Номер 6, страница 112 - гдз по химии 10 класс учебник Колевич, Матулис

6. В результате сжигания 1,17 г твёрдого при нормальных условиях углеводорода было получено 2,016 дм³ (н. у.) углекислого газа и 0,81 г воды. Углеводород не обесцвечивает бромную воду. Установите структурную формулу этого соединения.

Дано:

$m(C_xH_y) = 1,17 \text{ г}$

$V(CO_2) = 2,016 \text{ дм}^3 \text{ (н.у.)}$

$m(H_2O) = 0,81 \text{ г}$

Углеводород является твёрдым веществом при нормальных условиях.

Углеводород не обесцвечивает бромную воду.

Найти:

Структурную формулу углеводорода.

Решение:

1. Запишем общее уравнение реакции сгорания углеводорода $C_xH_y$:

$C_xH_y + (x + \frac{y}{4})O_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O$

2. Найдем количество вещества продуктов сгорания. Молярный объем газов при нормальных условиях (н.у.) составляет $V_m = 22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}$. Молярная масса воды $M(H_2O) = 18 \text{ г/моль}$.

$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{2,016 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,09 \text{ моль}$

$n(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{0,81 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,045 \text{ моль}$

3. Определим количество вещества атомов углерода (C) и водорода (H) в исходном соединении. Весь углерод переходит в $CO_2$, а весь водород — в $H_2O$.

Поскольку в 1 моль $CO_2$ содержится 1 моль атомов C:

$n(C) = n(CO_2) = 0,09 \text{ моль}$

Поскольку в 1 моль $H_2O$ содержится 2 моль атомов H:

$n(H) = 2 \cdot n(H_2O) = 2 \cdot 0,045 \text{ моль} = 0,09 \text{ моль}$

4. Установим простейшую (эмпирическую) формулу углеводорода, найдя соотношение количеств атомов C и H:

$x : y = n(C) : n(H) = 0,09 : 0,09 = 1 : 1$

Следовательно, простейшая формула соединения — $CH$, а его молекулярная формула имеет вид $(CH)_n$ или $C_nH_n$.

5. Проверим, что вещество является углеводородом, сравнив массу C и H с исходной массой:

$m(C) = n(C) \cdot M(C) = 0,09 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 1,08 \text{ г}$

$m(H) = n(H) \cdot M(H) = 0,09 \text{ моль} \cdot 1 \text{ г/моль} = 0,09 \text{ г}$

$m(C) + m(H) = 1,08 \text{ г} + 0,09 \text{ г} = 1,17 \text{ г}$. Это совпадает с исходной массой вещества.

6. Определим молекулярную формулу и структуру, используя дополнительные данные.

Углеводород не обесцвечивает бромную воду, что характерно для предельных (алканов, циклоалканов) или ароматических углеводородов.

Углеводород является твёрдым веществом при нормальных условиях, что указывает на относительно большую молекулярную массу или сильные межмолекулярные взаимодействия.

Рассмотрим возможные варианты для формулы $C_nH_n$:

• $n=2: C_2H_2$ (ацетилен) — газ, реагирует с бромной водой. Не подходит.
• $n=6: C_6H_6$ (бензол) — жидкость, не реагирует с бромной водой (без катализатора), но не является твёрдым веществом. Не подходит.
• $n=8: C_8H_8$. Возможные изомеры:
  • Стирол ($C_6H_5-CH=CH_2$) — жидкость, реагирует с бромной водой. Не подходит.
  • Циклооктатетраен — жидкость, неароматичен, реагирует с бромной водой. Не подходит.
  • Кубан ($C_8H_8$) — полициклический алкан каркасного строения. Это кристаллическое твёрдое вещество (т.пл. 131 °C). Как предельный углеводород, он не реагирует с бромной водой. Этот вариант подходит по всем условиям.

Проверим, что молекулярная формула действительно $C_8H_8$. Молярная масса кубана $M(C_8H_8) = 8 \cdot 12 + 8 \cdot 1 = 104 \text{ г/моль}$. Найдем, какое количество вещества углеводорода было сожжено:

$n(C_8H_8) = \frac{m}{M} = \frac{1,17 \text{ г}}{104 \text{ г/моль}} \approx 0,01125 \text{ моль}$

Из уравнения сгорания $C_8H_8 + 10O_2 \rightarrow 8CO_2 + 4H_2O$ следует:

$n(CO_2)_{расч} = 8 \cdot n(C_8H_8) = 8 \cdot 0,01125 = 0,09 \text{ моль}$

$n(H_2O)_{расч} = 4 \cdot n(C_8H_8) = 4 \cdot 0,01125 = 0,045 \text{ моль}$

Расчетные значения полностью совпадают с найденными из условия. Таким образом, искомое соединение — кубан.

Ответ:

Искомый углеводород — кубан ($C_8H_8$). Его структурная формула: