Номер 4, страница 67 - гдз по химии 10 класс учебник Колевич, Матулис

4. Молярная масса вещества А равна 72 г/моль. При сгорании 1,44 г этого вещества в избытке кислорода получили углекислый газ массой 4,4 г и воду массой 2,16 г. Установите молекулярную формулу вещества А и приведите структурные формулы всех веществ, имеющих такую молекулярную формулу.

Дано:

$M(\text{A}) = 72$ г/моль
$m(\text{A}) = 1.44$ г
$m(CO_2) = 4.4$ г
$m(H_2O) = 2.16$ г

Перевод в СИ:
$M(\text{A}) = 72 \times 10^{-3}$ кг/моль
$m(\text{A}) = 1.44 \times 10^{-3}$ кг
$m(CO_2) = 4.4 \times 10^{-3}$ кг
$m(H_2O) = 2.16 \times 10^{-3}$ кг

Найти:

Молекулярную формулу вещества A.
Структурные формулы всех изомеров с этой молекулярной формулой.

Решение:

Установить молекулярную формулу вещества А

По продуктам сгорания ($CO_2$ и $H_2O$) можно сделать вывод, что исходное вещество А содержит атомы углерода (C) и водорода (H), а также, возможно, кислорода (O). Его общую формулу можно записать как $C_xH_yO_z$.

1. Вычислим количество вещества продуктов сгорания. Для этого нам понадобятся их молярные массы: $M(CO_2) = 12 + 2 \times 16 = 44$ г/моль; $M(H_2O) = 2 \times 1 + 16 = 18$ г/моль.

$n(CO_2) = \frac{m(CO_2)}{M(CO_2)} = \frac{4.4 \text{ г}}{44 \text{ г/моль}} = 0.1$ моль

$n(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{2.16 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0.12$ моль

2. Найдем количество вещества и массу атомов углерода и водорода в исходном образце вещества А.

Количество вещества углерода равно количеству вещества углекислого газа:

$n(C) = n(CO_2) = 0.1$ моль

Масса углерода: $m(C) = n(C) \times M(C) = 0.1 \text{ моль} \times 12 \text{ г/моль} = 1.2$ г

Количество вещества водорода в два раза больше количества вещества воды, так как в каждой молекуле $H_2O$ содержится два атома H:

$n(H) = 2 \times n(H_2O) = 2 \times 0.12 \text{ моль} = 0.24$ моль

Масса водорода: $m(H) = n(H) \times M(H) = 0.24 \text{ моль} \times 1 \text{ г/моль} = 0.24$ г

3. Проверим наличие кислорода в веществе А, сравнив сумму масс углерода и водорода с исходной массой вещества.

$m(C) + m(H) = 1.2 \text{ г} + 0.24 \text{ г} = 1.44$ г

Эта масса равна исходной массе вещества А ($1.44$ г), следовательно, вещество А не содержит кислорода и является углеводородом с общей формулой $C_xH_y$.

4. Определим простейшую (эмпирическую) формулу вещества. Для этого найдем соотношение количеств вещества атомов C и H.

$x : y = n(C) : n(H) = 0.1 : 0.24$

Для получения целочисленных индексов разделим оба значения на наименьшее (0.1):

$x : y = \frac{0.1}{0.1} : \frac{0.24}{0.1} = 1 : 2.4$

Теперь умножим полученные значения на 5, чтобы получить целые числа:

$x : y = 1 \times 5 : 2.4 \times 5 = 5 : 12$

Простейшая формула вещества: $C_5H_{12}$.

5. Установим истинную (молекулярную) формулу. Вычислим молярную массу вещества с простейшей формулой:

$M(C_5H_{12}) = 5 \times 12 + 12 \times 1 = 60 + 12 = 72$ г/моль

Полученное значение совпадает с молярной массой вещества А, указанной в условии задачи ($72$ г/моль). Это означает, что простейшая и молекулярная формулы совпадают.

Молекулярная формула вещества А — $C_5H_{12}$.

Привести структурные формулы всех веществ, имеющих такую молекулярную формулу

Формула $C_5H_{12}$ соответствует общей формуле предельных углеводородов (алканов) $C_nH_{2n+2}$. Для данной формулы существует три структурных изомера (изомеры углеродного скелета).

1. н-Пентан (пентан) — линейная структура.

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$

2. 2-Метилбутан (изопентан) — разветвленная структура.

$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

3. 2,2-Диметилпропан (неопентан) — максимально разветвленная структура.

$C(CH_3)_4$

Ответ:

Молекулярная формула вещества А — $C_5H_{12}$.

Вещества, имеющие такую молекулярную формулу (изомеры пентана):

1. н-Пентан: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$

2. 2-Метилбутан (изопентан): $CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

3. 2,2-Диметилпропан (неопентан): $C(CH_3)_4$