Номер 422, страница 96 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

422. *Закончите уравнение реакции окисления толуола горячим нейтральным раствором марганцовки и расставьте коэффициенты:

$C_6H_5-CH_3 + KMnO_4 \rightarrow C_6H_5-COOK + MnO_2\downarrow + ...$

Смесь бензола и толуола общей массой 24,9 г обработали горячим нейтральным раствором перманганата калия. Органический слой и осадок отделили от раствора. Масса осадка оказалась равной 13,05 г. Чему равна масса органического слоя?

Решение задачи включает два основных этапа: составление и уравнивание химической реакции, а затем проведение расчетов на основе этого уравнения.

1. Завершение и уравнивание уравнения реакции.

При окислении толуола ($C_6H_5-CH_3$) горячим нейтральным раствором перманганата калия ($KMnO_4$) происходит окисление метильной группы. Продуктами реакции являются бензоат калия ($C_6H_5-COOK$), диоксид марганца ($MnO_2$), который выпадает в осадок, гидроксид калия ($KOH$) и вода ($H_2O$).

Для расстановки коэффициентов воспользуемся методом электронного баланса.

Определяем степени окисления изменяющихся элементов:

$C^{-3}$ (в группе $-CH_3$) $\rightarrow$ $C^{+3}$ (в группе $-COOK$)

$Mn^{+7}$ (в $KMnO_4$) $\rightarrow$ $Mn^{+4}$ (в $MnO_2$)

Составляем полуреакции:

$C^{-3} - 6e^- \rightarrow C^{+3}$ | 1 (процесс окисления, восстановитель)

$Mn^{+7} + 3e^- \rightarrow Mn^{+4}$ | 2 (процесс восстановления, окислитель)

Наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов равно 6. Отсюда получаем коэффициенты: 1 для толуола и 2 для перманганата калия. Уравнивая остальные элементы (K, O, H), получаем итоговое уравнение:

$C_6H_5-CH_3 + 2KMnO_4 \xrightarrow{t} C_6H_5-COOK + 2MnO_2\downarrow + KOH + H_2O$

2. Расчет массы органического слоя.

В условиях реакции бензол ($C_6H_6$) не окисляется перманганатом калия, поэтому в реакцию вступает только толуол. Органический слой после завершения реакции и отделения осадка будет состоять из непрореагировавшего бензола.

Дано:

$m(смеси\ бензола\ и\ толуола) = 24,9 \text{ г}$

$m(осадка) = m(MnO_2) = 13,05 \text{ г}$

Найти:

$m(органического\ слоя)$

Решение:

1. Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в расчете:

$M(MnO_2) = M(Mn) + 2 \cdot M(O) \approx 55 + 2 \cdot 16 = 87 \text{ г/моль}$

$M(C_6H_5-CH_3) = 7 \cdot M(C) + 8 \cdot M(H) \approx 7 \cdot 12 + 8 \cdot 1 = 92 \text{ г/моль}$

2. Найдем количество вещества (моль) выпавшего осадка $MnO_2$:

$\nu(MnO_2) = \frac{m(MnO_2)}{M(MnO_2)} = \frac{13,05 \text{ г}}{87 \text{ г/моль}} = 0,15 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции определим количество вещества толуола. Соотношение молей толуола и диоксида марганца составляет $1:2$:

$\frac{\nu(C_6H_5-CH_3)}{1} = \frac{\nu(MnO_2)}{2}$

$\nu(C_6H_5-CH_3) = \frac{\nu(MnO_2)}{2} = \frac{0,15 \text{ моль}}{2} = 0,075 \text{ моль}$

4. Рассчитаем массу толуола в исходной смеси:

$m(C_6H_5-CH_3) = \nu(C_6H_5-CH_3) \cdot M(C_6H_5-CH_3) = 0,075 \text{ моль} \cdot 92 \text{ г/моль} = 6,9 \text{ г}$

5. Найдем массу бензола, которая и составляет массу органического слоя. Масса смеси равна сумме масс толуола и бензола:

$m(органического\ слоя) = m(C_6H_6) = m(смеси) - m(C_6H_5-CH_3) = 24,9 \text{ г} - 6,9 \text{ г} = 18,0 \text{ г}$

Ответ: масса органического слоя равна 18,0 г.