Номер 23, страница 135 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

4.23. Некоторый амин массой 1,18 г сожгли и продукты сгорания пропустили через избыток раствора щёлочи. Объём газа, не поглощённого щёлочью, составил 224 мл (н. у.). Изобразите структурные формулы всех аминов, удовлетворяющих условию задачи, и запишите в общем виде уравнение реакции сгорания.

Дано:

$m(\text{амина}) = 1,18 \text{ г}$

$V(\text{газа}) = 224 \text{ мл (н. у.)}$

Найти:

Структурные формулы всех аминов - ?

Уравнение реакции сгорания в общем виде - ?

Решение:

1. Запишем уравнение сгорания амина в общем виде. Амины состоят из углерода, водорода и азота. Их общая формула $C_xH_yN_z$. При сгорании в кислороде образуются углекислый газ, вода и азот:

$C_xH_yN_z + (x + \frac{y}{4})O_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O + \frac{z}{2}N_2$

2. Продукты сгорания пропустили через избыток раствора щёлочи. Щёлочь является основанием и реагирует с кислотными оксидами. Из продуктов сгорания кислотным оксидом является углекислый газ ($CO_2$), который поглощается щёлочью. Вода ($H_2O$) при нормальных условиях (н. у.) находится в жидком состоянии. Азот ($N_2$) — инертный газ, который не реагирует со щёлочью. Следовательно, газ, не поглощённый щёлочью, — это азот.

3. Найдём количество вещества (моль) азота, выделившегося в реакции, используя объём при нормальных условиях ($V_m = 22,4 \text{ л/моль}$):

$n(N_2) = \frac{V(N_2)}{V_m} = \frac{0,224 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,01 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции сгорания, из 1 моль амина $C_xH_yN_z$ образуется $z/2$ моль $N_2$. Составим пропорцию:

$\frac{n(\text{амина})}{1} = \frac{n(N_2)}{z/2}$

$n(\text{амина}) = \frac{2 \cdot n(N_2)}{z} = \frac{2 \cdot 0,01}{z} = \frac{0,02}{z} \text{ моль}$

5. Теперь можно найти молярную массу амина:

$M(\text{амина}) = \frac{m(\text{амина})}{n(\text{амина})} = \frac{1,18 \text{ г}}{0,02/z \text{ моль}} = 59z \text{ г/моль}$

6. Подставим возможное количество атомов азота ($z$) в молекуле, чтобы найти формулу. Наиболее простым случаем являются моноамины, где $z=1$.

Если $z=1$ (моноамин), то $M(\text{амина}) = 59 \cdot 1 = 59 \text{ г/моль}$.

Общая формула предельных (насыщенных) моноаминов — $C_nH_{2n+3}N$. Выразим их молярную массу через $n$:

$M(C_nH_{2n+3}N) = 12 \cdot n + 1 \cdot (2n+3) + 14 = 14n + 17$

Приравняем молярные массы:

$14n + 17 = 59$

$14n = 42$

$n = 3$

Таким образом, молекулярная формула амина — $C_3H_{2 \cdot 3 + 3}N$, то есть $C_3H_9N$. Эта формула соответствует условию задачи.

Рассмотрение случаев с $z>1$ приводит к сложным, маловероятным в рамках школьной задачи структурам, поэтому останавливаемся на $C_3H_9N$.

Изобразите структурные формулы всех аминов, удовлетворяющих условию задачи

Для молекулярной формулы $C_3H_9N$ существует 4 изомерных амина:

1. Первичные амины (аминогруппа $–NH_2$ у первичного или вторичного атома углерода):

• Пропан-1-амин (н-пропиламин): $CH_3–CH_2–CH_2–NH_2$
• Пропан-2-амин (изопропиламин): $CH_3–CH(NH_2)–CH_3$

2. Вторичный амин (атом азота связан с двумя углеводородными радикалами):

• N-метилэтанамин (этилметиламин): $CH_3–CH_2–NH–CH_3$

3. Третичный амин (атом азота связан с тремя углеводородными радикалами):

• N,N-диметилметанамин (триметиламин): $(CH_3)_3N$

Ответ: Существуют 4 амина с формулой $C_3H_9N$: пропан-1-амин ($CH_3–CH_2–CH_2–NH_2$), пропан-2-амин ($CH_3–CH(NH_2)–CH_3$), N-метилэтанамин ($CH_3–CH_2–NH–CH_3$) и N,N-диметилметанамин ($(CH_3)_3N$).

Запишите в общем виде уравнение реакции сгорания

Найденный амин относится к классу предельных моноаминов с общей формулой $C_nH_{2n+3}N$. Запишем сбалансированное уравнение реакции горения для этого класса соединений.

$C_nH_{2n+3}N + O_2 \rightarrow nCO_2 + \frac{2n+3}{2}H_2O + \frac{1}{2}N_2$

Количество атомов кислорода в правой части: $2n + \frac{2n+3}{2} = \frac{4n + 2n+3}{2} = \frac{6n+3}{2}$.

Значит, коэффициент перед $O_2$ равен $\frac{6n+3}{4}$.

$C_nH_{2n+3}N + \frac{6n+3}{4}O_2 \rightarrow nCO_2 + \frac{2n+3}{2}H_2O + \frac{1}{2}N_2$

Для получения целых коэффициентов умножим всё уравнение на 4:

$4C_nH_{2n+3}N + (6n+3)O_2 \rightarrow 4nCO_2 + (4n+6)H_2O + 2N_2$

Ответ: $4C_nH_{2n+3}N + (6n+3)O_2 \rightarrow 4nCO_2 + (4n+6)H_2O + 2N_2$.