Номер 360, страница 56 - гдз по химии 11 класс сборник задач Хвалюк, Резяпкин

360. *На горение углеводорода объёмом (н. у.) 448 см³ был затрачен кислород массой 5,12 г. Образовавшийся углекислый газ пропустили через раствор гидроксида кальция, в результате образовался осадок массой 9,0 г. Относительная плотность углеводорода по водороду меньше 37. Установите формулу углеводорода и рассчитайте массу гидроксида кальция в растворе. Укажите тип химической связи между атомами в углеводороде.

Дано:

$V(\text{углеводорода}) = 448 \text{ см}^3$

$m(\text{O}_2) = 5,12 \text{ г}$

$m(\text{CaCO}_3) = 9,0 \text{ г}$

$D_{\text{H}_2}(\text{углеводорода}) < 37$

Перевод всех данных в систему СИ и расчет молярных величин:

$V(\text{углеводорода}) = 0,448 \text{ л}$ (при н.у.)

$V_m = 22,4 \text{ л/моль}$

$M(\text{O}_2) = 32 \text{ г/моль}$

$M(\text{CaCO}_3) = 100 \text{ г/моль}$

$M(\text{H}_2) = 2 \text{ г/моль}$

Найти:

1. Формулу углеводорода (CₓHᵧ)

2. $m(\text{Ca(OH)}_2)$ в растворе

3. Тип химической связи в углеводороде

Решение

Установите формулу углеводорода

Обозначим формулу углеводорода как $\text{C}_x\text{H}_y$.

Запишем общее уравнение реакции горения углеводорода:

$\text{C}_x\text{H}_y + (x + \frac{y}{4})\text{O}_2 \rightarrow x\text{CO}_2 + \frac{y}{2}\text{H}_2\text{O}$

Рассчитаем количество вещества (моль) исходных веществ:

$n(\text{C}_x\text{H}_y) = \frac{V(\text{C}_x\text{H}_y)}{V_m} = \frac{0,448 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,02 \text{ моль}$

$n(\text{O}_2) = \frac{m(\text{O}_2)}{M(\text{O}_2)} = \frac{5,12 \text{ г}}{32 \text{ г/моль}} = 0,16 \text{ моль}$

Из уравнения реакции следует соотношение между количеством вещества углеводорода и кислорода:

$\frac{n(\text{C}_x\text{H}_y)}{1} = \frac{n(\text{O}_2)}{x + y/4}$

Подставим известные значения:

$\frac{0,02}{1} = \frac{0,16}{x + y/4}$

$0,02 \cdot (x + y/4) = 0,16$

$x + y/4 = \frac{0,16}{0,02} = 8$

Умножим обе части уравнения на 4, чтобы избавиться от дроби:

$4x + y = 32$

Это первое уравнение, связывающее $x$ и $y$.

Теперь используем данные об относительной плотности углеводорода по водороду:

$D_{\text{H}_2}(\text{C}_x\text{H}_y) = \frac{M(\text{C}_x\text{H}_y)}{M(\text{H}_2)} < 37$

$M(\text{C}_x\text{H}_y) < 37 \cdot M(\text{H}_2) = 37 \cdot 2 = 74 \text{ г/моль}$

Молярная масса углеводорода выражается формулой $M(\text{C}_x\text{H}_y) = 12x + y$.

Получаем неравенство: $12x + y < 74$.

Мы получили систему из уравнения и неравенства с двумя переменными:

$\begin{cases} 4x + y = 32 \\ 12x + y < 74 \end{cases}$

Выразим $y$ из первого уравнения: $y = 32 - 4x$.

Подставим это выражение во второе неравенство:

$12x + (32 - 4x) < 74$

$8x + 32 < 74$

$8x < 42$

$x < \frac{42}{8} \Rightarrow x < 5,25$

Также для любого углеводорода должно выполняться условие $y \le 2x + 2$ (максимальное число атомов водорода для $x$ атомов углерода).

Подставим выражение для $y$:

$32 - 4x \le 2x + 2$

$30 \le 6x$

$x \ge \frac{30}{6} \Rightarrow x \ge 5$

Объединяя условия $x \ge 5$ и $x < 5,25$, и учитывая, что $x$ — целое число, получаем единственное возможное значение: $x = 5$.

Найдем соответствующее значение $y$:

$y = 32 - 4x = 32 - 4 \cdot 5 = 32 - 20 = 12$.

Таким образом, формула углеводорода — $\text{C}_5\text{H}_{12}$. Проверим молярную массу: $M(\text{C}_5\text{H}_{12}) = 12 \cdot 5 + 12 = 72 \text{ г/моль}$, что действительно меньше 74 г/моль.

Ответ: Формула углеводорода — $\text{C}_5\text{H}_{12}$.

Рассчитайте массу гидроксида кальция в растворе

Уравнение реакции горения пентана $\text{C}_5\text{H}_{12}$:

$\text{C}_5\text{H}_{12} + 8\text{O}_2 \rightarrow 5\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$

Найдем количество вещества углекислого газа, образовавшегося при сгорании 0,02 моль пентана:

$n(\text{CO}_2) = 5 \cdot n(\text{C}_5\text{H}_{12}) = 5 \cdot 0,02 = 0,10 \text{ моль}$.

Образовавшийся углекислый газ пропустили через раствор гидроксида кальция. Возможны две последовательные реакции:

1) $\text{CO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + \text{H}_2\text{O}$

2) $\text{CaCO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(HCO}_3)_2$ (растворимый)

Найдем количество вещества образовавшегося осадка карбоната кальция $\text{CaCO}_3$:

$n(\text{CaCO}_3) = \frac{m(\text{CaCO}_3)}{M(\text{CaCO}_3)} = \frac{9,0 \text{ г}}{100 \text{ г/моль}} = 0,09 \text{ моль}$.

Поскольку количество выделившегося $\text{CO}_2$ (0,10 моль) больше, чем количество образовавшегося осадка $\text{CaCO}_3$ (0,09 моль), это означает, что гидроксид кальция был в недостатке, и часть образовавшегося осадка растворилась из-за избытка углекислого газа (прошла реакция 2).

Пусть в исходном растворе было $z$ моль $\text{Ca(OH)}_2$. По реакции (1) образовалось $z$ моль $\text{CaCO}_3$ и израсходовалось $z$ моль $\text{CO}_2$.

Оставшееся количество $\text{CO}_2$ равно $(0,10 - z)$ моль. Это количество $\text{CO}_2$ пошло на реакцию (2), растворив $(0,10 - z)$ моль $\text{CaCO}_3$.

Количество оставшегося осадка равно разности между образовавшимся и растворившимся количеством:

$n_{остаток}(\text{CaCO}_3) = n_{обр}(\text{CaCO}_3) - n_{раств}(\text{CaCO}_3)$

$0,09 = z - (0,10 - z)$

$0,09 = z - 0,10 + z$

$0,09 = 2z - 0,10$

$2z = 0,19$

$z = 0,095 \text{ моль}$.

Таким образом, исходное количество гидроксида кальция $n(\text{Ca(OH)}_2) = 0,095 \text{ моль}$.

Рассчитаем массу гидроксида кальция:

$M(\text{Ca(OH)}_2) = 40 + 2 \cdot (16 + 1) = 74 \text{ г/моль}$.

$m(\text{Ca(OH)}_2) = n(\text{Ca(OH)}_2) \cdot M(\text{Ca(OH)}_2) = 0,095 \text{ моль} \cdot 74 \text{ г/моль} = 7,03 \text{ г}$.

Ответ: Масса гидроксида кальция в растворе равна 7,03 г.

Укажите тип химической связи между атомами в углеводороде

В молекуле углеводорода $\text{C}_5\text{H}_{12}$ (пентан) существуют два типа связей:

1. Связи между атомами углерода (C-C). Так как эти атомы одинаковы, их электроотрицательность равна, и химическая связь является ковалентной неполярной.

2. Связи между атомами углерода и водорода (C-H). Электроотрицательности углерода (2,55) и водорода (2,20) немного различаются, поэтому связь между ними является ковалентной полярной.

Ответ: В молекуле углеводорода присутствуют ковалентные полярные (C-H) и ковалентные неполярные (C-C) связи.