.
Озон в верхних слоях атмосферы защищает поверхность Земли от ультрафиолетового излучения солнца, которое может вызывать рак кожи у людей, а также вредно для других животных и некоторых растений.Озоновые «дыры» в верхних слоях атмосферы (серые, розовые и пурпурные области в центре) представляют собой большие области значительного разрушения озонового слоя. Они встречаются в основном над Антарктидой с конца августа до начала октября и заполняют их примерно в середине ноября. Истощение озонового слоя также отмечено в арктических регионах. Самая большая озоновая дыра из когда-либо наблюдавшихся произошла 24 сентября 2006 года.
Упражнения по обзору концепции
Как называется IUPAC HFC, имеющий формулу CH ₂ FCF ₃? (Подсказка: вы должны использовать число, чтобы указать расположение каждого замещающего атома F.)
Как называется ИЮПАК ГХФУ, имеющий формулу CHCl ₂ CF ₃?
ответов
1,1,1,2-тетрафторэтан
1,1,1-трифтор-2,2-дихлорэтан
Ключевые вынос
Замена атома водорода в алкане на атом галогена — F, Cl, Br или I — приводит к образованию галогенированного соединения.
Упражнения
Напишите краткую структурную формулу для каждого соединения.
метилхлорид
хлороформ
Напишите краткую структурную формулу для каждого соединения.
этилбромид
четыреххлористый углерод
Напишите сжатые структурные формулы для двух изомеров, которые имеют молекулярную формулу C ₃ H ₇ Br.Дайте общее название и название ИЮПАК для каждого.
Напишите сжатые структурные формулы для четырех изомеров, которые имеют молекулярную формулу C ₄ H ₉ Br. Дайте каждому название ИЮПАК.
Что такое CFC? Как ХФУ участвуют в разрушении озонового слоя?
Объясните, почему каждое соединение менее разрушительно для озонового слоя, чем ХФУ.
фторуглероды
ГХФУ
ответов
CH ₃ CH ₂ CH ₂ Br, пропилбромид, 1-бромпропан; CH ₃ CHBrCH ₃, изопропилбромид, 2-бромпропан
соединений, содержащих Cl, F и C; высвобождая атомы Cl в стратосферу
12.9 Циклоалканы
Цель обучения
Назовите циклоалканы по их формулам и напишите формулы для этих соединений по их названиям.
Углеводороды, с которыми мы столкнулись до сих пор, состоят из молекул с открытыми цепями атомов углерода. Когда цепь содержит три или более атомов углерода, атомы могут соединяться с образованием кольца или циклических структур . Самый простой из этих циклических углеводородов — углеводород с кольцом из атомов углерода.имеет формулу C ₃ H ₆. К каждому атому углерода присоединены два атома водорода (рис. 12.6 «Пружинная модель циклопропана»), и он называется циклопропаном.
Рисунок 12.6 Шариковая модель циклопропана
Пружины изогнуты для соединения атомов углерода.
Для вашего здоровья: Циклопропан как анестетик
Циклопропан с температурой кипения -33 ° C представляет собой газ при комнатной температуре.Это также мощный анестетик быстрого действия с небольшим количеством нежелательных побочных эффектов в организме. Однако он больше не используется в хирургии, поскольку образует взрывоопасные смеси с воздухом почти во всех концентрациях.
Циклоалканы Циклический углеводород только с одинарными связями — циклические углеводороды только с одинарными связями — названы добавлением префикса цикло- к названию соединения с открытой цепью, имеющего такое же количество атомов углерода, как и в кольце. . Таким образом, название циклического соединения C ₄ H ₈ — циклобутан.Атомы углерода в циклических соединениях могут быть представлены формулами линейных углов , которые приводят к правильным геометрическим фигурам. Однако имейте в виду, что каждый угол геометрической фигуры представляет собой атом углерода плюс столько атомов водорода, сколько необходимо, чтобы дать каждому атому углерода четыре связи.
Некоторые циклические соединения имеют присоединенные группы заместителей. Пример 5 интерпретирует название циклоалкана с одной группой заместителя.
Пример 5
Изобразите структуру каждого соединения.
циклопентан
метилциклобутан
Решение
Название циклопентан указывает на циклический (цикло) алкан с пятью (пяти) атомами углерода. Его можно представить в виде пятиугольника.
Название метилциклобутан указывает на циклический алкан с четырьмя (бут-) атомами углерода в циклической части.Его можно представить в виде квадрата с присоединенной группой CH ₃.
Упражнение по развитию навыков
Изобразите структуру каждого соединения.
циклогептан
этилциклогексан
Свойства циклических углеводородов в целом очень похожи на свойства соответствующих соединений с открытой цепью.Таким образом, циклоалканы (за исключением циклопропана, который имеет сильно напряженное кольцо) действуют очень похоже на нециклические алканы. Циклические структуры, содержащие пять или шесть атомов углерода, такие как циклопентан и циклогексан, особенно стабильны. В главе 16 «Углеводы» мы увидим, что некоторые углеводы (сахара) в растворе образуют пяти- или шестичленные кольца.
Примечание
Циклопропановое кольцо деформировано, потому что углы C – C – C равны 60 °, а предпочтительный (тетраэдрический) валентный угол равен 109.5 °. (Это напряжение становится очевидным, когда вы пытаетесь построить шарообразную модель циклопропана; см. Рисунок 12.6 «Пружинная модель циклопропана».) Циклопентановые и циклогексановые кольца имеют небольшую деформацию, поскольку C – C – C углы близки к предпочтительным углам.
Упражнения по обзору концепции
Какова молекулярная формула циклооктана?
Как называется это соединение по ИЮПАК?
Ключевые вынос
Многие органические соединения имеют циклическую структуру.
Упражнения
Изобразите структуру каждого соединения.
этилциклобутан
пропилциклопропан
Изобразите структуру каждого соединения.
метилциклогексан
бутилциклобутан
Циклоалкильные группы могут быть производными циклоалканов таким же образом, как алкильные группы являются производными алканов.Эти группы называются циклопропилом, циклобутилом и так далее. Назовите каждый циклоалкилгалогенид.
Галогенированные циклоалканы могут быть названы системой IUPAC.Как и в случае алкилпроизводных, монозамещенные производные не нуждаются в номере для обозначения положения галогена. Чтобы назвать дизамещенные производные, атомы углерода нумеруются, начиная с положения одного заместителя (С1) и переходя ко второму замещенному атому кратчайшим путем. Назовите каждое соединение.
ответов
циклопентилбромид
циклогексилхлорид
12.10 Конец главы
Краткое содержание главы
Чтобы убедиться, что вы понимаете материал этой главы, вам следует проанализировать значения следующих жирным шрифтом терминов в резюме и спросить себя, как они соотносятся с темами в главе.
Органическая химия — это химия углеродных соединений, а неорганическая химия — химия всех других элементов. Атомы углерода могут образовывать стабильные ковалентные связи с другими атомами углерода и с атомами других элементов, и это свойство позволяет образовывать десятки миллионов органических соединений. Углеводороды содержат только атомы водорода и углерода.
Углеводородов, в которых каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами, называют алканов или насыщенных углеводородов . Они имеют общую формулу C _n H ₂ _n _{+ 2}. Любой данный алкан отличается от следующего в серии единицей CH ₂. Любое семейство соединений, в котором соседние члены отличаются друг от друга определенным фактором, называется гомологической серией .
Атомы углерода в алканах могут образовывать прямые или разветвленные цепи. Два или более соединений, имеющих одинаковую молекулярную формулу, но разные структурные формулы, представляют собой изомеров друг друга. У трех мельчайших алканов нет изомерных форм; начиная с C ₄ H ₁₀, все другие алканы имеют изомерные формы.
Структурная формула показывает все атомы углерода и водорода и то, как они связаны друг с другом.Краткая структурная формула показывает атомы водорода рядом с атомами углерода, к которым они присоединены. Формула линейного угла — это формула, в которой атомы углерода подразумеваются в углах и на концах линий. Подразумевается, что каждый атом углерода присоединен к достаточному количеству атомов водорода, чтобы дать каждому атому углерода четыре связи.
Система номенклатуры ИЮПАК предоставляет правила для наименования органических соединений. Алкильная группа — это единица, образованная удалением одного атома водорода из алкана.
Физические свойства алканов отражают тот факт, что молекулы алканов неполярны. Алканы нерастворимы в воде и менее плотны, чем вода.
Алканы обычно не реагируют с лабораторными кислотами, основаниями, окислителями и восстановителями. Они действительно горят (претерпевают реакций горения, ).
Алканы реагируют с галогенами путем замены одного или нескольких атомов галогена на атомы водорода с образованием галогенированных углеводородов .Алкилгалогенид (галогеналкан) представляет собой соединение, полученное в результате замены атома водорода алкана на атом галогена.
Циклоалканы представляют собой углеводороды, молекулы которых представляют собой замкнутые кольца, а не прямые или разветвленные цепи. Циклический углеводород представляет собой углеводород с кольцом из атомов углерода.
Дополнительные упражнения
Вы нашли банку без этикетки, содержащую твердое вещество, плавящееся при 48 ° C.Он легко воспламеняется и легко горит. Вещество не растворяется в воде и плавает на поверхности. Вещество может быть органическим или неорганическим?
Приведите молекулярные формулы для метилциклопентана, 2-метилпентана и циклогексана. Какие изомеры?
Что не так с каждым именем? (Подсказка: сначала напишите структуру , как если бы было правильным.) Дайте правильное название для каждого соединения.
2-диметилпропан
2,3,3-триметилбутан
2,4-диэтилпентан
3,4-диметил-5-пропилгексан
В чем опасность проглатывания жидкого алкана?
Различают более легкие и тяжелые жидкие алканы с точки зрения их воздействия на кожу.
Ниже приводится формула линии для алкана. Нарисуйте его структуру и дайте название.
Напишите уравнения полного сгорания каждого соединения.
пропан (баллонное газовое топливо)
Октан
(типичный углеводород в бензине).
Плотность пробы бензина 0,690 г / мл. На основе полного сгорания октана рассчитайте количество в граммах диоксида углерода (CO ₂) и воды (H ₂ O), образовавшихся на галлон (3,78 л) бензина при использовании в автомобиле.
Изобразите структуры пяти изомерных гексанов (C ₆ H ₁₄).Назовите каждого по системе ИЮПАК.
Укажите, представляют ли структуры в каждом наборе одно и то же соединение или изомеры.
Рассмотрите приведенные здесь формулы линейного угла и ответьте на вопросы.
Какая пара формул представляет изомеры? Нарисуйте каждую конструкцию.
Какая формула представляет собой галогенид алкила? Назовите соединение и напишите его краткую структурную формулу.
Какая формула представляет собой циклический алкан? Назовите соединение и нарисуйте его структуру.
Какова молекулярная формула соединения, обозначенного (i)?
ответов
Два числа необходимы для обозначения двух заместителей; 2,2-диметилпропан.
Наименьшие возможные числа не использовались; 2,2,3-триметилбутан.
Наличие этильного заместителя у второго атома углерода невозможно; 3,5-диметилгептан.
Пропильный заместитель у пятого атома углерода невозможен; 3,4,5-триметилоктан.
Легкие алканы смывают защитные кожные масла; более тяжелые алканы образуют защитный слой.
C ₃ H ₈ + 5O ₂ → 3CO ₂ + 4H ₂ O
2C ₈ H ₁₈ + 25O ₂ → 16CO ₂ + 18H ₂ O
Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃; гексан
II и III; Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₃ и
iv; 3-хлорпентан; CH ₃ CH ₂ CHClCH ₂ CH ₃
i; этилциклопентан;
С ₇ В ₁₄
Эффективное окисление алкана в двигателе внутреннего сгорания и в атмосферных условиях
На рисунке 1 показаны важные исходные пути реакции окисления алкана, включая автоокисление, как в области горения, так и в атмосфере.Серые цвета показывают радикальные реакции и промежуточные соединения, о которых сообщалось ранее ^6,18, а черным цветом показаны результаты, которые будут представлены в этом исследовании. В двигателях внутреннего сгорания при T> 500 K отщепление H из топливного алкана происходит в результате реакции с O ₂, тогда как в атмосфере при T ≈ 300 K отщепление H происходит в основном радикалами ОН. Образовавшийся алкильный радикал (R) быстро присоединяет O ₂ с образованием исходных радикалов RO ₂. В условиях горения последующее многоступенчатое автоокисление происходит посредством H-сдвига и добавления O ₂ с образованием RO ₂ с более высокой молекулярной массой; степень автоокисления ограничивается почти исключительно конкурирующим мономолекулярным обрывом через потерю ОН или HO ₂ из RO ₂.В атмосферных условиях автоокисление ограничивается в основном бимолекулярными реакциями с участием радикалов RO ₂, в основном с NO, HO ₂ и другими радикалами RO ₂ (дополнительное примечание 2). Бимолекулярные реакции обрывают цепь, за исключением случаев, когда образуются радикалы обратного осмоса. Дальнейшее добавление кислорода возможно, когда RO распадается либо за счет H-сдвига, либо, в случае циклоалканов, через разрыв связи C – C.
Рис. 1: Общие механизмы реакции пероксирадикалов, RO ₂, при окислении алкана в соответствующих условиях горения (T> 500 K, красная область) и атмосферных (T ≈ 300 K, синяя область) условиях.
На рисунке показаны возможные пути распространения радикалов без учета реакций обрыва. Для линейных алканов n -декан используется для иллюстрации некоторых гипотетических примеров структур. Серые цвета отображают ранее описанные радикальные реакции и промежуточные соединения ^6,18, а черный цвет суммирует результаты этого исследования, показывая соединения с высоким содержанием кислорода, идентифицированные впервые. Вертикальные сетки разделяют молекулы с разным содержанием атомов кислорода. Обозначения «RO _{X> 2}» относятся к пероксирадикалам с общим количеством X O-атомов.
Из области горения в область атмосферы
Мы исследовали продукты, образующиеся при автоокислении линейных, разветвленных и циклических алканов, а также их обычные кислородсодержащие производные (карбонилы и спирты) в различных системах. В таблице 1 приведены все эксперименты, проведенные в данной работе.
Таблица 1 Обзор летучих органических соединений (ЛОС), использованных в этой работе.
Первоначально мы соединили реактор со струйным перемешиванием (JSR), работающий при температуре реакции, соответствующей горению, с CI-APi-TOF, используя NO ₃ ^— в качестве иона-реагента (см. «Методы», дополнительное примечание 3) .Масс-спектры, измеренные при окислении n -декана, 2,7-диметилоктана, n -бутилциклогексана и 2-деканона при 545 K, показаны на дополнительном рисунке 2, тогда как спектры деканаля при 520 K показаны на рисунке. . 2а. В таблице 2 представлены типичные продукты самоокисления этих алканов и их кислородсодержащих производных при сжигании, измеренные ранее фотоионизационной масс-спектрометрией (SVUV-PIMS) ⁶ и в этой работе CI-APi-TOF.
Фиг.2: Распределение продуктов в результате автоокисления ЛОС, измеренное с помощью масс-спектрометрии.
Масс-спектр деканаля находится в ( a — d ), а масс-спектр транс-декалина находится в ( e ). Левая и правая панели охватывают диапазоны масс продуктов аккреции мономера и ROOR соответственно. TME + O ₃ реакции использовались для получения радикалов ОН, необходимых для инициирования окисления ЛОС, во всех экспериментах, за исключением T = 520 K, где окисление инициировалось O ₂.Продукты C ₁₃ являются результатом срастания между производным TME C ₃ _RO ₂ и производным декалином / деканалом C ₁₀ _RO ₂. Спектры в a — c были измерены из JSR, d — e из проточного реактора Хельсинки.
Таблица 2 Типичные продукты, обнаруженные при автоокислении сгорания (545 K) алканов и их оксигенатов.
Предыдущие исследования предложили умеренную степень автоокисления для деканального ⁶, и здесь мы используем этот оксигенированный вид в качестве эталона для автоокисления в температурной последовательности от 520 до 300 К.Во время автоокисления при 520 К в деканале (рис. 2а) наблюдается заметный сигнал при C ₁₀ H ₁₈ O ₆, что подтверждает наше предыдущее наблюдение SVUV-PIMS ⁶ трех последовательных этапов добавления O ₂ (Дополнительный рис. 3). Однако дополнительные пики, соответствующие C ₁₀ H ₁₈ O ₈ и C ₁₀ H ₁₈ O ₁₀, указывают на четвертое и даже пятое добавление O ₂. Эти продукты содержат несколько групп –OOH и представляют собой ранее не обнаруженные промежуточные соединения, которые при разложении приводят к радикальному разветвлению цепи.Это открытие значительно обогащает наши представления о самовоспламенении в условиях двигателя, показывая, что самоокисление продолжается в значительно большей степени, чем считалось ранее как для алканов, так и для их кислородсодержащих производных (дополнительная схема 6).
Затем мы постепенно снижали температуру JSR, чтобы исследовать переход от горения к атмосферным условиям. Мы использовали реакцию тетраметилэтилена (TME) с O ₃ для образования радикалов OH, чтобы инициировать последовательность окисления.При T = 392 K (рис. 2b) спектры мономеров аналогичны спектрам при 520 K, но теперь появляются продукты аккреции ROOR ¹⁹ с сигналами при C ₂₀ H ₃₈ O _{6,8,10, 12,14}. От T = 392 K до 334 K (рис. 2c) все наблюдаемые сигналы уменьшаются, особенно сигналы наиболее насыщенных кислородом молекул. Радикальные частицы с нечетными водородными числами — C ₁₀ H ₁₉ O _5,6,7 — также появляются, и спектр теперь показывает продукты аккреции ROOR с молекулярными формулами, разделенными одним атомом O, а не O ₂.Все эти изменения предполагают менее эффективные H-сдвиги в RO ₂ при более низких температурах и возрастающую роль по крайней мере одного H-сдвига в радикалах RO, приводящего к образованию сильно окисленных частиц (дополнительное примечание 4 и дополнительная схема 7 ). Отметим, что точные скорости окисления неизвестны на рис. 2a – c, поэтому их не следует сравнивать количественно.
При атмосферных условиях (~ 300 K), относительная влажность <1%, мы изучили окисление 6 алканов, а также 3 оксигенатов (таблица 1, дополнительное примечание 5), используя проточную реакторную установку в Университете Хельсинки («Методы »).Время пребывания 3 с позволяет отслеживать начальные стадии реакции автоокисления. В этой серии экспериментов, несмотря на короткое время реакции и низкую температуру, все еще наблюдаются высокие сигналы сильно насыщенных кислородом частиц. Это неожиданно, так как RO ₂ H-сдвиги в алканах, как сообщается, являются медленными и должны быстро приводить к обрыву радикалов ^20,21. Деканаль (рис. 2d) и бициклический алкан-декалин (рис. 2e) показывают самые высокие сигналы продукта, но HOM очевидны для всех протестированных ЛОС (дополнительные рис.5, 6, 8–12), за исключением n -декана и 2,7-диметилоктана (дополнительный рис. 13). Мы оценили молярные выходы ВОМ (дополнительное примечание 6) при Т = 300 К для всех ЛОС, образующих ВОМ, после реакции с ОН (дополнительная таблица 1). ЛОС можно разделить на три группы в зависимости от их способности производить ВОМ (рис. 3): (1) линейные и разветвленные алканы (не наблюдается образования ВОМ), (2) кислородсодержащие ЛОС (высокие выходы даже при низких скоростях окисления) и (3) циклоалканы (резко возрастающий выход с увеличением скорости окисления).Для кислородсодержащих ЛОС альдегидная функциональность способствует автоокислению лучше, чем спирт, как это наблюдалось ранее, ^11,22, а увеличенная длина цепи дополнительно поддерживает образование ВОМ. Выход HOM из деканаля в 5 раз выше, чем из гептаналя, что соответствует сообщаемым относительным выходам SOA между n -деканом и n -гептаном ²³. Для циклоалканов выходы ВОМ увеличиваются в следующем порядке: декалин> метилциклогексан> n -бутилциклогексан.Такое поведение качественно совпадает с выводами о том, что неалкилированные циклические соединения имеют тенденцию иметь более высокие выходы SOA, чем соответствующие алкилциклогексаны ¹⁷. В целом, наши результаты предполагают, что автоокисление и образование HOM могут иметь решающее значение для объяснения выхода SOA для алканов, как было показано ранее для многих биогенных систем ^4,24.
Рис. 3: Молярный выход ВОМ при 300 К как функция прореагировавшего ЛОС, измеренный в проточном реакторе Хельсинки при времени пребывания 3 с.
Планки погрешностей, включенные только для последней точки каждой кривой, показывают неопределенность измерения HOM. Многократное окисление ОН не происходит из-за высокой концентрации ЛОС (10 ppm) и короткого времени пребывания. Линейные алканы не давали наблюдаемых сигналов ВОМ в этих условиях.
Сильное увеличение молярных выходов HOM из циклоалканов с увеличением конверсии ЛОС (рис. 3) предполагает, что бимолекулярные реакции RO ₂ важны для многостадийного автоокисления.Мы использовали простую кинетическую модель (дополнительное примечание 7), чтобы лучше понять наблюдаемое поведение, изображенное на рис. 3. Модель показывает, что почти постоянный молярный выход ТОВ из деканаля как функция прореагировавших ЛОС может быть объяснен (дополнительный рис. 14), предполагая, что HOM из деканала представляют собой в основном продукты автоокисления, которые подверглись одной стадии изомеризации RO (в дополнение к H-сдвигам RO ₂). Напротив, более резкое увеличение в случае ГОМ декалина можно объяснить потребностью в двух этапах обратного осмоса (дополнительный рис.14). В некоторой степени альдегиды (которые являются продуктами окисления алканов первого поколения) «замыкают» одну стадию превращения RO ₂ → RO, обеспечивая кислородсодержащий фрагмент, который предназначен для автоокисления, но также уязвим для фрагментации через C – C разрыв облигаций; это согласуется с наблюдаемыми более низкими, но ненулевыми массовыми выходами SOA из альдегидов по сравнению с предшественниками алканов с аналогичной летучестью ²⁵. Наши выводы о важности химии обратного осмоса подтверждают более ранние интерпретации, объясняющие большие различия в выходах SOA, наблюдаемые для разных алкановых групп ¹⁶.Однако, с нашей новой механистической идеей, различия могут быть напрямую связаны с самоокислением и образованием HOM со значительно более высокими выходами, чем считалось ранее.
Важность бимолекулярных реакций
Для более глубокого понимания автоокисления алканов мы провели дополнительные эксперименты в проточном реакторе Лейпцига в TROPOS («Методы»). Используя CI-APi-TOF с этиламинием, C ₂ H ₅ NH ₃ ⁺ в качестве иона-реагента, мы смогли измерить почти все окисленные продукты, включая радикалы RO ₂ ^{19 , 26}.Результаты окисления декалина с ОН, полученным в результате реакции TME + O ₃, показывают поразительную последовательность радикалов RO ₂, несущих 2–9 атомов O (дополнительный рис. 15). Наша кинетическая модель реакционной системы (дополнительное примечание 7) с явным представлением (без учета изомеров) каждого RO ₂ воспроизводит наблюдения путем комбинации этапов изомеризации RO и RO ₂.
Низкая загрузка прекурсора и ограниченное время пребывания (7.9 с) в проточном реакторе Лейпцига не позволяют реакциям RO ₂ протекать до завершения, как в атмосфере ^19,26. Это означает, что многие первичные радикалы RO ₂ просто выйдут из проточного реактора, в то время как бимолекулярная реакция могла бы инициировать изомеризацию, приводящую к гораздо более насыщенным кислородом частицам. Чтобы решить эту проблему, мы добавили NO в различных концентрациях, чтобы ускорить радикальную конверсию RO ₂ посредством реакции RO ₂ + NO → RO + NO ₂, которая является очень типичной судьбой RO ₂ в городских условиях.В данном случае инициирующие радикалы ОН были получены путем фотолиза изопропилнитрита, и мы исследовали окисление декалина, циклогексана и n -декана. Добавление NO в реакционную систему сильно влияло на концентрацию и распределение продуктов окисления (дополнительное примечание 8, дополнительные рисунки 16–18).
На рис. 4а показано, как продукты с разным уровнем окисления изменяются в зависимости от добавленного NO. В отличие от опубликованных результатов по самоокислению многих биогенных ЛОС ⁴, где NO подавляет самоокисление и образование HOM ^4,27,28, выход многих высококислородных продуктов, особенно в случае декалина, увеличивается с увеличением NO. концентрации, вплоть до 2.4 × 10 ¹¹ молекул см ^-3 (соотношение смешивания NO около 10 частей на миллиард). Это подчеркивает важность стадий изомеризации RO, а также указывает на то, что изомеризация RO ₂ в этих системах должна быть очень быстрой, чтобы конкурировать с реакциями обрыва. Наиболее поразительно то, что молярный выход HOM (то есть продуктов с 6 или более атомами O) намного выше, чем ожидалось, почти 20%, что является одним из самых высоких выходов, зарегистрированных для любой системы VOC-окислитель ¹⁰. В целом, наши выводы о влиянии NO на образование высококислородных частиц полностью согласуются с сообщенными выходами SOA: хотя NO часто снижает выходы SOA в результате озонолиза монотерпена, выходы SOA алканов остаются высокими при повышенных уровнях NO.Кроме того, для соединений с несколькими кольцами (включая некоторые биогенные ЛОС, такие как сесквитерпены) выходы SOA даже увеличиваются с NO ^29,30,31. Это еще одно свидетельство того, что самоокисление может быть основным, до сих пор не признанным, фактором образования SOA в атмосфере даже для алканов и даже в сильно загрязненных условиях.
Рис. 4. Влияние NO на распределение продуктов окисления декалина, циклогексана и n -декана в Лейпцигском проточном реакторе.
a Экспериментально измеренные молярные выходы продуктов, содержащих по меньшей мере 4, 5 или 6 атомов O, соответственно, представлены в виде линий разных типов, в то время как алканы-предшественники имеют разные цвета линий.Молярный выход продуктов с по меньшей мере 6 атомами кислорода в результате окисления n -декана умножен на 10 для ясности. Точки данных были измерены при концентрации NO 4,7 × 10 ⁹, 3,1 × 10 ¹⁰, 6,1 × 10 ¹⁰, 9,2 × 10 ¹⁰, 1,2 × 10 ¹¹, 1,8 × 10 ¹¹ , и 2,4 × 10 ¹¹ молекул / см ³ соответственно. Следует отметить, что эту связь между выходом NO и HOM не следует применять непосредственно к атмосфере, поскольку точные соотношения сильно зависят от условий эксперимента.Масс-спектры, измеренные как аддукты с этиламинием, при максимальном добавлении NO 2,4 × 10 ¹¹ молекул см ⁻³ нанесены отдельно для b декалина, c циклогексана и d n — декан. В каждом спектре радикалы показаны красным цветом, нитраты — синим, а другие соединения с закрытой оболочкой, в основном карбонилы, — черным.
Для более детального изучения распределения продуктов различных типов алканов при высоком содержании NO масс-спектры представлены на рис.4b – d для декалина, циклогексана и n -декана соответственно. При максимальной концентрации NO 2,4 × 10 ¹¹ молекул см ^-3 видна смесь органических нитратов (синий), карбонилов (черный) и радикалов RO ₂ (красный). Для декалина мы видим продукты, содержащие до 11 атомов кислорода, для циклогексана — до 8, и даже для n -декана мы видим продукты, содержащие до 6 атомов кислорода. Для каждого из этих предшественников мы наблюдали гораздо более высокое содержание кислорода в продуктах, чем предполагалось ранее ¹⁸, как уже было показано на рис.1. Эти результаты подчеркивают важность многоступенчатой изомеризации радикалов RO и / или RO ₂ для всех типов алканов, даже при высоких концентрациях NO.
Мы показали, что многоступенчатое автоокисление длинноцепочечных алканов (C ₆ и больше) важно как при горении, так и в атмосферных условиях. В условиях горения мы показываем, что многоступенчатое самоокисление, управляемое радикалами RO ₂, распространяется на четвертое и даже пятое добавление O ₂, обогащая наши механистические представления о химии воспламенения топлива.В атмосферных условиях мы показываем, что реакция с одним радикалом ОН может инициировать автоокисление, управляемое реакциями изомеризации как RO, так и RO ₂, для линейных и, в частности, циклоалканов. Несколько поколений окисления ОН в атмосфере занимают много часов; они не требуются, как предполагалось ранее, для образования продуктов с высоким содержанием кислорода, способных вносить вклад во вторичный органический аэрозоль в атмосфере. Вместо этого многоэтапное автоокисление может происходить за секунды. Однако мы также показываем, что альдегиды, как заменители продуктов окисления алканов первого поколения, обладают высоким потенциалом самоокисления, предполагая, что окисление ОН более позднего поколения, вероятно, приведет к очень эффективному самоокислению.Наши результаты для различных структур алканов при различных условиях NO _x обеспечивают механистическое объяснение выходов SOA, наблюдаемых в различных системах, и подчеркивают важность реакций изомеризации RO помимо стадий изомеризации RO ₂. В более ранних исследованиях наблюдались значительные выходы HOM из биогенных и ароматических предшественников, часто способных напрямую связать процесс автоокисления с потенциалом образования SOA. Эта работа теперь добавляет единственные оставшиеся основные предшественники SOA в атмосфере, а именно алканы, в качестве последнего и, возможно, самого удивительного класса видов, для которого была определена важность автоокисления.
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Дополнительные пути разветвления цепи при низкотемпературном окислении разветвленных алканов (Журнальная статья)
Ван, Чжандун, Чжан, Лидонг, Мошаммер, Кай, Пополан-Вайда, Денисия М., Шанкар, Виджай Шанкар Бхавани, Лукассен, Арнас, Хемкен, Кристиан, Таатжес, Крейг А., Леоне, Стивен Р., Козе-Хоингхаус, Катарина, Хансен, Нильс, Дагаут, Филипп и Сарати, С. Мани. Дополнительные пути разветвления цепи при низкотемпературном окислении разветвленных алканов .США: Н. П., 2015. Интернет. DOI: 10.1016 / j.combustflame.2015.11.035.
Ван, Чжандун, Чжан, Лидонг, Мошаммер, Кай, Пополан-Вайда, Денисия М., Шанкар, Виджай Шанкар Бхавани, Лукассен, Арнас, Хемкен, Кристиан, Таатжес, Крейг А., Леоне, Стивен Р., Козе-Хоингхаус, Катарина, Хансен, Нильс, Дагаут, Филипп и Сарати, С. Мани. Дополнительные пути разветвления цепи при низкотемпературном окислении разветвленных алканов .Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2015.11.035
Ван, Чжандун, Чжан, Лидонг, Мошаммер, Кай, Пополан-Вайда, Денисия М., Шанкар, Виджай Шанкар Бхавани, Лукассен, Арнас, Хемкен, Кристиан, Таатжес, Крейг А., Леоне, Стивен Р., Козе-Хоингхаус, Катарина, Хансен, Нильс, Дагаут, Филипп и Сарати, С. Мани. Чт. «Дополнительные пути разветвления цепи при низкотемпературном окислении разветвленных алканов».Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2015.11.035. https://www.osti.gov/servlets/purl/1262238.
@article {osti_1262238, title = {Дополнительные пути разветвления цепи при низкотемпературном окислении разветвленных алканов}, author = {Ван, Чжандун и Чжан, Лидонг и Мошаммер, Кай и Пополан-Вайда, Денисия М.and Shankar, Vijai Shankar Bhavani and Lucassen, Arnas and Hemken, Christian and Taatjes, Craig A. and Leone, Stephen R. и Kohse-Hoinghaus, Katharina and Hansen, Nils and Dagaut, Philippe and Sarathy, S. Mani}, abstractNote = {Реакции разветвления цепи представляют собой общий мотив в химии, встречающийся в химии атмосферы, горении, полимеризации и фотохимии; природа и количество радикалов, образующихся в результате разветвления цепи, имеют решающее значение для протекания реакции, ее энергетической сигнатуры и времени до ее завершения.В этом исследовании представлены экспериментальные доказательства двух новых типов реакций разветвления цепи, основанные на обнаружении сильно окисленных многофункциональных молекул (ВОМ), образующихся во время газофазного низкотемпературного окисления разветвленного алкана в условиях, соответствующих горению. Окисление 2,5-диметилгексана (DMH) в реакторе с струйным перемешиванием (JSR) изучали с помощью синхротронной вакуумной ультрафиолетовой фотоионизационной молекулярно-лучевой масс-спектрометрии (SVUV-PI-MBMS). В частности, были исследованы частицы с четырьмя и пятью атомами кислорода, имеющие молекулярные формулы C 8 H 14 O 4 (например,g., дикетогидропероксид / кетогидропероксициклический эфир) и C 8 H 16 O 5 (например, кето-дигидропероксид / дигидропероксициклический эфир) соответственно. Образование разновидностей C 8 H 16 O 5 включает альтернативную изомеризацию радикалов OOQOOH посредством внутримолекулярной миграции H-атома с последующим третьим добавлением O 2, внутримолекулярной изомеризацией и высвобождением OH; Предполагается, что разновидности C 8 H 14 O 4 являются результатом последующих реакций разновидностей C 8 H 16 O 5. Механические пути, в которых участвуют эти виды, родственны тем, которые предложены в качестве источника низколетучих высококислородных видов в тропосфере Земли.При более высоких температурах, связанных с самовоспламенением, они могут привести к чистому увеличению производства гидроксильных радикалов, так что это дополнительные пути радикального разветвления цепи для воспламенения. Представленные здесь результаты расширяют концептуальную основу механизмов реакции, используемых для прогнозирования поведения реакции воспламенения, и имеют значение для газовой химии атмосферы и устойчивости органических веществ к окислению.}, doi = {10.1016 / j.combustflame.2015.11.035}, url = {https: // www.osti.gov/biblio/1262238}, journal = {Горение и пламя}, issn = {0010-2180}, число = C, объем = 164, place = {United States}, год = {2015}, месяц = {12} }
Глава 5 ~ Потоки и циклы питательных веществ — Экология
После завершения этой главы вы сможете:
Объясните, что такое питательные вещества, и приведите примеры.
Обсудите концепцию круговорота питательных веществ и опишите важные компартменты и потоки.
Опишите факторы, влияющие на развитие основных типов почв.
Опишите циклы углерода, азота, фосфора и серы.
Питательные вещества — это любые химические вещества, которые необходимы для нормального функционирования организмов. Мы можем выделить два основных типа питательных веществ: (1) неорганические химические вещества, которые необходимы автотрофным организмам для фотосинтеза и метаболизма, и (2) органические соединения, потребляемые в пищу гетеротрофными организмами.В этой главе рассматриваются неорганические питательные вещества.
Растения поглощают широкий спектр неорганических питательных веществ из окружающей среды, обычно в виде простых соединений. Например, большинство растений получают углерод в виде газообразного диоксида углерода (CO ₂) из атмосферы, азот в виде ионов (заряженных молекул), нитрата (NO ₃ -) или аммония (NH ₄ +), их фосфор в виде фосфата (PO ₄ ^3–), а их кальций и магний в виде простых ионов (Ca ²⁺ и Mg ²⁺).Ионы образуются в растворенном виде в почвенной воде, поглощаемой корнями растений. Растения используют эти различные питательные вещества в фотосинтезе и других метаболических процессах для производства всех биохимических веществ, необходимых для роста и воспроизводства.
Некоторые неорганические питательные вещества, называемые макроэлементами, необходимы растениям в относительно больших количествах. Это углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, кальций, магний и сера. Углерод и кислород требуются в самых больших количествах, поскольку углерод обычно составляет около 50% от сухой массы биомассы растений, а кислород несколько меньше.Водород составляет около 6% сухой биомассы растений, азот и калий присутствуют в концентрациях 1-2%, а кальция, фосфор, магний и сера составляют 0,1-0,5%. Микроэлементы необходимы в гораздо меньших количествах, и они включают бор, хлор, медь, железо, марганец, молибден и цинк. На каждый из них приходится менее 0,01% растительной биомассы и всего несколько частей на миллион (ppm, или 10–6; 1 ppm эквивалентна 0,0001%; см. Приложение A).
Изображение 5.1. Продуктивность естественной экосистемы часто ограничивается поступлением питательных веществ. Это можно проверить, экспериментально добавив удобрение в систему. В этом случае азотные удобрения были добавлены на луг в арктической тундре на острове Элсмир, что привело к повышению урожайности. Экспериментальный участок имеет более темный цвет. Источник: Б. Фридман.
Гетеротрофы получают необходимые им питательные вещества из пищи, которую они едят, которая может быть растительной биомассой (в случае травоядного животного), другими гетеротрофами (плотоядное животное) или и тем и другим (всеядным).Проглоченная биомасса содержит питательные вещества в различных органически связанных формах. Животные переваривают органические формы питательных веществ в кишечнике и усваивают их в виде простых органических или неорганических соединений, которые они используют для синтеза своих собственных необходимых биохимических веществ посредством различных метаболических процессов.
Хотя Земля получает небольшое количество материала в результате ударов метеоритов, эти внеземные поступления незначительны по сравнению с массой планеты. По сути, на глобальном уровне Земля представляет собой изолированную систему с материальной точки зрения.Как следствие этого факта, питательные вещества и другие материалы «циркулируют» внутри экосистем и между ними. Напротив, энергия всегда «течет» через экосистемы и биосферу (Глава 4). Круговорот питательных веществ относится к переносу, химическим превращениям и повторному использованию питательных веществ в экосистемах. Бюджет питательных веществ — это количественная (числовая) оценка скорости поступления и выхода питательных веществ в экосистему и из нее, а также количеств, присутствующих и перемещаемых внутри системы.
Основные элементы цикла питательных веществ показаны на Рисунке 5.1. Внешняя граница диаграммы определяет границы экосистемы. (Он может даже представлять всю биосферу, и в этом случае не будет входов или выходов системы.) В экологических исследованиях система часто определяется как конкретный ландшафт, озеро или водораздел (земной бассейн, из которого вода стекает в ручей или озеро). Каждая из этих систем имеет входы и выходы питательных веществ, уровень которых можно измерить.
Ящики внутри границы представляют собой отсеки, в каждом из которых хранится определенное количество материала.Размеры отсеков обычно выражаются в единицах массы на единицу площади поверхности. Примерами таких единиц являются килограммы на гектар (кг / га) или тонны на гектар (т / га). В водных исследованиях размеры отсеков могут быть выражены на единицу объема воды (например, г / м ³). Стрелки на схеме представляют потоки или перенос материала между отсеками. Потоки представляют собой функции скорости и измеряются в единицах массы на единицу площади за время (например, кг / га-год).
Систему можно разделить на четыре основных отсека:
Атмосфера состоит из газов и небольших концентраций взвешенных частиц и водяного пара.
Камни и почва состоят из нерастворимых минералов, которые напрямую не доступны для поглощения организмами.
Доступные питательные вещества присутствуют в химических формах, которые до некоторой степени растворимы в воде, поэтому они могут поглощаться организмами из окружающей среды и вносить свой вклад в их минеральное питание.
Органический отсек состоит из питательных веществ, присутствующих в живом и мертвом органическом веществе.Этот компартмент можно разделить на три функциональные группы: (а) живая биомасса автотрофов, таких как растения, водоросли и автотрофные бактерии, (б) живые гетеротрофы, включая травоядных, плотоядных, всеядных и детритоядных, и (в) и все формы мертвое органическое вещество.
Основные перемещения материала между отсеками или потоками также показаны на Рисунке 5.1. Это важные пути переноса в круговороте питательных веществ. Например, нерастворимые формы питательных веществ в горных породах и почве становятся доступными для поглощения организмами в результате различных химических превращений, таких как выветривание, которые делают питательные вещества растворимыми в воде.Это отменяется реакциями, которые производят нерастворимые соединения из растворимых. Эти последние реакции образуют вторичные минералы, такие как карбонаты (например, известняк, CaCO ₃ и доломит, MgCO ₃), оксиды железа и алюминия (Fe ₂ O ₃ и Al (OH) ₃) , сульфиды (например, сульфид железа, FeS ₂) и другие соединения, которые напрямую не доступны для биологического поглощения.
Рисунок 5.1. Концептуальная схема цикла питательных веществ.На этой диаграмме показаны основные элементы цикла питательных веществ для конкретной экосистемы, например водосбора. Каждая рамка представляет собой отсек (атмосфера, почва и камни, органический материал и доступные питательные вещества), содержащий определенное количество материала. Стрелки представляют потоки или перенос материала между отсеками. Источник: на основе данных Likens et al. (1977).
Другие потоки в круговоротах питательных веществ включают биологическое поглощение питательных веществ из атмосферы или доступного резервуара в почве.Например, листва растений усваивает углекислый газ (CO ₂) из воздуха, а корни поглощают ионы нитрата (NO ₃ -) и аммония (NH ₄ +), растворенные в почвенной воде. Затем растения метаболически фиксируют эти питательные вещества в своей растущей биомассе. Затем органические питательные вещества могут попасть в пищевую сеть и в конечном итоге откладываться в виде мертвой биомассы. Органические питательные вещества в мертвой биомассе рециркулируются в результате разложения и минерализации, которые восстанавливают запас доступных питательных веществ.
Эти концепции рассматриваются более подробно в следующих разделах.Первоначально мы исследуем почвенную экосистему, в которой круговорот питательных веществ происходит в основном в наземных средах обитания. Затем мы рассмотрим ключевые аспекты круговорота углерода, азота, фосфора и серы.
Почва представляет собой сложную и изменчивую смесь фрагментов горных пород, органического вещества, влаги, газов и живых организмов, которая покрывает почти все наземные ландшафты. Почва обеспечивает механическую поддержку роста даже для деревьев высотой до 100 м. Почва также хранит воду и питательные вещества для использования растениями и обеспечивает среду обитания для многих организмов, которые активны в разложении мертвой биомассы и повторном использовании содержащихся в ней питательных веществ.Почва является составной частью всех наземных экосистем, но сама по себе она также является динамичной экосистемой.
Почва в течение длительного времени развивается до зрелого состояния. По сути, почва происходит из так называемого исходного материала, который состоит из горных пород и минералов, которые встречаются в пределах метра или около того от поверхности. Исходные материалы на большей части территории Канады откладывались в результате ледниковых процессов, часто в виде сложной смеси, известной как тилл, которая содержит фрагменты горных пород различных размеров и минералогии.Однако в некоторых районах материнские материалы откладывались под огромными внутренними озерами, обычно в послеледниковые времена. Такие места обычно плоские и имеют однородные мелкозернистые почвы, по текстуре от глины до песка. (Частицы глины имеют диаметр менее 0,002 мм, а ил — от 0,002 до 0,05 мм, песок — от 0,05 до 2 мм, гравий — от 2 до 20 мм, а крупный гравий и щебень — более 20 мм.) текстурная классификация почвы по процентному содержанию частиц глины, ила и песка.
Рисунок 5.2. Текстурная классификация почв. Процентный состав частиц размером с глину, ил и песок используется для классификации почв на 12 основных типов, которые показаны. Источник: модифицировано из Foth (1990).
В других регионах материнский материал, известный как лёсс, получают из ила, перенесенного ветром из других мест. Из-за очень маленького размера частиц почва, богатая глиной, имеет огромную площадь поверхности, что придает ей важные химические свойства, такие как способность связывать многие ионы питательных веществ.
Характеристики основного материала имеют важное влияние на тип почвы, которая в конечном итоге образуется. Однако на развитие почвы также сильно влияют биологические процессы и климатические факторы, такие как осадки и температура.
Например, вода из осадков растворяет определенные минералы и уносит образующиеся ионы вниз. Этот процесс, известный как выщелачивание, изменяет химический и минералогический состав как поверхностных, так и более глубоких частей почвы.Кроме того, поступление подстилки (мертвой биомассы) растений увеличивает содержание органического вещества в почве. Свежая подстилка является пищевым субстратом для многих видов животных, обитающих в почве, грибов и бактерий-разлагателей. Эти организмы в конечном итоге окисляют органический мусор до двуокиси углерода, воды и неорганических питательных веществ, таких как аммоний, хотя некоторые вещества остаются в виде сложного органического вещества, известного как гумус. По мере развития почвы они принимают вертикальную стратификацию, известную как профиль почвы, которая имеет узнаваемые слои, известные как горизонты.С поверхности вниз основными горизонтами развитого почвенного профиля являются:
Почва, измененная под влиянием человека, может быть стратифицирована по-разному. Например, на обрабатываемых землях на поверхности образуется однородный пахотный слой (A _p) толщиной 15-20 см. Пахотный слой однороден по структуре, так как на протяжении многих лет неоднократно перемешивался. Кроме того, в почве сельскохозяйственных земель часто не хватает органических веществ, она уплотняется из-за многократного проезда тяжелой техники, ухудшается по структуре, концентрации питательных веществ и другим качествам, важным для ее способности поддерживать урожайность сельскохозяйственных культур.Эти предметы рассматриваются более подробно в главах 14 и 24.
Изображение 5.2. Почвы в природных экосистемах часто имеют вертикальную стратификацию. Обычно на поверхности есть богатые органикой горизонты, а внизу — богатые минералами. Эта почвенная «яма» была вырыта в бореальном лесу с преобладанием елей в Лабрадоре. Под более темным органическим поверхностным слоем находится светлый минеральный горизонт, из которого ионы железа и алюминия вымываются вниз просачивающейся водой. Следующий красноватый слой — часть горизонта В, где отлагаются железо и алюминий.Светлый нижний слой является материнским материалом, который в данном случае представляет собой песок, отложившийся в реке Черчилль тысячи лет назад. Источник: Б. Фридман
Вообще говоря, почва в пределах определенного типа экосистемы, такой как тундра, хвойный лес, лиственный лес или прерия, имеет тенденцию развиваться особым образом. Почвы классифицируются по экологическим условиям, в которых они развивались. На самом высоком уровне классификации почвы разбиты на группы, называемые порядками, которые сами по себе могут быть разделены на более подробные сборки.Наиболее важные почвенные заказы в Канаде:
Важность почвы
Почвенная экосистема чрезвычайно важна. Наземные растения получают воду и большую часть необходимых им питательных веществ из почвы, поглощая их корнями. Почва также является средой обитания для большого разнообразия животных и микроорганизмов, которые играют решающую роль в разложении подстилки и круговороте питательных веществ.
Почва имеет экономическое значение, поскольку она критически влияет на виды сельскохозяйственных культур, которые можно выращивать (эта тема рассматривается в главе 14).Некоторые из наиболее продуктивных сельскохозяйственных почв представляют собой аллювиальные отложения, обнаруженные вдоль рек и их дельт, где периодические наводнения и отложения ила приносят обильные запасы питательных веществ. Чернозем и брунизол, если они не слишком каменистые, также являются плодородными и полезными для сельского хозяйства. Большая часть сельского хозяйства прерий развита на черноземных почвах, в то время как большая часть плодородных сельскохозяйственных земель южного Квебека и Онтарио относится к типам брунизол.
Углерод — один из основных строительных блоков жизни и самый распространенный элемент в организмах, составляющий около половины типичной сухой биомассы.Ключевые аспекты глобального углеродного цикла представлены на Рисунке 5.3 (см. Также Главу 17 и Рисунок 17.1). Газообразный диоксид углерода (CO ₂) является наиболее распространенной формой углерода в атмосфере, где он встречается в концентрации около 400 частей на миллион (0,04%), хотя метан (CH ₄, 1,8 частей на миллион) также имеет значение.
Рисунок 5.3. Модель глобального углеродного цикла. Углерод хранится в различных отсеках (атмосфера, органический материал, океаны и почва / горная порода) и перемещается из одного ящика в другой.Количество углерода в отсеках выражается в единицах миллиардов тонн углерода (10 ⁹ т или гигатонн, Гт), а потоки между ними составляют 10 ⁹ т / год. Основываясь на данных Blasing (1985), Solomon et al. (1985) и Фридман (1995).
Атмосферный CO ₂ является важным питательным веществом для фотосинтезирующих организмов, таких как растения и водоросли. Растения поглощают этот газ через крошечные поры (называемые устьицами) в своей листве, фиксируют его в простые сахара, а затем используют фиксированную энергию для поддержки своего дыхания и достижения роста и размножения.Биомасса автотрофов доступна для потребления гетеротрофами и прохождения через пищевые сети. Все организмы выделяют CO ₂ в атмосферу в качестве побочного продукта своего респираторного метаболизма.
CO ₂ также является наиболее частым выбросом, связанным с разложением мертвого органического вещества. Однако если этот процесс происходит в анаэробных условиях (в которых кислород, O ₂, отсутствует), то выделяются как CO ₂, так и CH ₄.Поскольку анаэробное разложение относительно неэффективно, мертвое органическое вещество часто накапливается в водно-болотных угодьях, таких как болота и трясины, в конечном итоге образуя торф. В подходящих геологических условиях: глубокое захоронение, высокое давление и температура, а также недостаток кислорода, торф и другие органические материалы могут медленно превращаться в богатые углеродом ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ (см. Главу 13).
Атмосферный CO ₂ также растворяется в океанической воде, образуя бикарбонат-ион (HCO ₃ -), который может поглощаться и фиксироваться фотосинтезирующими водорослями и бактериями, которые составляют основу морской пищевой сети.Различные морские организмы также используют океанический CO ₂ и HCO ₃ — для производства своих панцирей из карбоната кальция (CaCO ₃), нерастворимого минерала, который медленно накапливается в отложениях и может со временем литифицироваться в известняк (также CaCO ₃ ).
Практически на протяжении всего геологического времени количество CO ₂, поглощенное глобальной биотой из атмосферы, было таким же, как количество CO, выделяемого при дыхании и разложении. Следовательно, круговорот этого питательного вещества можно рассматривать как стационарную систему.Однако в наше время антропогенные выбросы изменили баланс углерода в атмосфере. Глобальные выбросы CO ₂ и CH ₄ в настоящее время превышают поглощение этих газов, дисбаланс, который привел к увеличению концентраций в атмосфере. Это явление, по-видимому, усиливает парниковый эффект Земли и приводит к глобальному потеплению (см. Главу 17).
Азот — еще одно важное питательное вещество для организмов, являющееся неотъемлемым компонентом многих биохимических веществ, включая аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты.Как и углеродный цикл, азот имеет важную атмосферную фазу. Однако, в отличие от углерода, азот не является важным компонентом горных пород и минералов. Следовательно, атмосферный резервуар играет первостепенную роль в круговороте азота (рис. 5.4).
Рисунок 5.4. Модель глобального цикла азота. Азот находится в трех основных частях: атмосфера, органический материал суши и органический материал океана. Количество азота, хранящегося в отсеках, выражается в миллионах тонн азота (10 ⁶ т или мегатонн, Мт), в то время как потоки составляют 10 ⁶ т / год.Основано на данных Hutzinger (1982) и Freedman (1995).
Практически весь азот в атмосфере присутствует в виде газообразного азота (N ₂, иногда называемого диазотом), концентрация которого составляет 78%. Другими газообразными формами азота являются аммиак (NH ₃), оксид азота (NO), диоксид азота (NO ₂) и закись азота (N ₂ O). Эти следовые газы обычно присутствуют в атмосферных концентрациях намного ниже 1 ppm, хотя могут быть и большие количества вблизи источников антропогенных выбросов (см. Главу 16).Азот также присутствует в микрочастицах, содержащих нитрат (NO ₃ -) и аммоний (NH ₄ +), таких как нитрат аммония (NH ₄ NO ₃) и сульфат аммония ((NH ₄) ₂ SO ₄), оба из которых могут быть значительными загрязнителями, связанными с кислотными дождями и дымкой (см. Главы 16 и 19).
Азот присутствует во многих дополнительных формах в наземных и водных средах. «Органический азот» относится к большому разнообразию азотсодержащих молекул в живой и мертвой биомассе.Эти химические вещества различаются по характеру от простых аминокислот, белков и нуклеиновых кислот до больших и сложных молекул, которые являются компонентами гумифицированного органического вещества. Азот в экосистемах также присутствует в небольшом количестве неорганических соединений, наиболее важными из которых являются газы N ₂ и NH ₃, а также ионы нитрата, нитрита (NO ₂ -) и аммония. Круговорот азота включает в себя преобразование и круговорот различных органических и неорганических форм азота в экосистемах.
Азотная фиксация
Поскольку два атома азота в газообразном диазоте удерживаются вместе прочной тройной связью, N ₂ является крайне инертным соединением. По этой причине N ₂ может непосредственно использоваться только несколькими специализированными организмами, хотя он чрезвычайно распространен в окружающей среде. Эти азотфиксирующие виды, все из которых являются микроорганизмами, обладают способностью метаболизировать N ₂ в газ NH ₃, который затем может использоваться для их питания.Что еще более важно, NH ₃ также становится косвенно доступным для подавляющего большинства автотрофных растений и микроорганизмов, которые сами не могут фиксировать N ₂.
Биологическая фиксация азота — это критически важный процесс — большинство экосистем зависит от него в обеспечении азотом, поддерживающим их первичную продуктивность. Фактически, поскольку азот не является важным компонентом горных пород и минералов почвы, фиксация N ₂ в конечном итоге отвечает за почти весь органический азот в биомассе организмов и экосистем по всей биосфере.Единственными другими значительными источниками фиксированного азота для экосистем являются атмосферные осаждения нитратов и аммония в виде осадков и пыли, а также поглощение газов NO и NO ₂ растениями. Однако это, как правило, второстепенные источники по сравнению с биологической фиксацией N ₂.
Самыми известными из фиксирующих N ₂ микроорганизмов являются бактерии, называемые Rhizobium, которые живут в специализированных клубеньках на корнях бобовых растений, таких как горох и фасоль.Некоторые небобовые культуры, такие как ольха, также живут в благоприятном симбиозе (мутуализм; см. Главу 9) с N ₂ -фиксирующими микроорганизмами. То же самое и с большинством лишайников, которые представляют собой мутуализм между грибами и водорослями. Многие другие микробы, фиксирующие N ₂, свободно обитают в почве или воде, например цианобактерии (сине-зеленые бактерии).
Небиологическая фиксация азота также происходит, например, во время грозы, когда атмосферный N ₂ объединяется с O ₂ в условиях сильной жары и давления.Люди также могут вызвать исправление N ₂. Например, азотные удобрения производятся путем объединения N ₂ с газообразным водородом (H ₂, который производится из ископаемого топлива CH ₄) в присутствии железных катализаторов для получения NH ₃. Кроме того, газ NO образуется в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств, где N ₂ соединяется с O ₂ в условиях высокого давления и температуры. Большие количества NO выбрасываются в атмосферу с выхлопными газами транспортных средств, что способствует загрязнению воздуха (Глава 16).Антропогенная фиксация N ₂ в настоящее время составляет около 120 миллионов тонн в год, около 83% из которых приходится на производство удобрений. Это глобально важный компонент современного азотного цикла, который по величине сопоставим с нечеловеческой фиксацией N ₂ (около 170 миллионов тонн в год).
Изображение 5.3. Большинство видов семейства гороховых (Fabaceae), таких как эти соевые бобы, развивают мутуализм с бактериями Rhizobium. Rhizobium живут клубеньками на корнях и связывают газообразный азот (N ₂) в аммиак (NH ₃), который растение может использовать в качестве питательного вещества.Источник: Патрикин Д.
Аммонификация и нитрификация
После смерти организма его органически связанный азот должен быть преобразован в неорганические формы; в противном случае рециркуляция фиксированного азота была бы невозможна (рис. 5.5). Начальной стадией этого процесса является аммонификация, при которой органический азот мертвой биомассы превращается в аммиак, который приобретает ион водорода (H ⁺) с образованием аммония (NH ₄ +). Таким образом, аммонификация является составной частью сложного процесса разложения, но специфическим для азотного цикла.Аммонификацию проводят самые разные микроорганизмы. Полученный аммоний является подходящим источником питания для многих видов растений, особенно тех, которые живут в среде с кислой почвой. Однако большинство растений не могут эффективно использовать NH ₄ +, и им требуется нитрат (NO ₃ -) в качестве основного источника азотного питания.
Нитрификация — это процесс, при котором нитрат синтезируется из аммония. Первым шагом является преобразование NH ₄ + в нитрит (NO ₂ -), функция, выполняемая бактериями, известными как Nitrosomonas.Как только нитрит образуется, он быстро окисляется до нитрата бактериями Nitrobacter. Поскольку Nitrosomonas и Nitrobacter чувствительны к кислотности, нитрификация не происходит в кислой почве или воде. Вот почему растения, растущие в кислой среде обитания, должны иметь возможность использовать аммоний в качестве источника азота.
Рисунок 5.5. Важные преобразования фиксированного азота в экосистемах. На диаграмме показаны ключевые превращения азота среди его наиболее важных неорганических форм в почве и водных экосистемах.Источник: модифицировано из Freedman (1995).
Денитрификация
При денитрификации, также выполняемой множеством видов микробов, нитрат превращается в любой из газов N ₂ O или N ₂, которые выбрасываются в атмосферу. Денитрификация происходит в анаэробных условиях, и ее скорость максимальна при высокой концентрации нитратов, например, на удобренных сельскохозяйственных землях, которые временно затоплены. В некоторых отношениях денитрификацию можно рассматривать как процесс, уравновешивающий азотфиксацию.Фактически, глобальные темпы фиксации азота и денитрификации находятся в приблизительном балансе, поэтому общее количество фиксированного азота в биосфере не сильно меняется с течением времени.
Фосфор является ключевым компонентом многих биохимических веществ, включая жиры и липиды, нуклеиновые кислоты, такие как генетические материалы ДНК и РНК, и молекулы, несущие энергию, такие как АТФ. Однако фосфор требуется организмам в гораздо меньших количествах, чем азот или углерод. Тем не менее, фосфора часто не хватает, поэтому он является важным питательным веществом во многих экосистемах, особенно в пресноводных и сельскохозяйственных.
В отличие от циклов углерода и азота, цикл фосфора не имеет значительной атмосферной фазы. Хотя соединения фосфора действительно присутствуют в атмосфере в виде следовых количеств в макрочастицах, результирующий вклад в экосистемы невелик по сравнению с количествами, доступными из почвенных минералов или внесения удобрений в сельскохозяйственные угодья. Фосфор имеет тенденцию перемещаться из наземных ландшафтов в поверхностные воды, а затем в конечном итоге в океаны, где он откладывается в отложениях, которые действуют как долгосрочный сток.Хотя некоторые минералы фосфора в океанических отложениях в конечном итоге возвращаются на сушу в результате геологического подъема, связанного с горообразованием, это чрезвычайно медленный процесс и не имеет смысла в экологических временных масштабах. Следовательно, аспекты глобального цикла фосфора представляют собой проточную систему.
Тем не менее, определенные процессы действительно возвращают некоторое количество морского фосфора в части континентального ландшафта. Например, некоторые виды рыб проводят большую часть своей жизни в море, но мигрируют вверх по рекам для размножения.Когда их много, рыба, такая как лосось, импортирует значительные количества органического фосфора в верховья рек, где он разлагается до фосфатов после нереста и гибели рыбы. Морские птицы, питающиеся рыбой, также играют важную роль в возвращении океанического фосфора на сушу через свои экскременты.
Почва является основным источником поглощения фосфора наземной растительностью. Фосфат-ион (PO ₄ ^3–) является наиболее важной формой доступного для растений фосфора.Хотя фосфат-ионы обычно встречаются в почве в небольших концентрациях, они постоянно образуются из медленно растворяющихся минералов, таких как фосфаты кальция, магния и железа (Ca ₃ (PO ₄) ₂, Mg ₃ (PO _{) 4}) ₂ и FePO ₄). Фосфат также образуется в результате микробного окисления органического фосфора, составляющего более общий процесс разложения. Водорастворимый фосфат быстро всасывается микроорганизмами и корнями растений и используется в синтезе широкого спектра биохимических веществ.
Водные автотрофы также используют фосфаты в качестве основного источника фосфорного питания. Фактически, фосфат обычно является наиболее важным фактором, ограничивающим продуктивность пресноводных экосистем. Это означает, что первичная продуктивность увеличится, если система удобряется фосфатом, но не при обработке источниками азота или углерода (если они сначала не имеют достаточного количества PO ₄ ^3–; см. Главу 20). Озера и другие водные экосистемы получают большую часть фосфатов за счет стока с суши в водоразделах, а также за счет рециркуляции фосфора из донных отложений и органического фосфора, взвешенного в толще воды.
Люди сильно влияют на глобальный цикл фосфора, добывая его для производства удобрений и применяя этот материал на сельскохозяйственных землях для повышения их продуктивности. Некоторое время основным источником фосфорных удобрений был гуано, высушенные экскременты морских птиц. Гуано добывают на островах, таких как прибрежные районы Чили и Перу, где гнездовые колонии морских птиц многочисленны, а климат сухой, что позволяет гуано накапливаться. Однако в течение двадцатого века залежи осадочных фосфатных минералов были обнаружены в нескольких местах, например в южной Флориде.Фосфор стал геологически сконцентрированным в осадочных отложениях в этих местах в результате осаждения морских организмов в течение миллионов лет. Эти месторождения сейчас разрабатываются для получения минерального фосфора, используемого для производства сельскохозяйственных удобрений. Однако, когда эти легко используемые месторождения полезных ископаемых истощатся, фосфор может оказаться ограничивающим фактором для сельскохозяйственного производства в недалеком будущем.
Ежегодно производится около 50 миллионов тонн фосфорных удобрений.Это очень важный вклад в глобальный цикл фосфора, учитывая, что, по оценкам, около 200 миллионов тонн фосфора в год естественным образом абсорбируются из почвы растительностью.
Изображение 5.4. Там, где обитают колониальные морские птицы, их экскременты (гуано) можно добывать как источник богатых фосфором удобрений. Это вид на большую колонию рыбоядных бакланов гуанея (Phalacrocorax bougancillii) недалеко от Паракаса у побережья Перу. Высушенное гуано периодически очищают от камней и используют в сельскохозяйственных целях.Источник: Б. Фридман.
Экологические проблемы 5.1. Слишком много хорошего — загрязнение питательными веществами
Питательные вещества необходимы для здорового метаболизма организмов и правильного функционирования экосистем. Часто увеличение поступления определенных питательных веществ повышает продуктивность диких и культурных растений — это принцип, лежащий в основе использования удобрений в сельском хозяйстве. Однако бывают также случаи, когда чрезмерное поступление питательных веществ вызывает серьезные экологические проблемы.
Поскольку наличие доступных форм азота (особенно NO ₃ — и NH ₄ +) часто является ограничивающим фактором для продуктивности сельского хозяйства, они, как правило, являются наиболее распространенными питательными веществами в удобрениях. Однако использование сельскохозяйственных удобрений может привести к концентрации NO ₃ в питьевой воде, которая достаточно высока, чтобы быть токсичной для человека, особенно для младенцев (см. Главу 24). Мы также знаем, что растения могут поглощать газообразный NO и N ₂ O из атмосферы и использовать их в качестве питательных веществ вместе с NO ₃ — и NH ₄ + из атмосферных осадков и почвенной воды.Тем не менее, газообразный NO и N ₂ O являются загрязнителями воздуха, если они встречаются в высоких концентрациях, особенно в солнечной среде, где они участвуют в фотохимическом производстве токсичного озона (см. Главу 16). Кроме того, большие количества NO ₃ — и NH ₄ + в дождь и снег могут способствовать возникновению кислотных дождей (см. Главу 19).
Есть и другие примеры экологических проблем, вызванных чрезмерным содержанием питательных веществ. Например, CO ₂ является одним из наиболее важных питательных веществ для растений, поскольку углерод составляет около половины биомассы растений.Но это важное питательное вещество присутствует в относительно небольшой концентрации в атмосфере — всего около 0,04%. Однако концентрация CO ₂ в атмосфере увеличилась примерно на 45% за последние два столетия и продолжает увеличиваться. Это хорошо задокументированное изменение способствует глобальному потеплению — важной экологической проблеме (см. Главу 17).
Эвтрофикация или чрезмерная продуктивность водоемов — еще одна экологическая проблема, связанная с чрезмерным поступлением питательных веществ.Чаще всего это вызвано превышением PO ₄ ^3–, обычно из-за сброса сточных вод или стока с удобренных сельскохозяйственных земель (см. Главу 20). Высокоэвтрофные озера деградировали с экологической точки зрения и больше не могут использоваться в качестве источника питьевой воды или для отдыха.
Очевидно, эти примеры показывают, что существует прекрасный баланс между химическими веществами, которые служат полезными питательными веществами или вредными загрязнителями.
Сера является ключевым компонентом некоторых аминокислот, белков и других биохимических веществ.Сера богата некоторыми минералами и горными породами, а также присутствует в почве, воде и атмосфере.
Сера в атмосфере содержится в различных соединениях, некоторые из которых являются важными загрязнителями воздуха (см. Главу 16). Двуокись серы (SO ₂), газ, выделяется в результате извержений вулканов, а также выделяется угольными электростанциями и плавильными заводами. SO ₂ токсичен для многих растений при концентрациях ниже 1 ppm. В некоторых местах, например в районе Садбери, этот газ нанес серьезный экологический ущерб (глава 16).
В атмосфере SO ₂ окисляется до аниона (отрицательно заряженный ион) сульфата (SO ₄ ^2–), который присутствует в виде крошечных частиц или растворяется во взвешенных каплях влаги. В этой форме отрицательный заряд сульфата должен уравновешиваться положительным зарядом катионов, таких как аммоний (NH ₄ +), кальций (Ca ₂ +) или ион водорода (H ⁺, ключевой элемент. «кислотного дождя»; см. главу 19).
Сероводород (H ₂ S), имеющий запах тухлых яиц, естественным образом выделяется из вулканов и глубоководных жерл.Он также выделяется из мест обитания, где органические соединения серы разлагаются в анаэробных условиях, и из бедных кислородом водных систем, где SO ₄ ^2– восстанавливается до H ₂ S. Диметилсульфид представляет собой еще одно восстановленное содержание серы. газ, который производится в океанах и выбрасывается в атмосферу. В богатой кислородом среде, такой как атмосфера, H ₂ S окисляется до сульфата, как и диметилсульфид, но медленнее.
Большинство выбросов SO ₂ в атмосферу связаны с деятельностью человека, но почти все выбросы H ₂ S являются естественными.Важным исключением являются выбросы H ₂ S из скважин высокосернистого газа и перерабатывающих предприятий, например, в Альберте. В целом глобальные выбросы всех серосодержащих газов эквивалентны примерно 251 миллиону тонн серы в год. Около 41% этого выброса является антропогенным, а остальное — естественным (см. Главу 16).
Сера встречается в горных породах и почвах в различных минеральных формах, наиболее важными из которых являются сульфиды, которые встречаются в виде соединений с металлами.Сульфиды железа (такие как FeS ₂, называемые пиритом, когда они встречаются в виде кубических кристаллов) являются наиболее распространенными сульфидными минералами, но все тяжелые металлы (такие как медь, свинец и никель) могут существовать в этой минеральной форме. Везде, где сульфиды металлов подвергаются воздействию богатой кислородом среды, бактерия Thiobacillus thiooxidans окисляет минерал, образуя сульфат в качестве продукта. Эта автотрофная бактерия использует энергию этого химического превращения для поддержания своего роста и размножения.Такой вид первичной продуктивности называется хемосинтезом (параллельно с фотосинтезом растений). В местах, где окисляются большие количества сульфидов, с сульфатным продуктом связан высокий уровень кислотности, явление, называемое дренажем кислотных шахт (см. Главу 19).
Сера также присутствует в различных органически связанных формах в почве и воде. Эти соединения включают белки и другие серосодержащие вещества в мертвом органическом веществе. Почвенные микроорганизмы окисляют органическую серу до сульфата — иона, который растения могут использовать в своем питании.
Растения удовлетворяют свои потребности в питательных веществах серы за счет ассимиляции простых минеральных соединений из окружающей среды, в основном за счет поглощения сульфата, растворенного в почвенной воде, который поглощается корнями. В окружающей среде, где атмосфера загрязнена SO ₂, растения также могут поглощать этот газ через свою листву. Однако слишком большое поглощение может быть токсичным для растений — существует тонкая грань между SO ₂ как питательным веществом для растений и как яд.
Деятельность человека сильно повлияла на определенные потоки цикла серы.Серьезный ущерб окружающей среде был нанесен токсичностью SO ₂, кислотными дождями, дренажем кислотных шахт и другими проблемами, связанными с серой. Однако сера также является важным минеральным товаром, который широко используется в промышленности в производстве и в качестве сельскохозяйственных удобрений. Большая часть технической серы получается путем очистки «кислого» природного газа (метан, CH ₄) от содержания H ₂ S и удаления SO ₂ из отходящих газов металлургических заводов.
Питательные вещества — это химические вещества, которые необходимы для метаболизма организмов и экосистем.Если их будет недостаточно, экологическая продуктивность будет меньше, чем потенциально могла бы быть. Питательные вещества также могут присутствовать в избытке, и в этом случае ущерб окружающей среде может быть вызван токсичностью и другими проблемами. Питательные вещества регулярно проходят цикл между неорганическими и органическими формами внутри экосистем. Ключевые аспекты круговоротов питательных веществ иллюстрируются циклами углерода, азота, фосфора и серы.
Каковы основные аспекты цикла питательных веществ? В своем ответе опишите роли отсеков и потоков.
Как почва образуется из основного материала? Включите в свой ответ влияние физических и биологических процессов.
Какие основные типы почв? Чем они отличаются?
Каковы основные химические превращения в круговороте азота и на какие из них влияет влияние человека?
Сравните и сопоставьте ключевые аспекты круговорота углерода, азота, фосфора и серы.
Использование азотных и фосфорных удобрений имеет решающее значение для современного сельского хозяйства, однако эти материалы производятся из невозобновляемых ресурсов и могут оказаться недоступными в будущем.Каковы были бы последствия для сельскохозяйственного производства, если бы эти удобрения стали более дорогими и менее доступными?
Как ваша повседневная деятельность влияет на углеродный цикл?
Если почва станет кислой, процесс нитрификации может прекратиться. Каковы последствия этого изменения для питания растений?
Станция по очистке сточных вод подала заявку на разрешение сбросить богатый питательными веществами ил на близлежащие сельскохозяйственные угодья.Вас попросили разработать исследование, которое изучило бы влияние ила на круговорот азота и фосфора в агроэкосистеме. Какие ключевые переменные отклика следует измерять в ходе исследования? Какие эксперименты вы бы порекомендовали для изучения потенциального воздействия ила на круговорот питательных веществ и урожайность сельскохозяйственных культур?
Атлас, Р. и Р. Барта. 1998. Экология микробов: основы и приложения. 4-е изд. Бенджамин / Каммингс, Менло-Парк, Калифорния.
Близинг, Т.Дж. И К. Смит. 2007. Последние концентрации парниковых газов. Центр анализа информации по двуокиси углерода, Национальная лаборатория Ок-Ридж, Министерство энергетики США, Ок-Ридж, Теннесси. http://cdiac.ornl.gov/pns/current_ ghg.html
Боткин, Д. и Э.А. Келлер. 2014. Наука об окружающей среде: Земля как живая планета. 9 изд. Wiley & Sons, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
Брэди, Северная Каролина и Р. Р. Вейль. 2007. Природа и свойства почв. 14-е изд. Прентис Холл, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
Вольноотпущенник, Б., J. Hutchings, D. Gwynne, J. Smol, R. Suffling, R. Turkington, R. Walker и D. Bazeley. 2014. Экология: канадский контекст. 2-е изд. Нельсон Канада, Торонто, Онтарио.
Hutzinger, O. (ed.) 1982. Справочник по химии окружающей среды. Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк. Likens, G.E. и F.H. Bormann. 1999. Биогеохимия лесной экосистемы. 2-е изд. Спрингер-Верлаг, Нью-Йорк.
Маргулис, Л., К. Мэтьюз и А. Хазелтон. 2000. Эволюция окружающей среды. 2-е изд. MIT Press, Кембридж, Массачусетс.
Гипс, E.J. 2002. Почвоведение и управление. 3-е изд. Обучение Делмара Томсона, Флоренция, Кентукки.
Post, W.M., T. Peng, W.R. Emanual, A.W. Кинг, В.Х. Дейл и Д.Л. ДеАнгелис. 1990. Глобальный углеродный цикл. Американский ученый, 78: 310-26.
Шлезингер, W.H. 1997. Биогеохимия: анализ глобальных изменений. 2-е изд. Academic Press, Сан-Диего, Калифорния.
Выбросы, связанные с асфальтом, являются основным недостающим нетрадиционным источником вторичных прекурсоров органических аэрозолей
ВВЕДЕНИЕ
Недавние исследования показывают, что нетрадиционные источники, т.е.е., летучие химические продукты (ЛХП) и другие источники, не связанные со сжиганием, в настоящее время доминируют в выбросах летучих органических соединений (ЛОС) в мегаполисах США ( 1 , 2 ) и, вероятно, являются основными источниками промежуточных / полулетучих органические соединения (I / SVOC), но существуют серьезные пробелы в знаниях ( 1 ). Эти выбросы ЛОС и I / SVOC являются важными предшественниками озона и вторичного органического аэрозоля (SOA), основного компонента PM _2,5 (твердые частицы размером менее 2.5 мкм в диаметре) со значительными последствиями для здоровья населения ( 3 ). Их можно разделить на три пути: (i) испарение растворителя, (ii) улетучивание растворенных веществ и (iii) выделение газов из соединений, не присутствующих в рецептурах продукта (например, побочных продуктов разложения), как в случае с асфальтом. связанные выбросы ( 1 ). Шкала времени эмиссии от любых применяемых продуктов и материалов сильно зависит от температуры, толщины пленки и летучести соединений и может достигать месяцев или дольше для I / SVOC ( 1 ).По результатам модели от 70 до 86% выбросов SOA в городских условиях в Лос-Анджелесе возникает в результате окисления первичных выбросов I / SVOC ( 4 ). Тем не менее, данные об окружающей среде показывают, что значительная (неуказанная) часть I / SVOC происходит из неидентифицированных источников, связанных с нефтью, помимо дорожных транспортных средств ( 5 ).
Жидкий асфальт — это продукт на нефтяной основе, широко используемый в городах. С учетом того, что городские территории состоят из 45% + мощеных поверхностей и 20% крыш ( 6 ), годовая потребность составляет 122.5 миллионов метрических тонн во всем мире и 27 миллионов метрических тонн в Соединенных Штатах для жидкого битумного вяжущего, который затем обычно смешивается с другими конструкционными материалами (например, заполнителями) в зависимости от использования ( 7 ). Его использование включает мощение (смешанное с каменным заполнителем), кровлю и другие потребительские, коммерческие и промышленные продукты (например, герметики). Жидкое асфальтовое связующее представляет собой высоковязкую сложную смесь нелетучих битумов нефтяного происхождения, добытых из сырой нефти или нетрадиционных месторождений.Его подвергают вакуумной перегонке до температуры, эквивалентной 535 ° C, с целью удаления ЛОС, IVOC, SVOC и LVOC (низколетучие органические соединения) и обычно ректифицируют на воздухе для ускорения полимеризации и повышения жесткости ( 8 ). Хотя растворители иногда используются для некоторых применений, его обычно делают менее вязким, повышая его температуру выше точки размягчения. Его химический состав варьируется в зависимости от геологического источника, методов обработки и условий применения, при этом желательный асфальт-битум часто содержит от 1 до 7% серы ( 7 ).
Некоторые данные о выбросах, связанных с асфальтом, при горячем нанесении существуют из исследований по профессиональному воздействию, проведенных Управлением по безопасности и гигиене труда (OSHA); однако никакие исследования не давали количественных показателей выбросов или полных профилей источников ( 9 — 15 ). Выбросы, связанные с асфальтом, связанные с территориальным источником, практически отсутствуют в кадастрах выбросов, за исключением испарения растворителя ЛОС при нанесении урезанного асфальта, что является редким (~ 1%) методом по сравнению с горячим асфальтом, в котором не используются растворители ( 1 ).Исследования предприятий по производству асфальта из точечных источников позволили рассчитать коэффициенты выбросов (EF) для критериальных загрязнителей, парниковых газов, отдельных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и общего органического углерода ( 16 — 19 ). Измерения, связанные с производственным воздействием при нанесении горячего асфальта, выявили повышенные концентрации ЛОС, первичных ТЧ и других опасных загрязнителей воздуха и предоставили доказательства наличия широкого диапазона циклических и ациклических алканов, ароматических углеводородов с одним кольцом и ПАУ из горячих асфальтовых смесей. ( 13 — 15 , 20 — 25 ).Тем не менее, промышленность заявляет, что выбросы при температуре окружающей среды незначительны, поскольку производственный процесс устраняет все потенциальные выбросы ( 26 ). Другие прошлые исследования влияния окружающих условий, особенно солнечной радиации, были ограничены механическими характеристиками асфальта, долговечностью и выбросами парниковых газов ( 14 , 27 — 34 ).
С большой площадью поверхности асфальта в городской застроенной среде и доказательствами выбросов реактивных прекурсоров, асфальт представляет собой важный потенциальный источник городских прекурсоров SOA ( 35 , 36 ).Тем не менее, помимо выбросов редко используемых растворителей во время дорожного покрытия, выбросы от самого асфальтового вяжущего плохо ограничиваются и не включаются в кадастры / модели из-за недостаточно изученных путей выбросов, длительных временных масштабов выбросов и профилей источников (например, летучесть и изотопные сигнатуры). ), которые могут спутать их с выбросами от транспортных средств в данных об окружающей среде ( 1 ). Кроме того, колебания температуры, солнечного излучения и воздействия окислителей сильно различаются на протяжении жизненного цикла асфальта (рис.1А). Температура колеблется от 80 ° до 140 ° C для хранения и от 120 ° до 160 ° C при укладке дорожного покрытия, а при эксплуатации дорожное покрытие достигает 47-67 ° C летом ( 37 — 41 ) [75 ° C для крыши ( 42 , 43 )]. Более подробную информацию об асфальтовом покрытии и условиях окружающей среды можно найти в разделах S1 и S2 соответственно.
Рис. 1 Жизненный цикл асфальта и выбросы в зависимости от температуры.
( A ) Различные этапы жизненного цикла асфальта с потенциальным выбросом химически активных органических газов в атмосферу.( B ) Температурная зависимость общих выбросов газовой фазы от асфальта, в диапазоне от эксплуатации (от 40 ° до 60 ° C) и хранения (от 80 ° до 140 ° C) до мощения и перегрева (от 120 ° до 200 ° C) ) температурный режим (закрашенные кружки). Соответствующий потенциальный SOA, который может быть создан, также показан (полые квадраты). Оранжевая, зеленая и синяя кривые показывают IVOC, SVOC и ароматические фракции в общих выбросах, соответственно. Столбики ошибок показывают SD коэффициентов выбросов и производства SOA, а полосы ошибок указывают SD в долях волатильности.( C ) Изменение коэффициентов выбросов отобранных опасных ПАУ и всего n -алканов (C ₁₀ -C ₃₂) в зависимости от применяемой температуры.
Наша общая цель — определить связанные с асфальтом газовые выбросы и потенциальное производство SOA в типичных условиях окружающей среды на различных этапах жизненного цикла. В частности, мы (i) подвергли свежеполученные реальные образцы обычно используемого дорожного асфальта с характеристиками (PG) 64-22 воздействию температуры (от 40 ° до 200 ° C) и искусственного солнечного излучения в экспериментальной камере; (ii) разработать подробные зависящие от времени и температуры коэффициенты выбросов и профили источников для указанной сложной смеси ЛОС, IVOC, SVOC и LVOC; (iii) подтверждение наблюдений в отношении других распространенных асфальтосодержащих материалов / продуктов и целевых полевых измерений после нанесения асфальта; и (iv) оценить величину городских выбросов, связанных с асфальтом, и потенциальное производство SOA по сравнению с другими источниками.Это включает в себя наиболее подробные химические характеристики сложных органических смесей, полученные с использованием как квадрупольного времяпролетного масс-спектрометра (МС) высокого разрешения с мягкой ионизацией при атмосферном давлении, химической ионизации, квадрупольного времени пролета (APCI-TOF), так и традиционного вакуума. МС с электронной ионизацией (EI-MS), оба соединены с системой термодесорбции и газовым хроматографом (TD-GC). Мы используем эту подробную спецификацию для расчета соответствующего потенциального производства SOA с использованием литературных выходов SOA для конкретного количества атомов углерода и класса соединения, как и в предыдущей работе ( 1 , 44 ).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Температурная зависимость выбросов асфальта
Асфальт при типичных температурах применения и эксплуатации выделяет сложную смесь органических соединений, которая охватывает широкий диапазон летучести. Мы подвергали обычно используемый дорожный асфальт, собранный во время операций по укладке дорожного покрытия (например, дорожное покрытие с заполнителем и связующим PG 64-22), воздействию диапазона температур (от 40 ° до 200 ° C) в трубчатой печи с регулируемой температурой, в которую подавался очищенный «нулевой» воздух. . Новые куски реального дорожного асфальта использовались на каждом шаге температуры, и выбросы измерялись сразу один раз при заданных температурах с трехкратным повторением в каждом экспериментальном состоянии, чтобы ограничить изменчивость от образца к образцу.
Общий коэффициент выбросов для основного дорожного асфальта увеличивался с повышением температуры (Рис. 1B). Она увеличилась вдвое с 40 ° C до 60 ° C (типичные летние температуры эксплуатации) и увеличивалась в среднем на 70% за каждые 20 ° C температурных шагов в диапазоне от 60 ° до 140 ° C (т. Температура также оказала заметное влияние на распределение летучести выбросов, и изменения с температурой зависели от соединения (рис. 1C). Доля IVOC в общих выбросах снизилась с 80 ± 18% (при 40 ° C) до 47 ± 10% (при 200 ° C), в то время как доля SVOC увеличилась с 4 ± 1% до 27 ± 4% при тех же температурах ( Инжир.1B), а оставшаяся фракция в основном состоит из C ₁₀ -C ₁₁ ЛОС. Вклады ЛОС меньше, чем C ₁₀, были незначительными на основании данных как GC-TOF, так и GC-EI-MS (рис. S1), хотя незначительные вклады отдельных ЛОС (например, бензола, толуола и C _8-9) ароматических углеводородов) наблюдались при температурах, превышающих спецификацию, вероятно, как побочные продукты разложения. Наблюдаемое выравнивание общих выбросов при самых высоких температурах может зависеть от уменьшения ограничений внутреннего массопереноса, поскольку коэффициенты диффузии показывают относительно незначительные изменения при более высоких температурах (например,g., от 140 ° до 200 ° C) по сравнению с более низкими температурами (например, от 40 ° до 140 ° C) (рис. S2B).
Устранение выбросов сложных органических смесей
Используя МС высокого разрешения с мягкой ионизацией и разделение методом ГХ, мы химически определили сложную смесь выбросов из асфальта в такой степени, которая ранее была невозможна. Это полностью выявило сложность и разнообразие выбросов, связанных с асфальтом, с точки зрения молекулярной структуры, классов гетероатомсодержащих соединений и летучести, которые все варьируются в зависимости от условий выбросов.Наблюдали и определяли широкий спектр алифатических и ароматических структурных особенностей в соответствии с молекулярными формулами (например, числом атомов углерода и числом колец или двойных связей C = C). Ароматическая фракция была относительно постоянной (36 ± 8%), поскольку коэффициенты выбросов увеличивались с температурой. Ароматические выбросы состояли из однокольцевых соединений и ПАУ (например, фиг. S3 и S4), причем их относительный вклад варьировался в зависимости от температуры от 85 до 55% и от 15 до 45%, соответственно, от 40 до 200 ° C.В более широком смысле ПАУ составляли 10-6% от общих выбросов и включали известные опасные соединения, такие как антрацен, нафталин, диметилнафталин, пирен и флуорантен, все из которых увеличивались с температурой (рис. 1C, наблюдаемое с помощью GC-EI-MS. ). Аналогичным образом наблюдались тетралин и многие изомеры метилтетралина, диметилтетралина, тетраметилнафталина, метил- и диметилбифенилы и диметилбензотиофен.
На рис.2 показаны сложные смеси, выделяющиеся при температурах эксплуатации (60 ° C) и мощения / хранения (140 ° C), определяемых их химическими формулами и отображаемых как функция числа атомов углерода (т.е. летучесть) и класс соединений. При всех температурах выбросы включали смесь алканов с прямой и разветвленной цепью (в среднем 27 ± 8%), циклических алканов (в среднем 41 ± 3%; включая моно-, би- и трициклические соединения), ароматические углеводороды с одним кольцом. (24 ± 3%) и ПАУ (8 ± 5%). Углеводороды (т.е. соединения с формулами C _x H _y ) составляли большую долю от общих выбросов, от 94% при 40 ° C до 56% при 200 ° C. Тем не менее, серо- и кислородсодержащие соединения (т.е., C _x H _y S и C _x H _y формулы O) составляли от 1 до 14% и от 5 до 30%, соответственно, составляя большую долю выбросы при более высоких температурах (рис. S5). Серосодержащие выбросы имели самое высокое содержание ароматических веществ (86 ± 2%), за ними следовали кислородсодержащие соединения (42 ± 5%) и углеводороды (30 ± 8%).
Рис. 2 Подробный химический состав выбросов углеводородов и функционализированных органических соединений.
Результаты лабораторных испытаний химического состава выбросов газофазной сложной смеси из дорожного асфальта PG 64-22 при типичных температурах эксплуатации (60 ° C) и дорожного покрытия (140 ° C). Коэффициенты выбросов и распределения летучести показаны в ( A ) и ( D ) для углеводородных выбросов (C _x H _y ), ( B ) и ( E ) для выбросов серосодержащих соединений (C _x H _y S) и ( C ) и ( F ) для кислородсодержащих соединений (C _x H _y O) выбросы.Легенда указывает на распределение молекулярных структур в пределах каждого диапазона углеродных чисел в диапазоне от n -алканов до ПАУ. Следы сигналов на ПАУ с формулами C _x H _{2 x −20} -C _x H _{2 x −28} (и соответствующие формулы, содержащие гетероатом) объединяются вместе и помечены черным.
Серосодержащие соединения были преимущественно IVOC и SVOC (> 80%), четверть из которых были ПАУ, в то время как кислородсодержащие соединения были значительно выше по летучести (рис.2). Распределение их летучести зависело от температуры и показало значительное увеличение содержания SVOC при более высоких температурах (рис. 2). Доля SVOC в выбросах, содержащих серу и кислород, увеличивалась с повышением температуры с 12 до 50% и от 5 до 13%, соответственно, аналогично увеличению содержания SVOC углеводородов на 4–28% с 40 ° до 200 ° C, тогда как относительно незначительные изменения наблюдались в общем распределении типов соединений (например, ароматические по сравнению с алифатическим содержанием) при изменении температуры (рис.2).
Выбросы высокоароматических серосодержащих соединений включают формулы, представляющие бензотиофены и дибензотиофены, некоторые из которых ранее наблюдались как отдельные соединения (рис. S6) ( 45 , 46 ). Однако в предыдущих исследованиях не сообщалось о широком диапазоне других ароматических и неароматических серосодержащих соединений в выбросах, связанных с асфальтом. Сложная смесь кислородсодержащих соединений включает формулы, представляющие бензофураны и дибензофураны, которые часто встречаются в сложных смесях, связанных с нефтью ( 47 ).Тем не менее, формулы GC-TOF и анализ GC-EI-MS демонстрируют присутствие широкого спектра тиофенов, карбонилов, альдегидов и кислот (рис. S6). Для сравнения, были проведены повторные испытания в высокочистом N ₂ (класс 5.0) для сравнения с нулевым воздухом, и выбросы, содержащие кислород, существенно снизились. Они были почти незначительными в тестах, проведенных в N ₂, но значительно увеличились в присутствии O ₂ (в воздухе), что позволяет предположить, что они могут образовываться, а не выделяться непосредственно из существующего летучего коллектора.
Рассчитанный коэффициент образования SOA (см. Материалы и методы и раздел S11) для первичного дорожного асфальта, обеспеченный нашими новыми сложными методами определения состава смеси, увеличивался с влиянием температуры на общие выбросы и имел средний выход SOA 0,23 ± 0,09 (Рис. 1B), с более высокими выходами SOA при температурах хранения и применения (рис. S5). Углеводороды вносили основной вклад в производство SOA из выбросов, связанных с асфальтом (в среднем 73 ± 12%). Оставшаяся часть SOA в равной степени была произведена из серосодержащих (12 ± 8%) и кислородсодержащих (12 ± 3%) соединений.Что касается летучести, IVOC образовывали максимум 61% SOA при 60 ° C, а затем постепенно снижались до 25% при 200 ° C, в то время как вклад SVOC постоянно увеличивался с 12% при 60 ° C до 45% при 200 ° C. , при этом оставшиеся 30% SOA происходят из LVOC при самой высокой температуре (т. е. 200 ° C).
Изменения в выбросах, связанных с температурой, с течением времени
Выбросы, связанные с асфальтом, значительно изменились по величине и составу с течением времени (Рис. 3 и Рис. S7). Чтобы оценить временную динамику и совокупные потенциальные выбросы, мы подвергли первичный дорожный асфальт (со связующим PG 64-22) длительному нагреву в летний период эксплуатации (60 ° C) и температуре хранения / дорожного покрытия (140 ° C) в течение нескольких дней (участки S4 и S6).В обоих случаях общие выбросы экспоненциально снижались с течением времени (рис. 3, A и B, см. Уравнения), но динамика интенсивности выбросов варьировалась в зависимости от углеводородов и серо- и кислородсодержащих соединений (рис. S7, A и B). Более того, распределение летучести начало сдвигаться после 1+ дней нагревания (рис. S7, C и D). Тем не менее, соответствующее рассчитанное производство SOA следовало за экспоненциальным спадом общих выбросов с течением времени в обоих случаях.
Рис. 3 Изменения в выбросах, связанных с температурой, при длительном нагреве и значительном увеличении выбросов при воздействии солнечного света.
( A и B ) Изменение общих коэффициентов выбросов газовой фазы с течением времени для обычно используемого дорожного асфальта PG 64-22, наблюдаемое в лабораторных экспериментах, имитирующих (A) рабочие температуры (60 ° C) и (B ) температура укладки (140 ° C). Индивидуальные маркеры для C _x H _y S и C _x H _y O кривые затухания в (B) показаны на рис. S7, в том числе для 60 ° C, где выбросы, содержащие гетероатомы, были незначительными и не демонстрировали четкой тенденции к снижению.Дополнительные сведения, включая SD для уравнений в (A) и (B), также можно найти на рис. S7. ( C и D ) Увеличение выбросов из-за воздействия солнечного света показано с суммарными коэффициентами выбросов в газовой фазе (закрашенные кружки) и коэффициентами образования SOA (полые квадраты) с течением времени для (C) дорожного асфальта PG 64-22 под воздействием солнечного света при 60 ° C и (D) обычно используется жидкий кровельный асфальт под воздействием солнечных лучей при 75 ° C. Оранжевая, зеленая и синяя кривые на обеих панелях показывают IVOC, SVOC и ароматические фракции общих выбросов, соответственно, и показаны как функция дискретных моментов времени на осях x .Столбцы ошибок и полосы ошибок указывают SD в коэффициентах выбросов и коэффициентах производства SOA, соответственно. Выбросы жидкого кровельного асфальта исключают любые потенциальные вклады от газовыделения растворителя Стоддарда.
При 140 ° C выбросы кислородсодержащих соединений уменьшались медленнее, за ними следовали углеводороды и серосодержащие соединения (рис. S7). Доля углеводородов в общих выбросах при 140 ° C снизилась с 71 до 40% за первый день нагрева, в то время как кислородсодержащие соединения увеличились с 17 до 56%, а серосодержащие соединения уменьшились с 12 до 4%.Тем не менее, производство кислородсодержащих соединений снижалось в более длительных временных масштабах, так что через 4 дня в основном оставались углеводороды (> 91%) с незначительным вкладом кислородсодержащих (~ 6%) и серосодержащих (<3%). соединения. Доля ароматических углеводородов с одним кольцом оставалась относительно постоянной на протяжении всего эксперимента. Распределение выбросов по летучести изменилось в течение первого дня нагрева, поскольку доля I / SVOC снизилась с 85 до 65%, а затем увеличилась до относительно стабильных 75 ± 8% в течение оставшегося эксперимента (рис.S8). После 7 дней при 140 ° C выбросы снизились до незначительного уровня, а общие кумулятивные выбросы достигли 30 г / кг ^-1 асфальта.
Временные выбросы при 60 ° C имели некоторые заметные отличия от 140 ° C. Кумулятивные выбросы в ходе эксперимента были меньше при 1 г асфальта ^-1 кг. Однако, несмотря на более высокую скорость разложения, чем 140 ° C, асфальт достиг равновесия с продолжающимися выбросами при 60 ° C (0,1 мг мин. ^-1 кг ^-1 асфальта), демонстрируя свой потенциал в качестве длительного источника выбросов. в реальных условиях окружающей среды сверх 3 дней, протестированных здесь.Несмотря на меньшую величину, выбросы кислородных и серосодержащих соединений не имели четких экспоненциальных тенденций, а выбросы серы были более устойчивыми, чем выбросы, содержащие кислород (рис. S7A).
Повышенные выбросы от асфальта при солнечном излучении
Подавляющее большинство асфальта используется на открытом воздухе, где солнечное излучение является основным экологическим фактором. Чтобы оценить влияние солнечного потока на выбросы, связанные с асфальтом, мы подвергли наши реальные образцы дорожного асфальта воздействию излучения солнечного спектра, в том числе ультрафиолетовых лучей A (UVA) и UVB, в той же камере с кварцевой трубкой, расположенной в печи с регулируемой температурой и снабжен нулевым воздухом.Были использованы репрезентативные условия, когда искусственный солнечный поток на образцах был настроен таким образом, чтобы экспозиция была подобна типичным условиям или была ниже них. Искусственное солнечное излучение в наших экспериментах было рассчитано как 50% от пикового солнечного излучения в средних широтах поверхности Земли, что позволяет сделать консервативную оценку выбросов с более высокими выбросами, возможными в безоблачных условиях при полном летнем пребывании на солнце. Температуру асфальтового материала неоднократно измеряли, и подогрев регулировали, чтобы гарантировать, что комбинированное воздействие температуры и приложенного солнечного излучения имитирует летние условия эксплуатации в соответствии с экспериментами только с температурой (например.г., при 60 ° С). Выбросы от основного дорожного асфальта измерялись в течение 18 часов постоянного солнечного воздействия при 60 ° C, начиная с измерения без солнечного воздействия для сравнения.
Мы обнаружили, что воздействие солнечного света привело к увеличению общего объема выбросов от дорожного асфальта почти на 300% между двумя первыми пробами, собранными вплотную друг к другу без искусственного солнечного света и с искусственным солнечным светом (рис. 3C и рис. S3). Наибольший рост показали серосодержащие соединения (700%), за ними следуют кислородсодержащие соединения (400%) и углеводороды (300%).В целом выбросы, содержащие гетероатомы, составили 10% от общего объема выбросов при солнечном облучении, что немного выше, чем 7% в его отсутствие. Общие выбросы уменьшались со временем, но демонстрировали гораздо более медленную, неэкспоненциальную скорость затухания, чем экспоненциальное падение, наблюдаемое в экспериментах только с температурой. Суммарные выбросы, измеренные в 18-й час, все еще были на 30% выше, чем в первом образце, собранном в 0-й час без искусственного солнечного света (рис. 3C), тогда как в экспериментах только с температурой они снизились до ~ 10% от первоначального излучения. коэффициент после 18 часов нагрева (рис.3А).
Распределение выбросов по волатильности было очень чувствительным к солнечному облучению (рис. 3, C и D, 4). Первоначально выбросы от дорожного асфальта (рис. 3C) состояли на 80% из IVOC, но спектр летучести с течением времени сместился в сторону большего количества SVOC, при этом доля IVOC в среднем составляла от 35 до 40% после первых 3 часов солнечного воздействия, а доля SVOC переход от <5% в несолнечном образце до пика более 40% после 5 часов воздействия и создание локальных максимумов выбросов и производства SOA.Ароматическая фракция общих выбросов оставалась между 15 и 25% на протяжении всего эксперимента, но относительный вклад ПАУ в общие ароматические выбросы увеличился с 20% в несолнечных условиях до относительно стабильных 40 ± 3% во время облучения, что подразумевает повышенное производство выделяемые ПАУ под воздействием солнечного света (рис. S4).
Рис. 4 Другие асфальтосодержащие материалы имеют аналогичные выбросы и солнечные лучи.
( A ) Сводка коэффициентов выбросов и выхода SOA для различных широко используемых материалов на основе асфальта по сравнению с выбросами бензина и дизельного топлива.Красные кружки и квадраты с красной рамкой указывают коэффициенты выбросов и выходы SOA, соответственно, определенные в отсутствие солнечного излучения, в то время как синие круги и квадраты с синей рамкой показывают соответствующие значения, измеренные для материала, подвергшегося воздействию солнечного излучения. Вариации химического состава углеводородных выбросов (C _x H _y ), наблюдаемые во время лабораторных испытаний без (слева) и с (справа) солнечного света, показаны в ( B ) и ( C ) для битумная черепица при 75 ° C, ( D ) и ( E ) для герметика на основе асфальта при 75 ° C, и ( F ) и ( G ) для обычно используемого жидкого кровельного асфальта при 75 ° C .Выбросы углеводородов в большинстве случаев составляли более 80% от общих выбросов.
В отличие от расширенных температурных экспериментов (т. Е. Рис. 3), расчетный коэффициент образования SOA оставался высоким во время длительного солнечного воздействия. Несмотря на уменьшение общих выбросов после первоначального солнечного воздействия, они увеличились до максимума 5 мг мин. ⁻¹ кг ⁻¹ асфальта после 5 часов облучения и постоянно повышались на протяжении 18-часового эксперимента (рис. 3C). . Доходность SOA увеличилась с 0.11 в несолнечных условиях до 0,21 первоначально при солнечном воздействии, а затем до относительно стабильных 0,44 ± 0,09 на протяжении оставшейся части эксперимента. Этот увеличенный выход SOA и устойчивый потенциал производства SOA был результатом явного улучшения SVOC (которое увеличивалось в течение первых нескольких часов солнечного воздействия) и продолжающегося производства как IVOC, так и SVOC-выбросов с облучением (рис. 3C и 4).
Воздействие озона (без искусственного солнечного света) также было проверено как экологический стресс, который приводит к связанным с деградацией выбросам от некоторых продуктов / материалов ( 1 ).Однако выбросы, связанные с асфальтом, не проявили какой-либо чувствительности к диапазону концентраций озона в окружающей среде [от 50 до 100 частей на миллиард (ppb)] с точки зрения общих выбросов или химического состава, что свидетельствует о минимальной способности к выбросам, связанным с озоном, и предполагает наличие незначительных количеств. ненасыщенных неароматических соединений в его выбросах (например, алкенов).
Мы провели аналогичные эксперименты по воздействию солнечного света с жидким асфальтом, используемым в кровельных покрытиях и покрытиях тротуаров, с двойной целью исследования (i) реактивных органических выбросов от кровельного асфальта и (ii) температуры в сравнении с выбросами, связанными с солнечным излучением от асфальтового вяжущего агрегатов).Тонкий слой вязкого жидкого асфальта выдерживали при 75 ° C (типичный максимум летнего времени, достигаемый для крыш с асфальтовым покрытием; см. Раздел S2) ( 48 ) в течение 46 часов, чтобы уменьшить связанные с температурой пути выбросов и / или резервуары перед была включена солнечная лампа (рис. S11). Общие выбросы снизились с течением времени в течение периода только отопления, в соответствии с предыдущими наблюдениями при постоянной температуре, за которым последовало увеличение на 260% с увеличением солнечного излучения (по сравнению с выбросами 46-го часа; рис.3D). Это включало увеличение содержания углеводородов (250%), серосодержащих соединений (500%) и кислородсодержащих соединений (400%), хотя последние два составляли менее 4% от общего объема выбросов. Тем не менее, эти наблюдения как на дороге, так и на жидком асфальте показывают, что искусственное солнечное излучение привело к увеличению выбросов кислорода / серы, которые в остальном ниже при температурах эксплуатации. Это резкое увеличение выбросов после ~ 2 дней нагрева демонстрирует путь излучения, активируемый солнечным излучением, который не зависит от связанных с температурой выбросов при рабочих температурах.Фракция IVOC началась и оставалась высокой (85%), фракция SVOC увеличилась с 3 до 9%, а ароматическая фракция была подобна несолнечным условиям (Рис. 3D), но фракция ПАУ не изменилась, как в случае с дорожным асфальтом.
Выбросы от других распространенных дорожных и кровельных материалов на основе асфальта
В дополнение к нашим детальным испытаниям основного дорожного асфальта (связующее PG 64-22), мы наблюдали выбросы сложных смесей углеводородов и гетероатомсодержащих соединений через ЛОС- I / SVOC включает три широко используемых, имеющихся в продаже, асфальтосодержащих кровельных материалах, в частности, битумную черепицу, асфальтовый герметик и жидкий кровельный асфальт.Все кровельные материалы были испытаны сразу после нагрева до 75 ° C, что является типичным максимумом для поверхности крыши ( 42 ), что немного выше максимума поверхности дороги (см. Раздел S2). Все асфальтосодержащие продукты / материалы выделяли сложные смеси IVOC, SVOC и C ₁₀ -C ₁₁ VOC с содержанием ароматических веществ от 20 до 50% (рис. 4, B, D и F) и диапазоном сопоставимые коэффициенты выбросов (рис. 4А). Также следует отметить, что использование растворителей в некоторых из этих продуктов, таких как герметики (т.например, легкий ароматический растворитель) и жидкий кровельный асфальт (например, растворитель Стоддарда с алифатическими соединениями C ₉ -C ₁₂) могут еще больше увеличить их выбросы и потенциал образования SOA. Для сравнения и сосредоточения внимания на выбросах, не связанных с растворителями, формулы высокого разрешения для любых потенциальных вкладов растворителей консервативно исключаются из измеренных выбросов.
Эти асфальтосодержащие материалы показали значительное увеличение общих выбросов, выбросов I / SVOC, расчетных выходов SOA и, следовательно, производства SOA с солнечным излучением при типичных солнечных потоках или ниже (рис.4А). На Рисунке 4 (C, E и G) показано распределение выбросов углеводородов при солнечном облучении, которые составили большую часть выбросов от битумной черепицы (85%), асфальтового герметика (80%) и жидкого кровельного асфальта (78%) при 75 ° C, остальное составляют соединения, содержащие серу и кислород. Стоит отметить, что увеличение доли выбросов SVOC из-за солнечного воздействия было несколько более выраженным для битумной черепицы и обоих дорожных асфальтов (Рис. 4 и Рис. S3) по сравнению с асфальтовым герметиком и жидким кровельным битумом.Это относительное повышение также отразилось на их выходе SOA, но единственной известной разницей было присутствие грубых (например, дорожный асфальт) или мелких (например, битумная черепица) каменных заполнителей.
В дополнение к обширным испытаниям основного дорожного асфальта из Нью-Хейвена, штат Коннектикут, со связующим PG 64-22, которое очень распространено в Соединенных Штатах и Калифорнии, мы протестировали дополнительный реальный образец дорожного асфальта из Питтсбурга. PA. Примерно через 28 часов после нанесения в Питтсбурге, штат Пенсильвания, был взят большой образец дорожного асфальта с наружного (т.е., второстепенная) дорога с использованием другой марки вяжущего. Мы протестировали его при 40 ° и 60 ° C в лаборатории, чтобы проверить выбросы при ежедневных рабочих температурах (рис. 5). Общие коэффициенты выбросов были в пять-семь раз выше, чем при использовании асфальта первичной дороги при 60 ° и 40 ° C, соответственно, даже с учетом того, что асфальт был вымощен более чем за 1 день до получения образца дорожного покрытия.
Рис. 5 Согласованные результаты других образцов асфальта и измерений окружающей среды.
( A и B ) Химический состав сложных газофазных выбросов углеводородов из скрытых (т.е., второстепенный) дорожный асфальт, собранный в Питтсбурге, штат Пенсильвания, в ходе лабораторных испытаний при (A) 40 ° C и (B) 60 ° C. В обоих случаях углеводороды составили более 95% общих выбросов. ( C и D ) Подтверждающие измерения окружающей среды после нанесения дорожного асфальта демонстрируют аналогичные выбросы (показаны как функция от углеродного числа) для (C) основного дорожного асфальта сразу после нанесения в Нью-Хейвене, штат Коннектикут (подробный состав на рис. S9 ) и (D) в течение 3 дней измерений на проезжей части в Питтсбурге, штат Пенсильвания, по сравнению с лабораторными экспериментами.Чтобы оценить продолжающиеся вертикальные потоки (т. Е. Выбросы) в течение 3 дней, основной график (D) показывает разницу ароматических вертикальных концентраций на 8 см в сравнении с 2 м (т. Е. Концентрация на 8 см — Концентрация на 2 м) посредством одновременных сборник трубки адсорбента на 2 высотах. Однокольцевые ароматические углеводороды и ПАУ показаны здесь для удаления биогенных помех, но данные о вертикальном градиенте с помощью GC-TOF и GC-EI-MS для алканов, ароматических углеводородов и ПАУ можно найти на рис. S9 и S10. На вставке в (D) показана сумма вертикальной разницы концентраций ароматических соединений.Полевые результаты за 3 дня показывают хорошее согласие с лабораторными данными, включая увеличение SVOC под воздействием солнечного света.
Аналогичное распределение летучести углеводородов наблюдалось между асфальтом для дальней дороги в Питтсбурге (рис. 5B) и асфальтом основной дороги (рис. 2A). Подобно асфальту основной дороги в Нью-Хейвене, углеводороды составили более 95% выбросов из пробы Питтсбурга при температуре от 40 ° до 60 ° C, а оставшаяся часть представляет собой комбинацию серо- и кислородсодержащих углеводородов.Общие выбросы были в основном IVOC (73%), при этом SVOC составляли только 4%. Почти 37% этих выбросов были ароматическими как при 40 °, так и при 60 ° C, состоящих из ароматических углеводородов с одним кольцом (95%) и ПАУ (5%). Выходы SOA для выбросов при 40 ° и 60 ° C были сопоставимы между двумя типами дорожного асфальта, и оба материала показали значительное повышение выхода SOA при воздействии солнечного света (рис. 4A). Эти результаты демонстрируют, что (i) коэффициенты выбросов (с солнечным светом и без него) для образца дорожного асфальта, взятого из другого региона и типа дороги, являются переменными и могут быть значительно выше, чем для основного образца дорожного асфальта, испытанного в этом исследовании, (ii) химический состав выбросов аналогичен, и (iii) есть большие продолжающиеся выбросы (наблюдаемые в лаборатории) в условиях эксплуатации даже через 1 день после отверждения реального асфальта.
Наблюдения на основе вспомогательных измерений окружающей среды
В дополнение к обширным лабораторным результатам, представленным здесь, мы собрали выборку целевых полевых проб окружающей среды, которые предоставляют доказательства реальных выбросов ароматических и алифатических I / SVOC после нанесения дорожного асфальта на диапазон шкал времени на двух разных сайтах. Во-первых, три пробы окружающей среды в ночное время были собраны на адсорбентных трубках в период сразу после нанесения основного дорожного асфальта (раздел S3).Эти результаты для свежеуложенного дорожного асфальта во время охлаждения (рис. 5C) показывают широкий диапазон летучести, в целом согласующийся с лабораторными результатами. В частности, распределение более мелких соединений более согласуется с тем, что наблюдается в лабораторных экспериментах при 140 ° C после нескольких часов нагревания (рис. S7D), в то время как относительное содержание более крупных соединений более согласуется с испытаниями при температуре от 80 ° до 120 ° C. по мере охлаждения асфальта (рис. 5C).
Во-вторых, дневные пробы, собранные в течение 3 дней на участке дальней дороги, демонстрируют устойчивые выбросы при температуре окружающей среды от 25 ° до 35 ° C (рис.5D и фиг. S9A и S10). Распределение летучести у них было аналогично лабораторным испытаниям образца асфальтового покрытия задней проезжей части (взятого с того места), показанного с воздействием солнечного света и без него на рис. 5D. Каждый день в одно и то же время во второй половине дня одновременно отбирались пробы газовой фазы VOC-I / SVOC на высоте 8 см и 2 м над уровнем земли для оценки вертикальных градиентов концентрации, возникающих в результате выбросов на поверхности асфальта. Такие градиенты часто используются для исследования вертикальных потоков от наземных источников ( 49 ).Разница концентраций в вертикальном градиенте между двумя высотами продемонстрировала восходящий вертикальный поток ЛОС-I / SVOC независимо как в данных GC-TOF (рис. 5D и рис. S9), так и в данных GC-EI-MS (рис. S10). . Эти кажущиеся выбросы продолжались в течение 3 дней измерений с аналогичными вертикальными градиентами концентрации на 2 и 3 дни после 50% уменьшения по сравнению с днем 1 (т.е. в день нанесения) (рис. 5D, вставка).
Все 3 дня на площадке было солнечно, и наблюдаемые вертикальные потоки ароматических углеводородов включали распределение более крупных соединений C ₁₅ -C ₂₀, которое больше соответствовало экспериментам с солнечным облучением, чем экспериментам только с температурой или ночному времени атмосферные наблюдения (рис.5, В и Г). ПАУ и однокольцевые ароматические углеводороды показаны на рис. 5D, чтобы свести к минимуму помехи от очевидных биогенных выбросов терпеноидов и ранее сообщенных алканов [например, даже n -алканов ( 50 )] на участке с сильной растительностью. Тем не менее, есть свидетельства вертикальных градиентов в алканах, полученных из асфальта, которые сконцентрированы в диапазоне IVOC (рис. S9 и S10), с разбивкой, аналогичной лабораторным данным. Оба набора этих реальных наблюдений предназначены для подтверждения выводов лабораторных экспериментов, однако в будущем предстоит еще работа для более подробных полевых измерений в более широком диапазоне стадий жизненного цикла асфальта с количественными измерениями потока (например,g., ковариация вихрей) за более длительные периоды времени.
ОБСУЖДЕНИЕ
Ограничение выбросов промежуточных и полулетучих прекурсоров SOA из материалов, связанных с асфальтом
Величина и состав выбросов от материалов на основе асфальта зависят от условий окружающей среды, в частности температуры и солнечной радиации, часто с подавляющим большинством выбросы, состоящие из I / SVOC. Во время наших испытаний наблюдались значительные выбросы в ответ на эти нагрузки, при этом экспериментальное внимание уделялось выбросам от дорожного асфальта во время нанесения и в начальный период после него.Здесь мы используем эти результаты для дорожного и кровельного асфальта, чтобы консервативно оценить диапазон потенциальных общих выбросов от материалов, связанных с асфальтом, и, в конечном итоге, контекстуализировать их важность для качества городского воздуха в следующем разделе.
Коэффициенты выбросов снизились в течение испытанных временных масштабов (до 1 недели), но при этом продолжались выбросы при рабочих температурах (например, 60 ° C) и особенно при воздействии солнечного света (рис. 3). Чтобы преобразовать эти результаты в потенциальные выбросы на этапах жизненного цикла применения и эксплуатации, мы установили нижнюю и консервативную верхнюю оценки, используя как начальные коэффициенты выбросов для всех испытанных асфальтовых материалов, так и рассчитали общие выбросы, наблюдаемые во время продолжительных экспериментов.Учитывая изменчивость типов асфальта и условий окружающей среды (обсуждаемых ниже), это обеспечивает подход к ограничению крупномасштабных выбросов и более подробно описан в разделе S8 (см. Дополнительные материалы).
Выбросы дорожного асфальта, связанные с температурой . Чтобы определить способность к выбросам, зависящим от температуры (т. Е. Общие возможные выбросы при постоянном нагреве) от реального основного дорожного асфальта (т. Е. Рис. 3B), мы непрерывно нагревали образец асфальтового покрытия до рабочих температур (140 ° C). в течение 1 недели, пока выбросы не стали незначительными.Мы наблюдали в общей сложности 30 г общих выбросов на килограмм первичного дорожного асфальтового вяжущего (сорт PG 64-22), что было оценено с помощью кривой уменьшения выбросов, адаптированной к зависящим от времени измерениям EF (рис. 3A и раздел S8). Тем не менее, более высокие общие выбросы возможны при использовании других марок дорожного асфальта, о чем свидетельствуют более высокие коэффициенты выбросов, измеренные для асфальта для окраин дороги в Питтсбурге (рис. 5). Четырнадцать процентов потенциальных общих выбросов (т. Е. 14% от 30 г кг ^-1) были выброшены в первые 5 часов нагрева, приблизительный период, в течение которого дорожный асфальт остается при высоких температурах при транспортировке из хранилища и во время последующих мощение.Таким образом, несмотря на более длительное возможное время нагрева, только 14% потенциальных общих выбросов были учтены при составлении отчетов о потенциальных выбросах от дорожного асфальта в условиях применения (таблица 1), и необходимы будущие измерения окружающей среды на месте во время и после нанесения с помощью различных методов. чтобы еще больше ограничить полный объем выбросов, связанных с применением.
Таблица 1 Выбросы и потенциальные оценки SOA для материалов и путей, связанных с асфальтом, в сравнении с другими известными источниками в воздушном бассейне Южного побережья (SoCAB), Калифорния.
Связанные с асфальтом выбросы при добыче, транспортировке и распределенном хранении до применения не учитываются и могут увеличить совокупные выбросы за жизненный цикл. Пожалуйста, см. Раздел S8 для получения подробной информации о вычислении индивидуальных значений. * Включает горячие и теплые асфальты, но не включает эмульгированный и измельченный асфальт (8% от общего расхода), которые наносятся в холодном виде. † Соответствует дорожному асфальту PG 64-22, который представляет собой обычный дорожный асфальт в Калифорнии. Возможны более высокие выбросы из-за потерь до сбора асфальта.Другие типы асфальта могут иметь более высокие выбросы при применении, например, образец из Питтсбурга с выбросами в пять раз выше при 60 ° C. ‡ Потенциальное образование SOA при температурах применения включает LVOC (и некоторые более крупные SVOC), которые могут повторно конденсироваться, прежде чем подвергнуться атмосферному окислению. § Включает эмульгированный и измельченный асфальт (6 и 2%), применяемый холодным способом. ǁНе учитываются выбросы сверх продолжительности эксперимента, т.е. ~ 3,5 суток. ¶Годовые выбросы дорожного асфальта, связанные с солнечной энергией, скорректированы с учетом массовой доли солнечного света.# Не включает выбросы от кровельных материалов из каменноугольного пека, которые, вероятно, являются аналогичным или большим источником, если они используются. ** Только 5% кровельных битумов укладываются горячими. †† Расход топлива и выбросы на дорогах и бездорожье рассчитаны с использованием моделей California Air Resources Board EMFAC и OFFROAD 2017 ( 70 , 71 ). Значения соответствуют 2020 году. ‡‡ Включает выбросы выхлопных газов и испарений (т. Е. От транспортных средств и распределения топлива) ( 72 ). §§Известные выбросы I / SVOC от VCP в основном сконцентрированы в самом легком контейнере IVOC C * в исследовании McDonald et al. ( 2 ). Приведенные здесь оценки VCP не включают данные этого исследования, связанные с асфальтом.
Некоторая часть оставшегося содержания выделяемых веществ, обусловленных температурой (26 г кг ^-1), может медленно диффундировать из затвердевшего дорожного асфальта с течением времени, особенно при более высоких летних температурах эксплуатации (например, 60 ° C). Чтобы консервативно оценить потенциальные выбросы в условиях эксплуатации, в таблице 1 указаны только выбросы при использовании в экспериментах с 60 ° C в течение ~ 3 дней испытаний, которые составили 1 г кг ⁻¹, и могут быть в несколько раз выше. из 5 по образцу асфальта наружной части дороги (рис.4). Однако выбросы не были исчерпаны во время эксперимента, достигнув установившейся скорости выброса 0,1 мг мин ^-1 кг ^-1 (рис. 3A), которая была ограничена внутренней диффузией (см. Раздел S7). Таким образом, установившиеся выбросы, выходящие за рамки продолжительности эксперимента, не были включены в Таблицу 1, и следует отметить, что эти установившиеся выбросы будут равняться дополнительному 1 г кг ⁻¹ в течение следующих 7 дней при 60 °. С.
Кроме того, выбросы во время производства / обработки и из распределенных складских помещений, в которых битумное вяжущее поддерживается при высоких температурах, не включены в оценки Таблицы 1.Тем не менее, эти выбросы I / SVOC, вероятно, имеют место и представляют собой еще одну ключевую область будущей работы, поскольку подавляющее большинство связанных с асфальтом выбросов на всех стадиях жизненного цикла выходит за рамки традиционно используемых методов измерения VOC [например, станции мониторинга фотохимической оценки ( PAMS) сеть].
Выбросы от дорожного асфальта, связанные с солнечным облучением . Солнечная радиация заметно увеличила коэффициенты выбросов для используемого дорожного асфальта и замедлилась по сравнению с выбросами, связанными с температурой (рис.3, C и D и 4) таким образом, что масштабы времени истощения выбросов, связанных с солнечным светом, являются неопределенными. Поэтому, чтобы включить нижнюю границу потенциальных выбросов, связанных с солнечной энергией, в Таблицу 1 для дорожного асфальта, мы интегрировали выбросы за 18-часовой эксперимент (рис. 3C), который проводился только при умеренных солнечных потоках (раздел S5 и рис. . S11B). Чтобы учесть различия в толщине покрытия и учитывать только выбросы, связанные с солнечным излучением от поверхности асфальтового покрытия, мы уменьшили результаты наших экспериментов с солнечным излучением, чтобы представить типичную толщину при укладке дорожного асфальта (см. Раздел S8).Тем не менее, мы признаем, что общие выбросы, вероятно, будут выше при дополнительном солнечном воздействии сверх 18 часов и более высоких солнечных потоках, например, в пиковые солнечные дни или в более низких широтах. Поэтому, чтобы установить верхнюю оценку, мы интегрировали потенциальные общие выбросы из кривой спада выбросов, подогнанной к данным, как описано в разделе S8.
Выбросы кровельного асфальта . Кровельные материалы на основе асфальта подвергаются воздействию как высоких температур, так и солнечного излучения.Потенциальные выбросы, связанные с температурой, были оценены на основе летних температур черной кровли (75 ° C) с использованием экспериментов с жидким кровельным асфальтом с временным разрешением (рис. 3D), которые имели медианное значение EF, связанное с температурой для кровельного асфальта (раздел S8). ). Нижний предел соответствует общему количеству выбросов за время эксперимента (~ 2 дня), а верхний предел рассчитывается путем подбора и интегрирования кривой спада выбросов с зависимыми от времени КВ (раздел S8). Воздействие солнечных лучей привело к значительному увеличению выбросов всех кровельных материалов (рис.4), даже после продолжительного нагрева (рис. 3D). Нижняя граница, основанная на наших данных, представляет собой сумму выбросов за 3 часа пребывания на солнце во время эксперимента (рис. 3D). Верхний предел оценивается консервативно, исходя из предположения, что скорость распада аналогична скорости распада для выбросов без солнечного воздействия.
Резервуары выбросов и потенциальные пути добычи
Основные резервуары и процессы, связанные с выбросами разнообразного набора наблюдаемых соединений, обсуждаются здесь на основе наших результатов, но остаются возможности для дальнейшего выяснения.Во-первых, доля выбросов углеводородов (по сравнению с функционализированными органическими соединениями) как из дорожного, так и из кровельного асфальта была выше при более низких температурах (рис. 2 и рис. S5), что позволяет предположить, что по крайней мере некоторая часть углеводородных соединений или их предшественников находится в более легкодоступные резервуары в асфальте, тогда как соединения, содержащие серу и кислород, зависят от путей выбросов, которые требуют более высоких температур для преодоления ограничений, связанных с образованием или массопереносом.
Во-вторых, диффузия массы в вязком асфальтовом вяжущем является фактором, ограничивающим скорость выбросов.Коэффициенты выбросов дорожного асфальта были на порядок выше при 140 ° C, чем при 60 ° C, и со временем разлагались медленнее (рис. 3, A и B), а относительные изменения коэффициентов выбросов (рис. 1) обычно следовали за изменениями во внутренней диффузии. коэффициенты (рис. S2, B — D). При более высоких температурах увеличивается внутренняя диффузия к поверхности асфальта из внутренних резервуаров из-за более низкой вязкости битумного вяжущего, которая будет в 100 раз больше при 140 ° C по сравнению с 60 ° C (см. Раздел S7). Результаты длительного нагрева до 140 ° C (рис.3B) дополнительно предполагают полное истощение как существовавших ранее резервуаров, так и любых связанных с температурой механизмов образования (например, для S- и O-содержащих видов). Другим возможным объяснением может быть пиролиз асфальтенов с образованием ЛОС-I / SVOC, но это маловероятно, потому что асфальтенам требуются очень высокие температуры (> 200 ° C) для начала фрагментации ( 51 , 52 ).
Таким образом, мы предполагаем, что в асфальте уже существуют некоторые резервуары с ЛОС, IVOC и SVOC, образующиеся при добыче, которые диффундируют из затвердевшего асфальта в течение продолжительного времени со скоростью, определяемой вязкостью связующего, температурой и толщиной пленки (т.е., длина диффузионного пути). Это подтверждается наблюдаемыми установившимися выбросами во время непрерывного нагрева при 60 ° C (рис. 3A), расчетами массового транспорта (см. Раздел S7), корреляцией между коэффициентами выбросов n -алкана (рис. 1C) и их рассчитанными коэффициенты внутренней диффузии как функция температуры (рис. S2, C и D) и резкое снижение EF при 60 ° C из-за истощения ЛОС-I / SVOC в поверхностном слое.
Хотя выбросы будут увеличиваться при более высоких температурах, это ограничение диффузии массы предполагает, что внутреннее распределение соединений будет уравновешиваться в более прохладные периоды за счет внутренней диффузии (хотя и в более медленных масштабах времени диффузии; раздел S7).Этот процесс приведет к пополнению приповерхностных резервуаров до будущих жарких периодов и сопутствующему усиленному температурно-зависимому разделению на поверхности, что увеличит оценки выбросов при использовании в таблице 1.
В-третьих, отдельные пути производства VOC-I / SVOC станут важно при воздействии солнечного излучения. В наших экспериментах применение солнечного излучения как на дорожном, так и на кровельном асфальте показало немедленное устойчивое увеличение общих выбросов (при тех же температурах), даже при воздействии солнечного света через ~ 2 дня непрерывного нагрева (рис.3, C и D и 4). Выбросы, связанные с солнечной энергией, в конечном итоге уменьшились, но гораздо медленнее, чем в экспериментах только с температурой (рис. 3, A и B). В совокупности эти данные свидетельствуют о повышенном производстве выделяемых соединений независимым путем со скоростью, сопоставимой с их выбросами, связанными только с температурой.
Точный механизм (ы) не может быть определен на основе результатов этого исследования, но потенциальная гипотеза состоит в том, что органические соединения (или сегменты органических соединений), присутствующие в асфальте, действуют как хромофоры и генерируют триплетные возбужденные состояния органического вещества посредством фотосенсибилизации. и / или синглетный кислород (¹ O ₂) посредством передачи энергии кислороду основного состояния ( 53 ).Эти реакционноспособные частицы могут затем реагировать с более крупными менее летучими структурами (например, асфальтенами) с образованием более мелких, выделяемых соединений ( 54 — 56 ). Подобное фотовозбуждение хромофоров, как известно, происходит в атмосферном светоадсорбирующем коричневом углероде, который претерпевает фотоинициируемые преобразования с течением времени — аналогично фотообесцвечиванию, наблюдаемому с реальным асфальтом ( 55 , 57 ). Точно так же образование других реактивных частиц (например, H ₂ O ₂) посредством облучения хиноноподобных структур, которые, как известно, образуются в результате окисления ПАУ, также может играть роль ( 58 — 61 ).Другой возможностью является прямой фотолиз органических соединений, возбуждаемых за счет повышенного поглощения в УФ-видимом спектре, чему может способствовать преобладающая конъюгация π-связей, присутствующая в молекулах асфальтенов. В принципе, связи C─C могут быть разорваны излучением UVA и UVB [энергия связи, 348 кДж моль ^-1 или эквивалентная длина волны (λ) 344 нм] ( 62 ).
Также стоит отметить, что тяжелые металлы, такие как медь, никель, ванадий, цинк и кадмий, присутствуют в асфальтовом связующем наряду с рядом других металлов и могут быть фактором наблюдаемой фотоактивированной химии ( 8 ).Однако для изучения этих гипотез необходимо более подробное исследование с использованием дополнительных целевых приборов для изучения химической функциональности поверхностных слоев после солнечного воздействия. В рамках этой будущей работы следует изучить роль отдельных длин солнечных волн в величине и химическом составе выбросов от асфальта, а также изучить солнечные выбросы в широком диапазоне температур поверхности. Поскольку идентичность хромофоров неизвестна, их долгосрочная стабильность и стойкость сомнительны и могут быть исследованы в более длительных тестах.Для всех этих путей выбросов необходима будущая работа по изучению воздействия модифицированных полимером битумов, других добавок, пористых битумов, различий в других марках / продуктах асфальта и методах нанесения (например, горячее смешивание, горячее смешивание или эмульгированный асфальт). ), а также влияние реального износа дороги на потенциально обнажение новых слоев асфальта с течением времени.
Сравнение средне- и полулетучих выбросов и производства SOA с другими городскими источниками
Чтобы оценить важность выбросов, связанных с асфальтом, в городских масштабах, мы оценили их относительный вклад прекурсоров SOA, включая акцент на I / SVOC, учитывая их установленную роль в Производство SOA ( 4 ).Мы сравнили их выбросы с известными источниками в более разработанных кадастрах выбросов и исследованиях в Калифорнии, особенно в районе Южного побережья воздушного бассейна (SoCAB), который является важным историческим примером качества городского воздуха ( 1 , 2 ). Дорожный асфальт составляет от 86 до 87% от общего количества жидкого асфальтового вяжущего, используемого в Калифорнии и США (рис. S12 и таблица 1), а оставшаяся часть используется в основном для кровли ( 1 ). Основное дорожное асфальтовое вяжущее, испытанное в этом исследовании (класс PG 64-22), или другие очень похожие сорта (PG 64-10 и PG 64-16) преобладают в SoCAB ( 63 ).По сравнению с другими регионами, здесь меньше сезонных ограничений по применению асфальта, но увеличение выбросов из-за более высоких температур поверхности и солнечного воздействия будет происходить в течение летнего сезона загрязнения воздуха (с июня по август, высокие температуры воздуха от 35 ° до 45 ° C, 870 Вт. м ⁻² пик солнечной интенсивности). В более холодном климате выбросы, связанные с применением, будут сосредоточены в более теплые месяцы, когда они будут вносить наибольший вклад в образование SOA в городских районах.
Как наши результаты GC-TOF, так и GC-EI-MS показывают, что выбросы содержат большую долю I / SVOC (C ₁₂ -C ₂₅) в дополнение к выбросам ЛОС в C ₁₀ -C ₁₁ (рис.2-5 и фиг. S1 и S10), оба из которых содержат значительное количество ароматических веществ (от 30 до 40%). В целом выбросы, связанные с асфальтом, составляют большую долю выбросов I / SVOC, чем большинство других источников (рис. 2–5), что, в свою очередь, способствует их большому выходу SOA (рис. 4). Приблизительно от 66 до 81% выбросов от первичного дорожного асфальта приходятся на I / SVOC как при температуре нанесения, так и при температуре эксплуатации. Под воздействием солнечного излучения доля I / SVOC в дорожном асфальте (при 60 ° C) увеличилась до 85% (рис. S13). Другие испытанные асфальтовые материалы имели такие же высокие доли I / SVOC в диапазоне от 62 до 90% (рис.4 и рис. S13). Для сравнения, выбросы от бензиновых транспортных средств содержат только небольшую долю I / SVOC в газовой фазе ( 64 ), в то время как более крупные молекулярные размеры в дизельном топливе приводят к доле I / SVOC в 52% от общих выбросов дизельного топлива (раздел S8 ) ( 65 ). Однако выбросы I / SVOC и, следовательно, выход SOA заметно снизились для современных автомобилей с дизельным двигателем, оснащенных дизельными сажевыми фильтрами (DPF) и дизельными катализаторами окисления (DOC) ( 66 ).
Учитывая их высокий коэффициент выбросов I / SVOC и большое количество используемого асфальта, общие уровни выбросов, связанных с асфальтом, в SoCAB превышают показатели традиционных источников сжигания, таких как бензиновые и дизельные автомобили, и по отдельности способствуют значительному увеличению I / SVOC по сравнению с текущими оценками для ПДС (Таблица 1).Выбросы I / SVOC из источников, связанных с асфальтом, включают значительный вклад в результате нанесения дорожного асфальта, а также связанные с температурой и солнечной энергией выбросы как от дорожного, так и от кровельного асфальта в условиях эксплуатации (Таблица 1). В совокупности это делает материалы, связанные с асфальтом, основным источником выбросов I / SVOC и вероятным источником значительного неуказанного вклада I / SVOC из неизвестных источников, связанных с нефтью (т. Е. Помимо дорожных транспортных средств), ранее наблюдавшихся в окружающей среде. измерения в SoCAB ( 5 ).Аналогичные подтверждающие свидетельства окружающей среды от SoCAB в 2010 году показывают наблюдаемую температурную зависимость и неожиданные дневные максимумы концентраций нафталина и метилнафталина (наблюдаемые здесь в выбросах, связанных с асфальтом; например, рис. 1, 2 и 5), которые невозможно было дифференцировать. между локальными выбросами от «смоляной крыши» или более крупного общегородского источника в исследовании ( 67 ). В целом, это подчеркивает важность целенаправленных измерений окружающей среды и долгосрочных лабораторных экспериментов, имитирующих применение и условия окружающей среды с типичными отклонениями в большем географическом разнообразии асфальтовых материалов.Эта будущая работа должна быть направлена на количественную оценку выбросов в течение всего жизненного цикла асфальта, совокупное воздействие которых на городскую среду может превысить текущие оценки (например, таблица 1) в более длительных временных масштабах.
В то время как коэффициент производства SOA (г кг ^-1 использования асфальта) из кровельного асфальта выше, чем из дорожного асфальта, дорожный асфальт вносит большую долю в расчетное потенциальное производство SOA в SoCAB из-за его более высокого потребления (Таблица 1).Выбросы, связанные с солнечной радиацией, имеют большой потенциал производства SOA из-за их повышенных выбросов I / SVOC и выхода SOA, так что их выбросы как от дорожных, так и от кровельных материалов, вероятно, являются причиной примерно от 30 до 50% потенциальных SOA, связанных с асфальтом. С учетом значительного покрытия городов асфальтом, основной вклад связанных с температурой окружающей среды и солнечной энергии путей в выбросы I / SVOC (от 70 до 90%; Таблица 1) свидетельствует о более пространственно-временном распределении городского источника, чем выбросы, возникающие только в результате применения.
В целом, годовое потенциальное производство SOA из связанных с асфальтом источников в SoCAB больше, чем у бензиновых и дизельных дорожных транспортных средств вместе взятых (0,7–0,9 Гг ⁻¹ в год; раздел S8) и включает в себя: Вклады, связанные с дорожным бензином / дизелем (например, оборудование и генераторы) в Таблице 1 и на рис. S14. Что касается нетрадиционных источников, то выходы SOA для связанных с асфальтом выбросов в среднем значительно выше, чем оценки для других связанных с VCP источников, тогда как более крупные выбросы VOC от VCP придают ему большую роль в потенциальном образовании озона, чем связанные с асфальтом выбросы.В целом, совокупное оцениваемое производство SOA для ПДС составляет 7 ± 2,5 Гг ^-1 в SoCAB ( 2 ), что может быть заметно увеличено за счет вклада SOA в выбросы, связанные с асфальтом (Таблица 1). Тем не менее, эти другие ключевые источники прекурсоров SOA обычно будут равномерно распределяться в течение года. Однако в SoCAB и другом городском климате эти зависящие от температуры и излучения выбросы от асфальта будут увеличиваться в самые жаркие и солнечные летние периоды с самой высокой фотохимической активностью и производством SOA, что окажет огромное влияние на источники, связанные с асфальтом. во время критических эпизодов загрязнения воздуха летом.
В результате политики регулирования и технологических достижений, развивающийся портфель городских выбросов в развитых мегаполисах меняет относительную важность городских источников-прекурсоров SOA, особенно с повышенным вниманием к нетрадиционным выбросам. Выбросы от автотранспортных средств и других источников, связанных со сгоранием, будут только дальше сокращаться с постепенным отказом от старых автомобилей с самым высоким уровнем выбросов и их заменой на автомобили с нулевым уровнем выбросов, дизельные автомобили с DPF и DOC и электромобили.Кроме того, повышенное внимание к выбросам от потребительских и коммерческих продуктов (например, ПДС) будет способствовать дальнейшему сокращению их выбросов. Тем не менее, текущее потребление асфальтовых материалов и их выбросы, вероятно, останутся прежними или увеличатся с ростом инфраструктуры и повышением температуры в городах, вызванным изменением климата и эффектами городского теплового острова, что со временем усилит их относительное влияние на качество воздуха в городах.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Экспериментальная установка
Кварцевая трубчатая печь с регулируемой температурой (Across International STF1200) использовалась в краткосрочных экспериментах для исследования чувствительности выбросов VOC-I / SVOC к температуре.Большие куски свежего реального асфальта PG 64-22, обычно используемого в дорожном покрытии в США, были получены во время дорожного покрытия в Нью-Хейвене, штат Коннектикут (на месте перед нанесением на поверхность) и хранились в запечатанном стеклянном контейнере. Во время каждого испытания образец асфальта весом 12 г размером 10 см на 1 см на 1 см взвешивали с помощью микровесов Mettler Toledo AG285 и помещали в печь. Вес образца был определен на основе испытаний для оптимизации реакции МС всех выделяемых газофазных химических компонентов. Образцы нагревали до температур от 40 ° до 200 ° C для изучения температурной зависимости выбросов, связанных с асфальтом, в зависимости от условий хранения, применения и эксплуатации.Предварительные испытания с термопарой, встроенной в образец асфальта, подтвердили температурные зависимости между температурой печи и температурой образца асфальта. Ламинарный поток 1 литр в минуту (л / мин) нулевого воздуха (AADCO) поддерживался через трубку с помощью регулятора массового расхода выше по потоку (Alicat) для достижения экологически значимых скоростей выбросов с поверхности асфальта (см. Расчеты в разделе S4). В экспериментах, в которых использовалось искусственное солнечное облучение, над кварцевой трубкой над образцом помещали лампу искусственного солнечного спектра мощностью 75 Вт (OTO E27 Sun Lamp), включающую излучение UVA и UVB (сечение S5 и рис.S15). По расчетам, солнечное излучение на поверхность каждого материала во время экспериментов составляло примерно от 50 до 60% от солнечного излучения на поверхности Земли в средних широтах (раздел S5). Каждый образец газовой фазы для автономного анализа собирали при скорости потока 125 мл мин. ^-1 в течение 10 минут на нижнем конце трубчатой печи с использованием наших заказных адсорбентных трубок, описанных Sheu et al. ( 68 ). Эксперименты в длительном масштабе (от 3 до 7 дней) проводились в аналогичной изготовленной на заказ эмиссионной камере, конструкция которой обсуждается в разделе S6 (рис.S16). Краткое изложение мер, принятых для точного моделирования условий окружающей среды, можно найти в разделах S2 и S3.
Аналитические методы
Адсорбционные трубки с индивидуальной упаковкой десорбировали с использованием системы Gerstel 3.5+ TD при 300 ° C с использованием гелия в качестве газа-носителя. Затем анализируемые вещества подвергали крио-фокусировке на входном лайнере из стекловаты, поддерживаемом при -100 ° C с использованием жидкого азота, который затем повышали до 400 ° C мин. ^-1 до 325 ° C для ввода аналитов в колонку для ГХ (DB- 5 МС УИ, 30 м на 0.32 мм на 0,25 мкм). Колонку выдерживали при 35 ° C в течение 5 минут перед тем, как постепенно увеличивать температуру 10 ° C мин. ^-1 до 325 ° C, и выдерживали при этой максимальной температуре в течение 3 минут. Выходящий поток из колонки направляли либо в традиционный EI-MS под вакуумом с разрешением на единицу массы, либо в APCI-TOF MS, работающий в положительном режиме с разрешением по массе от 25000 до 40000 (м / Δm) и точностью измерения массы 2 ppm (частей на миллион). Эффективность передачи I / SVOC и LVOC через нашу аналитическую систему была ранее подтверждена обширными испытаниями с использованием стандарта сырой нефти Macondo [Национальный институт стандартов и технологий (NIST) 2779] ( 47 ).Более подробную информацию о нашей интегрированной системе отбора проб для анализа можно найти в предыдущих публикациях ( 47 , 68 ).
Калибровки
Для всех калибровок использовались аутентичные стандарты газовой и жидкой фазы (Apel-Riemer, AccuStandard и Sigma-Aldrich). Для определения состава сложной смеси углеводородов (C _x H _y ) калибровку масс по пяти точкам проводили по углеродным числам (C ₁₀ -C ₃₂) и эквивалентам двойных связей (DBE; от 0 до 15) с использованием сырой нефти NIST 2779 Macondo в системе GC-APCI-TOF (раздел S9) ( 47 ).Подтвержденное массовое распределение углеводородов сырой нефти NIST 2779 Macondo по углеродным числам и DBE было получено из литературы ( 47 , 69 ). Кроме того, стандарты C ₈ -C ₃₂ n -алканов, нафталина, 1,5-диметилнафталина, антрацена, пирена и флуорантена использовали для калибровки с помощью GC-EI-MS для количественного определения известных опасных соединений.
Коэффициенты массового отклика для серосодержащих и кислородсодержащих сложных углеводородных смесей были разработаны с использованием выбранных индивидуальных стандартов серо- и кислородсодержащих углеводородов и сравнения их массовых откликов APCI с аналогичными формулами углеводородных соединений (более подробную информацию см. В дополнительных материалах) .К ним относятся сырая нефть NIST Macondo (для тиофенов в совокупности) ( 69 ) и отдельные аналитические стандарты 3-октилтиофена, 4,6-диметилдибензотиофена, тетрадекан-1-тиола, додекан-1-тиола и октадекан-1-тиола. Для серосодержащих углеводородных соединений наши массовые коэффициенты отклика согласуются с теми, которые были измерены для тиофенов в сырой нефти NIST 2779 Macondo и измерены Worton et al. ( 69 ). Кроме того, учитывая ограниченную информацию о точном химическом составе кислородсодержащих углеводородных смесей, мы не смогли определить конкретные факторы отклика.Однако при индивидуальном сравнении стандартов кислородсодержащих и чистых углеводородных соединений мы обнаружили, что факторы отклика схожи, что свидетельствует об относительно схожей эффективности ионизации кислородсодержащих углеводородов по сравнению с чистыми углеводородными ароматическими соединениями. Мы также учли эффективность передачи функционализированных и нефункционализированных органических веществ с помощью нашей ранее созданной аналитической системы ( 47 ). Неароматические углеводородные соединения более склонны к фрагментации и потенциально отличаются по эффективности ионизации.В целом, мы признаем, что существует неопределенность в калибровках сложных смесей кислородных и серосодержащих углеводородных соединений, которые составляют от 5 до 15% выбросов при температурах, соответствующих жизненным циклам асфальтовых материалов, рассматриваемых в этом исследовании. Таким образом, общие коэффициенты выбросов и потенциальные оценки SOA подвержены некоторой дополнительной неопределенности, помимо неопределенности для чистых углеводородных соединений. Более подробно это обсуждается в разделе S10.
Благодарности: Мы благодарим Йельский офис по сооружениям за помощь в приобретении дорожного асфальта PG 64-22 на мероприятии по укладке дорожного покрытия в Нью-Хейвене, штат Коннектикут; Центру CACES (Университет Карнеги-Меллона) и их команде за помощь в получении образцов дорожного асфальта из Питтсбурга, штат Пенсильвания; и Дж.Ким (Йельский университет), Г. Бан-Вейсс (USC) и А. Чан (Университет Торонто) за полезные обсуждения. Финансирование: Мы благодарим Yale SEARCH Center, Агентство по охране окружающей среды США и NSF (AWD0001666) за поддержку, а также GERSTEL за сотрудничество и поддержку с TD 3.5+. Эта публикация была разработана в соответствии с соглашениями о помощи RD835871 (Йельский университет) и 83587301 (Университет Карнеги-Меллона), заключенными Агентством по охране окружающей среды США. Он не был официально рассмотрен EPA. Мнения, выраженные в этом документе, принадлежат исключительно авторам и не обязательно отражают точку зрения Агентства.EPA не поддерживает какие-либо продукты или коммерческие услуги, упомянутые в этой публикации. Вклад авторов: П.К. и D.R.G. задумал исследование и разработал лабораторные эксперименты и экспериментальную установку. P.K., J.M., A.A.P. и D.R.G. приобрел асфальтовые материалы. П.К. и Р.С. (Нью-Хейвен, Коннектикут) и J.M. и A.