Номер 306, страница 77 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

306. В результате гидрирования пентадиена-1,4 массой 6,8 г образовалась смесь н-пентана и пентена-1. Полученную смесь растворили в н-гептане и к полученному раствору небольшими порциями добавляли бромную воду, пока раствор не перестал обесцвечиваться. В результате масса раствора в гептане увеличилась на 6,4 г. Определите:

а) массу пентена-1;

б) массовую долю н-пентана в смеси с пентеном-1;

в) объем затраченного на гидрирование водорода.

Дано:

$m(\text{пентадиен-1,4}) = 6,8 \text{ г}$

Увеличение массы раствора после добавления бромной воды $\Delta m = 6,4 \text{ г}$, что соответствует массе прореагировавшего брома $m(\text{Br}_2)$.

Перевод данных в систему СИ:
$m(\text{пентадиен-1,4}) = 6,8 \text{ г} = 6,8 \times 10^{-3} \text{ кг}$
$m(\text{Br}_2) = 6,4 \text{ г} = 6,4 \times 10^{-3} \text{ кг}$

Найти:

а) $m(\text{пентен-1})$ - ?

б) $\omega(\text{н-пентан})$ в смеси - ?

в) $V(\text{H}_2)$ - ?

Решение:

Сначала запишем уравнения реакций, происходящих в задаче.

1. Гидрирование пентадиена-1,4 ($C_5H_8$) с образованием смеси пентена-1 ($C_5H_{10}$) и н-пентана ($C_5H_{12}$):

(1) $C_5H_8 + H_2 \xrightarrow{кат.} C_5H_{10}$

(2) $C_5H_8 + 2H_2 \xrightarrow{кат.} C_5H_{12}$

2. Реакция образовавшегося пентена-1 с бромной водой. Н-пентан и растворитель н-гептан являются предельными углеводородами и с бромом не реагируют.

(3) $C_5H_{10} + Br_2 \rightarrow C_5H_{10}Br_2$

Увеличение массы раствора в гептане на 6,4 г произошло за счет массы брома, присоединившегося к пентену-1. Таким образом, $m(Br_2) = 6,4 \text{ г}$.

Рассчитаем молярные массы веществ:

$M(C_5H_8) = 5 \cdot 12 + 8 \cdot 1 = 68$ г/моль

$M(C_5H_{10}) = 5 \cdot 12 + 10 \cdot 1 = 70$ г/моль

$M(C_5H_{12}) = 5 \cdot 12 + 12 \cdot 1 = 72$ г/моль

$M(Br_2) = 2 \cdot 80 = 160$ г/моль

Найдем количество вещества (моль) исходного пентадиена-1,4:

$n(C_5H_8) = \frac{m(C_5H_8)}{M(C_5H_8)} = \frac{6,8 \text{ г}}{68 \text{ г/моль}} = 0,1$ моль.

Найдем количество вещества прореагировавшего брома:

$n(Br_2) = \frac{m(Br_2)}{M(Br_2)} = \frac{6,4 \text{ г}}{160 \text{ г/моль}} = 0,04$ моль.

По уравнению реакции (3), количество вещества пентена-1 равно количеству вещества брома:

$n(C_5H_{10}) = n(Br_2) = 0,04$ моль.

Теперь можем рассчитать массу пентена-1, образовавшегося в результате гидрирования:

$m(C_5H_{10}) = n(C_5H_{10}) \times M(C_5H_{10}) = 0,04 \text{ моль} \times 70 \text{ г/моль} = 2,8$ г.

Ответ: масса пентена-1 равна 2,8 г.

Весь исходный пентадиен-1,4 (0,1 моль) превратился в смесь пентена-1 и н-пентана. Мы уже знаем, что образовалось 0,04 моль пентена-1. Согласно уравнению (1), на это потребовалось 0,04 моль пентадиена-1,4.

Количество пентадиена-1,4, которое прореагировало до н-пентана:

$n_2(C_5H_8) = n_{общ}(C_5H_8) - n_1(C_5H_8) = 0,1 - 0,04 = 0,06$ моль.

Согласно уравнению (2), из 0,06 моль пентадиена-1,4 образуется 0,06 моль н-пентана:

$n(C_5H_{12}) = 0,06$ моль.

Найдем массу образовавшегося н-пентана:

$m(C_5H_{12}) = n(C_5H_{12}) \times M(C_5H_{12}) = 0,06 \text{ моль} \times 72 \text{ г/моль} = 4,32$ г.

Общая масса полученной смеси продуктов гидрирования:

$m_{смеси} = m(C_5H_{10}) + m(C_5H_{12}) = 2,8 \text{ г} + 4,32 \text{ г} = 7,12$ г.

Массовая доля ($\omega$) н-пентана в этой смеси:

$\omega(C_5H_{12}) = \frac{m(C_5H_{12})}{m_{смеси}} \times 100\% = \frac{4,32 \text{ г}}{7,12 \text{ г}} \times 100\% \approx 60,67\%$.

Ответ: массовая доля н-пентана в смеси составляет 60,67%.

Водород расходовался на две реакции. Рассчитаем общее количество вещества водорода.

Количество водорода, затраченного на образование 0,04 моль пентена-1 (уравнение (1)):

$n_1(H_2) = n(C_5H_{10}) = 0,04$ моль.

Количество водорода, затраченного на образование 0,06 моль н-пентана (уравнение (2)):

$n_2(H_2) = 2 \times n(C_5H_{12}) = 2 \times 0,06 \text{ моль} = 0,12$ моль.

Общее количество вещества водорода:

$n_{общ}(H_2) = n_1(H_2) + n_2(H_2) = 0,04 \text{ моль} + 0,12 \text{ моль} = 0,16$ моль.

Найдем объем водорода при нормальных условиях (н.у.), используя молярный объем газов $V_m = 22,4$ л/моль:

$V(H_2) = n_{общ}(H_2) \times V_m = 0,16 \text{ моль} \times 22,4 \text{ л/моль} = 3,584$ л.

Ответ: объем затраченного водорода равен 3,584 л.