Номер 3, страница 11, часть 1 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

3. Выведите молекулярную формулу углеводорода, массовая доля углерода в котором составляет90,0%, а плотность его паров по воздуху — 4,13. Составьте несколько структурных формул его изомеров.

Ответ: $C_9H_{12}$

Дано:

Углеводород $C_xH_y$

Массовая доля углерода, $w(C) = 90.0\%$

Плотность паров по воздуху, $D_{воздух}(C_xH_y) = 4.13$

Найти:

Молекулярную формулу $C_xH_y$ - ?

Структурные формулы нескольких изомеров - ?

Решение:

1. Выведение молекулярной формулы углеводорода

Сначала определим молярную массу углеводорода. Относительная плотность паров вещества по воздуху ($D_{воздух}$) связана с молярной массой вещества ($\text{M}$) и средней молярной массой воздуха ($M_{воздуха} \approx 29$ г/моль) следующим соотношением:

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

Отсюда находим молярную массу искомого углеводорода:

$M(C_xH_y) = D_{воздух} \times M_{воздуха} = 4.13 \times 29 \text{ г/моль} \approx 119.77 \text{ г/моль}$

Округлим полученное значение до целого числа: $M(C_xH_y) = 120$ г/моль.

Теперь найдем простейшую формулу вещества. Углеводород состоит из углерода и водорода. Массовая доля водорода составляет:

$w(H) = 100\% - w(C) = 100\% - 90\% = 10\%$

Найдем соотношение индексов $\text{x}$ и $\text{y}$ в формуле $C_xH_y$. Это соотношение равно соотношению количеств веществ (в молях) элементов в образце. Для удобства возьмем 100 г вещества. Тогда масса углерода $m(C) = 90$ г, а масса водорода $m(H) = 10$ г.

Определим соотношение молей, используя атомные массы $Ar(C) \approx 12$ г/моль и $Ar(H) \approx 1$ г/моль:

$x : y = n(C) : n(H) = \frac{m(C)}{Ar(C)} : \frac{m(H)}{Ar(H)}$

$x : y = \frac{90}{12} : \frac{10}{1} = 7.5 : 10$

Чтобы получить простейшее целочисленное соотношение, разделим оба числа на наименьшее из них (7.5):

$x : y = \frac{7.5}{7.5} : \frac{10}{7.5} = 1 : 1.333... = 1 : \frac{4}{3}$

Домножим на 3, чтобы избавиться от дроби: $x : y = 3 : 4$.

Таким образом, простейшая формула углеводорода — $C_3H_4$.

Теперь найдем истинную молекулярную формулу $(C_3H_4)_n$. Вычислим молярную массу для простейшей формулы:

$M(C_3H_4) = 3 \times 12 + 4 \times 1 = 40$ г/моль.

Соотнесем истинную молярную массу с молярной массой простейшей формулы:

$n = \frac{M(C_xH_y)}{M(C_3H_4)} = \frac{120 \text{ г/моль}}{40 \text{ г/моль}} = 3$

Следовательно, истинная молекулярная формула углеводорода: $(C_3H_4)_3 = C_9H_{12}$.

Ответ: Молекулярная формула углеводорода - $C_9H_{12}$.

2. Составление структурных формул его изомеров

Общая формула $C_9H_{12}$ соответствует классу аренов (ароматических углеводородов) $C_nH_{2n-6}$. Это указывает на наличие в молекуле бензольного кольца и алкильных заместителей. Составим структурные формулы нескольких возможных изомеров.

а) Изопропилбензол (кумол):

 CH₃ | C₆H₅-CH | CH₃

б) Пропилбензол:

$C_6H_5-CH_2-CH_2-CH_3$

в) 1,3,5-Триметилбензол (мезитилен):

 CH₃ / \ HC C-CH₃ // \\ / C CH \ / C-CH₃

г) 1-Этил-4-метилбензол (п-этилтолуол):

 CH₂-CH₃ | C / \ HC CH // \\ // C C \ / \ CH CH | CH₃

Ответ: Примеры структурных формул изомеров $C_9H_{12}$: изопропилбензол, пропилбензол, 1,3,5-триметилбензол, 1-этил-4-метилбензол.