Номер 840, страница 198 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

840. В результате сжигания 8,85 г органического соединения получено 10,08 $дм^3$ углекислого газа, 12,15 г воды и 1,68 $дм^3$ азота. Объемы газов измерены при нормальных условиях. Молекула соединения содержит один атом азота. Выведите его молекулярную формулу. Приведите структурные формулы всех веществ, удовлетворяющие условию задачи.

Дано:

$m(\text{соединения}) = 8,85 \text{ г}$
$V(CO_2) = 10,08 \text{ дм}^3 \text{ (н.у.)}$
$m(H_2O) = 12,15 \text{ г}$
$V(N_2) = 1,68 \text{ дм}^3 \text{ (н.у.)}$
В молекуле содержится 1 атом азота.

Найти:

Молекулярную формулу соединения.
Структурные формулы всех изомеров.

Решение:

1. Определим количество вещества (в молях) продуктов сгорания. Молярный объем газа при нормальных условиях ($V_m$) равен 22,4 дм³/моль.

Количество вещества углекислого газа:

$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{10,08 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,45 \text{ моль}$

Количество вещества воды (молярная масса $M(H_2O) = 18$ г/моль):

$n(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{12,15 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,675 \text{ моль}$

Количество вещества азота:

$n(N_2) = \frac{V(N_2)}{V_m} = \frac{1,68 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,075 \text{ моль}$

2. Найдем количество вещества атомов C, H, N в исходном соединении.

Весь углерод из соединения перешел в $CO_2$, поэтому:

$n(C) = n(CO_2) = 0,45 \text{ моль}$

Весь водород перешел в $H_2O$. В каждой молекуле воды 2 атома водорода:

$n(H) = 2 \cdot n(H_2O) = 2 \cdot 0,675 \text{ моль} = 1,35 \text{ моль}$

Весь азот перешел в $N_2$. В каждой молекуле азота 2 атома азота:

$n(N) = 2 \cdot n(N_2) = 2 \cdot 0,075 \text{ моль} = 0,15 \text{ моль}$

3. Рассчитаем массы элементов в исходной навеске вещества, используя молярные массы: $M(C) = 12$ г/моль, $M(H) = 1$ г/моль, $M(N) = 14$ г/моль.

$m(C) = n(C) \cdot M(C) = 0,45 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 5,4 \text{ г}$

$m(H) = n(H) \cdot M(H) = 1,35 \text{ моль} \cdot 1 \text{ г/моль} = 1,35 \text{ г}$

$m(N) = n(N) \cdot M(N) = 0,15 \text{ моль} \cdot 14 \text{ г/моль} = 2,1 \text{ г}$

4. Проверим, содержится ли в соединении кислород. Для этого сложим массы найденных элементов и сравним с исходной массой соединения.

$m(C) + m(H) + m(N) = 5,4 \text{ г} + 1,35 \text{ г} + 2,1 \text{ г} = 8,85 \text{ г}$

Полученная масса равна исходной массе органического соединения (8,85 г). Это означает, что кислород в состав соединения не входит.

5. Установим простейшую (эмпирическую) формулу соединения, найдя соотношение количеств веществ элементов:

$x : y : z = n(C) : n(H) : n(N) = 0,45 : 1,35 : 0,15$

Для получения целочисленного соотношения разделим все значения на наименьшее (0,15):

$x = \frac{0,45}{0,15} = 3$

$y = \frac{1,35}{0,15} = 9$

$z = \frac{0,15}{0,15} = 1$

Простейшая формула соединения — $C_3H_9N$.

6. Определим молекулярную формулу. По условию, молекула соединения содержит один атом азота. В нашей простейшей формуле $C_3H_9N$ также содержится один атом азота. Следовательно, простейшая формула является и молекулярной.

Молекулярная формула соединения — $C_3H_9N$.

7. Приведем структурные формулы всех возможных изомеров для $C_3H_9N$. Данная формула соответствует насыщенным аминам.

Первичные амины (аминогруппа $-NH_2$ связана с одним атомом углерода):

а) Пропан-1-амин (н-пропиламин): $CH_3-CH_2-CH_2-NH_2$

б) Пропан-2-амин (изопропиламин): $CH_3-CH(NH_2)-CH_3$

Вторичные амины (атом азота связан с двумя атомами углерода):

в) N-метилэтанамин (этилметиламин): $CH_3-CH_2-NH-CH_3$

Третичные амины (атом азота связан с тремя атомами углерода):

г) N,N-диметилметанамин (триметиламин): $(CH_3)_3N$

Ответ:

Молекулярная формула искомого соединения: $C_3H_9N$.

Структурные формулы веществ, удовлетворяющих условию задачи:

1. Пропан-1-амин: $CH_3-CH_2-CH_2-NH_2$

2. Пропан-2-амин: $CH_3-CH(NH_2)-CH_3$

3. N-метилэтанамин: $CH_3-CH_2-NH-CH_3$

4. N,N-диметилметанамин: $(CH_3)_3N$