Типы задач в задании 40. 1. Определение формулы вещества по массовым долям химических элементов или по общей формуле вещества; 2.Определение формулы вещества по продуктам сгорания; 2. Определение формулы вещества по химическим свойствам. Алгоритм решения подобных заданий также достаточно очевиден. 1) Определяем общую формулу гомологического ряда, к которому относится соединение Х. 2) Записываем реакцию исследуемого вещества Х с реагентом Y. 3) По массе Y (или конечного вещества Z) находим его количество. 4) По количеству Y или Z делаем вывод о количестве Х. 5) Зная массу Х и его кол-во, рассчитываем молярную массу исследуемого вещества. 6) По молярной массе X и общей формуле гомологического ряда можно определить молекулярную формулу Х. 7) Осталось записать ответ. 1. Общая формула гомологического ряда Наиболее часто используемые формулы сведены в таблицу: Гомологический ряд Общая формула Алканы CnH2n+2 Алкены CnH2n Алкины CnH2n-2 Диены CnH2n-2 Арены CnH2n-6 Предельные одноатомные спирты CnH2n+1ОН Предельные альдегиды CnH2n+1СОН Предельные монокарбоновые кислоты CnH2n+1СОOН 2. Уравнение реакции наиболее важные: 1) ВСЕ органические вещества горят в кислороде с образованием углекислого газа, воды, азота (если в соединении присутствует N) и HCl (если есть хлор): CnHmOqNxCly + O2 = CO2 + H2O + N2 + HCl (без коэффициентов!) 2) Алкены, алкины, диены склонны к реакциям присоединения (р-ции с галогенами, водородом, галогенводородами, водой): CnH2n + Cl2 = CnH2nCl2 CnH2n + H2 = CnH2n+2 CnH2n + HBr = CnH2n+1Br CnH2n + H2O = CnH2n+1OH Алкины и диены, в отличие от алкенов, присоединяют до 2 моль водорода, хлора или галогенводорода на 1 моль углеводорода: CnH2n-2 + 2Cl2 = CnH2n-2Cl4 CnH2n-2 + 2H2 = CnH2n+2 Для спиртов характерны реакции дегидратации (внутримолекулярной и межмолекулярной), окисления (до карбонильных соединений и, возможно, далее до карбоновых кислот). Спирты (в т.ч., многоатомные) реагируют с щелочными металлами с выделением водорода: CnH2n+1OH = CnH2n + H2O 2CnH2n+1OH = CnH2n+1OCnH2n+1 + H2O 2CnH2n+1OH + 2Na = 2CnH2n+1ONa + H2 Химические свойства альдегидов весьма разнообразны, однако здесь мы вспомним лишь об окислительно восстановительных реакциях: CnH2n+1COH + H2 = CnH2n+1CH2OH (восстановление карбонильных соединений в прис. Ni), CnH2n+1COH + [O] = CnH2n+1COOH Карбоновые кислоты проявляют все свойства "обычных" неорганических кислот: взаимодействуют с основаниями и основными оксидами, реагируют с активными металлами и солями слабых кислот (напр., с карбонатами и гидрокарбонатами). Весьма важной является реакция этерификации - образование сложных эфиров при взаимодействии со спиртами. CnH2n+1COOH + KOH = CnH2n+1COOK + H2O 2CnH2n+1COOH + CaO = (CnH2n+1COO)2Ca + H2O 2CnH2n+1COOH + Mg = (CnH2n+1COO)2Mg + H2 CnH2n+1COOH + NaHCO3 = CnH2n+1COONa + H2O + CO2 CnH2n+1COOH + C2H5OH = CnH2n+1COOC2H5 + H2O m = n*M или n = m/M Например, 710 г хлора (Cl2) соответствует 710/71 = 10 моль этого вещества, поскольку молярная масса хлора = 71 г/моль V = Vm*n, где Vm - молярный объем газа (22,4 л/моль при нормальных условиях). Задача 1. Относительная молекулярная масса предельного одноатомного спирта равна 46. Выведитете молекулярную формулу спирта. Общая формула гомологического ряда: CnH2n+1ОН. Относительная молекулярная масса складывается из массы n атомов углерода, 2n+2 атомов водорода и одного атома кислорода. Получаем уравнение: 12n + 2n + 2 + 16 = 46. Решая уравнение, получаем, что n = 2. Молекулярная формула спирта: C2H5ОН. Задача 2. На полное гидрирование 5,4 г некоторого алкина расходуется 4,48 л водорода (н. у.) Определите молекулярную формулу данного алкина. Решение. Общая формула гомологического ряда CnH2n-2. Гидрирование алкинов протекает в соответствии с уравнением: CnH2n-2 + 2Н2 = CnH2n+2. Количество вступившего в реакцию водорода можно найти по формуле n = V/Vm. В данном случае n = 4,48/22,4 = 0,2 моль. Уравнение показывает, что 1 моль алкина присоединяет 2 моль водорода, следовательно, n(CnH2n-2) = 0,1 моль. М(CnH2n-2) = m(масса)/n(количество) = 5,4/0,1 = 54 (г/моль). Относительная молекулярная масса алкина складывается из n атомных масс углерода и 2n-2 атомных масс водорода. Получаем уравнение: 12n + 2n - 2 = 54. Решаем линейное уравнение, получаем: n = 4. Формула алкина: C4H6. Ответ: C4H6. Задача 3. При сгорании 112 л (н. у.) неизвестного циклоалкана в избытке кислорода образуется 336 л СО2. Установите структурную формулу циклоалкана. Решение. Общая формула гомологического ряда циклоалканов: СnH2n. CnH2n + 1,5n O2 = n CO2 + n H2O В ходе реакции образовалось 336/22,4 = 15 моль углекислого газа. В реакцию вступило 112/22,4 = 5 моль углеводорода. 5 моль циклоалкана образуется 15 моль CO2, то на 5 молекул углеводорода образуется 15 молекул углекислого газа, т. е., одна молекула циклоалкана дает 3 молекулы CO2. Вывод: n = 3, формула циклоалкана - С3Н6. Задача 4. 116 г некоторого предельного альдегида нагревали длительное время с аммиачным раствором оксида серебра. В ходе реакции образовалось 432 г металлического серебра. Установите молекулярную формулу альдегида. Решение. Общая формула гомологического ряда предельных альдегидов: CnH2n+1COH. CnH2n+1COH + Ag2O = CnH2n+1COOH + 2Ag. CnH2n+1COH + 2[Ag(NH3)2]OH = CnH2n+1COONH4 + 2Ag + 3NH3 + H2O. При взаимодействии НСОН с аммиачным раствором оксида серебра выделяется 4 моль Ag на 1 моль альдегида: НCOH + 2Ag2O = CO2 + H2O + 4Ag. По массе выделившегося серебра можно найти количество данного металла: n(Ag) = m/M = 432/108 = 4 (моль). В соответствии с уравнением, на 1 моль альдегида образуется 2 моль серебра, следовательно, n(альдегида) = 0,5n(Ag) = 0,5*4 = 2 моль. Молярная масса альдегида = 116/2 = 58 г/моль Составим уравнение 12n + 2n +1 + 12 + 16+ 1= 58 n=2 Ответ: C2H5COH. Задача 5. При взаимодействии 3,1 г некоторого первичного амина с достаточным количеством HBr образуется 11,2 г соли. Установите формулу амина. Решение. Первичные амины (СnH2n+1NH2) при взаимодействии с кислотами образуют соли алкиламмония: СnH2n+1NH2 + HBr = [СnH2n+1NH3]+Br-. Закон сохранения массы: m(амина) + m(HBr) = m(соли), следовательно, m(HBr) = m(соли) - m(амина) = 11,2 - 3,1 = 8,1. По массе бромоводорода находим количество, n(HBr) = n(амина), M(амина) = 31 г/моль Составим уравнение 12n + 2n +1 + 14 +2= 31 n=1 Ответ: CH3NH2. Задача 6. Некоторое количество алкена Х при взаимодействии с избытком хлора образует 11,3 г дихлорида, а при реакции с избытком брома 20,2 г дибромида. Определите молекулярную формулу Х. Решение. Алкены присоединяют хлор и бром с образованием дигалогенпроизводных: СnH2n + Cl2 = СnH2nCl2, СnH2n + Br2 = СnH2nBr2. Используем один нестандартный прием. Молярная масса СnH2nCl2 равна 12n + 2n + 71 = 14n + 71 М(СnH2nBr2) = 14n + 160. Массы дигалогенидов известны. Найдём количества полученных веществ: n(СnH2nCl2) = m/M = 11,3/(14n + 71). n(СnH2nBr2) = 20,2/(14n + 160). По условию, количество дихлорида равно количеству дибромида. Этот факт дает нам возможность составить уравнение: 11,3/(14n + 71) = 20,2/(14n + 160). Данное уравнение имеет единственное решение: n = 3. Ответ: C3H6 Задача 7. При сгорании 0,31 г газообразного органического вещества выделилось 0,224 л углекислого газа, 0,45 г воды и 0, 112 л азота. Плотность вещества 1,384 г/мл, установите молекулярную формулу этого соединения и назовите его. Решение: СкHLOMN N + O X =K CO2 + L\2 H2O + N\2 N2 1) n = m/M, n = V/Vm, определим массы атомов элементов С; Н; N и установим, содержатся ли в сгоревшем веществе атомы кислорода. а) n (С) = n(СО 2 ) = 0,224/22,4= 0,01 моль (0,12 г) б) n (H) = 2n (H2O) = 2х 0,45/18=0,05 моль (0,05 г) в) n (N) = 2n (N2) = 2х 0,112/22,4=0,01 моль (0,14 г) 2) Сумма масс элементов (0,12+0,05+0,14) равна массе навески вещества (0,31 г), значит, кислород в веществе отсутствует. 3) исходя из полученных количеств веществ можно составить простейшую формулу K:L:N= 0,01:0,05:0,01= 1:5:1 Простейшая формула СH5N (М=31 г/моль). Это же и истинная формула, т.к. из условия М=1,384х22,4=31 г/моль. Этим соединением является метиламин СH3N H2. Задача 8. При сгорании 36,9 г газообразного органического вещества выделилось 79,2 л углекислого газа, 13,5 г воды и 3,36 л азота (объёмы газов измерены при н.у.). Установите молекулярную формулу сгоревшего соединения. Предложите возможную структурную формулу исходного соединения. Напишите уравнение реакции получения этого вещества из бензола. Решение: n (С) = n(СО 2 ) = 79,2/44= 1,8 моль n (H) = 2n (H2O) = 2х 13,5/18= 1,5 моль n (N) = 2n (N2) = 2х 3,36/22,4=0,3 моль Проверяем, содержится ли в веществе кислород. m (С) + m(H) + m (N)= 1,8х12 + 1,5х1 + 0,3х14 = 27,3 г Сумма масс элементов меньше массы навески вещества, значит, в веществе присутствует кислород. Найдем его массу и количество m (О)= 36,9 – 27,3 = 9,6 г n (О) = 9,6/16 = 0,6 моль Устанавливаем простейшую формулу вещества С :H:N:О = 1,8:1,5:0,3:0,6 = 6:5:1:2 Простейшая формула С 6H5NО 2 Исходное вещество - нитробензол, он получается при нитрировании бензола в присутствии концентрированной серной кислоты: С Н + HNO = C H NO + Н О Задача 9. При сжигании образца некоторого органического соединения массой 14,8 г получено 35,2 л углекислого газа и 18 г воды. Известно, что относительная плотность паров этого вещества по водороду равна 37. В ходе исследования химических свойств этого вещества установлено, что при взаимодействии этого вещества с оксидом меди (II) образуется кетон. На основании данных условия задания: • произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества; • запишите молекулярную формулу исходного органического вещества; • составьте структурную формулу этого вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле; • напишите уравнение реакции этого вещества с оксидом меди (II). По продуктам сгорания органическое вещество может содержать углерод, водород и кислород. Общая формула – СхHyOz n (С) = n(СО 2 ) = 35,2/22,4= 0,8 моль n (H) = 2n (H2O) = 2х 18/18= 2 моль m (О)= 14,8 – 0,8х12 - 2 = 3,2 г n (О) = 3,2/16 = 0,2 моль Найдём соотношения элементов: Х:Y: Z = 0,8:2:0,2 = 4:10:1 Вычисленная формула С 4H10О Вычислим молярную массу: М выч. (СхHyOz ) = 74 г/моль; Молекулярная формула исходного вещества С 4H10О Такую формулу может иметь простой эфир и предельный одноатомный спирт. Учитывая то, что при взаимодействии этого вещества с оксидом меди (2) образуется кетон, определяем, что это – спирт. Причем, гидроксогруппа находится у второго атома углерода. Составим структурную формулу вещества: СН3-СН-СН2-СН3 ОН бутанол – 2 Запишем уравнение реакции вещества с оксидом меди (2): СН3-СН-СН2-СН3 + СuО ОН СН3-С-СН2-СН3 + Сu +H2O О Задача 10. В результате сплавления органического вещества с гидроксидом натрия был получен алкан, 0,9 г которого занимают объём 672 л (н.у.). Известно, что исходное вещество относится к классу солей. В этом соединении количество атомов кислорода равно количеству атомов углерода. На основании данных условия задания: •произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества; •запишите молекулярную формулу исходного органического вещества; •составьте структурную формулу этого вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле; •напишите уравнение реакции сплавления исходного органического вещества с гидроксидом натрия. Рассчитаем молярную массу алкана: n (CnH2n+2) = 0,672/22,4 = 0,03 моль М (CnH2n+2) = 0,9/0,03 = 30г/моль Найдём количество атомов углерода и определим молекулярную формулу полученного алкана: М (CnH2n+2) = 12n + 2n +2 = 30 14 n = 28 n = 2; молекулярная формула алкана С 2H6 Известно, что исходное вещество относится к классу солей, то есть – это соль карбоновой кислоты, в функциональной группе содержится два атома кислорода. Учитываем условие равенства числа атомов кислорода и углерода и установим структурную формулу исходного органического вещества: NaOOC CH2 CH2 COONa Составим уравнение реакции сплавления исходного органического вещества с гидроксидом натрия: NaOOC CH2 CH2 COONa + 2NaOН = С 2H6 + 2Na2 CO3 Задача 11. Некоторая предельная карбоновая одноосновная кислота массой 6 г требует для полной этерификации такой же массы спирта. При этом получается 10,2 г сложного эфира. Установите молекулярную формулу кислоты. Запишем уравнение реакции этерификации в общем виде: RCOOH + R’OH ⇔ RCOOR' + Н2О Вычислим массу и количество вещества воды, учитывая тот факт, что она равна разнице между суммой масс кислоты и спирта и массой образовавшегося сложного эфира: m (Н2О) = (6+6) – 10,2 = 1,8 г n (H2O) = 1,8/18 = 0,1 моль n (RCOOH) = n (H2O) = 0,1 моль Далее определяем молярную массу кислоты М(RCOOH)= m/ n = 6/0,1 = 60 г/моль Устанавливаем формулу кислоты: М (R) = 60-12-32-1=15 г/моль, следовательно, радикалом является метил - СН3 Соответственно, молекулярная формула кислота - СН3 COOH Задача 12. При сгорании 4,48 л (н.у.) газообразного органического вещества получили 35,2 г углекислого газа и 10,8 мл воды. Плотность этого вещества составляет 2,41 г/л (н.у.). Известно также, что это вещество не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра, апри реакции с избытком бромной воды происходит присоединение атомов брома только ко вторичным атомам углерода. На основании данных условия задания: 1)произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества; 2)запишите молекулярную формулу органического вещества; 3)составьте структурную формулу исходного вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле; напишите уравнение реакции этого вещества с избытком бромной воды. По продуктам сгорания органическое вещество может содержать углерод, водород и кислород. Общая формула – СхHyOz Найдём количество вещества продуктов сгорания: n (С) = n(СО 2 ) = 35,2/44= 0,8 моль n (H) = 2n (H2O) = 2х10,8/18= 1,2 моль М (СхHyOz)= 2,41х22,4=54 г/моль n (СхHyOz)= 4,48/22,4=0,2 моль Определим молекулярную формулу вещества: n (С) = 0,8 моль n (H) = 1,2 моль х = n (С)/ n (СхHyOz) =0,8/0,2=4 y = n (H)/ n (СхHyOz) = 1,2/0,2 = 6 4х12 + 6 + z х 16 = 30 Z=0 Молекулярная формула - С 4H6 Составляем структурную формулу вещества: С H3 С С H3 С Составляем уравнение реакции этого вещества с избытком бромной воды: Н3СС ССН3 + 2 Br2 Н3ССBr2 СBr2 СН3 Задача 13. Углеводород массой 16,2 г обработали избытком аммиачного раствора оксида серебра. В результате реакции образовался осадок массой 48,3 г. Определить, какой углеводород вступил в реакцию. Решение. С аммиачным раствором оксида серебра из класса углеводородов может взаимодействовать ацетилен или любой другой алкин, у которого тройная связь находится у крайнего атома углерода (реакции замещения). Допустим, что искомый углеводород- ацетилен. С2Н2 + Аg2О (NН3,t)→АgC≡CАg↓ +Н2О Найдем количество осадка ацетиленида серебра (I), составим соотношение между ним и ацетиленом, найдем массу ацетилена: n (С2Аg2)=m/M=48,3 г /240 г/моль=0,20125 моль n (С2Аg2): ν (С2Н2)=1:1 (по уравнению); n (С2Н2)=0,20125 моль, m(С2Н2)= n ×M=5,23 г, а по условию углеводорода было 16,2 г, следовательно, наше предположение неверно. Напишем уравнение реакции через общую формулу: 2СnH2n-2 + Аg2О (NН3,t)→2СnН2n-3Аg↓ +Н2О Найдем количество осадка ацетиленида серебра (I), составим соотношение между ним и углеводородом, найдем молярную массу углеводорода: n (СnН2n-3Аg)=m/M=48,3/(14n+105) n (СnН2n-3Аg): ν(СnН2n-2)=2:2 (по уравнению); n (СnН2n-2)= 48,3/(14n+105) M(СnН2n-2)=m/ν =16,2× (14n+105)/48,3=0,335(14n+105)=4,7n+35,2 Составляем уравнение: 12n+2n-2=4,7n+35,2 n=4 Ответ:бутин-1. Задача 14. При сгорании 1 г легкокипящего углеводорода образуется 1,06 г воды, а при его гидратации в присутствии солей двухвалентной ртути получается кислородсодержащее соединение. В результате окисления углеводорода дихроматом калия в растворе серной кислоты получается масляная кислота и углекислый газ. Плотность паров углеводорода по водороду 34. Что собой представляет исходный углеводород? Напишите его структурную формулу и уравнения всех упомянутых реакций. Решение. Выйти на углеводород можно двумя способами. I способ. Из условия задачи ясно, что это- алкин, общая формула которого СnН2n-2. D(Н2)=M(СnН2n-2)/М(Н2) M(СnН2n-2)= D(Н2)×М(Н2)=34×2 г/моль=68 г/моль Составляем уравнение: 12n + 2n -2=68 14n=70 n=5, С5Н8 II способ. Неизвестный углеводород СхНy. Найдем количество вещества воды, количество водорода, количество углерода: n (Н2О)=m/M=1,06 г/18 г/моль=0,0589 моль, n (Н)=2ν(Н2О)=0,118 моль, m(Н)=0,118 г. m(С)=1 г-0,118 г=0,882 г, n (С)=m/M=0,882 г/12 г/моль=0,0735 моль. n(С):n (Н)=0,0735:0,118=5:8; простейшая формула С5Н8. Истинную формулу углеводорода найдем по формулам: D(Н2)=M(СхНy)/М(Н2) M(СхНy)= D(Н2)×М(Н2)=34×2 г/моль=68 г/моль. M(С5Н8)=68 г/моль. Следовательно, истинная формула совпадает с простейшей. Углеводород может быть диеном, алкином, циклоалкеном, однако, условию задачи удовлетворяет только один из них- пентин-1. СН3-СН2-СН2-С≡СН + НОН (Нg2+)→СН3-СН2-СН2-С(ОН)-СН3 пентанон-2 3СН3СН2СН2С≡СН +4К2Cr2О7 +16Н2SО4→3СН3СН2СН2 СН2СООН + 3СО2 + 4Сr2(SО4)3 + 4К2SО4 +16Н2О Ответ: пентин-1. Задача 15. Рассчитайте, какой объем водорода потребуется для полного гидрирования 10,08 л (н.у.) смеси алкина и бутадиена-1,3. Известно, что такой же объем алкина, который находится в смеси, в результате присоединения 6,72 л хлороводорода (н.у.) образует 16,95 г дихлорпроизводного. Определите формулы исходного алкина и дихлорпроизводного, назовите вещества. Решение. Составляем уравнения химических реакций: СnН2n-2+ 2Н2→ СnН2n+2 (1) СН2=СН-СН=СН2 + 2Н2→С4Н10 (2) СnН2n-2+ 2НСl→ СnН2nСl2 (3) Найдем количество хлороводорода, составим соотношение по уравнению (3) между ним и алкином, найдем количество алкина и его молярную массу: n (НСl)=V/Vm=6,72 л/22,4 л/моль=0,3 моль, n (НСl): n (СnН2nСl2)=2:1 (по уравнению); n (СnН2nСl2)= 0,15 моль, M(СnН2nСl2)=m/n =16,95 г/0,15 моль=113 г/моль. Составляем уравнение: 12n+2n+71=113, n=3, молекулярная формулу алкина С3Н4. Найдем общее количество смеси пропина и бутадиена: ν(смеси)=V/Vm=10,08 л/22,4 л/моль=0,45 моль; количество вещества пропина в смеси равно 0,15 моль, значит, количество вещества бутадиена равно 0,45-0,15=0,3 моль. Составляем соотношение между количеством вещества пропина и водорода (ур-е 1), находим количество вещества водорода: ν(Н2): ν(С3Н4)=2:1 (по уравнению); ν(Н2)= 0,3 моль; Составляем соотношение между количеством вещества бутадиена и водорода (ур-е 2), находим количество вещества водорода: ν(Н2): ν(С4Н6)=2:1 (по уравнению); ν(Н2)= 0,6 моль. Общее количество вещества водорода равно 0,6+0,3=0,9 моль, V(Н2)=Vm×ν=0,9 моль×22,4 л/моль=20,16 л. Ответ: С3Н4, 20,16 л. Задача 16. Определите формулу предельного одноатомного спирта, если известно, что в реакции 6 г спирта с избытком натрия выделилось 1,12 л водорода. Решение: Составим уравнение реакции СnH2n+2O + Na = CnH2n+1ONa + 0,5Н2↑ Над уравнением реакции напишем данные согласно условию, а под уравнением – согласно уравнению. 6г СnH2n+1O Н + Na = CnH2n+1ONa + 0,5Н2↑ 14n+2+16 Составим пропорцию Решение уравнения даст значение n=3. 1,12 л 11,2 л Способ 2. Решение. Составим уравнение реакции СnH2n+2O + Na = CnH2n+1ONa + 0,5Н2↑ Найдем количество вещества водорода 1,12/22,4= 0,05 моль Следовательно, количество спирта в 2 раза больше 0,1моль 0,05моль СnH2n+2O + Na = CnH2n+1O Na + 0,5Н2↑ Рассчитаем теперь молярную массу спирта. М (спирта)= 6/0,1=60 г/моль Вычислим массу спирта в общем виде 12n+2n+18=60 Откуда n=3. М(СnH2n+2O)=14n+18=60 n=3. Следовательно, формула спирта равна C3H7ОН Спасибо за внимание!