Номер 20, страница 134 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

4.20. Определите молекулярную формулу амина, содержащего 71,22% углерода и 13,84% азота (по массе). Составьте структурные формулы возможных изомеров.

Дано:

$\omega(C) = 71,22\%$

$\omega(N) = 13,84\%$

Найти:

Молекулярную формулу амина - ?

Структурные формулы изомеров - ?

Решение:

Определение молекулярной формулы амина

1. Амины — это органические производные аммиака, содержащие атомы углерода (C), водорода (H) и азота (N). Сумма массовых долей всех элементов в соединении равна 100%. Найдем массовую долю водорода:

$\omega(H) = 100\% - \omega(C) - \omega(N) = 100\% - 71,22\% - 13,84\% = 14,94\%$

2. Для нахождения простейшей формулы вещества ($C_xH_yN_z$) найдем соотношение числа атомов элементов. Для этого предположим, что у нас есть 100 г амина. Тогда массы элементов в этом образце будут:

$m(C) = 71,22$ г

$m(N) = 13,84$ г

$m(H) = 14,94$ г

3. Вычислим количество вещества (в молях) для каждого элемента, используя их атомные массы ($A_r(C) = 12$, $A_r(H) = 1$, $A_r(N) = 14$):

$n(C) = \frac{m(C)}{M(C)} = \frac{71,22 \text{ г}}{12 \text{ г/моль}} \approx 5,935$ моль

$n(H) = \frac{m(H)}{M(H)} = \frac{14,94 \text{ г}}{1 \text{ г/моль}} = 14,94$ моль

$n(N) = \frac{m(N)}{M(N)} = \frac{13,84 \text{ г}}{14 \text{ г/моль}} \approx 0,988$ моль

4. Найдем соотношение индексов $x, y, z$ в формуле, разделив количество вещества каждого элемента на наименьшее из полученных значений (0,988 моль):

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

$x = \frac{5,935}{0,988} \approx 6$

$y = \frac{14,94}{0,988} \approx 15$

$z = \frac{0,988}{0,988} = 1$

5. Таким образом, простейшая (эмпирическая) формула амина: $C_6H_{15}N$.

Общая формула предельных (насыщенных) аминов - $C_nH_{2n+3}N$. Проверим, соответствует ли найденная формула этому ряду при $n=6$:

$C_6H_{2 \cdot 6 + 3}N = C_6H_{15}N$

Формула соответствует, следовательно, найденная эмпирическая формула является также и молекулярной.

Ответ: Молекулярная формула амина $C_6H_{15}N$.

Структурные формулы возможных изомеров

Для амина с формулой $C_6H_{15}N$ возможны изомеры, относящиеся к разным классам: первичные, вторичные и третичные амины. Также существуют изомеры углеродного скелета и положения аминогруппы. Приведем несколько примеров для каждого класса.

Первичные амины (общая формула $R-NH_2$):

• Гексан-1-амин: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-NH_2$
• Гексан-2-амин: $CH_3-CH(NH_2)-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$
• 4-Метилпентан-1-амин: $(CH_3)_2CH-CH_2-CH_2-NH_2$

Вторичные амины (общая формула $R_1-NH-R_2$):

• N-Метилпентан-1-амин: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-NH-CH_3$
• N-Этилбутан-1-амин: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-NH-C_2H_5$
• Дипропиламин: $(CH_3-CH_2-CH_2)_2NH$

Третичные амины (общая формула $R_1-N(R_2)-R_3$):

• N,N-Диметилбутан-1-амин: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-N(CH_3)_2$
• N-Этил-N-метилпропан-1-амин: $CH_3-CH_2-CH_2-N(CH_3)(C_2H_5)$
• Триэтиламин: $(C_2H_5)_3N$

Ответ: Приведены примеры структурных формул возможных изомеров амина состава $C_6H_{15}N$.