Номер 463, страница 105 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

463. При сгорании 4,6 г органического вещества образуется 8,8 г углекислого газа и 5,4 г воды. Указанное вещество является газом при н. у., не реагирует с металлическим натрием и может быть получено дегидратацией спирта.

а) Установите молекулярную формулу исходного вещества.

б) Составьте его структурную формулу.

в) Приведите уравнение реакции его получения из спирта.

Дано:

$m(\text{орг. вещества}) = 4,6 \text{ г}$
$m(CO_2) = 8,8 \text{ г}$
$m(H_2O) = 5,4 \text{ г}$

Найти:

а) Молекулярную формулу вещества - $C_xH_yO_z$
б) Структурную формулу вещества
в) Уравнение реакции получения вещества из спирта

Решение:

а) Установите молекулярную формулу исходного вещества.

1. Предположим, что общая формула органического вещества $C_xH_yO_z$. При его сгорании весь углерод переходит в углекислый газ ($CO_2$), а весь водород - в воду ($H_2O$).

2. Найдем количество вещества (моль) продуктов сгорания. Молярные массы: $M(CO_2) = 12 + 2 \cdot 16 = 44 \text{ г/моль}$; $M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$.

Количество вещества углекислого газа: $n(CO_2) = \frac{m(CO_2)}{M(CO_2)} = \frac{8,8 \text{ г}}{44 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль}$.

Количество вещества воды: $n(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{5,4 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,3 \text{ моль}$.

3. Найдем количество вещества и массу атомов углерода и водорода в исходном веществе.

Количество вещества атомов углерода равно количеству вещества $CO_2$:
$n(C) = n(CO_2) = 0,2 \text{ моль}$.
Масса углерода: $m(C) = n(C) \cdot M(C) = 0,2 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 2,4 \text{ г}$.

Количество вещества атомов водорода вдвое больше количества вещества $H_2O$:
$n(H) = 2 \cdot n(H_2O) = 2 \cdot 0,3 \text{ моль} = 0,6 \text{ моль}$.
Масса водорода: $m(H) = n(H) \cdot M(H) = 0,6 \text{ моль} \cdot 1 \text{ г/моль} = 0,6 \text{ г}$.

4. Проверим, есть ли в составе вещества кислород, сравнив сумму масс углерода и водорода с массой исходного вещества.

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

Поскольку $3,0 \text{ г} < 4,6 \text{ г}$, в состав вещества входит кислород.

Масса кислорода: $m(O) = m(\text{орг. вещества}) - (m(C) + m(H)) = 4,6 \text{ г} - 3,0 \text{ г} = 1,6 \text{ г}$.

Количество вещества атомов кислорода: $n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{1,6 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}$.

5. Найдем простейшую (эмпирическую) формулу вещества, определив соотношение количеств веществ атомов.

$x : y : z = n(C) : n(H) : n(O) = 0,2 : 0,6 : 0,1$.

Разделим все значения на наименьшее (0,1), чтобы получить целочисленные индексы:

$x : y : z = \frac{0,2}{0,1} : \frac{0,6}{0,1} : \frac{0,1}{0,1} = 2 : 6 : 1$.

Следовательно, простейшая формула вещества - $C_2H_6O$.

6. Для установления истинной (молекулярной) формулы используем дополнительные данные. Вещество не реагирует с металлическим натрием, значит, оно не содержит гидроксильных групп (-OH) и не является спиртом. Изомерами состава $C_2H_6O$ являются этанол ($CH_3CH_2OH$) и диметиловый эфир ($CH_3OCH_3$). Поскольку вещество не реагирует с натрием, это диметиловый эфир. Диметиловый эфир является газом при н. у. (температура кипения –24 °C) и может быть получен межмолекулярной дегидратацией метанола, что полностью соответствует условиям задачи. Таким образом, молекулярная формула совпадает с простейшей.

Ответ: Молекулярная формула исходного вещества - $C_2H_6O$.

б) Составьте его структурную формулу.

Как установлено в пункте а), искомое вещество - диметиловый эфир. Его структурная формула представляет собой атом кислорода, соединенный с двумя метильными группами.

$CH_3-O-CH_3$

Ответ: Структурная формула вещества: $CH_3-O-CH_3$.

в) Приведите уравнение реакции его получения из спирта.

Диметиловый эфир получают в реакции межмолекулярной дегидратации метанола (метилового спирта). Реакция протекает при нагревании (около 140 °C) в присутствии концентрированной серной кислоты, которая выступает в роли катализатора и водоотнимающего средства.

$2CH_3OH \xrightarrow{H_2SO_4, 140^\circ C} CH_3-O-CH_3 + H_2O$

Ответ: Уравнение реакции: $2CH_3OH \xrightarrow{H_2SO_4, t^\circ} CH_3-O-CH_3 + H_2O$.