Номер 312, страница 79 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

312. Укажите массу водорода, вступившего в реакцию гидрирования с бутадиеном-1,3 объемом $16,8 \text{ дм}^3$ (н. у.), если полученная смесь углеводородов обесцвечивает 800 г раствора брома в $CCl_4$ с массовой долей брома 10 % .

Дано:

$V(\text{C}_4\text{H}_6) = 16,8 \text{ дм}^3$ (н. у.)
$m(\text{раствора Br}_2 \text{ в CCl}_4) = 800 \text{ г}$
$\omega(\text{Br}_2) = 10 \% = 0,1$

$V(\text{C}_4\text{H}_6) = 16,8 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$
$m(\text{раствора}) = 0,8 \text{ кг}$
$\omega(\text{Br}_2) = 0,1$

Найти:

$m(\text{H}_2) - ?$

Решение:

Запишем уравнения реакций, которые происходят в процессе.
1. Гидрирование бутадиена-1,3. В зависимости от условий, гидрирование может быть частичным или полным:
$CH_2=CH-CH=CH_2 + H_2 \xrightarrow{кат.} C_4H_8$ (бутены)
$CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2 \xrightarrow{кат.} CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$ (бутан)
В результате гидрирования образуется смесь, содержащая непрореагировавший бутадиен-1,3 (C₄H₆), продукты частичного гидрирования (C₄H₈) и полного гидрирования (C₄H₁₀).
2. Взаимодействие полученной смеси с раствором брома. С бромом реагируют только ненасыщенные углеводороды, содержащие двойные связи (π-связи):
$CH_2=CH-CH=CH_2 + 2Br_2 \rightarrow CH_2Br-CHBr-CHBr-CH_2Br$
$C_4H_8 + Br_2 \rightarrow C_4H_8Br_2$
Бутан (C₄H₁₀), будучи насыщенным углеводородом, с бромом в данных условиях не реагирует.

Для решения задачи применим подход, основанный на общем количестве π-связей. Исходный бутадиен-1,3 содержит две π-связи в каждой молекуле. Эти связи расходуются в двух процессах: при гидрировании (присоединение водорода) и при последующем бромировании (присоединение брома).
Общее количество вещества (моль) π-связей в исходном бутадиене равно сумме количеств вещества водорода и брома, которые присоединяются по этим связям. Одна молекула H₂ или Br₂ реагирует с одной π-связью.
$n(\pi\text{-связей}) = n(\text{H}_2) + n(\text{Br}_2)$

1. Найдем начальное количество вещества бутадиена-1,3. Так как газ находится при нормальных условиях (н. у.), используем молярный объем газов $V_m = 22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}$.
$n(\text{C}_4\text{H}_6) = \frac{V(\text{C}_4\text{H}_6)}{V_m} = \frac{16,8 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,75 \text{ моль}$

2. В каждой молекуле бутадиена-1,3 содержится две π-связи. Найдем общее количество вещества π-связей в исходном углеводороде.
$n(\pi\text{-связей}) = 2 \cdot n(\text{C}_4\text{H}_6) = 2 \cdot 0,75 \text{ моль} = 1,5 \text{ моль}$

3. Найдем массу и количество вещества брома, которое прореагировало со смесью углеводородов.
$m(\text{Br}_2) = m(\text{раствора}) \cdot \omega(\text{Br}_2) = 800 \text{ г} \cdot 0,1 = 80 \text{ г}$
Молярная масса брома $M(\text{Br}_2) = 2 \cdot 80 \text{ г/моль} = 160 \text{ г/моль}$.
$n(\text{Br}_2) = \frac{m(\text{Br}_2)}{M(\text{Br}_2)} = \frac{80 \text{ г}}{160 \text{ г/моль}} = 0,5 \text{ моль}$
Количество вещества прореагировавшего брома равно количеству вещества π-связей, оставшихся в смеси после гидрирования.

4. Теперь мы можем найти количество вещества водорода, вступившего в реакцию гидрирования. Оно равно разнице между общим начальным количеством вещества π-связей и количеством вещества π-связей, прореагировавших с бромом.
$n(\text{H}_2) = n(\pi\text{-связей}) - n(\text{Br}_2) = 1,5 \text{ моль} - 0,5 \text{ моль} = 1,0 \text{ моль}$

5. Найдем массу прореагировавшего водорода.
Молярная масса водорода $M(\text{H}_2) = 2 \cdot 1 \text{ г/моль} = 2 \text{ г/моль}$.
$m(\text{H}_2) = n(\text{H}_2) \cdot M(\text{H}_2) = 1,0 \text{ моль} \cdot 2 \text{ г/моль} = 2,0 \text{ г}$

Ответ: масса водорода, вступившего в реакцию, равна 2,0 г.