номер 8, страница 283 - гдз по химии 10 класс учебник Колевич, Матулис

8. Юный химик Василий решил изучить реакцию целлюлозы с азотной кислотой. Для этого он взял кусочек хлопчатобумажной ткани и поместил её в нитрующую смесь (смесь концентрированных серной и азотной кислот). Примерно через 15 минут он вынул ткань из нитрующей смеси, промыл и высушил. Затем он поджёг кусочки полученной ткани, а также ткань, не подвергшуюся обработке. Исходная ткань с трудом загорелась, выделяя много копоти и дыма, тогда как ткань, обработанная нитрующей смесью, быстро сгорела, не выделяя копоти. Объясните наблюдаемое явление, напишите уравнения протекающих реакций.

8.Объяснение наблюдаемого явления:

Хлопчатобумажная ткань практически полностью состоит из природного полимера — целлюлозы (клетчатки). При обработке ткани нитрующей смесью (смесью концентрированных азотной $HNO_3$ и серной $H_2SO_4$ кислот) происходит реакция этерификации, в результате которой гидроксильные группы целлюлозы замещаются на нитратные группы. Образуется сложный эфир целлюлозы и азотной кислоты — тринитроцеллюлоза (пироксилин, или нитроклетчатка).

Разница в горении образцов объясняется следующим:

• Исходная ткань (целлюлоза): горит за счёт кислорода, поступающего из окружающего воздуха. Из-за диффузионных ограничений и недостатка кислорода в зоне горения углерод сгорает не полностью, образуются микрочастицы углерода (сажа, копоть) и угарный газ, ткань тлеет и обугливается.
• Обработанная ткань (нитроцеллюлоза): в составе молекулы уже содержится значительное количество окислителя — кислорода в виде нитрогрупп ($-ONO_2$). Поэтому процесс окисления протекает практически мгновенно в объёме всего материала без необходимости притока атмосферного кислорода. Сгорание происходит полно, со вспышкой и выделением только газообразных веществ, благодаря чему копоть и зола не образуются.

Уравнения химических реакций:

1. Получение тринитроцеллюлозы (нитрование целлюлозы):

$$[C_6H_7O_2(OH)_3]_n + 3n HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4 \text{ (конц.)}, t} [C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 3n H_2O$$

2. Горение исходной целлюлозы на воздухе (полное сгорание):

$$(C_6H_{10}O_5)_n + 6n O_2 \rightarrow 6n CO_2 + 5n H_2O$$

3. Быстрое сгорание (термическое разложение/окисление) тринитроцеллюлозы:

$$2[C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n + 9n O_2 \rightarrow 12n CO_2 + 7n H_2O + 6n N_2$$

(или при недостатке внешнего кислорода за счёт собственного окислителя):

$$2[C_6H_7O_2(ONO_2)_3]_n \rightarrow 6n CO + 6n CO_2 + 7n H_2O + 3n N_2$$