Alcani Iii [PDF]

Zitiervorschau

Capitolul 2. Probleme rezolvate Modele de probleme pentru capitolul alcani Problema 1. Prin arderea unei cantități de etan, se obțin 112 mL CO2 (c.n). Calculează: a) Volumul (mL) și masa (mg) și numărul de mmoli de etan folosiți în reacție; b) Numărul de mmoli de apă rezultați din reacție; c) Volumul de aer cu 20% O2 necesar arderii etanului. Rezolvare Dacă reacția are loc la parametrii normali sau condiții normale (c.n.) atunci se știe că temperatura va fi de 273 K, presiunea de 1 atm. Se scrie reacția de ardere a etanului: C2H6 + O2

2CO2 + 3 H2O + Q

a) Pentru a răspunde la subpunct, vom lucra pe ecuația reacției: 22,4 L/ mol 2∙ 22,4 L/mol C2H6 + O2 x

2CO2 + 3 H2O + Q 0,112 L

x=

0,056 L= 56 mL C2H6

Întotdeauna datele din problemă, se scriu sub reactanți, iar volumul molar, masa moleculară sau nr. de moli se scriu deasupra reactanților. Foarte important e să lucrăm în aceeași unitate de masură, de exemplu cum am avut mai sus volumul molar e exprimat în litri, atunci și datele problemei trebuie transformate, din mL în L sau mg în grame, mmoli în moli. Deci, am determinat volumul, urmează masa și numărul de mmoli. Din relația n =

, avem n=

0,0025 moli etan= 2,5 mmoli, iar

pentru determinarea masei avem următoarea relație: m= n∙M, unde M este masa moleculară a etanului. Metan= 2∙12+ 6= 30 g/mol m= 0,0025∙30= 0,075g= 75 mg etan. b) Pentru a afla numărul de mmoli de apă, ne folosim de ecuația reacției: 2∙22,4 3∙22,4

C2H6 + O2

2CO2 + 3 H2O + Q 0,112

x= n=

x

0,168 L H2O 0,075 moli = 7,5 mmoli apă.

c) Pentru a afla volumul de aer avem nevoie de volumul de oxigen, în problemă ni se dă procentul de oxigen din aer și anume 20 %. Lucrăm din nou pe ecuația reacției: ∙22,4 C2H6 + O2 x x=

2∙22,4 2CO2 + 3 H2O + Q 0,112 L = 0,196 L O2

Știind procentul de oxigen, avem următoarea regulă de trei simplă: 100 L aer........................20 L oxigen y L aer............................0,196 L oxigen y=

0,98 L aer sau atunci când ni se dă în

problemă procentul de O2, de 20%, putem folosi și relația vaer= 5∙vO2. Transformări în unităţile de măsură cerute de S.I: 1 g = 1000 mg

Problema 2.

1 L= 1000 mL

Se ard 20 mL dintr-un amestec1de metan şi etan cu mol= 1000mmo li 275 mL aer ( 20% O2),stabileşte compoziţia în procente de volum a celor două hidrocarburi. Rezolvare

Ştim volumul total al amestecului de metan şi etan, vtotal= 20mL= 0,02L, notăm cu x volumul de metan şi cu y volumul de etan. Prima relaţie care se formează este: x+y=20 mL Ştim că volumul de aer consumat pentru arderea celor doi alcani este de 275 mL= 0,275 L cu concentraţia de oxigen de 20%, deci vom folosi relaţia vaer= 5·vO2, din care rezultă că volumul de oxigen este: vO2=

=

0,055 L

Următoarea etapă vom scrie reacţiile de ardere ale celor doi alcani, vom eprima volumele de oxigen necesare celor două reacţii: 22,4 2·22,4 CH4 + 2O2 x x1 x1=

22,4

CO2 + 2H2O + Q

22,4

C2H6 + O2 y

X1=2x

= 2x, x1= 2x

2CO2 + 3 H2O + Q

x2 x2=

Deci vom forma sistemul de ecuaţii:

3,5y 3,5y, x2X=2=3,5y

, rezolvând

sistemul de ecuaţii vom avea următoarele valori, x= 0,01 L CH4, y= 0,01 L C2H6. Compoziţia procentuală a amestecului de alcani va fi următoarea: 0,02 L amestec metan şi etan............0,01 L metan.......0,01 L etan 100 L amestec metan şi etan............ C1.......................... C2 C1= 50% metan C2= 50% etan.

Problema 3. Un volum de metan este supus clorurării la 500°C îm urma acestui proces rezultă un amestec de monoclorometan , diclorometan, triclorometan şi tetraclorometan în raport molar de 3:2:1:1. Din acidul clorhidric rezultat se obţin 3,5 L soluţie de 2 M. a) Scrie ecuaţiile reacţiilor chimice; b) Calculează volumul de metan la presiunea de 1 atm şi 500°C supus clorurării; c) Determină volumul de clor necesar ştiind că acesta s-a transformat în proporţie de 90%. Rezolvare a) Ecuaţiile reacţiilor chimice sunt următoarele: CH4 + Cl2

CH3Cl + HCl Monoclorometan

(I)

CH4 + 2Cl2

CH2Cl2+ 2HCl Diclorometan CHCl3 + 3HCl Triclorometan

(II)

CH4 + 3Cl2 CH4 +4 Cl2

(III)

CCl4 + 4HCl ( IV) Tetraclorometan

b) Pentru a afla volumul total de metan consumat la clorurare trebuie să determinăm prima dată volumul de metan consumat pentru fiecare reacţie în parte, deci vom nota cu x volumul de metan consumat la prima reacţie (I), cu y volumul de metan consumat la a doua reacţie, z volumul consumat la a treia reacţie şi t volumul consumat la a patra reacţie. Exprimăm raportul molar ştiut din datele problemei conform reacţiilor chimice:

CH4 + Cl2 x x

CH3Cl + HCl x x

(I)

CH4 + 2Cl2 y 2y CH4 + 3Cl2 z 3z

CH2Cl2+ 2HCl y 2y CHCl3 + 3HCl z 3z

CH4 +4 Cl2 t 4t

CCl4 + 4HCl t 4t

(II) (III) ( IV)

x:y:z:t= 3:2:1:1, conform raportului molar dat în problemă, putem scrie următoarele rapoarte:

=

y=

=

z = , dar y =

=

z=t=

şi atunci rezultă z=

Din datele problemei putem calcula masa de HCl, deoarece ştim volumul soluţiei şi concentraţia molară, folosind formula concentraţiei molare deducem masa de acid clorhidric: Cm=

, deci md= Cm·MHCl· vsoluţiei

md= 2·36,5·3,5= 255,5 g HCl Transformăm în moli deoarece pe ecuaţiile reacţiilor lucrăm în moli, deci n= 7 moli HCl Conform reacţiilor putem afla numărul total de moli de HCl, avem: ntotal x+2y+3z+4t= 7 moli x+

+

+

= 7, vom avea 14x=21

x= = 1,5 moli HCl

Numărul de moli de metan conform reacţiilor chimice:

=

x+y+z+t= x+

+ + =

=

= 3,5 moli CH4

VCH4= 3,5·22,4 L/mol= 78,4 L Trebuie să calculăm volumul de metan la temperatura de 500°C şi la presiunea de 1 atm: Temperatura trebuie transformată în grade Kelvin, după relaţia: T(K)=T (°C)+273,15 T= 500+273,15=773,15 K Folosim legea Gay-Lussac ( p= const.) şi vom avea următoarea relaţie: =

V=

=

= 222 L

c) Trebuie să calculăm prima dată numărul total de moli de clor, conform reacţiilor numărul total de moli de clor este egal cu cel de acid clorhidric, iar numărul total de moli de HCl este 7 moli. ntotal x+2y+3z+4t= 7 moli x+

+

+

=7

x= 1,75 moli Cl2 , mCl2= 124,25 g

Ştim din datele problemei că s-a transformat din clor un procent de 90%, prin regula de trei simplă raportăm la cantitatea aflată de pe reacţie: Din 100 g Cl2 iniţial................90 g Cl2 transformat 124,25 g Cl2........................... X1 g Cl2 transformat X1= 111,825 g clor transformat Transformat în moli, avem nclor= 1,575 moli, iar volumul va avea valoarea de 35,28L clor, folosind relaţia Vclor= n·Vmolar, Vmolar= 22,4 L/mol.

Problema 4.

Pentru arderea completă a 10 mL dintr-un alcan gazos A sunt necesari 50 mL de oxigen. Stabileşte formula lui A ( volumele sunt măsurate în acelaşi condiţii de temperatură şi presiune). Rezolvare Ştim că formula generală a unui alcan este: CnH2n+2. Folosind formula generală a alcanilor scriem reacţie de ardere: CnH2n+2 +

O2

nCO2 + (n+1)H2O + Q

Înlocuind datele problemei( volumele de alcan şi oxigen sunt date în mL le transformăm în litri) în ecuaţia reacţiei vom avea: 22,4 L/mol

·22,4 L/mol

CnH2n+2 + 0,01 L

O2 0,05 L

· 22,4·0,01= 0,05·22,4 =1,12 = 1,12 0,672n+0,224= 2,24 0,672n= 2,24-0,224 n=

3.

Alcanul căutat este propanul, C3H8.

nCO2 + (n+1)H2O + Q

Problema 5. Identifică alcanii: a) Cu densitatea ρ= 1,3392 g/L; b) Cu daer= 1,5224; c) Cu dazot= 2,0714; d) Cu ddioxid de carbon= 1,6363. Rezolvare a) ρ= 1,3392g/L Din formula densităţii, ρ, putem deduce masa moleculară a alcanului şi anume: ρ= , dar masa şi volumul le putem exprimăm prin următoarele relaţii după care le înlocuim în formula generală a densităţii.

n=

m= n·M

n=

ρ= =

V= n· Vmolar

=

M= ρ·Vmolar = 1,3392 g/L· 22,4 L/mol=

29,91g= 30 g/mol Formula generală a alcanilor este: CnH2n+2 MCnH2n+2= 12n+2n+2= 14n+2 14n+2= 30 14n= 30-2 14n= 28

n=

=2

Alcanul este etanul, C2H6.

b) Avem densitatea alcanului față de aer, deci vom folosi formula: daer

,

de

unde vom deduce Malcan= Maer∙daer știm că Maer 28,9 g/mol. Malcan= 28,9 g/mol∙ 1,5224= 43,99g/mol= 44 g/mol Formula generală a alcanului este CnH2n+2. Masa moleculară este 14n+2= 44 14n= 44-2 14n= 42 n= 3, deci alcanul căutat este propanul, C3H8. c) Avem densitatea față de azot, vom avea nevoie de masa moleculară a azotului, iar densitatea este de 2,0714. dazot=

Malcan= dazot∙Mazot

Malcan= 2,0714∙28g/mol= 57,99 g/mol= 58 g/mol 14n+2= 58 14n=58-2 14n= 56, n= 4 Alcanul este butanul, C4H12. d) La acest punct avem exprimată densitatea alcanului față de CO2, dco2= 1,6363 dco2=

Malcan= Mco2∙dCO2

Malcan= 44 g/mol∙1,6363= 71,99=72 g/mol 14n+2= 72 14n=70 n= 5, alcanul este pentanul, C5H12.

Problema 6. La combustia completă a 25 mL de amestec de propan și etan rezultă 60 mL de CO2 ( volumele sunt măsurate în același condiții de temperatură și presiune). Stabilește: a) Compoziția în % volume a amestecului de hidrocarburi; b) Raportul molar al hidrocarburilor în amestec.

Rezolvare Avem un amestec de propan și etan, C3H8 și C2H6 supus combustiei( arderii totale). Vamestec= 25mL= 0,025 L Vco2= 60 mL= 0,06mL Scriem ecuațiile de ardere a celor doi alcani din amestec: C3H8 + 5O2 3 CO2 + 4H2O + Q1 C2H6 + O2

2CO2 + 3 H2O + Q

Considerăm: a L C3H8 și x L CO2 rezultat din I reacție?; b L C2H6 y L CO2 rezultat din a- II- a reacție. Înlocuim datele cunoscute pe ecuațiile reacțiilor: 22,4 C3H8 + 5O2 a 22,4 C2H6 + O2

3∙ 22,4 3 CO2 + 4H2O + Q1 x 2∙ 22,4 2CO2 + 3 H2O + Q 2

b x=

= 3b

y=

= 2a

Se va forma sistemul de ecuații:

y

, rezolvând sistemul de ecuații

vom obține a= 0,015 L C3H8 , b= 0,01L C2H6. Pentru a afla procentele de alcani din amestec, vom forma regula de trei simplă: În 0,025L amestec de alcani avem............. 0,015 L C3H8............. 0,01L C2H6 În 100 L amestec de alcani avem................C1..............................C2 C1= 40% propan C2= 60% etan.

Pentru a afla raportul molar trebuie să determinăm numărul de moli din fiecare alcan prezent în amestec: npropan= netan =

=0,0006 = 0,0004

Raportul dintre propan și etan este:

= 1,5.

Problema 7. Prin arderea unui amestec echimolecular a două hidrocarburi saturate omoloage se obțin 968 g dioxid de carbon și 468 g apă. Precizați care este denumirea hidrocarburii cu numărul de atomilor de carbon mai mare: a) propan; b) hexan; c) butan; d) pentan; e) heptan. Rezolvare Avem un amestec echimolecular de două hidrocarburi, ceea ce înseamnă același număr de moli din fiecare hidrocarbură, cele două hidrocarburi sunt omoloage adică urmează una după alta în seria omoloagă a alcanilor. Din aceste definiții putem forma următoarele relații: Notăm: CnH2n+2- alcanul inferior CmH2m+2- alcanul superior Avem prima relație: m=n + 1 (1)

m= n+1

Amestecul echimolecular îl exprimăm astfel: a moli CnH2n+2 a moli CmH2m+2 Scriem ecuația de ardere pentru cele două hidrocarburi: 1mol n (n+1) moli CnH2n+2 +

O2

a moli 1 mol CmH2m+2 +

nCO2 + (n+1) H2O + Q1 x m moli

O2

y (m+1) moli

mCO2 + (m+ 1) H2O + Q2

a moli z Transformăm masele de CO2 și H2O în moli: nCO2=

= 22 moli;

nH2O=

= 26 moli.

t

x= an moli dioxid de carbon; y=a(n+1) moli apă; z= am moli dioxid de carbon; t= a(m+1) moli apă. Se va forma sistemul de ecuații:

, din rezolvarea

sistemului vom deduce că n= 5, iar m= 6, dacă vom înlocui în prima relație de la începutul problemei, m=n+1. Răspunsul la problemă este hexan, alcanul cu numărul de atomi de carbon mai mare.

Problema 8. Se obține acid cianhidric prin amonoxidarea metanului dacă în procesul de fabricație s-au obținut 2,43 tone acid cianhidric cu un randament de 90%, să se determine: a) volumul de metan de puritate 99 % în volume măsurate în condiții normale utilizat în procesul de fabricație; b) volumele de azot și hidrogen măsurate în condiții normale necesare pentru obținerea amoniacului introdus în procesul de fabricație. Rezolvare Reacția de amonoxidare a metanului are loc în prezența catalizatorului de platină și la o temperatură de 1000°C, obținându-se acid cianhidric. CH4 + NH3+ O2

HCN + 3H2O Acid cianhidric

În problemă ni se spune că avem un randament de 90%, iar randamentul este definit de următoarea relație:

η=

∙ 100, unde

mp= masa practică, din datele problemei; mt= masa teoretică, obținută din calculul de pe reacție.

η=

∙ 100 , din această relație putem să detrminăm m , cunoscând masa t

practică, mp= 2,43 t HCN, din datele problemei. mt =

=

= 2,7 t= 2700 kg.

De pe ecuația reacției, vom determine volumul de CH4: a) 22,4 m3/kmoli 27 kg/kmoli CH4 + NH3+ O2

HCN + 3H2O

V

2700 kg 3

V= 2240 m CH4 Ni s-a dat în problemă puritatea metanului, iar datele de pe reacție sunt considerate mereu cantități pure, deci vom forma regula de trei simplă: 100 m3 metan impur.....................99 m3 metan pur x....................................................2240 m3 metan pur rezultat din reacție x= 2262,6 m3 metan impur b) Pentru a afla volumele de hidrogen și azot, trebuie să lucrăm cu ecuația de formare a amoniacului, volumul de amoniac este egal cu cel de metan: VNH3=VCH4= 2240 m3 22,4 3∙22,4 2∙22,4 N2+ 3H2 2NH3 V1 V2 2240 3 V1= 1120m azot V2= 3360 m3 hidrogen.