Номер 592, страница 131 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

592. *Неизвестный альдегид массой 6,88 г нагрели со свежеосажденной взвесью, полученной при действии избытка щелочи на 32,0 г сульфата меди(II). Образовавшийся осадок отфильтровали и выдержали при температуре 250 $^\circ \text{C}$ до постоянной массы, которая составила 14,72 г. Определите возможную формулу альдегида.

Дано:

$m(\text{альдегида}) = 6,88 \text{ г}$
$m(CuSO_4) = 32,0 \text{ г}$
$t = 250°C$
$m(\text{конечного осадка}) = 14,72 \text{ г}$

Найти:

Формула альдегида - ?

Решение:

1. Запишем уравнения протекающих реакций.

Сначала получают свежеосажденный гидроксид меди(II) действием избытка щелочи (например, NaOH) на сульфат меди(II):
$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$ (1)

Затем неизвестный альдегид (общая формула $R-CHO$) окисляют полученным гидроксидом меди(II) при нагревании. Альдегидная группа окисляется до карбоксильной, а медь(II) восстанавливается до меди(I), образуя оксид меди(I) $Cu_2O$ (осадок красного цвета). Так как реакционная среда щелочная, образуется соль карбоновой кислоты:
$R-CHO + 2Cu(OH)_2 \rightarrow R-COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$ (2)

По условию, гидроксид меди(II) был получен из 32,0 г $CuSO_4$. Вероятно, он был в избытке по отношению к альдегиду. Образовавшийся осадок после реакции (2) представляет собой смесь оксида меди(I) $Cu_2O$ и непрореагировавшего гидроксида меди(II) $Cu(OH)_2$. Этот осадок прокаливают при 250 °C. При этой температуре гидроксид меди(II) разлагается, а оксид меди(I) устойчив:
$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CuO + H_2O \uparrow$ (3)

Таким образом, конечный осадок массой 14,72 г состоит из смеси оксида меди(I) $Cu_2O$ и оксида меди(II) $CuO$.

2. Произведем расчеты.

Найдем количество вещества сульфата меди(II) и, соответственно, общее количество гидроксида меди(II), которое могло быть получено.

Молярная масса сульфата меди(II) (используем атомные массы Cu=64, S=32, O=16):
$M(CuSO_4) = 64 + 32 + 4 \cdot 16 = 160 \text{ г/моль}$

Количество вещества сульфата меди(II):
$n(CuSO_4) = \frac{m(CuSO_4)}{M(CuSO_4)} = \frac{32,0 \text{ г}}{160 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль}$

Согласно уравнению (1), из 1 моль $CuSO_4$ образуется 1 моль $Cu(OH)_2$. Следовательно, общее количество полученного гидроксида меди(II) равно:
$n_{общ}(Cu(OH)_2) = n(CuSO_4) = 0,2 \text{ моль}$

3. Составим систему уравнений для нахождения количества вещества альдегида.

Пусть в реакцию (2) вступило $x$ моль альдегида ($n(\text{альдегида}) = x$).

Тогда, согласно уравнению (2):

количество прореагировавшего $Cu(OH)_2$ равно $n_{реаг}(Cu(OH)_2) = 2x$ моль.

количество образовавшегося $Cu_2O$ равно $n(Cu_2O) = x$ моль.

Количество непрореагировавшего (избыточного) гидроксида меди(II):
$n_{изб}(Cu(OH)_2) = n_{общ}(Cu(OH)_2) - n_{реаг}(Cu(OH)_2) = 0,2 - 2x$ моль.

При прокаливании этот избыток $Cu(OH)_2$ разлагается по уравнению (3) с образованием $CuO$:
$n(CuO) = n_{изб}(Cu(OH)_2) = 0,2 - 2x$ моль.

Масса конечного прокаленного осадка складывается из массы $Cu_2O$ и массы $CuO$:
$m(\text{конечного осадка}) = m(Cu_2O) + m(CuO) = 14,72 \text{ г}$

Вычислим молярные массы оксидов меди:
$M(Cu_2O) = 2 \cdot 64 + 16 = 144 \text{ г/моль}$
$M(CuO) = 64 + 16 = 80 \text{ г/моль}$

Подставим все значения в уравнение для массы конечного осадка:
$n(Cu_2O) \cdot M(Cu_2O) + n(CuO) \cdot M(CuO) = 14,72$
$x \cdot 144 + (0,2 - 2x) \cdot 80 = 14,72$

Решим полученное уравнение относительно $x$:
$144x + 16 - 160x = 14,72$
$16 - 16x = 14,72$
$16x = 16 - 14,72$
$16x = 1,28$
$x = \frac{1,28}{16} = 0,08 \text{ моль}$

Таким образом, количество вещества неизвестного альдегида равно 0,08 моль.

4. Определим молярную массу и формулу альдегида.

Молярная масса альдегида:
$M(\text{альдегида}) = \frac{m(\text{альдегида})}{n(\text{альдегида})} = \frac{6,88 \text{ г}}{0,08 \text{ моль}} = 86 \text{ г/моль}$

Предположим, что альдегид является предельным моноальдегидом с общей формулой $C_nH_{2n}O$. Его молярная масса выражается как:
$M = 12n + 2n \cdot 1 + 16 = 14n + 16$

Приравняем найденную молярную массу к формуле:
$14n + 16 = 86$
$14n = 70$
$n = \frac{70}{14} = 5$

Следовательно, молекулярная формула альдегида — $C_5H_{10}O$.

Этой формуле соответствует несколько изомерных альдегидов, например, пентаналь (валериановый альдегид):
$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CHO$

Ответ:

Возможная молекулярная формула альдегида — $C_5H_{10}O$. Примером такого альдегида является пентаналь ($CH_3CH_2CH_2CH_2CHO$).