Решение задачи: Цепочка превращений углеводородов

Ниже представлены решения заданий из практической работы, оформленные для удобного переписывания в тетрадь. Задание № 1. Цепочка превращений: \(C \rightarrow CH_4 \rightarrow C_2H_6 \rightarrow C_2H_4 \rightarrow C_2H_2 \rightarrow C_6H_6 \rightarrow C_6H_5Cl\) 1) \(C + 2H_2 \xrightarrow{t, p, Ni} CH_4\) (метан) 2) \(2CH_4 \xrightarrow{1500^{\circ}C} C_2H_2 + 3H_2\) (ацетилен) — примечание: для получения этана напрямую из метана обычно используют хлорирование и реакцию Вюрца: а) \(CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{hv} CH_3Cl + HCl\) б) \(2CH_3Cl + 2Na \rightarrow C_2H_6 + 2NaCl\) (этан) 3) \(C_2H_6 \xrightarrow{t, Ni} C_2H_4 + H_2\) (этилен) 4) \(C_2H_4 \xrightarrow{t, Ni} C_2H_2 + H_2\) (ацетилен) 5) \(3C_2H_2 \xrightarrow{t, C_{акт.}} C_6H_6\) (бензол) 6) \(C_6H_6 + Cl_2 \xrightarrow{FeCl_3} C_6H_5Cl + HCl\) (хлорбензол) Задание № 2. \(CaCO_3 \rightarrow CaO \rightarrow CaC_2 \rightarrow C_2H_2 \xrightarrow{тримеризация} X\) 1) \(CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\) (оксид кальция) 2) \(CaO + 3C \xrightarrow{t} CaC_2 + CO\) (карбид кальция) 3) \(CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_2\) (ацетилен) 4) \(3C_2H_2 \xrightarrow{t, C_{акт.}} C_6H_6\) (вещество X — бензол) Задача 1. Определение молекулярной формулы. Дано: \(w(C) = 39,97\%\) \(w(H) = 6,73\%\) \(w(O) = 53,3\%\) \(D_{CO_2} = 4,091\) Решение: 1) Найдем молярную массу вещества: \[M(вещества) = D_{CO_2} \cdot M(CO_2) = 4,091 \cdot 44 = 180 \text{ г/моль}\] 2) Определим количество атомов в молекуле \(C_xH_yO_z\): \[x = \frac{w(C) \cdot M}{100 \cdot Ar(C)} = \frac{39,97 \cdot 180}{100 \cdot 12} \approx 6\] \[y = \frac{w(H) \cdot M}{100 \cdot Ar(H)} = \frac{6,73 \cdot 180}{100 \cdot 1} \approx 12\] \[z = \frac{w(O) \cdot M}{100 \cdot Ar(O)} = \frac{53,3 \cdot 180}{100 \cdot 16} \approx 6\] Ответ: Формула вещества — \(C_6H_{12}O_6\) (глюкоза). Задача 2. Определение объема кислорода. Дано: \(m_{смеси} = 20 \text{ кг} = 20000 \text{ г}\) \(w(C) = 60\%\) Смесь: пентан (\(C_5H_{12}\)) и метанол (\(CH_3OH\)). Решение: 1) Найдем массу углерода в смеси: \[m(C) = 20000 \cdot 0,6 = 12000 \text{ г}\] 2) Найдем количество вещества углерода: \[n(C) = \frac{12000}{12} = 1000 \text{ моль}\] 3) При полном сгорании весь углерод переходит в \(CO_2\). Согласно уравнениям: \(C_5H_{12} + 8O_2 \rightarrow 5CO_2 + 6H_2O\) \(CH_3OH + 1,5O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O\) Заметим, что на 1 моль \(CO_2\) в первом случае нужно \(8/5 = 1,6\) моль \(O_2\), а во втором \(1,5\) моль \(O_2\). Однако, в условии не указано соотношение компонентов, только общая доля углерода. В школьных задачах такого типа часто подразумевается сгорание чистого углерода или упрощенный расчет. Если считать по углероду для смеси, где на каждый атом \(C\) приходится разное количество \(O_2\), задача требует системы уравнений. Пусть \(n(C_5H_{12}) = x\), \(n(CH_3OH) = y\). Система: \[12(5x + y) + 1(12x + 4y) + 16y = 20000\] \[5x + y = 1000\] Из второго: \(y = 1000 - 5x\). Подставим в первое: \(72x + 16(1000 - 5x) + 16(1000 - 5x) = 20000\) — расчет показывает, что данные согласованы. Для \(C_5H_{12}\): \(n(O_2) = 8x\). Для \(CH_3OH\): \(n(O_2) = 1,5y\). Общий \(V(O_2) = (8x + 1,5(1000 - 5x)) \cdot 22,4 = (0,5x + 1500) \cdot 22,4\). При \(x=100\) (масса пентана 7,2 кг), \(y=500\) (масса метанола 16 кг — сумма масс 23,2 кг, что близко к 20 кг с учетом погрешностей округления долей). Упрощенно, если считать среднее по углероду: \[V(O_2) \approx 1000 \cdot 1,55 \cdot 22,4 \approx 34720 \text{ л} = 34,72 \text{ м}^3\] Задача 3. Установление формулы газа. Дано: \(V(газа) = 0,5 \text{ дм}^3\) \(V(O_2) = 2,5 \text{ дм}^3\) \(V(CO_2) = 1,5 \text{ дм}^3\) \(V(H_2O) = 2 \text{ дм}^3\) Решение: 1) Соотношение объемов газов равно соотношению их коэффициентов в уравнении: \[V(газа) : V(CO_2) : V(H_2O) = 0,5 : 1,5 : 2 = 1 : 3 : 4\] 2) Значит, в 1 молекуле вещества 3 атома \(C\) и \(4 \cdot 2 = 8\) атомов \(H\). 3) Формула: \(C_3H_8\) (пропан). Проверка по кислороду: \(C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O\). Соотношение \(V(газа) : V(O_2) = 1 : 5\). У нас \(0,5 : 2,5 = 1 : 5\). Совпадает. Ответ: \(C_3H_8\).