Страница 65 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

6. Массовая доля углерода в углеводороде равна $0.8889$. Его плотность по воздуху равна $1.862$. Найдите молекулярную формулу этого углеводорода.

Дано:

Углеводород $C_xH_y$
$w(C) = 0.8889$
$D_{воздух} = 1.862$

Найти:

Молекулярную формулу $C_xH_y$

Решение:

1. Определим молярную массу углеводорода ($M(C_xH_y)$), используя его относительную плотность по воздуху. Относительная плотность газа по воздуху — это отношение молярной массы газа к средней молярной массе воздуха, которую принимают равной 29 г/моль.

$D_{воздух} = \frac{M(C_xH_y)}{M_{воздуха}}$

Отсюда молярная масса углеводорода:

$M(C_xH_y) = D_{воздух} \cdot M_{воздуха} = 1.862 \cdot 29 \text{ г/моль} \approx 54 \text{ г/моль}$

2. Углеводород состоит только из атомов углерода (C) и водорода (H). Зная массовую долю углерода, найдем массовую долю водорода:

$w(H) = 1 - w(C) = 1 - 0.8889 = 0.1111$

3. Найдем индексы $x$ и $y$ в молекулярной формуле $C_xH_y$. Для этого воспользуемся формулами, связывающими массовую долю элемента, молярную массу вещества и атомную массу элемента ($Ar(C) = 12$ г/моль, $Ar(H) = 1$ г/моль).

$x = \frac{w(C) \cdot M(C_xH_y)}{Ar(C)}$

$y = \frac{w(H) \cdot M(C_xH_y)}{Ar(H)}$

Подставим известные значения:

$x = \frac{0.8889 \cdot 54}{12} = \frac{48.0006}{12} \approx 4$

$y = \frac{0.1111 \cdot 54}{1} = \frac{5.9994}{1} \approx 6$

Следовательно, молекулярная формула искомого углеводорода — $C_4H_6$.

Проверка:
Молярная масса $C_4H_6$: $M(C_4H_6) = 4 \cdot 12 + 6 \cdot 1 = 48 + 6 = 54$ г/моль.
Массовая доля углерода: $w(C) = \frac{4 \cdot 12}{54} = \frac{48}{54} \approx 0.8889$.
Все данные сходятся.

Ответ: Молекулярная формула углеводорода - $C_4H_6$.

7. Какой объём ацетилена и какой объём водорода (н. у.) можно получить из $1042 \text{ м}^3$ природного газа, объёмная доля метана в котором равна $0,96$?

Дано:

$V(\text{природного газа}) = 1042 \, м^3$

$\phi(CH_4) = 0,96$

Все объемы измерены при нормальных условиях (н. у.).

Найти:

$V(C_2H_2) - ?$

$V(H_2) - ?$

Решение:

1. Вначале определим объём чистого метана ($CH_4$), который содержится в данном объёме природного газа. Объёмная доля показывает, какую часть от общего объёма смеси составляет данный компонент.

$V(CH_4) = V(\text{природного газа}) \times \phi(CH_4)$

$V(CH_4) = 1042 \, м^3 \times 0,96 = 1000,32 \, м^3$

2. Ацетилен ($C_2H_2$) и водород ($H_2$) получают из метана путём его пиролиза (термического разложения) при температуре около 1500°C. Уравнение химической реакции выглядит следующим образом:

$2CH_4 \xrightarrow{t^\circ} C_2H_2 + 3H_2$

3. Согласно закону объёмных отношений Гей-Люссака, объёмы вступающих в реакцию и образующихся газов (при одинаковых условиях) относятся друг к другу как их стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции. Из уравнения следует, что из 2 объёмов метана образуется 1 объём ацетилена и 3 объёма водорода.

Соотношение объёмов: $V(CH_4) : V(C_2H_2) : V(H_2) = 2 : 1 : 3$.

4. Рассчитаем объём ацетилена ($C_2H_2$), который можно получить из 1000,32 м³ метана. Составим пропорцию на основе стехиометрических коэффициентов:

$\frac{V(CH_4)}{2} = \frac{V(C_2H_2)}{1}$

Отсюда находим объём ацетилена:

$V(C_2H_2) = \frac{V(CH_4)}{2} = \frac{1000,32 \, м^3}{2} = 500,16 \, м^3$

5. Аналогично рассчитаем объём водорода ($H_2$):

$\frac{V(CH_4)}{2} = \frac{V(H_2)}{3}$

Отсюда находим объём водорода:

$V(H_2) = \frac{3 \times V(CH_4)}{2} = \frac{3 \times 1000,32 \, м^3}{2} = 1500,48 \, м^3$

Ответ: из 1042 м³ природного газа можно получить 500,16 м³ ацетилена и 1500,48 м³ водорода.

1. Формулы только алкинов находятся в ряду

1) $C_2H_4$, $C_2H_6$, $C_2H_2$

2) $C_2H_4$, $C_3H_6$, $C_4H_8$

3) $C_2H_2$, $C_3H_4$, $C_4H_6$

4) $CH_4$, $C_2H_6$, $C_3H_8$

1. Решение

Чтобы определить ряд, содержащий формулы только алкинов, необходимо знать общую формулу этого класса углеводородов. Алкины — это углеводороды, содержащие одну тройную связь C≡C, их общая формула $C_nH_{2n-2}$ (при $n \ge 2$).

Рассмотрим каждый вариант ответа:

1) В ряду $C_2H_4, C_2H_6, C_2H_2$ представлены:

• $C_2H_4$ — этен, представитель класса алкенов (общая формула $C_nH_{2n}$).
• $C_2H_6$ — этан, представитель класса алканов (общая формула $C_nH_{2n+2}$).
• $C_2H_2$ — этин (ацетилен), представитель класса алкинов (общая формула $C_nH_{2n-2}$).

Этот ряд содержит вещества разных классов.

2) В ряду $C_2H_4, C_3H_6, C_4H_8$ все вещества соответствуют общей формуле алкенов $C_nH_{2n}$. Это гомологический ряд алкенов.

3) В ряду $C_2H_2, C_3H_4, C_4H_6$ проверим соответствие всех формул общей формуле алкинов $C_nH_{2n-2}$:

• Для $C_2H_2$: при n=2, число атомов водорода $2n-2 = 2 \cdot 2 - 2 = 2$. Формула верна.
• Для $C_3H_4$: при n=3, число атомов водорода $2n-2 = 2 \cdot 3 - 2 = 4$. Формула верна.
• Для $C_4H_6$: при n=4, число атомов водорода $2n-2 = 2 \cdot 4 - 2 = 6$. Формула верна.

Все формулы в этом ряду принадлежат алкинам.

4) В ряду $CH_4, C_2H_6, C_3H_8$ все вещества соответствуют общей формуле алканов $C_nH_{2n+2}$. Это гомологический ряд алканов.

Следовательно, ряд, в котором находятся формулы только алкинов, — это ряд под номером 3.

Ответ: 3

2. Пропен и пропин можно обнаружить одним реактивом. Это

1) аммиачный раствор оксида серебра

2) бромная вода

3) гидроксид калия

4) этанол

Для решения этой задачи необходимо проанализировать химические свойства пропена и пропина и их способность реагировать с каждым из предложенных веществ. Пропен ($CH_3-CH=CH_2$) — это алкен, а пропин ($CH_3-C \equiv CH$) — алкин. Оба этих соединения относятся к классу непредельных (ненасыщенных) углеводородов, так как содержат кратные (двойную и тройную соответственно) углерод-углеродные связи. Именно наличие этих связей определяет их общие химические свойства, в частности, способность вступать в реакции присоединения.

1) аммиачный раствор оксида серебра

Аммиачный раствор оксида серебра (реактив То́лленса, $[Ag(NH_3)_2]OH$) является качественным реактивом на терминальные алкины, то есть алкины, у которых тройная связь находится на конце углеродной цепи и имеется подвижный атом водорода. Пропин является таким алкином и реагирует с реактивом Толленса, образуя белый осадок пропинида серебра: $CH_3-C \equiv CH + [Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow CH_3-C \equiv CAg \downarrow + 2NH_3 + H_2O$. Пропен (алкен) в эту реакцию не вступает. Следовательно, этот реактив позволяет отличить пропин от пропена, но не обнаружить их оба.

2) бромная вода

Бромная вода ($Br_2(aq)$) — это раствор брома в воде, имеющий характерную буро-желтую окраску. Она служит качественным реактивом на непредельные соединения. И алкены, и алкины легко вступают в реакцию присоединения с бромом по месту кратной связи, что приводит к обесцвечиванию раствора.
Реакция с пропеном: $CH_3-CH=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_3-CH(Br)-CH_2(Br)$ (1,2-дибромпропан).
Реакция с пропином: $CH_3-C \equiv CH + 2Br_2 \rightarrow CH_3-C(Br)_2-CH(Br)_2$ (1,1,2,2-тетрабромпропан).
Поскольку и пропен, и пропин вызывают обесцвечивание бромной воды, этот реактив можно использовать для обнаружения обоих веществ.

3) гидроксид калия

Гидроксид калия ($KOH$) — это сильное основание. В обычных условиях (например, в виде водного раствора) он не реагирует ни с пропеном, ни с пропином. Поэтому он не подходит для обнаружения этих углеводородов.

4) этанол

Этанол ($C_2H_5OH$) — это спирт, который в обычных условиях инертен по отношению к алкенам и алкинам. Он не может служить реактивом для их обнаружения.

Ответ: 2) бромная вода.

3. Продукт реакции пропина с избытком брома — это

1) 1,2-дибромпропен

2) 3-бромпропин-1

3) 1,1,2,2-тетрабромпропан

4) 1,1-дибромпропан

Решение

В задаче рассматривается реакция алкина — пропина — с избытком галогена — брома. Пропин имеет химическую формулу $ \ce{CH3-C#CH} $. Его молекула содержит тройную связь между первым и вторым атомами углерода. Тройная связь состоит из одной прочной $ \sigma $-связи и двух менее прочных $ \pi $-связей.

Реакции присоединения для алкинов идут по месту разрыва $ \pi $-связей. Галогенирование (присоединение галогенов, в данном случае брома $ \ce{Br2} $) протекает в две стадии, если галоген взят в избытке.

1-я стадия: Присоединение одной молекулы брома к молекуле пропина.

Разрывается одна из двух $ \pi $-связей, и к каждому атому углерода при тройной связи присоединяется по одному атому брома. Тройная связь превращается в двойную.

$ \ce{CH3-C#CH + Br2 -> CH3-C(Br)=CH(Br)} $

Промежуточным продуктом является 1,2-дибромпропен. Этот продукт соответствует варианту ответа 1, но он образуется при недостатке брома (мольное соотношение 1:1).

2-я стадия: Присоединение второй молекулы брома.

Поскольку по условию бром находится в избытке, реакция не останавливается на первой стадии. Молекула 1,2-дибромпропена содержит двойную связь, которая также вступает в реакцию присоединения с бромом. Разрывается оставшаяся $ \pi $-связь, и еще по одному атому брома присоединяется к тем же атомам углерода.

$ \ce{CH3-C(Br)=CH(Br) + Br2 -> CH3-C(Br)2-CH(Br)2} $

Конечным продуктом реакции является 1,1,2,2-тетрабромпропан. Это предельное (насыщенное) соединение, в котором все связи между атомами углерода одинарные.

Суммарное уравнение реакции пропина с избытком брома:

$ \ce{CH3-C#CH + 2Br2_{ (избыток) } -> CH3-C(Br)2-CH(Br)2} $

Следовательно, из предложенных вариантов правильным является 1,1,2,2-тетрабромпропан.

Ответ: 3) 1,1,2,2-тетрабромпропан