Номер 151, страница 46 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

151. Некоторый элемент образует с водородом соединение состава $Э_xН_y$. Массовая доля водорода в соединении равна 20,0 %, а мольная доля — 75,0 %.

а) Установите простейшую формулу соединения.

б) Может ли молекула устойчивого при н. у. вещества иметь такой состав и почему?

в) Приведите структурную формулу устойчивого вещества, соответствующего условию задачи.

Дано:

Соединение Э_xH_y

Массовая доля водорода $ω(H) = 20,0 \% = 0,200$

Мольная доля водорода $χ(H) = 75,0 \% = 0,750$

Найти:

а) Простейшую формулу соединения.

б) Возможность существования устойчивой молекулы с таким составом и объяснение.

в) Структурную формулу устойчивого вещества.

Решение:

а) Установите простейшую формулу соединения.

Мольная доля атомов водорода $χ(H)$ в соединении Э_xH_y определяется как отношение числа атомов водорода $y$ к общему числу атомов в молекуле $(x+y)$:

$χ(H) = \frac{y}{x+y}$

По условию, $χ(H) = 75,0 \% = 0,750$, что равно $\frac{3}{4}$.

$\frac{y}{x+y} = \frac{3}{4}$

Из этого уравнения получаем:

$4y = 3(x+y)$

$4y = 3x + 3y$

$y = 3x$

Таким образом, соотношение индексов в простейшей формуле составляет $x:y = 1:3$. Простейшая формула соединения — ЭH₃.

Теперь определим элемент Э, используя массовую долю водорода $ω(H)$. Массовая доля водорода равна отношению массы всех атомов водорода к общей массе молекулы. Обозначим относительную атомную массу элемента Э как $A_r(Э)$, а водорода как $A_r(H) \approx 1,008$.

$ω(H) = \frac{y \cdot A_r(H)}{x \cdot A_r(Э) + y \cdot A_r(H)}$

Подставим известные значения и соотношение $y=3x$:

$0,200 = \frac{3x \cdot A_r(H)}{x \cdot A_r(Э) + 3x \cdot A_r(H)} = \frac{3 \cdot A_r(H)}{A_r(Э) + 3 \cdot A_r(H)}$

$0,200 = \frac{3 \cdot 1,008}{A_r(Э) + 3 \cdot 1,008}$

$0,200 \cdot (A_r(Э) + 3,024) = 3,024$

$0,200 \cdot A_r(Э) + 0,6048 = 3,024$

$0,200 \cdot A_r(Э) = 2,4192$

$A_r(Э) = \frac{2,4192}{0,200} = 12,096$

Полученное значение относительной атомной массы близко к атомной массе углерода ($A_r(C) = 12,011$). Следовательно, элемент Э — это углерод (C).

Таким образом, простейшая формула соединения — CH₃.

Ответ: Простейшая формула соединения CH₃.

б) Может ли молекула устойчивого при н. у. вещества иметь такой состав и почему?

Нет, молекула состава CH₃ не может быть устойчивым при нормальных условиях веществом. CH₃ — это метильный радикал. В этой частице атом углерода связан с тремя атомами водорода и имеет один неспаренный электрон. Валентная оболочка атома углерода содержит только 7 электронов, то есть его электронный октет не завершен. Частицы с неспаренными электронами (радикалы) обладают очень высокой реакционной способностью и существуют лишь как короткоживущие промежуточные продукты в химических реакциях, но не как стабильные вещества при нормальных условиях.

Ответ: Нет, не может, так как частица состава CH₃ является высокореакционным радикалом с неспаренным электроном и незавершенной электронной оболочкой (октетом) у атома углерода.

в) Приведите структурную формулу устойчивого вещества, соответствующего условию задачи.

Устойчивое вещество должно иметь молекулярную формулу, которая кратна простейшей формуле CH₃, то есть (CH₃)_n, где n — целое число. Такая молекула будет иметь такое же соотношение атомов и, следовательно, те же массовую и мольную доли элементов.

При n = 1, формула CH₃ — неустойчивый радикал.

При n = 2, формула (CH₃)₂ или C₂H₆. Это этан. Этан — это предельный углеводород (алкан), являющийся устойчивым газообразным веществом при нормальных условиях. В молекуле этана каждый атом углерода образует четыре ковалентные связи (одну C-C и три C-H), удовлетворяя правилу октета, что обеспечивает ее стабильность.

Структурная формула этана (C₂H₆) выглядит следующим образом:

H H | |H - C - C - H | | H H

Или в сжатом виде: CH₃–CH₃.

Ответ: Устойчивым веществом является этан, его структурная формула:

H H | |H - C - C - H | | H H