Определение простейшей и истинной формулы углеводорода
Вывод истинной формулы амина
Задача 87.
При сжигании неизвестного амина в кислороде было получено 1,344 л углекислого газа (н.у.), 1,35 г воды и 0,112 л азота (н.у.). Определите молекулярную формулу неизвестного вещества, если известно, что в одной молекуле амина содержится один атом азота. При изучении строения неизвестного вещества стало ясно, что оно содержит первичных атомов углерода в два раза больше вторичных атомов углерода, а третичных атомов углерода не содержит вовсе. Определите структурную формулу этого амина. Напишите реакцию его взаимодействия с азотистой кислотой.
Решение:
Рассчитаем количества углерода, водорода и азота в сожженом амине, получим:
n(CO2) = n(C) = V(CO2)/Vm =
= 1,344/22,4 = 0,06 моль;
n(Н2О) = n(Н2) = 2n(Н) =
= 2[m(Н2О)/M(Н2О)] = 2(1,35/18) = 0,15 моль;
n(N2) = n(N) = 2[V(N2)/Vm] =
= 2(0,112/22,4) = 0,01 моль.
Определим простейшую формулу вещества, обозначив числа атомов углерода, водорода и азота в простейшей формуле вещества соответственно через x, y и z.
Количества этих элементов равны соответственно 0,06 моль, 0,15 моль и 0,01 моль. Поэтому количества углерода, водорода и азота в составе вещества относятся как:
х : у : z = 0,06 : 0,15 : 0,01.
Чтобы выразить полученное отношение целыми числами, разделим все три его члена на наименьший из них, т.е. на 0,01, получим:
х : y : z = (0,06/0,01) : (0,15/0,01) : (0,01/0,01) = 6 : 15 : 1.
Получили набор наименьших целых чисел. Это дает возможность записать простейшую формулу вещества: С6Н15N1 или С6Н15N.
По условию задачи известно, что оно содержит первичных атомов углерода в два раза больше вторичных атомов углерода, а третичных атомов углерода не содержит вовсе. Предположительно, эта общая формула принадлежит дипропиламину - вторичный амин. Структурная формула дипропиламина имеет вид:
СН3-СН2-СН2-NH-CH2-CH2-CH3.
Реакция взаимодействия дипропиламина с азотистой кислотой:
СН3-СН2-СН2-NH-CH2-CH2-CH3 + HNO2 = СН3-СН2-СН2-N-CH2-CH2-CH3 + H2O.
|
N=O
N-нитрозодипропиламин: СН3-СН2-СН2-N(NO)-CH2-CH2-CH3.
Вывод истинной формулы галогеноводорода
Задача 88.
Навеску галогенопроизводного углеводорода массой 1,9125 г сожгли в избытке кислорода. Продукты реакции пропустили сначала через избыток раствора нитрата серебра (при этом выпало 3,5875 г осадка), а затем через избыток известковой воды (при этом образовалось 7,5 г осадка). Установите молекулярную формулу органического вещества, если плотность его паров по воздуху равна 2,638. Известно, что данное вещество можно получить из соответствующего алкена. Составьте уравнение реакции, укажите условия её протекания.
Решение:
1. Рассчитаем массу хлора в навеске (Сl)
Уравнение реакции имеет вид:
HCl + AgNO3 = HNO3 + AgCl↓.
Из уравнения реакции следует что из 1 моль HCl образуется 1 моль AgCl, т.е. n(НCl) = n(AgCl).
Тогда
n(НCl) = n(AgCl) = m(AgCl)/M(AgCl) = 3,5875/143,3212 = 0,02503 моль.
Так как n(Cl) = n(НCl), то n(Cl) = 0,02503 моль.
Отсюда
m(Cl) = n(Cl) . М(Cl) = 0,02503 . 35,461 = 0,88742 г.
2. Рассчитаем массу углерода в навеске (С)
Уравнение реакции имеет вид:
Сa(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O
Из уравнения реакции следует, что из 1 моль СО2 образуется 1 моль СаСО3, т.е. n(СО2) = n(СаСО3).
Тогда
n(СО2) = n(СаСО3) = m(СаСО3)/M(СаСО3) =
= 7,5/100 = 0,075 моль.
Так как n(С) = n(СО2), то n(C) = 0,075 моль.
Отсюда
m(C) = n(C) . М(C) = 0,075 . 12 = 0,9 г.
3. Рассчитаем массу водорода в навеске (Н), получим:
m(H) = m(навески) - m(Cl) - m(C) =
= 1,9125 - 0,88742 - 0,9 = 0,12508 г.
4. Рассчитаем массовые доли углерода, водорода и хлора в навескеБ получим:
w%(C) = m(C)/m(навески) =
= 0,9/1,9125 = 0,4706 или 47,06%;
w%(Н) = m(H)/m(навески) =
= 0,12508/1,9125 = 0,0654 или 6,54%;
w%(Cl) = m(Cl)/m(навески) =
= 0,88742/1,9125 = 0,4640 или 46,40%.
5. Определим простейшую формулу вещества
Обозначим числа атомов углерода, водорода и хлора в простейшей формуле вещества соответственно через x, y и z.
Атомные массы этих элементов равны соответственно 12, 1 и 35,461. Поэтому массы углерода, водорода и хлора в составе вещества относятся как 12х : 1у : 35,461z. С учетом массовых долей этих элементов это отношение будет иметь вид: 47,06% : 6,54% : 46,40%. Следовательно:
12х : 1у : 35,461z = 47,06%% : 6,54% : 46,40%.
Откуда
х : y : z = (47,06/12) : (6,54/1) : (46,40/35,461) =
= 3,92 : 6,54 : 1,31.
Чтобы выразить полученное отношение целыми числами, разделим все три его члена на наименьший из них, т.е. на 6,54, получим:
х : y : z = (3,92/6,54) : (6,54/6,54) : (1,31/6,54) = 0,6 : 1 : 0,2.
Еще раз для выражения отношения целыми числами, разделим все три его члена на наименьший из них, т.е. на 0,2, получим:
х : y : z = (0,6/0,2) : (1/0,2) : (0,2/0,2) = 3 : 5 : 1.
Получили набор наименьших целых чисел. Это дает возможность записать простейшую формулу вещества: С3Н5l1.
6. Рассчитаем значения молярных масс для простейшей формулы и исследуемого вещества
M(C3H5Cl1) = (12 . 3) + (1 . 5) + 35,461 =
= 76,46 ≈ 76,5 г/моль;
M(CxHyClz) = D(возд.) . М(возд.) =
= 2,638 . 29 ≈ 76,5 г/моль.
Истинная молярная масса сгоревшего вещества и молярная масса простейшей формулы совпадают, следовательно формула сгоревшего вещества имеет вид: C3H5Cl.
C3H5Cl соответствует формуле хлорциклопропана, который получают из циклопропена.
Определение истинной формулы алкена
Задача 89.
В результате пропускания алкена массой 33,6 г через избыток разбавленного раствора перманганата калия выпал осадок массой 54 г. Установите молекулярную формулу алкена.
Решение:
Общая формула алкенов CnH2n;
m(MnO2) = 54 г;
M(MnO2) = 86,9368 г/моль;
m(CnH2n) = 33,6 г.
Алкены окисляются водным раствором перманганата калия по общему уравнению:
ЗСnН2n + 2KМnO4 + 4Н2O = 3CnH2n(OH)2 + 2MnO2↓ + 2KOH.
Получается, что из 3 моль алкена массой 3.(12n + 2n) = 42n образуется 2 моль МnО2 (2 . 87 = 174 г).
Тогда
42n = 174
Откуда
n = 174/42 = 4. Значит, истинная формула алкена будет иметь вид: С4Н8.
Формула С4Н8 соответствует бутену.
Ответ: С4Н8.
Вывод молекулярной формулы исходного органического соединения при его сжигании
Задача 90.
При сгорании органического вещества массой 46,2 г выделилось 158,4 г углекислого газа и 27 г воды. Относительная плотность вещества по воздуху равна 5,31. Определите формулу и напишите реакцию горения этого вещества.
Решение:
Обозначим
Рассчитаем молярную массу органического вещества, получим:
СхНy = D(возд.) . М(возд.) = 5,31 . 29 = 154 г/моль.
Рассчитаем значение "х", получим
n(СО2) = n(С) = m(СО2)/M(СО2) = 158,4/44 = 3,6 моль;
m(С) = 3,6 моль . 12 = 43,2 г;
w%(C) = 43,2/46,2 = 0,935;
х = [М(CxHy) . w%(C)]/M(C) = (0,935 . 154)/12 = 12.
Рассчитаем значение "у", получим:
n(Н2О) = 1/2n(Н) = m(Н2О)/M(Н2О) = 27/18 = 1,5 моль;
n(Н) = 2n(Н2О) = (2 . 1,5 = 3 моль;
m(Н) = n(Н) . M(Н) = (3 . 1) = 3 г;
w%(H) = 3/46,2 = 0,0649;
y = [М(CxHy) . w%(H)]/M(H) = (0,0649 . 154)/1 = 10.
Это дает возможность записать простейшую формулу вещества: С12Н10.
Рассчитаем значение молярной массы для простейшей формулы:
M(С12Н10) = (12 . 12) + (10 . 1) = 154 г/моль.
Истинная молярная масса сгоревшего вещества и молярная масса простейшей формулы совпадают, следовательно формула сгоревшего вещества имеет вид: С12Н10.
С12Н10 соответствует формуле дифенила.
Реакцию горения этого вещества имеет вид:
2C12H10 + 29O2 = 24CO2 + 10H2O.
Определение эмпирической и молекулярной формулы кислоты
Задача 91.
Анализ органической кислоты, выделенной из продуктов жизнедеятельности растительного организма, показывает, что она содержит 40% углерода, 6,7% водорода и 53,3% кислорода. Относительная плотность по водороду равна 30,015. Определите эмпирическую и молекулярную формулу для этой кислоты.
Решение:
Запишем общую формулу органической кислоты, обозначив за "х" атом углерода, за "y" атом водорода, а за "z" - атом кислорода получим:
СxНyOz.
Атомные массы элементов углерода, водорода и кислорода равны соответственно 12 г/моль, 1 г/моль и 16 г/моль. Поэтому массы углерода, водорода и кислорода в составе вещества относятся как 12х : 1y : 16z. С учетом массовых долей этих элементов это отношение будет иметь вид: 40% : 6,7% : 53,3%. Следовательно:
12х : 1y : 16z = 40% : 6,7% : 53,3%.
Откуда
х : y :z = (40/12) : (6,7/1) : (53,3/16) = 3,33 : 6,7 : 3,33.
Еще раз для выражения отношения целыми числами, разделим все три его члена на наименьший из них, т.е. на 3,33, получим:
х : y :z = (3,33/3,33) : (6,7/3,33) : (3,33/3,33) = 1 : 2 : 1.
Получили набор наименьших целых чисел. Это дает возможность записать простейшую формулу вещества:
СxНyOz = С1Н2О1.
Рассчитаем молярные массы для простейшей формулы и исследуемого вещества, получим:
M(С1Н2О1) = (1 . 12) + (2 . 1) + (1 . 16) = 30 г/моль;
M(СxНyOz) = D(Н2) . М(Н2) = 30,015 . 2 ≈ 60 г/моль.
Истинная молярная масса органической кислоты и молярная масса простейшей формулы ее не совпадают, значит органическая кислота с формулой С1Н2О1 не существует.
Рассчитаем индекс, т.е. во сколько раз молярная масса вещества больше молярной массы простейшей формулы:
М(СxНyOz)/М(С1Н2О1) = 60/30 = 2.
Умножаем индексы в простейшей формуле на "2" и получаем истинную формулу: С2Н4О2.
Тогда
М(С2Н4О2) = 60 г/моль.
Эта формула соответствует уксусной кислоте, ее структурная формула имеет вид: СН3СООН.
Ответ: СН3СООН - уксусная кислота.
