Номер 47, страница 138 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

4.47. Органическую соль массой 2,8 г, в состав которой входят атомы четырёх элементов, обработали избытком раствора щёлочи, при этом выделился газ объёмом 0,611 л (25 $°\mathrm{C}$, 1 атм). После пропускания газа через трубку с избытком оксида меди(II) при 250 $°\mathrm{C}$ и отделения образовавшейся воды (1,125 г) плотность продуктов окисления по воздуху составила 1,333. При добавлении избытка нитрата серебра к раствору исходной соли такой же массы выпал осадок. Определите возможную структурную формулу органического соединения и массу выпавшего осадка. Запишите уравнения реакций.

Дано:

m(соль) = 2,8 г

V(газ) = 0,611 л

T(газ) = 25 °C

p(газ) = 1 атм

m(H₂O) = 1,125 г

D_воздух(продуктов окисления) = 1,333

Средняя молярная масса воздуха M(воздух) ≈ 29 г/моль

Перевод в систему СИ:

T(газ) = 25 + 273,15 = 298,15 К

p(газ) = 1 атм = 101325 Па

V(газ) = 0,611 л = $0,611 \cdot 10^{-3}$ м³

Найти:

Структурная формула соли - ?

m(осадок) - ?

Уравнения реакций - ?

Решение:

1. Органическая соль при обработке щёлочью выделяет газ. Это характерно для солей аммония или аминов. Определим количество вещества (моль) выделившегося газа, используя уравнение состояния идеального газа:

$n(\text{газ}) = \frac{p \cdot V}{R \cdot T} = \frac{1 \text{ атм} \cdot 0,611 \text{ л}}{0,082 \frac{\text{л} \cdot \text{атм}}{\text{моль} \cdot \text{К}} \cdot 298,15 \text{ К}} \approx 0,025 \text{ моль}$

2. Газ пропустили через избыток оксида меди(II), что является реакцией окисления. Продуктами являются вода и другие вещества. Найдем количество вещества воды:

$n(\text{H}_2\text{O}) = \frac{m(\text{H}_2\text{O})}{M(\text{H}_2\text{O})} = \frac{1,125 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,0625 \text{ моль}$

Количество вещества атомов водорода в газе:

$n(\text{H}) = 2 \cdot n(\text{H}_2\text{O}) = 2 \cdot 0,0625 \text{ моль} = 0,125 \text{ моль}$

Соотношение молей атомов водорода к молям газа:

$\frac{n(\text{H})}{n(\text{газ})} = \frac{0,125 \text{ моль}}{0,025 \text{ моль}} = 5$

Следовательно, в одной молекуле газа содержится 5 атомов водорода.

3. Газ, выделяющийся при действии щелочи на органическую соль, скорее всего, является амином (CₓHᵧNₐ) или аммиаком. При его окислении образуются $CO_2$, $N_2$ и $H_2O$. После отделения воды остаются $CO_2$ и $N_2$. Найдем среднюю молярную массу этой газовой смеси по её плотности по воздуху:

$M(\text{смеси}) = D_{\text{воздух}} \cdot M(\text{воздух}) = 1,333 \cdot 29 \text{ г/моль} \approx 38,66 \text{ г/моль}$

Предположим, что газ является первичным амином ($a=1$), тогда его формула CₓH₅N. Уравнение окисления:

$2C_xH_5N + \text{CuO} \rightarrow 2xCO_2 + 5H_2O + N_2 + \text{Cu}$

Из уравнения видно, что на $2x$ моль $CO_2$ образуется 1 моль $N_2$. Молярную массу смеси можно выразить через мольные доли компонентов:

$M(\text{смеси}) = \frac{n(CO_2) \cdot M(CO_2) + n(N_2) \cdot M(N_2)}{n(CO_2) + n(N_2)} = \frac{2x \cdot 44 + 1 \cdot 28}{2x + 1}$

$\frac{88x + 28}{2x + 1} = 38,66$

$88x + 28 = 38,66 \cdot (2x + 1) = 77,32x + 38,66$

$10,68x = 10,66$

$x \approx 1$

Таким образом, формула газа – CH₅N, что соответствует метиламину (CH₃NH₂).

4. Раз газ – метиламин, то исходная соль является солью метиламмония, с катионом [CH₃NH₃]⁺. Реакция с щёлочью происходит по схеме 1:1, значит $n(\text{соль}) = n(\text{газ}) = 0,025 \text{ моль}$.

Найдем молярную массу соли:

$M(\text{соль}) = \frac{m(\text{соль})}{n(\text{соль})} = \frac{2,8 \text{ г}}{0,025 \text{ моль}} = 112 \text{ г/моль}$

В состав соли входят 4 элемента. Катион [CH₃NH₃]⁺ содержит C, H, N. Четвертый элемент должен входить в состав аниона. При добавлении нитрата серебра к раствору соли выпадает осадок, что указывает на наличие в соли галогенид-иона (Cl⁻, Br⁻, I⁻).

Рассчитаем молярную массу аниона A⁻:

$M(A⁻) = M(\text{соль}) - M([CH_3NH_3]⁺) = 112 - (12,01 + 5 \cdot 1,01 + 14,01) \approx 112 - 31,07 = 80,93 \text{ г/моль}$

Эта масса соответствует аниону брома Br⁻ (M ≈ 80 г/моль). Следовательно, исходная соль – бромид метиламмония CH₃NH₃Br.

5. При добавлении избытка нитрата серебра к раствору бромида метиламмония выпадает осадок бромида серебра (AgBr):

$CH_3NH_3Br + AgNO_3 \rightarrow AgBr \downarrow + CH_3NH_3NO_3$

Из уравнения реакции следует, что $n(AgBr) = n(CH_3NH_3Br) = 0,025 \text{ моль}$.

Найдем массу осадка:

$m(AgBr) = n(AgBr) \cdot M(AgBr) = 0,025 \text{ моль} \cdot (108 + 80) \text{ г/моль} = 0,025 \cdot 188 = 4,7 \text{ г}$

Определите возможную структурную формулу органического соединения и массу выпавшего осадка.

На основании проведенных расчетов установлено, что выделившийся газ – метиламин (CH₃NH₂), а исходное вещество – его соль. Расчет молярной массы соли (112 г/моль) и качественная реакция на галогенид-ионы позволили идентифицировать анион как бромид-ион. Таким образом, искомое соединение – бромид метиламмония. При реакции этого соединения с нитратом серебра образуется осадок бромида серебра, масса которого рассчитывается исходя из количества вещества исходной соли.

Ответ: Возможная структурная формула органического соединения – бромид метиламмония: $CH_3NH_3Br$ (или в виде ионной пары $[CH_3-NH_3]^+ Br^−$). Масса выпавшего осадка (AgBr) составляет 4,7 г.

Запишите уравнения реакций.

1. Реакция исходной соли с щёлочью (на примере NaOH):

$CH_3NH_3Br + NaOH \rightarrow CH_3NH_2 \uparrow + NaBr + H_2O$

2. Окисление выделившегося газа (метиламина) оксидом меди(II):

$2CH_3NH_2 + 9CuO \xrightarrow{250^{\circ}C} 2CO_2 + 5H_2O + N_2 + 9Cu$

3. Реакция исходной соли с нитратом серебра:

$CH_3NH_3Br + AgNO_3 \rightarrow AgBr \downarrow + CH_3NH_3NO_3$