Номер 121, страница 41 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

121. При взаимодействии $224 \text{ см}^3$ (н. у.) метана с хлором образовались только одно органическое вещество и хлороводород. На нейтрализацию полученного хлороводорода было затрачено $10,9 \text{ см}^3$ $10\%$-ного по массе раствора NaOH (плотность раствора равна $1,1 \text{ г/см}^3$). Сколько атомов водорода в молекуле метана заместилось на хлор? Запишите уравнение реакции.

Дано:

$V(CH_4) = 224 \text{ см}^3 = 0.000224 \text{ м}^3$ (н. у.)
$V(\text{р-ра } NaOH) = 10.9 \text{ см}^3 = 1.09 \times 10^{-5} \text{ м}^3$
$w(NaOH) = 10\% = 0.1$
$\rho(\text{р-ра } NaOH) = 1.1 \text{ г/см}^3 = 1100 \text{ кг/м}^3$

Найти:

Количество замещенных атомов H - ?
Уравнение реакции - ?

Решение:

1. Запишем общее уравнение реакции замещения водорода в метане хлором. Пусть $x$ — число атомов водорода, заместившихся на хлор. Тогда уравнение реакции имеет вид:
$CH_4 + xCl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_{4-x}Cl_x + xHCl$
Из уравнения следует, что количество вещества образовавшегося хлороводорода ($HCl$) в $x$ раз больше количества вещества вступившего в реакцию метана ($CH_4$):
$n(HCl) = x \cdot n(CH_4)$
Отсюда, $x$ можно найти как отношение количеств веществ: $x = \frac{n(HCl)}{n(CH_4)}$

2. Найдем количество вещества метана ($CH_4$), используя молярный объем газов при нормальных условиях ($V_m = 22.4$ л/моль):
$V(CH_4) = 224 \text{ см}^3 = 0.224 \text{ л}$
$n(CH_4) = \frac{V(CH_4)}{V_m} = \frac{0.224 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 0.01 \text{ моль}$

3. Найдем количество вещества хлороводорода ($HCl$), образовавшегося в реакции. По условию, весь полученный хлороводород был нейтрализован раствором гидроксида натрия ($NaOH$).
Уравнение реакции нейтрализации:
$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$
По этому уравнению, количество вещества хлороводорода равно количеству вещества гидроксида натрия: $n(HCl) = n(NaOH)$.

4. Рассчитаем количество вещества $NaOH$, затраченного на нейтрализацию.
а) Найдем массу раствора $NaOH$:
$m(\text{р-ра } NaOH) = V(\text{р-ра } NaOH) \cdot \rho(\text{р-ра } NaOH) = 10.9 \text{ см}^3 \cdot 1.1 \text{ г/см}^3 = 11.99 \text{ г}$
б) Найдем массу чистого $NaOH$ в растворе:
$m(NaOH) = m(\text{р-ра } NaOH) \cdot w(NaOH) = 11.99 \text{ г} \cdot 0.10 = 1.199 \text{ г}$
в) Вычислим молярную массу $NaOH$:
$M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$
г) Найдем количество вещества $NaOH$:
$n(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{M(NaOH)} = \frac{1.199 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} \approx 0.03 \text{ моль}$

5. Так как $n(HCl) = n(NaOH)$, то $n(HCl) = 0.03 \text{ моль}$.

6. Теперь можем найти $x$ — число замещенных атомов водорода:
$x = \frac{n(HCl)}{n(CH_4)} = \frac{0.03 \text{ моль}}{0.01 \text{ моль}} = 3$

Сколько атомов водорода в молекуле метана заместилось на хлор?

В молекуле метана на хлор заместилось 3 атома водорода.

Ответ: 3.

Запишите уравнение реакции.

Поскольку заместилось 3 атома водорода, единственным органическим продуктом, согласно условию, является трихлорметан ($CHCl_3$).
Уравнение реакции:
$CH_4 + 3Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CHCl_3 + 3HCl$

Ответ: $CH_4 + 3Cl_2 \rightarrow CHCl_3 + 3HCl$.