Номер 3, страница 67 - гдз по химии 10 класс учебник Колевич, Матулис

3. Углеводород содержит 83,72 % углерода и 16,28 % водорода по массе. Установите его простейшую и истинную формулы. Напишите структурные формулы всех веществ, удовлетворяющих условию задачи.

Дано:

Углеводород

Массовая доля углерода, $\omega(C) = 83,72\ \%$

Массовая доля водорода, $\omega(H) = 16,28\ \%$

Найти:

Простейшую формулу - ?

Истинную формулу - ?

Структурные формулы всех веществ - ?

Решение:

Установите его простейшую и истинную формулы.

1. Нахождение простейшей (эмпирической) формулы.

Общая формула углеводорода: $C_xH_y$.

Предположим, что у нас есть 100 г этого углеводорода. Тогда масса углерода $m(C)$ составит 83,72 г, а масса водорода $m(H)$ – 16,28 г.

Найдем количество вещества (в молях) для каждого элемента, используя их атомные массы ($A_r(C) \approx 12$ а.е.м., $A_r(H) \approx 1$ а.е.м.):

$n(C) = \frac{m(C)}{M(C)} = \frac{83,72 \text{ г}}{12 \text{ г/моль}} \approx 6,977 \text{ моль}$

$n(H) = \frac{m(H)}{M(H)} = \frac{16,28 \text{ г}}{1 \text{ г/моль}} = 16,28 \text{ моль}$

Соотношение индексов $x:y$ в формуле равно мольному соотношению атомов:

$x : y = n(C) : n(H) = 6,977 : 16,28$

Чтобы получить простейшее целочисленное соотношение, разделим оба значения на наименьшее из них (6,977):

$x : y = \frac{6,977}{6,977} : \frac{16,28}{6,977} \approx 1 : 2,333$

Соотношение $1 : 2,333$ эквивалентно $1 : 2\frac{1}{3}$, или $1 : \frac{7}{3}$. Чтобы получить целые числа, умножим оба члена соотношения на 3:

$x : y = (1 \times 3) : (\frac{7}{3} \times 3) = 3 : 7$

Таким образом, простейшая формула углеводорода – $C_3H_7$.

2. Нахождение истинной (молекулярной) формулы.

Истинная формула вещества является кратной простейшей: $(C_3H_7)_n$, где $n$ – целое число.

Формула $C_3H_7$ не может соответствовать стабильной молекуле углеводорода, так как у таких молекул число атомов водорода всегда четное. $C_3H_7$ – это формула радикала (пропила).

Углеводороды с таким высоким содержанием водорода, как правило, являются насыщенными (алканами) с общей формулой $C_kH_{2k+2}$.

Проверим, при каком значении $n$ формула $(C_3H_7)_n$ будет соответствовать общей формуле алканов.

• При $n=1$, формула $C_3H_7$. Не является стабильной молекулой.
• При $n=2$, формула $(C_3H_7)_2 = C_6H_{14}$. Проверим по общей формуле алканов: для $k=6$, число атомов водорода $2k+2 = 2 \cdot 6 + 2 = 14$. Формула $C_6H_{14}$ соответствует алкану (гексану).
• При $n=3$, формула $(C_3H_7)_3 = C_9H_{21}$. Для алкана с $k=9$ должно быть $2 \cdot 9 + 2 = 20$ атомов водорода. $C_9H_{21}$ не является формулой стабильного углеводорода.

Следовательно, искомое вещество имеет истинную формулу $C_6H_{14}$.

Ответ: Простейшая формула: $C_3H_7$. Истинная формула: $C_6H_{14}$.

Напишите структурные формулы всех веществ, удовлетворяющих условию задачи.

Молекулярной формуле $C_6H_{14}$ (гексан) соответствует 5 изомеров. Ниже приведены их структурные формулы и названия по номенклатуре ИЮПАК.

1. н-гексан (гексан):

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$

2. 2-метилпентан (изогексан):

$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_2-CH_3$

3. 3-метилпентан:

$CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

4. 2,2-диметилбутан (неогексан):

$CH_3-C(CH_3)_2-CH_2-CH_3$

5. 2,3-диметилбутан:

$CH_3-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_3$

Ответ: Вещества, удовлетворяющие условию задачи, являются изомерами гексана ($C_6H_{14}$): н-гексан, 2-метилпентан, 3-метилпентан, 2,2-диметилбутан, 2,3-диметилбутан. Их структурные формулы приведены выше.