Номер B, страница 228 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

B

1. Определите молекулярную массу углеводорода, в составе которого 16 атомов водорода.

2. Как меняется количество изомеров в соединениях с увеличением атомов углерода?

3. Напишите реакции горения и изомеризации предельных углеводородов.

4. Сколько изомеров можно получить из пентана, и как они называются? Напишите их формулы.

5. Рассчитайте объем воздуха, необходимого для сжигания 100 л (н.у.) пропана.

Ответ: $V_{\text{возд.}} = 2,5 \text{ м}^3$.

6. Выведите формулу углеводорода, если известны объемные отношения газов при сжигании - $V(\text{C}_x\text{H}_y) : V(\text{O}_2) : (\text{CO}_2) : V(\text{H}_2\text{O}) = 2 : 7 : 6 : 8$ (объемы газов измерены в одинаковых условиях).

1. Определите молекулярную массу углеводорода, в составе которого 16 атомов водорода.

Общая формула предельных углеводородов (алканов) – $C_nH_{2n+2}$.

По условию, число атомов водорода равно 16. Составим уравнение:

$2n + 2 = 16$

$2n = 14$

$n = 7$

Следовательно, формула углеводорода – $C_7H_{16}$ (гептан).

Теперь рассчитаем его молекулярную массу $M_r$, используя относительные атомные массы углерода ($Ar(C) \approx 12$) и водорода ($Ar(H) \approx 1$).

$M_r(C_7H_{16}) = 7 \times Ar(C) + 16 \times Ar(H) = 7 \times 12 + 16 \times 1 = 84 + 16 = 100$.

Молярная масса $M$ численно равна относительной молекулярной массе, поэтому $M(C_7H_{16}) = 100$ г/моль.

Ответ: Молекулярная масса углеводорода равна 100.

2. Как меняется количество изомеров в соединениях с увеличением атомов углерода?

С увеличением числа атомов углерода в молекуле углеводорода количество возможных структурных изомеров резко, лавинообразно возрастает. Это связано с увеличением числа способов соединения атомов углерода в различные цепи (нормальные, разветвленные) и циклы.

Например:

• Для бутана ($C_4H_{10}$) существует 2 изомера (н-бутан и изобутан).
• Для пентана ($C_5H_{12}$) – 3 изомера.
• Для гексана ($C_6H_{14}$) – 5 изомеров.
• Для гептана ($C_7H_{16}$) – 9 изомеров.
• Для декана ($C_{10}H_{22}$) – уже 75 изомеров.

Ответ: Количество изомеров резко возрастает с увеличением числа атомов углерода.

3. Напишите реакции горения и изомеризации предельных углеводородов.

Реакция горения: Предельные углеводороды (алканы) сгорают в кислороде с образованием углекислого газа и воды. В общем виде реакция выглядит так:

$C_nH_{2n+2} + (\frac{3n+1}{2})O_2 \rightarrow nCO_2 + (n+1)H_2O$

Пример реакции горения пропана ($C_3H_8$):

$C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$

Реакция изомеризации: Это процесс превращения углеводородов с нормальной (линейной) цепью в их изомеры с разветвленной цепью. Реакция протекает при нагревании в присутствии катализатора (например, хлорида алюминия $AlCl_3$).

Пример реакции изомеризации н-бутана в изобутан (2-метилпропан):

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{t, AlCl_3} CH_3-\underset{\textstyle CH_3}{\underset{|}{|}}CH-CH_3$

Ответ: Реакция горения: $C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$. Реакция изомеризации: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{t, AlCl_3} CH_3-CH(CH_3)-CH_3$.

4. Сколько изомеров можно получить из пентана, и как они называются? Напишите их формулы.

Пентан ($C_5H_{12}$) имеет три структурных изомера. Все они являются предельными углеводородами.

1. н-пентан (нормальный пентан): атомная цепь неразветвленная.

   Структурная формула: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$

2. Изопентан (систематическое название: 2-метилбутан): цепь разветвленная.

   Структурная формула: $CH_3-\underset{\textstyle CH_3}{\underset{|}{|}}CH-CH_2-CH_3$

3. Неопентан (систематическое название: 2,2-диметилпропан): цепь сильно разветвленная.

   Структурная формула: $CH_3-\underset{\textstyle CH_3}{\overset{\textstyle CH_3}{|}{\underset{|}{|}{C}}}-CH_3$

5. Рассчитайте объем воздуха, необходимого для сжигания 100 л (н.у.) пропана.

Дано:

$V(C_3H_8) = 100$ л

Условия: н.у. (нормальные условия)

Объемная доля $O_2$ в воздухе, $\phi(O_2) \approx 20\%$ (или 1/5, это стандартное допущение для школьных задач, позволяющее получить ответ из условия).

Перевод в СИ:

$V(C_3H_8) = 100 \text{ л} = 100 \times 10^{-3} \text{ м}^3 = 0.1 \text{ м}^3$

Найти:

$V(\text{возд.})$ — ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции полного сгорания пропана:

$C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$

2. Согласно закону объемных отношений Гей-Люссака, объемы вступающих в реакцию и образующихся газов относятся как их стехиометрические коэффициенты.

Из уравнения реакции следует, что на 1 объем пропана требуется 5 объемов кислорода.

$V(O_2) = 5 \times V(C_3H_8)$

3. Рассчитаем необходимый объем кислорода:

$V(O_2) = 5 \times 100 \text{ л} = 500 \text{ л}$

4. Рассчитаем объем воздуха, зная, что кислород составляет примерно 20% (или 1/5) его объема:

$V(\text{возд.}) = \frac{V(O_2)}{\phi(O_2)} = \frac{500 \text{ л}}{0.2} = 2500 \text{ л}$

5. Переведем полученный объем в кубические метры, зная, что $1 \text{ м}^3 = 1000 \text{ л}$:

$V(\text{возд.}) = 2500 \text{ л} = 2.5 \text{ м}^3$

Ответ: $V(\text{возд.}) = 2.5 \text{ м}^3$.

6. Выведите формулу углеводорода, если известны объемные отношения газов при сжигании - $V(C_xH_y) : V(O_2) : V(CO_2) : V(H_2O) = 2:7:6:8$ (объемы газов измерены в одинаковых условиях).

Дано:

Объемное отношение $V(C_xH_y) : V(O_2) : V(CO_2) : V(H_2O) = 2:7:6:8$

Найти:

Формулу углеводорода $C_xH_y$ — ?

Решение:

1. Запишем общее уравнение сгорания углеводорода в виде:

$aC_xH_y + bO_2 \rightarrow cCO_2 + dH_2O$

2. По закону объемных отношений, отношение объемов газов равно отношению их стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.

Следовательно, $a : b : c : d = 2 : 7 : 6 : 8$.

3. Подставим эти коэффициенты в уравнение реакции:

$2C_xH_y + 7O_2 \rightarrow 6CO_2 + 8H_2O$

4. Для нахождения $x$ и $y$ составим баланс атомов углерода (C) и водорода (H) в левой и правой частях уравнения.

Баланс по углероду (C):

$2 \times x = 6 \times 1 \implies 2x = 6 \implies x = 3$

Баланс по водороду (H):

$2 \times y = 8 \times 2 \implies 2y = 16 \implies y = 8$

Таким образом, искомая формула углеводорода – $C_3H_8$.

5. Проверим баланс по атомам кислорода (O), чтобы убедиться в корректности исходных данных.

В левой части: $7 \times 2 = 14$ атомов кислорода.

В правой части: $(6 \times 2) + (8 \times 1) = 12 + 8 = 20$ атомов кислорода.

Баланс по кислороду не сходится ($14 \neq 20$), что указывает на опечатку в условии задачи. Для полного сгорания 2 моль $C_3H_8$ требуется 10 моль $O_2$, а не 7. Однако, формула углеводорода однозначно определяется по продуктам реакции ($CO_2$ и $H_2O$).

Ответ: Формула углеводорода – $C_3H_8$ (пропан).