Страница 51 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.181. Какой объём водорода (н. у.) потребуется для полного гидрирования 27,2 г алкадиена, если на полное бромирование такой же порции алкадиена уходит 128 г брома? Установите молекулярную формулу продукта гидрирования и составьте структурные формулы всех его изомеров.

Дано:

Найти:

Решение:

Для решения задачи сначала необходимо установить молекулярную формулу исходного алкадиена, используя данные о его реакции с бромом.

1. Общая формула для алкадиенов — $C_n H_{2n-2}$.

2. Алкадиены имеют две двойные связи, поэтому реакция полного бромирования (присоединение брома по всем кратным связям) выглядит следующим образом:

$C_n H_{2n-2} + 2Br_2 \rightarrow C_n H_{2n-2} Br_4$

3. Рассчитаем количество вещества брома ($Br_2$), которое пошло на реакцию. Молярная масса брома $M(Br_2) = 2 \times 80 = 160 \text{ г/моль}$.

$\nu(Br_2) = \frac{m(Br_2)}{M(Br_2)} = \frac{128 \text{ г}}{160 \text{ г/моль}} = 0,8 \text{ моль}$

4. Согласно стехиометрии уравнения реакции, количество вещества алкадиена в два раза меньше количества вещества брома:

$\nu(C_n H_{2n-2}) = \frac{1}{2} \nu(Br_2) = \frac{1}{2} \times 0,8 \text{ моль} = 0,4 \text{ моль}$

5. Зная массу и количество вещества алкадиена, найдем его молярную массу:

$M(C_n H_{2n-2}) = \frac{m(C_n H_{2n-2})}{\nu(C_n H_{2n-2})} = \frac{27,2 \text{ г}}{0,4 \text{ моль}} = 68 \text{ г/моль}$

6. Теперь определим формулу алкадиена. Молярная масса, выраженная через $n$, равна:

$M(C_n H_{2n-2}) = 12 \times n + 1 \times (2n - 2) = 14n - 2$

Приравняем это выражение к найденной молярной массе:

$14n - 2 = 68$

$14n = 70$

$n = 5$

Таким образом, молекулярная формула алкадиена — $C_5H_8$.

Теперь мы можем ответить на вопросы задачи.

1. Какой объём водорода (н. у.) потребуется для полного гидрирования

Реакция полного гидрирования (насыщения) алкадиена $C_5H_8$ водородом приводит к образованию соответствующего алкана. Для этого требуется 2 молекулы водорода:

$C_5H_8 + 2H_2 \rightarrow C_5H_{12}$

Из уравнения реакции следует, что количество вещества водорода в два раза больше количества вещества алкадиена.

$\nu(H_2) = 2 \times \nu(C_5H_8) = 2 \times 0,4 \text{ моль} = 0,8 \text{ моль}$

Объем водорода при нормальных условиях (н. у.) вычисляется с использованием молярного объема газов $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$:

$V(H_2) = \nu(H_2) \times V_m = 0,8 \text{ моль} \times 22,4 \text{ л/моль} = 17,92 \text{ л}$

Ответ: для полного гидрирования 27,2 г алкадиена потребуется 17,92 л водорода (н. у.).

2. Установите молекулярную формулу продукта гидрирования и составьте структурные формулы всех его изомеров

Продуктом полного гидрирования алкадиена $C_5H_8$ является алкан с тем же числом атомов углерода. Реакция: $C_5H_8 + 2H_2 \rightarrow C_5H_{12}$.

Следовательно, молекулярная формула продукта гидрирования — $C_5H_{12}$ (пентан).

Данный алкан имеет три структурных изомера:

1. н-пентан (или просто пентан): $\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_3$

2. 2-метилбутан (изопентан): $\text{CH}_3\text{–CH(CH}_3\text{)–CH}_2\text{–CH}_3$

3. 2,2-диметилпропан (неопентан): $\text{CH}_3\text{–C(CH}_3\text{)}_2\text{–CH}_3$

Ответ: молекулярная формула продукта гидрирования — $C_5H_{12}$. Его структурные изомеры: н-пентан, 2-метилбутан и 2,2-диметилпропан.

2.182. Бутадиен-1,3 массой 60 г ввели в реакцию гидрогалогенирования. При этом с выходом 90% была получена смесь галогеналкенов. Массовая доля углерода в этой смеси составила 35,56%. Рассчитайте массу смеси образовавшихся галогеналкенов.

Дано:

$m(\text{бутадиен-1,3}) = 60 \text{ г}$

$\eta = 90\% = 0.9$

$\omega(\text{C в смеси}) = 35.56\% = 0.3556$

Найти:

$m(\text{смеси галогеналкенов}) - ?$

Решение:

Реакция гидрогалогенирования бутадиена-1,3 ($C_4H_6$) с галогеноводородом ($HX$) может идти по двум направлениям (1,2- и 1,4-присоединение), образуя смесь изомерных галогеналкенов:

$CH_2=CH-CH=CH_2 + HX \rightarrow CH_3-CHX-CH=CH_2 \text{ и } CH_3-CH=CH-CH_2X$

Оба продукта имеют одинаковую общую формулу $C_4H_7X$, поэтому и массовая доля углерода в них (и в их смеси) одинакова.

1. Определим неизвестный галоген $X$ по массовой доле углерода в продуктах реакции.

Молярная масса продукта $C_4H_7X$ равна:

$M(C_4H_7X) = 4 \cdot A_r(C) + 7 \cdot A_r(H) + A_r(X)$

Используя относительные атомные массы $A_r(C) = 12$, $A_r(H) = 1$, получаем:

$M(C_4H_7X) = 4 \cdot 12 + 7 \cdot 1 + A_r(X) = 55 + A_r(X) \text{ г/моль}$

Массовая доля углерода $\omega(C)$ вычисляется по формуле:

$\omega(C) = \frac{4 \cdot A_r(C)}{M(C_4H_7X)} = \frac{4 \cdot 12}{55 + A_r(X)} = \frac{48}{55 + A_r(X)}$

Подставим известное значение $\omega(C) = 0.3556$ и найдем $A_r(X)$:

$0.3556 = \frac{48}{55 + A_r(X)}$

$55 + A_r(X) = \frac{48}{0.3556} \approx 135$

$A_r(X) = 135 - 55 = 80$

Относительная атомная масса 80 соответствует брому ($Br$). Следовательно, в реакции использовался бромоводород ($HBr$), а продуктами являются бромбутены ($C_4H_7Br$).

2. Рассчитаем количество вещества бутадиена-1,3, вступившего в реакцию, и массу полученной смеси продуктов.

Суммарное уравнение реакции:

$C_4H_6 + HBr \rightarrow C_4H_7Br$

Молярная масса бутадиена-1,3 ($C_4H_6$):

$M(C_4H_6) = 4 \cdot 12 + 6 \cdot 1 = 54 \text{ г/моль}$

Масса бутадиена, вступившего в реакцию с учетом 90%-го выхода:

$m_{\text{реаг.}}(C_4H_6) = m_{\text{исх.}}(C_4H_6) \cdot \eta = 60 \text{ г} \cdot 0.9 = 54 \text{ г}$

Количество вещества прореагировавшего бутадиена:

$n(C_4H_6) = \frac{m_{\text{реаг.}}(C_4H_6)}{M(C_4H_6)} = \frac{54 \text{ г}}{54 \text{ г/моль}} = 1 \text{ моль}$

По уравнению реакции, из 1 моль $C_4H_6$ образуется 1 моль продуктов $C_4H_7Br$. Значит, количество вещества смеси галогеналкенов составляет:

$n(\text{смеси}) = n(C_4H_6) = 1 \text{ моль}$

Молярная масса бромбутенов ($C_4H_7Br$):

$M(C_4H_7Br) = 4 \cdot 12 + 7 \cdot 1 + 80 = 135 \text{ г/моль}$

Масса образовавшейся смеси галогеналкенов:

$m(\text{смеси}) = n(\text{смеси}) \cdot M(C_4H_7Br) = 1 \text{ моль} \cdot 135 \text{ г/моль} = 135 \text{ г}$

Ответ: масса смеси образовавшихся галогеналкенов составляет 135 г.