Номер 2, страница 81 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

• 2. При сжигании 3,9 г ароматического углеводорода образовалось 13,2 г $CO_2$ и 2,7 г $H_2O$. Определите структурную формулу этого арена.

Дано:

$m(\text{арена}) = 3,9 \text{ г}$

$m(\text{CO}_2) = 13,2 \text{ г}$

$m(\text{H}_2\text{O}) = 2,7 \text{ г}$

Найти:

Структурную формулу арена - ?

Решение:

1. Обозначим формулу ароматического углеводорода как $C_xH_y$.

Уравнение реакции горения в общем виде:

$C_xH_y + O_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O$

2. Найдем количество вещества (моль) образовавшихся продуктов горения - $CO_2$ и $H_2O$.

Молярная масса диоксида углерода $M(CO_2) = 12 + 2 \cdot 16 = 44 \text{ г/моль}$.

Молярная масса воды $M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$.

Количество вещества $CO_2$:

$n(CO_2) = \frac{m(CO_2)}{M(CO_2)} = \frac{13,2 \text{ г}}{44 \text{ г/моль}} = 0,3 \text{ моль}$.

Количество вещества $H_2O$:

$n(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{2,7 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,15 \text{ моль}$.

3. Найдем количество вещества атомов углерода и водорода в исходном углеводороде. Весь углерод из углеводорода перешел в $CO_2$, а весь водород - в $H_2O$.

В 1 моль $CO_2$ содержится 1 моль атомов C, следовательно:

$n(C) = n(CO_2) = 0,3 \text{ моль}$.

В 1 моль $H_2O$ содержится 2 моль атомов H, следовательно:

$n(H) = 2 \cdot n(H_2O) = 2 \cdot 0,15 \text{ моль} = 0,3 \text{ моль}$.

4. Найдем массы углерода и водорода в исходном веществе.

$m(C) = n(C) \cdot M(C) = 0,3 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 3,6 \text{ г}$.

$m(H) = n(H) \cdot M(H) = 0,3 \text{ моль} \cdot 1 \text{ г/моль} = 0,3 \text{ г}$.

Проверим, соответствует ли сумма масс C и H массе исходного вещества:

$m(C) + m(H) = 3,6 \text{ г} + 0,3 \text{ г} = 3,9 \text{ г}$.

Это соответствует массе арена, значит, в его состав входят только углерод и водород.

5. Определим простейшую (эмпирическую) формулу углеводорода. Для этого найдем соотношение количества вещества атомов C и H.

$x : y = n(C) : n(H) = 0,3 : 0,3 = 1 : 1$.

Простейшая формула углеводорода - $CH$.

6. Определим истинную (молекулярную) формулу углеводорода $(CH)_n$.

Так как вещество является ароматическим углеводородом (ареном), простейшим и наиболее вероятным представителем с такой эмпирической формулой является бензол, $C_6H_6$. Проверим это предположение.

Молярная масса бензола $M(C_6H_6) = 6 \cdot 12 + 6 \cdot 1 = 78 \text{ г/моль}$.

Теперь найдем молярную массу неизвестного арена из экспериментальных данных. Если его формула $C_6H_6$, то количество вещества арена, содержащего 0,3 моль атомов углерода, равно:

$n(\text{арена}) = \frac{n(C)}{6} = \frac{0,3 \text{ моль}}{6} = 0,05 \text{ моль}$.

Вычислим молярную массу, используя массу исходного образца:

$M(\text{арена}) = \frac{m(\text{арена})}{n(\text{арена})} = \frac{3,9 \text{ г}}{0,05 \text{ моль}} = 78 \text{ г/моль}$.

Полученная молярная масса (78 г/моль) совпадает с молярной массой бензола. Следовательно, искомый углеводород - бензол, $C_6H_6$.

7. Структурная формула бензола представляет собой шестичленный углеродный цикл с сопряженной системой $\pi$-связей, где каждый атом углерода связан с одним атомом водорода.

Ответ: Искомый арен - бензол. Его молекулярная формула - $C_6H_6$. Структурная формула представляет собой правильный шестиугольник, состоящий из атомов углерода, с делокализованной системой $\pi$-электронов внутри цикла. Каждый атом углерода связан с одним атомом водорода.