Номер 9, страница 307 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 43. Азот - номер 9, страница 307.

Условие.

9. В 1887 г. Теодор Курциус открыл соединение азота, жидкое при обычных условиях, смешивающееся с водой в любых соотношениях, обладающее неприятным запахом. При сгорании 4,8 г этого вещества образуется азот объёмом 3,36 л (н. у.) и вода массой 5,4 г. Установите простейшую формулу данного вещества. Составьте структурную формулу вещества, исходя из того, что плотность его паров по воздуху такая же, как у кислорода. Напишите уравнение реакции этого соединения с соляной кислотой.

Решение.

Решение 2.

Дано:
$m(вещества) = 4.8 \text{ г}$
$V(N_2) = 3.36 \text{ л}$ (н. у.)
$m(H_2O) = 5.4 \text{ г}$
$D_{воздух}(вещества) = D_{воздух}(O_2)$

Перевод в систему СИ:
$m(вещества) = 4.8 \cdot 10^{-3} \text{ кг}$
$V(N_2) = 3.36 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$
$m(H_2O) = 5.4 \cdot 10^{-3} \text{ кг}$

Найти:
1. Простейшую формулу вещества.
2. Структурную формулу вещества.
3. Уравнение реакции с $HCl$.

Решение:

Установите простейшую формулу данного вещества.

1. Определим количество вещества продуктов сгорания: азота ($N_2$) и воды ($H_2O$).
Молярный объём газа при нормальных условиях ($V_m$) равен $22.4 \text{ л/моль}$.
$n(N_2) = \frac{V(N_2)}{V_m} = \frac{3.36 \text{ л}}{22.4 \text{ л/моль}} = 0.15 \text{ моль}$
Молярная масса воды $M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$.
$n(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{5.4 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0.3 \text{ моль}$
2. Найдем количество вещества атомов азота и водорода в исходном соединении.
Весь азот из сгоревшего вещества перешел в молекулярный азот $N_2$, а весь водород — в воду $H_2O$.
$n(N) = 2 \cdot n(N_2) = 2 \cdot 0.15 \text{ моль} = 0.3 \text{ моль}$
$n(H) = 2 \cdot n(H_2O) = 2 \cdot 0.3 \text{ моль} = 0.6 \text{ моль}$
3. Рассчитаем массы азота и водорода в исходной навеске вещества.
$m(N) = n(N) \cdot M(N) = 0.3 \text{ моль} \cdot 14 \text{ г/моль} = 4.2 \text{ г}$
$m(H) = n(H) \cdot M(H) = 0.6 \text{ моль} \cdot 1 \text{ г/моль} = 0.6 \text{ г}$
4. Проверим, содержится ли в веществе кислород, сравнив сумму масс азота и водорода с исходной массой вещества.
$m(N) + m(H) = 4.2 \text{ г} + 0.6 \text{ г} = 4.8 \text{ г}$
Эта масса равна исходной массе вещества ($4.8 \text{ г}$), следовательно, кислород в состав соединения не входит.
5. Найдем соотношение атомов азота и водорода в молекуле, которое равно соотношению их количеств вещества.
$x : y = n(N) : n(H) = 0.3 : 0.6$
Разделив на наименьшее значение (0.3), получаем простейшее целочисленное соотношение:
$x : y = 1 : 2$
Таким образом, простейшая (эмпирическая) формула вещества – $NH_2$.
Ответ: Простейшая формула вещества – $NH_2$.

Составьте структурную формулу вещества, исходя из того, что плотность его паров по воздуху такая же, как у кислорода.

1. Найдем молярную массу искомого вещества.
Плотность паров одного газа по другому ($\text{D}$) определяется отношением их молярных масс. Плотность паров по воздуху: $D_{воздух}(газа) = \frac{M(газа)}{M(воздуха)}$, где $M(воздуха) \approx 29 \text{ г/моль}$.
По условию, плотность паров вещества по воздуху такая же, как у кислорода: $D_{воздух}(вещества) = D_{воздух}(O_2)$.
Следовательно, $\frac{M(вещества)}{M(воздуха)} = \frac{M(O_2)}{M(воздуха)}$.
Отсюда следует, что молярные массы вещества и кислорода равны: $M(вещества) = M(O_2)$.
$M(O_2) = 2 \cdot 16 = 32 \text{ г/моль}$.
Значит, истинная молярная масса искомого вещества равна $32 \text{ г/моль}$.
2. Определим истинную (молекулярную) формулу вещества.
Молярная масса, соответствующая простейшей формуле $NH_2$, равна $M(NH_2) = 14 + 2 \cdot 1 = 16 \text{ г/моль}$.
Найдем отношение истинной молярной массы к молярной массе простейшей формулы:
$k = \frac{M_{истинная}}{M_{простейшая}} = \frac{32 \text{ г/моль}}{16 \text{ г/моль}} = 2$
Следовательно, для получения истинной формулы нужно умножить индексы в простейшей формуле на 2: $(NH_2)_2$, или $N_2H_4$. Это вещество – гидразин.
3. Составим структурную формулу гидразина ($N_2H_4$). В молекуле гидразина атомы азота соединены простой связью, и каждый из них связан с двумя атомами водорода.
$H_2N-NH_2$
Это строение соответствует валентности азота (III) и водорода (I).
Ответ: Структурная формула вещества: $H_2N-NH_2$.

Напишите уравнение реакции этого соединения с соляной кислотой.

Гидразин ($N_2H_4$) является слабым основанием, так как у каждого из двух атомов азота есть неподеленная электронная пара, способная присоединять протон ($H^+$) из кислоты. Являясь двукислотным основанием, гидразин может реагировать с одним или двумя молями кислоты. При реакции с избытком соляной кислоты происходит полное протонирование с образованием дихлорида гидразиния.
$N_2H_4 + 2HCl \rightarrow N_2H_6Cl_2$
Продукт реакции, дихлорид гидразиния, является солью, имеющей ионное строение $[H_3N-NH_3]^{2+} 2Cl^-$.
Ответ: $N_2H_4 + 2HCl \rightarrow N_2H_6Cl_2$.