Номер 10, страница 127 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 20. Основные классы органических соединений. Гомологические ряды. Глава 2. Основные понятия органической химии - номер 10, страница 127.

Условие.

10. Установите формулу карбоновой кислоты, которая содержит 40,0% углерода и 53,3% кислорода по массе.

Решение.

Решение 2.

Дано:

Массовая доля углерода в карбоновой кислоте $\omega(C) = 40,0\%$
Массовая доля кислорода в карбоновой кислоте $\omega(O) = 53,3\%$

Найти:

Формулу карбоновой кислоты.

Решение:

1. Карбоновые кислоты являются органическими соединениями, состоящими из атомов углерода (C), водорода (H) и кислорода (O). Сумма массовых долей всех элементов в соединении составляет 100%. Мы можем найти массовую долю водорода, вычитая известные доли из 100%.

$\omega(H) = 100\% - \omega(C) - \omega(O) = 100\% - 40,0\% - 53,3\% = 6,7\%$

2. Чтобы определить простейшую (эмпирическую) формулу соединения ($C_x H_y O_z$), найдем соотношение числа атомов в молекуле. Это соотношение равно соотношению количеств вещества (числа молей) каждого элемента.

$x : y : z = n(C) : n(H) : n(O)$

Для удобства расчетов предположим, что у нас есть 100 г этого вещества. Тогда масса каждого элемента будет численно равна его массовой доле в процентах:

$m(C) = 40,0\text{ г}$
$m(H) = 6,7\text{ г}$
$m(O) = 53,3\text{ г}$

Теперь вычислим количество вещества для каждого элемента, используя их атомные массы ($A_r(C) \approx 12$, $A_r(H) \approx 1$, $A_r(O) \approx 16$):

$n(C) = \frac{m(C)}{M(C)} = \frac{40,0\text{ г}}{12\text{ г/моль}} \approx 3,33\text{ моль}$
$n(H) = \frac{m(H)}{M(H)} = \frac{6,7\text{ г}}{1\text{ г/моль}} = 6,7\text{ моль}$
$n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{53,3\text{ г}}{16\text{ г/моль}} \approx 3,33\text{ моль}$

Найдем простейшее целочисленное соотношение, разделив все полученные значения на наименьшее из них (3,33):

$x : y : z = \frac{3,33}{3,33} : \frac{6,7}{3,33} : \frac{3,33}{3,33} \approx 1 : 2,01 : 1 \approx 1 : 2 : 1$

Таким образом, простейшая формула соединения - $CH_2O$.

3. Теперь установим истинную (молекулярную) формулу. Истинная формула будет кратна простейшей: $(CH_2O)_n$, где $n$ — целое число.

Из условия известно, что соединение является карбоновой кислотой. Классическая карбоновая кислота содержит по крайней мере одну карбоксильную группу (–COOH), в которой присутствуют два атома кислорода. Это означает, что в молекуле искомой кислоты должно быть как минимум два атома кислорода.

Следовательно, в формуле $(CH_2O)_n$ коэффициент $n$ должен быть не меньше 2.

Рассмотрим простейший возможный случай, когда $n=2$. Молекулярная формула принимает вид $(CH_2O)_2$, что соответствует формуле $C_2H_4O_2$.

Эта формула соответствует этановой (уксусной) кислоте, структурная формула которой $CH_3COOH$. Уксусная кислота — типичный представитель карбоновых кислот.

Проведем проверку: рассчитаем массовые доли элементов в $C_2H_4O_2$ и сравним с исходными данными.

Молярная масса $M(C_2H_4O_2) = 2 \cdot 12 + 4 \cdot 1 + 2 \cdot 16 = 60\text{ г/моль}$.

$\omega(C) = \frac{2 \cdot M(C)}{M(C_2H_4O_2)} \cdot 100\% = \frac{24}{60} \cdot 100\% = 40,0\%$
$\omega(H) = \frac{4 \cdot M(H)}{M(C_2H_4O_2)} \cdot 100\% = \frac{4}{60} \cdot 100\% \approx 6,7\%$
$\omega(O) = \frac{2 \cdot M(O)}{M(C_2H_4O_2)} \cdot 100\% = \frac{32}{60} \cdot 100\% \approx 53,3\%$

Рассчитанные значения полностью совпадают с данными в условии задачи.

Ответ:

Формула искомой карбоновой кислоты — $C_2H_4O_2$. Это этановая (уксусная) кислота, $CH_3COOH$.