Номер 675, страница 149 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

675. Раствор вещества X в 3,00 г уксусной кислоты сожгли в кислороде. При этом израсходовано 2,352 дм³ кислорода (н. у.). В результате образовались только $CO_2$ массой 4,84 г и вода массой 1,98 г.

a) На основании приведенных данных установите вещество X и его массу в исходном растворе.

б) Напишите четыре уравнения реакций, характеризующих основные химические свойства вещества X.

a) На основании приведенных данных установите вещество X и его массу в исходном растворе.

Дано:
$m(CH_3COOH) = 3,00 \text{ г}$
$V(O_2) = 2,352 \text{ дм}^3$ (н. у.)
$m(CO_2)_{\text{общ}} = 4,84 \text{ г}$
$m(H_2O)_{\text{общ}} = 1,98 \text{ г}$
$V_m = 22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}$

Найти:
Вещество X - ?
$m(X)$ - ?

Решение:

1. При сжигании раствора в кислороде горит как вещество X, так и растворитель — уксусная кислота ($CH_3COOH$). Продуктами горения в обоих случаях являются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$).

2. Рассчитаем количество вещества, массу и объем продуктов, образовавшихся при сгорании 3,00 г уксусной кислоты.
Молярная масса уксусной кислоты:
$M(CH_3COOH) = 2 \cdot 12 + 4 \cdot 1 + 2 \cdot 16 = 60 \text{ г/моль}$.
Количество вещества уксусной кислоты:
$n(CH_3COOH) = \frac{m}{M} = \frac{3,00 \text{ г}}{60 \text{ г/моль}} = 0,05 \text{ моль}$.

3. Запишем уравнение реакции горения уксусной кислоты:
$CH_3COOH + 2O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O$.
По уравнению реакции, из 1 моль $CH_3COOH$ образуется 2 моль $CO_2$ и 2 моль $H_2O$, и расходуется 2 моль $O_2$.
Найдем количество веществ, участвовавших в реакции горения кислоты:
$n(O_2)_{\text{кисл.}} = 2 \cdot n(CH_3COOH) = 2 \cdot 0,05 = 0,10 \text{ моль}$.
$n(CO_2)_{\text{кисл.}} = 2 \cdot n(CH_3COOH) = 2 \cdot 0,05 = 0,10 \text{ моль}$.
$n(H_2O)_{\text{кисл.}} = 2 \cdot n(CH_3COOH) = 2 \cdot 0,05 = 0,10 \text{ моль}$.

4. Найдем общее количество вещества израсходованного кислорода и образовавшихся продуктов по условию задачи.
$n(O_2)_{\text{общ}} = \frac{V}{V_m} = \frac{2,352 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,105 \text{ моль}$.
$M(CO_2) = 12 + 2 \cdot 16 = 44 \text{ г/моль}$.
$n(CO_2)_{\text{общ}} = \frac{m}{M} = \frac{4,84 \text{ г}}{44 \text{ г/моль}} = 0,11 \text{ моль}$.
$M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$.
$n(H_2O)_{\text{общ}} = \frac{m}{M} = \frac{1,98 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,11 \text{ моль}$.

5. Теперь можем найти количество веществ, относящихся к горению неизвестного вещества X, вычитая из общих количеств те, что относятся к горению уксусной кислоты.
$n(O_2)_X = n(O_2)_{\text{общ}} - n(O_2)_{\text{кисл.}} = 0,105 - 0,10 = 0,005 \text{ моль}$.
$n(CO_2)_X = n(CO_2)_{\text{общ}} - n(CO_2)_{\text{кисл.}} = 0,11 - 0,10 = 0,01 \text{ моль}$.
$n(H_2O)_X = n(H_2O)_{\text{общ}} - n(H_2O)_{\text{кисл.}} = 0,11 - 0,10 = 0,01 \text{ моль}$.

6. Установим формулу вещества X. Так как продуктами горения являются $CO_2$ и $H_2O$, вещество X состоит из углерода, водорода и, возможно, кислорода ($C_xH_yO_z$).
Найдем количество вещества атомов C и H в составе X:
$n(C) = n(CO_2)_X = 0,01 \text{ моль}$.
$n(H) = 2 \cdot n(H_2O)_X = 2 \cdot 0,01 = 0,02 \text{ моль}$.

7. Найдем массу углерода и водорода в веществе X:
$m(C) = n(C) \cdot M(C) = 0,01 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 0,12 \text{ г}$.
$m(H) = n(H) \cdot M(H) = 0,02 \text{ моль} \cdot 1 \text{ г/моль} = 0,02 \text{ г}$.

8. Найдем массу вещества X, используя закон сохранения массы для реакции его горения.
Масса продуктов горения X:
$m(\text{прод.})_X = m(CO_2)_X + m(H_2O)_X = (0,01 \text{ моль} \cdot 44 \text{ г/моль}) + (0,01 \text{ моль} \cdot 18 \text{ г/моль}) = 0,44 \text{ г} + 0,18 \text{ г} = 0,62 \text{ г}$.
Масса израсходованного на горение X кислорода:
$m(O_2)_X = n(O_2)_X \cdot M(O_2) = 0,005 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} = 0,16 \text{ г}$.
Масса вещества X:
$m(X) = m(\text{прод.})_X - m(O_2)_X = 0,62 \text{ г} - 0,16 \text{ г} = 0,46 \text{ г}$.

9. Проверим, есть ли в составе X кислород.
$m(O)_X = m(X) - m(C) - m(H) = 0,46 \text{ г} - 0,12 \text{ г} - 0,02 \text{ г} = 0,32 \text{ г}$.
Масса кислорода не равна нулю, значит он присутствует в молекуле. Найдем его количество вещества:
$n(O) = \frac{m(O)_X}{M(O)} = \frac{0,32 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 0,02 \text{ моль}$.

10. Найдем простейшую формулу вещества X, определив соотношение атомов:
$x : y : z = n(C) : n(H) : n(O) = 0,01 : 0,02 : 0,02$.
Разделив на наименьшее значение (0,01), получим:
$x : y : z = 1 : 2 : 2$.
Простейшая формула вещества X — $CH_2O_2$. Этой формуле соответствует муравьиная (метановая) кислота $HCOOH$.
Молярная масса $HCOOH = 12 + 2 \cdot 1 + 2 \cdot 16 = 46 \text{ г/моль}$.
Найденная масса X (0,46 г) соответствует $0,46/46 = 0,01$ моль вещества, что совпадает с количеством моль углерода в его составе. Следовательно, молекулярная формула совпадает с простейшей.

Ответ: Вещество X — муравьиная кислота ($HCOOH$), его масса в исходном растворе составляет 0,46 г.

б) Напишите четыре уравнения реакций, характеризующих основные химические свойства вещества X.

Муравьиная кислота ($HCOOH$) проявляет свойства карбоновых кислот, а также свойства альдегидов из-за наличия в структуре и карбоксильной, и альдегидной группы ($H-C(O)OH$).

1. Реакция нейтрализации (кислотные свойства): взаимодействие со щелочью с образованием соли (формиата натрия) и воды.
$HCOOH + NaOH \rightarrow HCOONa + H_2O$

2. Реакция этерификации: взаимодействие со спиртом (например, этанолом) в присутствии кислотного катализатора с образованием сложного эфира (этилформиата).
$HCOOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons HCOO-C_2H_5 + H_2O \quad (H_2SO_4 \text{ конц.})$

3. Реакция окисления (альдегидные свойства): реакция "серебряного зеркала" с аммиачным раствором оксида серебра. Муравьиная кислота окисляется до угольной, которая в данных условиях разлагается, а серебро восстанавливается до металла.
$HCOOH + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} (NH_4)_2CO_3 + 2Ag\downarrow + 2NH_3 + H_2O$

4. Реакция дегидратации (особое свойство): разложение при нагревании с концентрированной серной кислотой с образованием угарного газа и воды.
$HCOOH \xrightarrow{H_2SO_4 \text{ конц.}, t} CO\uparrow + H_2O$

Ответ:
1. $HCOOH + NaOH \rightarrow HCOONa + H_2O$
2. $HCOOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons HCOO-C_2H_5 + H_2O$
3. $HCOOH + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} (NH_4)_2CO_3 + 2Ag\downarrow + 2NH_3 + H_2O$
4. $HCOOH \xrightarrow{H_2SO_4 \text{ конц.}, t} CO\uparrow + H_2O$