Номер 164, страница 49 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

164. При полном сгорании 5,8 г органического вещества образуется 6,72 $\text{дм}^3$ (н. у.) углекислого газа и 5,4 г воды. Плотность паров этого вещества по воздуху равна 2. Установите молекулярную формулу вещества и предложите его возможную структурную формулу.

Дано:

$m(\text{орг. вещества}) = 5,8 \text{ г}$

$V(\text{CO}_2) = 6,72 \text{ дм}^3 \text{ (н. у.)}$

$m(\text{H}_2\text{O}) = 5,4 \text{ г}$

$D_{\text{воздух}}(\text{орг. вещества}) = 2$

Найти:

Молекулярную формулу вещества - ?

Структурную формулу вещества - ?

Решение:

1. Определим количество вещества (моль) продуктов сгорания - углекислого газа и воды. Общая формула органического вещества - $\text{C}_x\text{H}_y\text{O}_z$.

Молярный объем газа при нормальных условиях ($V_m$) равен $22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}$.

$n(\text{CO}_2) = \frac{V(\text{CO}_2)}{V_m} = \frac{6,72 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,3 \text{ моль}$

Молярная масса воды $M(\text{H}_2\text{O}) = 2 \cdot 1,008 + 16,00 \approx 18 \text{ г/моль}$.

$n(\text{H}_2\text{O}) = \frac{m(\text{H}_2\text{O})}{M(\text{H}_2\text{O})} = \frac{5,4 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,3 \text{ моль}$

2. Найдем количество вещества и массу элементов (C, H), входящих в состав органического вещества.

Весь углерод из сгоревшего вещества перешел в углекислый газ, поэтому количество вещества углерода равно количеству вещества $\text{CO}_2$.

$n(\text{C}) = n(\text{CO}_2) = 0,3 \text{ моль}$

$m(\text{C}) = n(\text{C}) \cdot M(\text{C}) = 0,3 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 3,6 \text{ г}$

Весь водород перешел в воду. В каждой молекуле воды 2 атома водорода, поэтому количество вещества атомов водорода в два раза больше количества вещества воды.

$n(\text{H}) = 2 \cdot n(\text{H}_2\text{O}) = 2 \cdot 0,3 \text{ моль} = 0,6 \text{ моль}$

$m(\text{H}) = n(\text{H}) \cdot M(\text{H}) = 0,6 \text{ моль} \cdot 1 \text{ г/моль} = 0,6 \text{ г}$

3. Проверим, содержится ли в веществе кислород, сравнив сумму масс углерода и водорода с исходной массой вещества.

$m(\text{C}) + m(\text{H}) = 3,6 \text{ г} + 0,6 \text{ г} = 4,2 \text{ г}$

Эта масса ($4,2 \text{ г}$) меньше исходной массы органического вещества ($5,8 \text{ г}$), следовательно, в его состав входит кислород.

$m(\text{O}) = m(\text{орг. вещества}) - (m(\text{C}) + m(\text{H})) = 5,8 \text{ г} - 4,2 \text{ г} = 1,6 \text{ г}$

Найдем количество вещества кислорода:

$n(\text{O}) = \frac{m(\text{O})}{M(\text{O})} = \frac{1,6 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

4. Установим простейшую (эмпирическую) формулу вещества.

Найдем соотношение индексов в формуле $\text{C}_x\text{H}_y\text{O}_z$, которое равно соотношению количеств вещества атомов:

$x : y : z = n(\text{C}) : n(\text{H}) : n(\text{O}) = 0,3 : 0,6 : 0,1$

Чтобы получить целочисленные индексы, разделим все значения на наименьшее (0,1):

$x = \frac{0,3}{0,1} = 3$

$y = \frac{0,6}{0,1} = 6$

$z = \frac{0,1}{0,1} = 1$

Таким образом, простейшая формула вещества: $\text{C}_3\text{H}_6\text{O}$.

5. Установим истинную (молекулярную) формулу вещества, используя его относительную плотность паров по воздуху.

Найдем молярную массу органического вещества. Средняя молярная масса воздуха $M_{\text{воздух}} \approx 29 \text{ г/моль}$.

$M(\text{орг. вещества}) = D_{\text{воздух}} \cdot M_{\text{воздух}} = 2 \cdot 29 \text{ г/моль} = 58 \text{ г/моль}$

Вычислим молярную массу вещества с простейшей формулой $\text{C}_3\text{H}_6\text{O}$:

$M(\text{C}_3\text{H}_6\text{O}) = 3 \cdot M(\text{C}) + 6 \cdot M(\text{H}) + 1 \cdot M(\text{O}) = 3 \cdot 12 + 6 \cdot 1 + 16 = 36 + 6 + 16 = 58 \text{ г/моль}$

Так как молярная масса, рассчитанная по плотности ($58 \text{ г/моль}$), совпадает с молярной массой простейшей формулы ($58 \text{ г/моль}$), то молекулярная формула вещества идентична простейшей: $\text{C}_3\text{H}_6\text{O}$.

6. Предложим возможную структурную формулу.

Молекулярной формуле $\text{C}_3\text{H}_6\text{O}$ соответствует несколько изомеров. Наиболее распространенными являются альдегид и кетон:

Пропаналь (альдегид): $\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CHO}$

Пропанон (ацетон, кетон): $\text{CH}_3-\text{C(O)}-\text{CH}_3$

Обе структурные формулы являются верным ответом на вопрос.

Ответ: Молекулярная формула вещества: $\text{C}_3\text{H}_6\text{O}$. Возможная структурная формула: пропаналь ($\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CHO}$) или пропанон ($\text{CH}_3-\text{C(O)}-\text{CH}_3$).