Номер 170, страница 50 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

170. Органическое вещество X (не содержит кислорода) сожгли в избытке кислорода. Из образовавшейся смеси удалили избыточный кислород и полученную смесь (углекислый газ, вода и хлороводород) привели к нормальным условиям. В результате получили $13,44 \text{ дм}^3 \text{ CO}_2$ и $14,03 \text{ см}^3$ жидкости $(\rho = 1,16 \text{ г}/\text{см}^3)$ с массовой долей $\text{HCl } 33,64 \, \%$. Определите молекулярную формулу сгоревшего соединения Х и предложите его возможную структурную формулу (растворимостью углекислого газа в воде пренебречь).

Дано:

$V(\text{CO}_2) = 13,44 \text{ дм}^3$

$V(\text{р-ра HCl}) = 14,03 \text{ см}^3$

$\rho(\text{р-ра HCl}) = 1,16 \text{ г/см}^3$

$\omega(\text{HCl}) = 33,64 \% = 0,3364$

Вещество X не содержит кислород.

$V(\text{CO}_2) = 13,44 \text{ дм}^3 = 0,01344 \text{ м}^3$

$V(\text{р-ра HCl}) = 14,03 \text{ см}^3 = 1,403 \times 10^{-5} \text{ м}^3$

$\rho(\text{р-ра HCl}) = 1,16 \text{ г/см}^3 = 1160 \text{ кг/м}^3$

Найти:

Молекулярную формулу X - ?

Структурную формулу X - ?

Решение:

1. Органическое вещество X не содержит кислорода. Продукты его сгорания – углекислый газ ($CO_2$), вода ($H_2O$) и хлороводород ($HCl$). Это означает, что вещество X состоит из атомов углерода (C), водорода (H) и хлора (Cl). Его общая формула – $C_xH_yCl_n$.

Схема реакции горения в общем виде:

$C_xH_yCl_n + O_2 \rightarrow xCO_2 + nHCl + \frac{y-n}{2}H_2O$

2. Найдем количество вещества ($n$) продуктов реакции. Расчеты проведем для нормальных условий (н.у.), где молярный объем газа $V_m = 22,4$ л/моль (дм³/моль).

Количество вещества углекислого газа:

$n(\text{CO}_2) = \frac{V(\text{CO}_2)}{V_m} = \frac{13,44 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,6 \text{ моль}$

3. Полученная жидкость представляет собой водный раствор хлороводорода. Найдем массы и количества веществ $HCl$ и $H_2O$.

Масса раствора:

$m(\text{р-ра HCl}) = V(\text{р-ра HCl}) \cdot \rho(\text{р-ра HCl}) = 14,03 \text{ см}^3 \cdot 1,16 \text{ г/см}^3 = 16,2748 \text{ г}$

Масса хлороводорода в растворе:

$m(\text{HCl}) = m(\text{р-ра HCl}) \cdot \omega(\text{HCl}) = 16,2748 \text{ г} \cdot 0,3364 \approx 5,475 \text{ г}$

Количество вещества хлороводорода (молярная масса $M(\text{HCl}) = 36,5$ г/моль):

$n(\text{HCl}) = \frac{m(\text{HCl})}{M(\text{HCl})} = \frac{5,475 \text{ г}}{36,5 \text{ г/моль}} = 0,15 \text{ моль}$

Масса воды в растворе:

$m(\text{H}_2\text{O}) = m(\text{р-ра HCl}) - m(\text{HCl}) = 16,2748 \text{ г} - 5,475 \text{ г} \approx 10,8 \text{ г}$

Количество вещества воды (молярная масса $M(\text{H}_2\text{O}) = 18$ г/моль):

$n(\text{H}_2\text{O}) = \frac{m(\text{H}_2\text{O})}{M(\text{H}_2\text{O})} = \frac{10,8 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,6 \text{ моль}$

4. Определим соотношение атомов C, H и Cl в исходном веществе X.

Количество вещества атомов углерода равно количеству вещества $CO_2$:

$n(\text{C}) = n(\text{CO}_2) = 0,6 \text{ моль}$

Количество вещества атомов хлора равно количеству вещества $HCl$:

$n(\text{Cl}) = n(\text{HCl}) = 0,15 \text{ моль}$

Количество вещества атомов водорода равно сумме атомов водорода в $HCl$ и $H_2O$:

$n(\text{H}) = n(\text{HCl}) + 2 \cdot n(\text{H}_2\text{O}) = 0,15 \text{ моль} + 2 \cdot 0,6 \text{ моль} = 0,15 + 1,2 = 1,35 \text{ моль}$

5. Найдем простейшее целочисленное соотношение индексов в формуле $C_xH_yCl_n$:

$x : y : n = n(\text{C}) : n(\text{H}) : n(\text{Cl}) = 0,6 : 1,35 : 0,15$

Разделим все значения на наименьшее (0,15):

$x = \frac{0,6}{0,15} = 4$

$y = \frac{1,35}{0,15} = 9$

$n = \frac{0,15}{0,15} = 1$

Таким образом, простейшая (эмпирическая) формула вещества X – $C_4H_9Cl$.

6. Для алкилгалогенидов общая формула $C_kH_{2k+1}Cl$. В нашем случае при $k=4$ формула соответствует $C_4H_{2\cdot4+1}Cl = C_4H_9Cl$. Это указывает на то, что простейшая формула, скорее всего, является и молекулярной.

Молекулярная формула вещества X: $C_4H_9Cl$.

7. Данной молекулярной формуле соответствует несколько изомеров (хлорбутаны). В качестве возможной структурной формулы можно предложить любой из них, например, 1-хлорбутан.

Возможная структурная формула:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-Cl$

Ответ: Молекулярная формула соединения X – $C_4H_9Cl$. Возможная структурная формула – $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-Cl$ (1-хлорбутан).