IChO 1973 · Theory problem 6
Hydration of a mixture of two homologous hydrocarbons
A gaseous mixture containing two neighbour hydrocarbons of the same homologous series was 14.4 times as dense as hydrogen. This mixture with a volume of 16.8 dm³ was hydrated and 350 g of the solution were obtained when the products of hydration were absorbed in water. Ten grams of this solution were taken and heated in the presence of silver(I) oxide which was prepared from 70 cm³ of a 1 N silver(I) nitrate solution. Unreacted \(\ce{Ag2O}\) was dissolved in an aqueous ammonia solution and a residual precipitate was filtered off. The filtrate was acidified with nitric acid and addition of an excess of sodium bromide to it resulted in 9.4 g of a precipitate.
When the mixture of the hydrocarbons that remained unreacted, was mixed with a 50 % excess of hydrogen and transmitted above a heated Pt-catalyst, its resulting volume decreased to 11.2 dm³. Volumes of gases were measured in STP conditions.
Problems:
6.1 What hydrocarbons were in the starting mixture?
6.2 Write chemical equations for the above mentioned reactions.
6.3 Calculate the composition of the starting mixture in % by volume.
6.4 How much (in %) of each hydrocarbon was hydrated?
Official English text of the problem.
Answers
-
6.1 Ethyne (acetylene), \(\ce{C2H2}\),
C#C, and propyne (methylacetylene), \(\ce{C3H4}\),CC#C. -
6.2 The balanced equations are listed below; the analytical reactions are written in net ionic form. \[ \begin{aligned} &\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\\ &\ce{C3H4 + H2O -> CH3COCH3}\\ &\ce{2Ag+ + 2OH- -> Ag2O(s) + H2O}\\ &\ce{CH3CHO + Ag2O(s) -> CH3COOH + 2Ag(s)}\\ &\ce{Ag2O(s) + 4NH3 + H2O <=> 2[Ag(NH3)2]+ + 2OH-}\\ &\ce{[Ag(NH3)2]+ + 2H+ -> Ag+ + 2NH4+}\\ &\ce{NH3 + H+ -> NH4+}\\ &\ce{OH- + H+ -> H2O}\\ &\ce{Ag+ + Br- -> AgBr(s)}\\ &\ce{C2H2 + 2H2 ->[Pt] C2H6}\\ &\ce{C3H4 + 2H2 ->[Pt] C3H8} \end{aligned} \]
-
6.3 The starting mixture contained 80.0% ethyne and 20.0% propyne by volume.
-
6.4 58.3% of the ethyne and 100% of the propyne were hydrated.
Solution
Use the conventional rounded atomic masses appropriate to these data: \[ A_r(\mathrm H)=1,\quad A_r(\mathrm C)=12,\quad A_r(\mathrm{Ag})=108,\quad A_r(\mathrm{Br})=80, \] and the STP molar gas volume \[ V_m=22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
6.1 Identification of the hydrocarbons
The relative density with respect to hydrogen, [H][H], gives the mixture’s mean molar mass:
\[
\overline M=14.4\,M(\ce{H2})
=14.4(2.00)=28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
The silver experiment establishes that a hydration product reduces silver(I). Initially there were \(0.070\ \mathrm{mol}\) of silver(I), whereas the final silver bromide precipitate accounts for only \[ \frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \] The difference represents silver reduced to the metal.
Ordinary alkene hydration produces alcohols, which do not give this aldehyde oxidation reaction. In ordinary alkyne hydration, ethyne produces ethanal (acetaldehyde), CC=O, an aldehyde; higher alkynes produce ketones. Thus ethyne must be present.
Its neighbouring member in the same homologous series is propyne. Their molar masses, \[ M(\ce{C2H2})=26.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{C3H4})=40.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] bracket the observed mean of \(28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), as required.
6.2 Explanation of the reactions
The balanced equations are given in Answers 6.2.
Hydration of ethyne gives ethanal, while hydration of propyne gives propanone (acetone), CC(=O)C. In the usual acid-catalysed alkyne hydration, addition of water is followed by enol–carbonyl tautomerization.
Ethanal is oxidized to ethanoic acid (acetic acid), CC(=O)O. Each mole of ethanal reduces one mole of silver(I) oxide, producing two moles of metallic silver. Propanone does not undergo this aldehyde oxidation.
Silver(I) oxide can be prepared by adding hydroxide to the silver(I) nitrate solution. After oxidation, ammonia dissolves the remaining oxide by forming the soluble diamminesilver(I) ion, [NH3]->[Ag+]<-[NH3]. This ion has linear coordination around silver; the SMILES specifies the donor bonds but does not establish that geometry. Metallic silver remains as the precipitate that is filtered off.
Acidification with nitric acid, O=[N+]([O-])O, protonates ammonia and destroys the silver–ammonia complex. Addition of sodium bromide, [Na+].[Br-], then precipitates the remaining silver(I) as silver bromide.
The other molecular and ionic species in the analytical equations are:
| Species | SMILES |
|---|---|
| Water | O |
| Ammonia | N |
| Silver(I) ion | [Ag+] |
| Hydroxide ion | [OH-] |
| Hydrogen ion, used as aqueous acid–base shorthand | [H+] |
| Ammonium ion | [NH4+] |
| Bromide ion | [Br-] |
| Silver(I) oxide, ionic formula unit | [Ag+].[O-2].[Ag+] |
| Silver bromide, ionic formula unit | [Ag+].[Br-] |
The formula-unit SMILES for the solids do not represent their crystal lattices.
Complete hydrogenation over heated platinum gives ethane, CC, from ethyne and propane, CCC, from propyne. Each alkyne requires two moles of hydrogen per mole. The calculation in 6.4 will show that only ethyne actually remains for this stage.
6.3 Composition of the starting mixture
Let \(x\) be the mole fraction of ethyne. For gases measured under the same conditions, mole fraction equals volume fraction. Therefore, \[ 26.0x+40.0(1-x)=28.8, \] so \[ x=\frac{40.0-28.8}{40.0-26.0}=0.800. \]
Hence the volume composition is \[ \boxed{80.0\%\ \text{ethyne},\qquad 20.0\%\ \text{propyne}.} \]
The initial total amount was \[ n_0=\frac{16.8\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.750\ \mathrm{mol}. \] Thus, \[ n_0(\ce{C2H2})=0.800(0.750)=0.600\ \mathrm{mol}, \] \[ n_0(\ce{C3H4})=0.200(0.750)=0.150\ \mathrm{mol}. \]
6.4 Percentage of each hydrocarbon hydrated
For silver(I) nitrate, [Ag+].[O-][N+](=O)[O-], one mole supplies one equivalent of silver(I), so the \(1\ \mathrm N\) solution contains \(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) of silver(I). The initial amount of silver in the aliquot experiment was therefore
\[
n_{\mathrm{Ag,initial}}
=(0.070\ \mathrm{dm^3})(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})
=0.070\ \mathrm{mol}.
\]
The unreduced silver was recovered as silver bromide: \[ n_{\mathrm{Ag,unreduced}} =\frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \]
Consequently, \[ n_{\mathrm{Ag,reduced}}=0.070-0.050=0.020\ \mathrm{mol}. \]
Because one mole of ethanal produces two moles of silver, the \(10\ \mathrm g\) aliquot contained \[ n_{\text{ethanal,aliquot}}=\frac{0.020}{2} =0.010\ \mathrm{mol}. \]
The full \(350\ \mathrm g\) solution therefore contained \[ n_{\text{ethanal,total}} =0.010\left(\frac{350}{10}\right) =0.350\ \mathrm{mol}. \] Hydration produces one mole of ethanal per mole of ethyne, giving \[ n_{\text{ethyne,hydrated}}=0.350\ \mathrm{mol}. \]
Thus the percentage of ethyne hydrated was \[ \boxed{\frac{0.350}{0.600}\times100=58.3\%.} \] The amount of ethyne remaining was \[ 0.600-0.350=0.250\ \mathrm{mol}. \]
To determine propyne conversion, let \(u\) be the total number of moles of unhydrated alkynes. Complete hydrogenation requires \(2u\) moles of hydrogen. With a \(50\%\) excess, the amount added was \[ n_{\ce{H2},\mathrm{added}}=1.50(2u)=3u. \]
After hydrogenation, the gas contains \(u\) moles of alkanes and \(3u-2u=u\) moles of excess hydrogen. Its total amount is therefore \(2u\): \[ 2u=\frac{11.2\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.500\ \mathrm{mol}, \] giving \[ u=0.250\ \mathrm{mol}. \]
This equals the amount of ethyne already known to remain. Therefore no propyne remained: \[ n_{\text{propyne,unhydrated}}=0.250-0.250=0. \] All \(0.150\ \mathrm{mol}\) of the original propyne was hydrated: \[ \boxed{\text{Propyne hydrated}=100\%.} \]
As a volume check, the final gas consists of \(0.250\ \mathrm{mol}\) of ethane and \(0.250\ \mathrm{mol}\) of hydrogen, occupying \(5.60+5.60=11.2\ \mathrm{dm^3}\) at STP.
The solution was checked against the official solution. Where this solution differs from the official solution, the official solution contains an error or a misprint.
IChO 1973 · Theorieaufgabe 6
Hydratisierung eines Gemisches zweier homologer Kohlenwasserstoffe
Ein gasförmiges Gemisch zweier benachbarter Kohlenwasserstoffe derselben homologen Reihe hatte eine 14.4-mal so große Dichte wie Wasserstoff. Dieses Gemisch mit einem Volumen von 16.8 dm³ wurde hydratisiert; durch Absorption der Hydratisierungsprodukte in Wasser wurden 350 g Lösung erhalten. Zehn Gramm dieser Lösung wurden entnommen und in Gegenwart von Silber(I)-oxid erhitzt, das aus 70 cm³ einer 1 N Silber(I)-nitratlösung hergestellt worden war. Nicht umgesetztes \(\ce{Ag2O}\) wurde in einer wässrigen Ammoniaklösung gelöst, und der verbleibende Niederschlag wurde abfiltriert. Das Filtrat wurde mit Salpetersäure angesäuert; die Zugabe eines Überschusses an Natriumbromid ergab 9.4 g eines Niederschlags.
Als das Gemisch der nicht umgesetzten Kohlenwasserstoffe mit einem Überschuss von 50 % an Wasserstoff vermischt und über einen erhitzten Pt-Katalysator geleitet wurde, verringerte sich sein Volumen auf 11.2 dm³. Die Gasvolumina wurden unter Normbedingungen (STP) gemessen.
Aufgaben:
6.1 Welche Kohlenwasserstoffe waren im Ausgangsgemisch enthalten?
6.2 Geben Sie die Reaktionsgleichungen für die oben genannten Reaktionen an.
6.3 Berechnen Sie die Zusammensetzung des Ausgangsgemisches in Volumen-%.
6.4 Wie viel (in %) jedes Kohlenwasserstoffs wurde hydratisiert?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
6.1 Ethin (Acetylen), \(\ce{C2H2}\),
C#C, und Propin (Methylacetylen), \(\ce{C3H4}\),CC#C. -
6.2 Die ausgeglichenen Reaktionsgleichungen sind nachstehend aufgeführt; die analytischen Reaktionen sind als Nettoionengleichungen angegeben. \[ \begin{aligned} &\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\\ &\ce{C3H4 + H2O -> CH3COCH3}\\ &\ce{2Ag+ + 2OH- -> Ag2O(s) + H2O}\\ &\ce{CH3CHO + Ag2O(s) -> CH3COOH + 2Ag(s)}\\ &\ce{Ag2O(s) + 4NH3 + H2O <=> 2[Ag(NH3)2]+ + 2OH-}\\ &\ce{[Ag(NH3)2]+ + 2H+ -> Ag+ + 2NH4+}\\ &\ce{NH3 + H+ -> NH4+}\\ &\ce{OH- + H+ -> H2O}\\ &\ce{Ag+ + Br- -> AgBr(s)}\\ &\ce{C2H2 + 2H2 ->[Pt] C2H6}\\ &\ce{C3H4 + 2H2 ->[Pt] C3H8} \end{aligned} \]
-
6.3 Das Ausgangsgemisch enthielt 80.0 Volumen-% Ethin und 20.0 Volumen-% Propin.
-
6.4 58.3% des Ethins und 100% des Propins wurden hydratisiert.
Lösung
Wir verwenden die für diese Daten geeigneten üblichen gerundeten Atommassen: \[ A_r(\mathrm H)=1,\quad A_r(\mathrm C)=12,\quad A_r(\mathrm{Ag})=108,\quad A_r(\mathrm{Br})=80, \] und das molare Gasvolumen unter Normbedingungen (STP) \[ V_m=22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
6.1 Identifizierung der Kohlenwasserstoffe
Aus der relativen Dichte bezogen auf Wasserstoff, [H][H], ergibt sich die mittlere molare Masse des Gemisches:
\[
\overline M=14.4\,M(\ce{H2})
=14.4(2.00)=28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
Der Versuch mit Silber zeigt, dass ein Hydratisierungsprodukt Silber(I) reduziert. Anfangs lagen \(0.070\ \mathrm{mol}\) Silber(I) vor, während der abschließend erhaltene Silberbromidniederschlag nur \[ \frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol} \] entspricht. Die Differenz entspricht dem zum Metall reduzierten Silber.
Bei der üblichen Hydratisierung von Alkenen entstehen Alkohole, die diese Aldehydoxidation nicht zeigen. Bei der üblichen Hydratisierung von Alkinen entsteht aus Ethin Ethanal (Acetaldehyd), CC=O, ein Aldehyd; höhere Alkine ergeben Ketone. Daher muss Ethin vorhanden sein.
Das benachbarte Glied derselben homologen Reihe ist Propin. Ihre molaren Massen, \[ M(\ce{C2H2})=26.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{C3H4})=40.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] schließen den beobachteten Mittelwert von \(28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ein, wie es erforderlich ist.
6.2 Erläuterung der Reaktionen
Die ausgeglichenen Reaktionsgleichungen sind unter Antworten 6.2 angegeben.
Die Hydratisierung von Ethin ergibt Ethanal, während die Hydratisierung von Propin Propanon (Aceton), CC(=O)C, ergibt. Bei der üblichen säurekatalysierten Hydratisierung von Alkinen folgt auf die Addition von Wasser eine Enol-Carbonyl-Tautomerisierung.
Ethanal wird zu Ethansäure (Essigsäure), CC(=O)O, oxidiert. Jedes Mol Ethanal reduziert ein Mol Silber(I)-oxid, wobei zwei Mol metallisches Silber entstehen. Propanon geht diese Aldehydoxidation nicht ein.
Silber(I)-oxid lässt sich durch Zugabe von Hydroxid zur Silber(I)-nitratlösung herstellen. Nach der Oxidation löst Ammoniak das verbleibende Oxid unter Bildung des löslichen Diamminsilber(I)-Ions, [NH3]->[Ag+]<-[NH3]. Dieses Ion weist eine lineare Koordination um das Silber auf; der SMILES-Code gibt die Donorbindungen an, legt jedoch diese Geometrie nicht fest. Metallisches Silber bleibt als Niederschlag zurück, der abfiltriert wird.
Das Ansäuern mit Salpetersäure, O=[N+]([O-])O, protoniert Ammoniak und zerstört den Silber-Ammoniak-Komplex. Durch Zugabe von Natriumbromid, [Na+].[Br-], wird anschließend das verbleibende Silber(I) als Silberbromid gefällt.
Die weiteren molekularen und ionischen Spezies in den analytischen Gleichungen sind:
| Spezies | SMILES |
|---|---|
| Wasser | O |
| Ammoniak | N |
| Silber(I)-Ion | [Ag+] |
| Hydroxid-Ion | [OH-] |
| Wasserstoff-Ion, als Kurzschreibweise für Säure-Base-Reaktionen in wässriger Lösung verwendet | [H+] |
| Ammonium-Ion | [NH4+] |
| Bromid-Ion | [Br-] |
| Silber(I)-oxid, ionische Formeleinheit | [Ag+].[O-2].[Ag+] |
| Silberbromid, ionische Formeleinheit | [Ag+].[Br-] |
Die SMILES-Codes der Formeleinheiten der Feststoffe stellen deren Kristallgitter nicht dar.
Die vollständige Hydrierung über erhitztem Platin ergibt aus Ethin Ethan, CC, und aus Propin Propan, CCC. Jedes Alkin benötigt zwei Mol Wasserstoff pro Mol. Die Berechnung in 6.4 wird zeigen, dass für diesen Schritt tatsächlich nur Ethin übrig bleibt.
6.3 Zusammensetzung des Ausgangsgemisches
Es sei \(x\) der Stoffmengenanteil von Ethin. Bei Gasen, die unter denselben Bedingungen gemessen werden, ist der Stoffmengenanteil gleich dem Volumenanteil. Daher gilt \[ 26.0x+40.0(1-x)=28.8, \] also \[ x=\frac{40.0-28.8}{40.0-26.0}=0.800. \]
Somit lautet die Zusammensetzung nach Volumenanteilen \[ \boxed{80.0\%\ \text{Ethin},\qquad 20.0\%\ \text{Propin}.} \]
Die anfängliche Gesamtstoffmenge betrug \[ n_0=\frac{16.8\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.750\ \mathrm{mol}. \] Somit gilt \[ n_0(\ce{C2H2})=0.800(0.750)=0.600\ \mathrm{mol}, \] \[ n_0(\ce{C3H4})=0.200(0.750)=0.150\ \mathrm{mol}. \]
6.4 Hydratisierter Prozentsatz jedes Kohlenwasserstoffs
Bei Silber(I)-nitrat, [Ag+].[O-][N+](=O)[O-], liefert ein Mol ein Äquivalent Silber(I), sodass die \(1\ \mathrm N\)-Lösung \(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) Silber(I) enthält. Die anfängliche Silberstoffmenge im Versuch mit dem Aliquot betrug daher
\[
n_{\mathrm{Ag,initial}}
=(0.070\ \mathrm{dm^3})(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})
=0.070\ \mathrm{mol}.
\]
Das nicht reduzierte Silber wurde als Silberbromid zurückgewonnen: \[ n_{\mathrm{Ag,unreduced}} =\frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \]
Folglich gilt \[ n_{\mathrm{Ag,reduced}}=0.070-0.050=0.020\ \mathrm{mol}. \]
Da ein Mol Ethanal zwei Mol Silber ergibt, enthielt das \(10\ \mathrm g\)-Aliquot \[ n_{\text{Ethanal,Aliquot}}=\frac{0.020}{2} =0.010\ \mathrm{mol}. \]
Die gesamte Lösung von \(350\ \mathrm g\) enthielt daher \[ n_{\text{Ethanal,gesamt}} =0.010\left(\frac{350}{10}\right) =0.350\ \mathrm{mol}. \] Bei der Hydratisierung entsteht ein Mol Ethanal pro Mol Ethin, woraus sich ergibt \[ n_{\text{Ethin,hydratisiert}}=0.350\ \mathrm{mol}. \]
Somit betrug der hydratisierte Prozentsatz des Ethins \[ \boxed{\frac{0.350}{0.600}\times100=58.3\%.} \] Die verbleibende Stoffmenge an Ethin betrug \[ 0.600-0.350=0.250\ \mathrm{mol}. \]
Zur Bestimmung des Propinumsatzes sei \(u\) die Gesamtzahl der Mole nicht hydratisierter Alkine. Für die vollständige Hydrierung werden \(2u\) Mol Wasserstoff benötigt. Bei einem Überschuss von \(50\%\) betrug die zugegebene Stoffmenge \[ n_{\ce{H2},\mathrm{added}}=1.50(2u)=3u. \]
Nach der Hydrierung enthält das Gas \(u\) Mol Alkane und \(3u-2u=u\) Mol überschüssigen Wasserstoff. Seine Gesamtstoffmenge beträgt daher \(2u\): \[ 2u=\frac{11.2\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.500\ \mathrm{mol}, \] woraus folgt \[ u=0.250\ \mathrm{mol}. \]
Dies entspricht der bereits bekannten verbleibenden Stoffmenge an Ethin. Daher blieb kein Propin übrig: \[ n_{\text{Propin,nicht hydratisiert}}=0.250-0.250=0. \] Die gesamten \(0.150\ \mathrm{mol}\) des ursprünglich vorhandenen Propins wurden hydratisiert: \[ \boxed{\text{Propin hydratisiert}=100\%.} \]
Zur Kontrolle des Volumens: Das Gas besteht am Ende aus \(0.250\ \mathrm{mol}\) Ethan und \(0.250\ \mathrm{mol}\) Wasserstoff, die unter Normbedingungen (STP) ein Volumen von \(5.60+5.60=11.2\ \mathrm{dm^3}\) einnehmen.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen. Wo diese Lösung von der offiziellen Lösung abweicht, enthält die offizielle Lösung einen Fehler oder Druckfehler.
IChO 1973 · Teori sorusu 6
İki homolog hidrokarbondan oluşan bir karışımın hidratasyonu
Aynı homolog serinin ardışık iki üyesi olan hidrokarbonları içeren bir gaz karışımının yoğunluğu, hidrojenin yoğunluğunun 14.4 katıydı. Hacmi 16.8 dm³ olan bu karışım hidratasyona uğratıldı ve hidratasyon ürünlerinin suda soğurulmasıyla 350 g çözelti elde edildi. Bu çözeltiden on gram alındı ve 70 cm³ 1 N gümüş(I) nitrat çözeltisinden hazırlanmış gümüş(I) oksit varlığında ısıtıldı. Tepkimeye girmeyen \(\ce{Ag2O}\), sulu amonyak çözeltisinde çözüldü ve geriye kalan çökelti süzülerek ayrıldı. Süzüntü nitrik asitle asitlendirildi ve üzerine aşırı miktarda sodyum bromür eklenmesi sonucunda 9.4 g çökelti oluştu.
Tepkimeye girmeden kalan hidrokarbonların karışımı, %50 fazlasıyla hidrojenle karıştırılıp ısıtılmış bir Pt katalizörü üzerinden geçirildiğinde, elde edilen gazın hacmi 11.2 dm³'e düştü. Gaz hacimleri standart sıcaklık ve basınç (STP) koşullarında ölçüldü.
Sorular:
6.1 Başlangıç karışımında hangi hidrokarbonlar bulunuyordu?
6.2 Yukarıda belirtilen tepkimelerin kimyasal denklemlerini yazınız.
6.3 Başlangıç karışımının bileşimini hacimce yüzde olarak hesaplayınız.
6.4 Her bir hidrokarbonun yüzde kaçı hidratasyona uğramıştır?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
6.1 Etin (asetilen), \(\ce{C2H2}\),
C#Cve propin (metilasetilen), \(\ce{C3H4}\),CC#C. -
6.2 Denkleştirilmiş denklemler aşağıda verilmiştir; analitik tepkimeler net iyon denklemleri biçiminde yazılmıştır. \[ \begin{aligned} &\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\\ &\ce{C3H4 + H2O -> CH3COCH3}\\ &\ce{2Ag+ + 2OH- -> Ag2O(s) + H2O}\\ &\ce{CH3CHO + Ag2O(s) -> CH3COOH + 2Ag(s)}\\ &\ce{Ag2O(s) + 4NH3 + H2O <=> 2[Ag(NH3)2]+ + 2OH-}\\ &\ce{[Ag(NH3)2]+ + 2H+ -> Ag+ + 2NH4+}\\ &\ce{NH3 + H+ -> NH4+}\\ &\ce{OH- + H+ -> H2O}\\ &\ce{Ag+ + Br- -> AgBr(s)}\\ &\ce{C2H2 + 2H2 ->[Pt] C2H6}\\ &\ce{C3H4 + 2H2 ->[Pt] C3H8} \end{aligned} \]
-
6.3 Başlangıç karışımı hacimce %80.0 etin ve %20.0 propin içeriyordu.
-
6.4 Etinin %58.3'ü ve propinin %100'ü hidratasyona uğramıştır.
Çözüm
Bu verilere uygun, yaygın olarak kullanılan yuvarlatılmış atom kütlelerini kullanalım: \[ A_r(\mathrm H)=1,\quad A_r(\mathrm C)=12,\quad A_r(\mathrm{Ag})=108,\quad A_r(\mathrm{Br})=80, \] ve STP koşullarındaki molar gaz hacmini alalım: \[ V_m=22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
6.1 Hidrokarbonların belirlenmesi
Hidrojene, [H][H], göre bağıl yoğunluk, karışımın ortalama molar kütlesini verir:
\[
\overline M=14.4\,M(\ce{H2})
=14.4(2.00)=28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
Gümüşle yapılan deney, bir hidratasyon ürününün gümüş(I)'i indirgediğini ortaya koyar. Başlangıçta \(0.070\ \mathrm{mol}\) gümüş(I) bulunurken, son gümüş bromür çökeltisindeki gümüş miktarı yalnızca \[ \frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \] Aradaki fark, metal hâline indirgenen gümüşü temsil eder.
Olağan alken hidratasyonu, bu aldehit yükseltgenme tepkimesini vermeyen alkolleri oluşturur. Olağan alkin hidratasyonunda etin, bir aldehit olan etanal (asetaldehit), CC=O, oluşturur; daha yüksek karbon sayılı alkinler ise ketonları oluşturur. Dolayısıyla karışımda etin bulunmalıdır.
Aynı homolog serideki komşu üyesi propindir. Molar kütleleri, \[ M(\ce{C2H2})=26.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{C3H4})=40.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] gerektiği gibi, gözlenen \(28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ortalama değerinin biri altında, diğeri üstündedir.
6.2 Tepkimelerin açıklanması
Denkleştirilmiş denklemler Cevaplar 6.2'de verilmiştir.
Etinin hidratasyonu etanal verirken, propinin hidratasyonu propanon (aseton), CC(=O)C, verir. Alkinlerin olağan asit katalizli hidratasyonunda, su katılmasını enol–karbonil tautomerleşmesi izler.
Etanal, etanoik aside (asetik asit), CC(=O)O, yükseltgenir. Her bir mol etanal, bir mol gümüş(I) oksidi indirgeyerek iki mol metalik gümüş oluşturur. Propanon bu aldehit yükseltgenmesine uğramaz.
Gümüş(I) oksit, gümüş(I) nitrat çözeltisine hidroksit eklenerek hazırlanabilir. Yükseltgenmeden sonra amonyak, çözünebilen diammin gümüş(I) iyonunu, [NH3]->[Ag+]<-[NH3], oluşturarak kalan oksidi çözer. Bu iyonun gümüş çevresindeki koordinasyonu doğrusaldır; SMILES gösterimi donör bağlarını belirtir, ancak bu geometriyi ortaya koymaz. Metalik gümüş, süzülerek ayrılan çökelti olarak kalır.
Nitrik asitle, O=[N+]([O-])O, asitlendirme amonyağı protonlar ve gümüş–amonyak kompleksini parçalar. Ardından sodyum bromür, [Na+].[Br-], eklenmesi, kalan gümüş(I)'i gümüş bromür olarak çöktürür.
Analitik denklemlerdeki diğer moleküler ve iyonik türler şunlardır:
| Tür | SMILES |
|---|---|
| Su | O |
| Amonyak | N |
| Gümüş(I) iyonu | [Ag+] |
| Hidroksit iyonu | [OH-] |
| Sulu ortamda asit–baz tepkimeleri için kısaltılmış gösterim olarak kullanılan hidrojen iyonu | [H+] |
| Amonyum iyonu | [NH4+] |
| Bromür iyonu | [Br-] |
| Gümüş(I) oksit, iyonik formül birimi | [Ag+].[O-2].[Ag+] |
| Gümüş bromür, iyonik formül birimi | [Ag+].[Br-] |
Katıların formül birimlerine ait SMILES gösterimleri, kristal örgülerini temsil etmez.
Isıtılmış platin üzerinde tam hidrojenasyon, etinden etan, CC, propinden ise propan, CCC, verir. Her bir mol alkin için iki mol hidrojen gerekir. 6.4'teki hesaplama, bu aşama için gerçekte yalnızca etinin kaldığını gösterecektir.
6.3 Başlangıç karışımının bileşimi
Etinin mol kesri \(x\) olsun. Aynı koşullarda ölçülen gazlar için mol kesri hacim kesrine eşittir. Dolayısıyla, \[ 26.0x+40.0(1-x)=28.8, \] buradan \[ x=\frac{40.0-28.8}{40.0-26.0}=0.800. \]
Böylece hacimce bileşim \[ \boxed{80.0\%\ \text{etin},\qquad 20.0\%\ \text{propin}.} \]
Başlangıçtaki toplam madde miktarı \[ n_0=\frac{16.8\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.750\ \mathrm{mol}. \] Dolayısıyla, \[ n_0(\ce{C2H2})=0.800(0.750)=0.600\ \mathrm{mol}, \] \[ n_0(\ce{C3H4})=0.200(0.750)=0.150\ \mathrm{mol}. \]
6.4 Her bir hidrokarbonun hidratasyona uğrayan yüzdesi
Gümüş(I) nitratın, [Ag+].[O-][N+](=O)[O-], bir molü bir eşdeğer gümüş(I) sağlar; dolayısıyla \(1\ \mathrm N\) çözelti, \(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) gümüş(I) içerir. Bu nedenle çözeltiden alınan kısımla yapılan deneyde başlangıçtaki gümüş miktarı
\[
n_{\mathrm{Ag,initial}}
=(0.070\ \mathrm{dm^3})(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})
=0.070\ \mathrm{mol}.
\]
İndirgenmemiş gümüş, gümüş bromür olarak geri kazanılmıştır: \[ n_{\mathrm{Ag,unreduced}} =\frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \]
Sonuç olarak, \[ n_{\mathrm{Ag,reduced}}=0.070-0.050=0.020\ \mathrm{mol}. \]
Bir mol etanal iki mol gümüş oluşturduğundan, alınan \(10\ \mathrm g\) çözelti kısmının içerdiği etanal miktarı \[ n_{\text{etanal,alınan kısım}}=\frac{0.020}{2} =0.010\ \mathrm{mol}. \]
Dolayısıyla \(350\ \mathrm g\) çözeltinin tamamının içerdiği etanal miktarı \[ n_{\text{etanal,toplam}} =0.010\left(\frac{350}{10}\right) =0.350\ \mathrm{mol}. \] Hidratasyonda her bir mol etinden bir mol etanal oluşur; buradan \[ n_{\text{etin,hidratasyona uğrayan}}=0.350\ \mathrm{mol}. \]
Böylece etinin hidratasyona uğrayan yüzdesi \[ \boxed{\frac{0.350}{0.600}\times100=58.3\%.} \] Geriye kalan etin miktarı \[ 0.600-0.350=0.250\ \mathrm{mol}. \]
Propinin dönüşümünü belirlemek için, hidratasyona uğramamış alkinlerin toplam mol sayısı \(u\) olsun. Tam hidrojenasyon için \(2u\) mol hidrojen gerekir. \(50\%\) fazlasıyla eklenen miktar \[ n_{\ce{H2},\mathrm{added}}=1.50(2u)=3u. \]
Hidrojenasyondan sonra gaz, \(u\) mol alkan ve \(3u-2u=u\) mol artan hidrojen içerir. Dolayısıyla toplam madde miktarı \(2u\) olur: \[ 2u=\frac{11.2\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.500\ \mathrm{mol}, \] buradan \[ u=0.250\ \mathrm{mol}. \]
Bu, geriye kaldığı bilinen etin miktarına eşittir. Dolayısıyla hiç propin kalmamıştır: \[ n_{\text{propin,hidratasyona uğramayan}}=0.250-0.250=0. \] Başlangıçtaki \(0.150\ \mathrm{mol}\) propinin tamamı hidratasyona uğramıştır: \[ \boxed{\text{Hidratasyona uğrayan propin}=100\%.} \]
Hacim kontrolü olarak, son gaz \(0.250\ \mathrm{mol}\) etan ve \(0.250\ \mathrm{mol}\) hidrojenden oluşur; bunlar STP koşullarında \(5.60+5.60=11.2\ \mathrm{dm^3}\) hacim kaplar.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1973 · Problema teórico 6
Hidratación de una mezcla de dos hidrocarburos homólogos
Una mezcla gaseosa que contenía dos hidrocarburos consecutivos de la misma serie homóloga tenía una densidad 14.4 veces mayor que la del hidrógeno. Se hidrató un volumen de 16.8 dm³ de esta mezcla y se obtuvieron 350 g de disolución al absorber en agua los productos de la hidratación. Se tomaron diez gramos de esta disolución y se calentaron en presencia de óxido de plata(I), preparado a partir de 70 cm³ de una disolución 1 N de nitrato de plata(I). El \(\ce{Ag2O}\) que no había reaccionado se disolvió en una disolución acuosa de amoníaco y se separó por filtración un precipitado residual. El filtrado se acidificó con ácido nítrico y, al añadirle un exceso de bromuro de sodio, se obtuvieron 9.4 g de un precipitado.
Cuando la mezcla de los hidrocarburos que no habían reaccionado se mezcló con un exceso del 50 % de hidrógeno y se hizo pasar sobre un catalizador de Pt caliente, el volumen resultante disminuyó hasta 11.2 dm³. Los volúmenes de los gases se midieron en condiciones normales de temperatura y presión (STP).
Cuestiones:
6.1 ¿Qué hidrocarburos había en la mezcla inicial?
6.2 Escriba las ecuaciones químicas de las reacciones mencionadas anteriormente.
6.3 Calcule la composición de la mezcla inicial en % en volumen.
6.4 ¿Qué porcentaje de cada hidrocarburo se hidrató?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
6.1 Etino (acetileno), \(\ce{C2H2}\),
C#C, y propino (metilacetileno), \(\ce{C3H4}\),CC#C. -
6.2 Las ecuaciones ajustadas se enumeran a continuación; las reacciones analíticas se escriben en forma iónica neta. \[ \begin{aligned} &\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\\ &\ce{C3H4 + H2O -> CH3COCH3}\\ &\ce{2Ag+ + 2OH- -> Ag2O(s) + H2O}\\ &\ce{CH3CHO + Ag2O(s) -> CH3COOH + 2Ag(s)}\\ &\ce{Ag2O(s) + 4NH3 + H2O <=> 2[Ag(NH3)2]+ + 2OH-}\\ &\ce{[Ag(NH3)2]+ + 2H+ -> Ag+ + 2NH4+}\\ &\ce{NH3 + H+ -> NH4+}\\ &\ce{OH- + H+ -> H2O}\\ &\ce{Ag+ + Br- -> AgBr(s)}\\ &\ce{C2H2 + 2H2 ->[Pt] C2H6}\\ &\ce{C3H4 + 2H2 ->[Pt] C3H8} \end{aligned} \]
-
6.3 La mezcla inicial contenía 80.0% de etino y 20.0% de propino en volumen.
-
6.4 Se hidrataron el 58.3% del etino y el 100% del propino.
Solución
Se utilizan las masas atómicas redondeadas convencionales adecuadas para estos datos: \[ A_r(\mathrm H)=1,\quad A_r(\mathrm C)=12,\quad A_r(\mathrm{Ag})=108,\quad A_r(\mathrm{Br})=80, \] y el volumen molar de los gases en condiciones STP \[ V_m=22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
6.1 Identificación de los hidrocarburos
La densidad relativa respecto al hidrógeno, [H][H], proporciona la masa molar media de la mezcla:
\[
\overline M=14.4\,M(\ce{H2})
=14.4(2.00)=28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
El experimento con plata demuestra que un producto de la hidratación reduce la plata(I). Inicialmente había \(0.070\ \mathrm{mol}\) de plata(I), mientras que el precipitado final de bromuro de plata solo corresponde a \[ \frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \] La diferencia representa la plata reducida al estado metálico.
La hidratación habitual de los alquenos produce alcoholes, que no presentan esta reacción de oxidación de aldehídos. En la hidratación habitual de los alquinos, el etino produce etanal (acetaldehído), CC=O, un aldehído; los alquinos superiores producen cetonas. Por tanto, debe haber etino.
El miembro consecutivo de su misma serie homóloga es el propino. Sus masas molares, \[ M(\ce{C2H2})=26.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{C3H4})=40.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] delimitan un intervalo que contiene la media observada de \(28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), como se requiere.
6.2 Explicación de las reacciones
Las ecuaciones ajustadas se indican en Respuestas 6.2.
La hidratación del etino da etanal, mientras que la hidratación del propino da propanona (acetona), CC(=O)C. En la hidratación habitual de los alquinos catalizada por un ácido, la adición de agua va seguida de una tautomerización enol–carbonilo.
El etanal se oxida a ácido etanoico (ácido acético), CC(=O)O. Cada mol de etanal reduce un mol de óxido de plata(I), produciendo dos moles de plata metálica. La propanona no experimenta esta oxidación de aldehídos.
El óxido de plata(I) puede prepararse añadiendo hidróxido a la disolución de nitrato de plata(I). Tras la oxidación, el amoníaco disuelve el óxido restante al formar el ion diaminoplata(I) soluble, [NH3]->[Ag+]<-[NH3]. Este ion presenta una coordinación lineal alrededor de la plata; el SMILES especifica los enlaces dativos, pero no establece esa geometría. La plata metálica permanece como el precipitado que se separa por filtración.
La acidificación con ácido nítrico, O=[N+]([O-])O, protona el amoníaco y destruye el complejo de plata–amoníaco. La adición posterior de bromuro de sodio, [Na+].[Br-], precipita la plata(I) restante como bromuro de plata.
Las demás especies moleculares e iónicas de las ecuaciones analíticas son:
| Especie | SMILES |
|---|---|
| Agua | O |
| Amoníaco | N |
| Ion plata(I) | [Ag+] |
| Ion hidróxido | [OH-] |
| Ion hidrógeno, utilizado como notación abreviada ácido–base en medio acuoso | [H+] |
| Ion amonio | [NH4+] |
| Ion bromuro | [Br-] |
| Óxido de plata(I), unidad fórmula iónica | [Ag+].[O-2].[Ag+] |
| Bromuro de plata, unidad fórmula iónica | [Ag+].[Br-] |
Los SMILES de las unidades fórmula de los sólidos no representan sus redes cristalinas.
La hidrogenación completa sobre platino caliente da etano, CC, a partir del etino y propano, CCC, a partir del propino. Cada alquino requiere dos moles de hidrógeno por mol. El cálculo de 6.4 mostrará que, en realidad, solo queda etino para esta etapa.
6.3 Composición de la mezcla inicial
Sea \(x\) la fracción molar de etino. Para gases medidos en las mismas condiciones, la fracción molar es igual a la fracción en volumen. Por tanto, \[ 26.0x+40.0(1-x)=28.8, \] de modo que \[ x=\frac{40.0-28.8}{40.0-26.0}=0.800. \]
Por consiguiente, la composición en volumen es \[ \boxed{80.0\%\ \text{etino},\qquad 20.0\%\ \text{propino}.} \]
La cantidad total inicial era \[ n_0=\frac{16.8\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.750\ \mathrm{mol}. \] Así, \[ n_0(\ce{C2H2})=0.800(0.750)=0.600\ \mathrm{mol}, \] \[ n_0(\ce{C3H4})=0.200(0.750)=0.150\ \mathrm{mol}. \]
6.4 Porcentaje de cada hidrocarburo que se hidrató
En el caso del nitrato de plata(I), [Ag+].[O-][N+](=O)[O-], un mol aporta un equivalente de plata(I), por lo que la disolución \(1\ \mathrm N\) contiene \(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) de plata(I). Por tanto, la cantidad inicial de plata en el experimento con la alícuota era
\[
n_{\mathrm{Ag,initial}}
=(0.070\ \mathrm{dm^3})(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})
=0.070\ \mathrm{mol}.
\]
La plata no reducida se recuperó como bromuro de plata: \[ n_{\mathrm{Ag,unreduced}} =\frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \]
En consecuencia, \[ n_{\mathrm{Ag,reduced}}=0.070-0.050=0.020\ \mathrm{mol}. \]
Como un mol de etanal produce dos moles de plata, la alícuota de \(10\ \mathrm g\) contenía \[ n_{\text{etanal,alícuota}}=\frac{0.020}{2} =0.010\ \mathrm{mol}. \]
Por tanto, los \(350\ \mathrm g\) de disolución contenían en total \[ n_{\text{etanal,total}} =0.010\left(\frac{350}{10}\right) =0.350\ \mathrm{mol}. \] La hidratación produce un mol de etanal por mol de etino, lo que da \[ n_{\text{etino,hidratado}}=0.350\ \mathrm{mol}. \]
Así, el porcentaje de etino que se hidrató fue \[ \boxed{\frac{0.350}{0.600}\times100=58.3\%.} \] La cantidad de etino restante era \[ 0.600-0.350=0.250\ \mathrm{mol}. \]
Para determinar la conversión del propino, sea \(u\) el número total de moles de alquinos no hidratados. La hidrogenación completa requiere \(2u\) moles de hidrógeno. Con un exceso del \(50\%\), la cantidad añadida fue \[ n_{\ce{H2},\mathrm{added}}=1.50(2u)=3u. \]
Después de la hidrogenación, el gas contiene \(u\) moles de alcanos y \(3u-2u=u\) moles de hidrógeno en exceso. Su cantidad total es, por tanto, \(2u\): \[ 2u=\frac{11.2\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.500\ \mathrm{mol}, \] lo que da \[ u=0.250\ \mathrm{mol}. \]
Esta cantidad es igual a la cantidad de etino que ya se sabía que quedaba. Por tanto, no quedó propino: \[ n_{\text{propino,no hidratado}}=0.250-0.250=0. \] Se hidrataron los \(0.150\ \mathrm{mol}\) de propino iniciales en su totalidad: \[ \boxed{\text{Propino hidratado}=100\%.} \]
Como comprobación del volumen, el gas final consta de \(0.250\ \mathrm{mol}\) de etano y \(0.250\ \mathrm{mol}\) de hidrógeno, que ocupan \(5.60+5.60=11.2\ \mathrm{dm^3}\) en condiciones STP.
La solución se comprobó con la solución oficial. Donde esta solución difiere de la solución oficial, la solución oficial contiene un error o una errata.
IChO 1973 · 理论题 6
两种同系烃混合物的水合
一种气态混合物含有同一同系列中相邻的两种烃，其密度为氢气密度的 14.4 倍。将 16.8 dm³ 的该混合物进行水合，并用水吸收水合产物，得到 350 g 溶液。取 10 g 该溶液，加入由 70 cm³ 的 1 N 硝酸银(I)溶液制得的氧化银(I)，加热。用氨水溶解未反应的 \(\ce{Ag2O}\)，滤去残留的沉淀。用硝酸将滤液酸化，加入过量溴化钠，得到 9.4 g 沉淀。
将未反应的烃混合物与比理论所需量过量 50 % 的氢气混合，并通入加热的 Pt 催化剂上方，所得气体的体积减小至 11.2 dm³。气体体积均在标准状况（STP）下测量。
问题：
6.1 起始混合物中含有哪些烃？
6.2 写出上述反应的化学方程式。
6.3 计算起始混合物的体积百分组成。
6.4 每种烃各有多少百分比发生了水合？
题目译自官方英文原文。
答案
-
6.1 乙炔，\(\ce{C2H2}\)，
C#C，和丙炔（甲基乙炔），\(\ce{C3H4}\)，CC#C。 -
6.2 配平后的方程式如下；分析过程中的反应以净离子方程式表示。 \[ \begin{aligned} &\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\\ &\ce{C3H4 + H2O -> CH3COCH3}\\ &\ce{2Ag+ + 2OH- -> Ag2O(s) + H2O}\\ &\ce{CH3CHO + Ag2O(s) -> CH3COOH + 2Ag(s)}\\ &\ce{Ag2O(s) + 4NH3 + H2O <=> 2[Ag(NH3)2]+ + 2OH-}\\ &\ce{[Ag(NH3)2]+ + 2H+ -> Ag+ + 2NH4+}\\ &\ce{NH3 + H+ -> NH4+}\\ &\ce{OH- + H+ -> H2O}\\ &\ce{Ag+ + Br- -> AgBr(s)}\\ &\ce{C2H2 + 2H2 ->[Pt] C2H6}\\ &\ce{C3H4 + 2H2 ->[Pt] C3H8} \end{aligned} \]
-
6.3 起始混合物中，乙炔的体积分数为 80.0%，丙炔的体积分数为 20.0%。
-
6.4 58.3% 的乙炔和 100% 的丙炔发生了水合。
解答
采用适合本题数据的常用取整相对原子质量： \[ A_r(\mathrm H)=1,\quad A_r(\mathrm C)=12,\quad A_r(\mathrm{Ag})=108,\quad A_r(\mathrm{Br})=80, \] 以及标准状况下的气体摩尔体积 \[ V_m=22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
6.1 烃的鉴定
由相对于氢气 [H][H] 的相对密度，可求得混合物的平均摩尔质量：
\[
\overline M=14.4\,M(\ce{H2})
=14.4(2.00)=28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
银的实验表明，某种水合产物能还原银(I)。最初有 \(0.070\ \mathrm{mol}\) 银(I)，而最终的溴化银沉淀仅对应 \[ \frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \] 两者之差就是被还原为金属银的银的物质的量。
通常，烯烃水合生成醇，醇不会发生这种醛的氧化反应。在通常的炔烃水合反应中，乙炔生成乙醛 CC=O，它属于醛；碳原子数更多的炔烃则生成酮。因此，混合物中必定含有乙炔。
同一同系列中与乙炔相邻的成员是丙炔。它们的摩尔质量分别为 \[ M(\ce{C2H2})=26.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{C3H4})=40.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] 测得的平均摩尔质量 \(28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) 位于两者之间，符合要求。
6.2 反应的说明
配平后的方程式见答案 6.2。
乙炔水合生成乙醛，丙炔水合则生成丙酮 CC(=O)C。在通常的酸催化炔烃水合反应中，水加成后，随即发生烯醇与羰基化合物之间的互变异构。
乙醛被氧化为乙酸（醋酸） CC(=O)O。每摩尔乙醛还原一摩尔氧化银(I)，生成两摩尔金属银。丙酮不发生这种醛的氧化反应。
向硝酸银(I)溶液中加入氢氧根离子，即可制得氧化银(I)。氧化反应结束后，氨通过形成可溶的二氨合银(I)离子 [NH3]->[Ag+]<-[NH3]，使剩余的氧化银溶解。该离子中银周围的配位构型为直线形；此 SMILES 指明了配位键，但不能据此确定该几何构型。金属银作为沉淀保留下来，并被过滤除去。
用硝酸 O=[N+]([O-])O 酸化，使氨质子化，破坏银氨配合物。随后加入溴化钠 [Na+].[Br-]，使剩余的银(I)以溴化银形式沉淀。
分析反应方程式中的其他分子和离子物种如下：
| 物种 | SMILES |
|---|---|
| 水 | O |
| 氨 | N |
| 银(I)离子 | [Ag+] |
| 氢氧根离子 | [OH-] |
| 氢离子，用作水溶液中酸碱反应的简写 | [H+] |
| 铵离子 | [NH4+] |
| 溴离子 | [Br-] |
| 氧化银(I)，离子式量单位 | [Ag+].[O-2].[Ag+] |
| 溴化银，离子式量单位 | [Ag+].[Br-] |
这些固体的式量单位 SMILES 并不表示其晶格结构。
在加热的铂催化剂上完全加氢，乙炔生成乙烷 CC，丙炔生成丙烷 CCC。每摩尔炔烃均需要两摩尔氢气。6.4 中的计算将表明，实际上只有乙炔剩余并进入这一反应阶段。
6.3 起始混合物的组成
设乙炔的摩尔分数为 \(x\)。对于在相同条件下测量的气体，摩尔分数等于体积分数。因此， \[ 26.0x+40.0(1-x)=28.8, \] 所以 \[ x=\frac{40.0-28.8}{40.0-26.0}=0.800. \]
因此，体积组成为 \[ \boxed{80.0\%\ \text{乙炔},\qquad 20.0\%\ \text{丙炔}.} \]
初始总物质的量为 \[ n_0=\frac{16.8\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.750\ \mathrm{mol}. \] 因此， \[ n_0(\ce{C2H2})=0.800(0.750)=0.600\ \mathrm{mol}, \] \[ n_0(\ce{C3H4})=0.200(0.750)=0.150\ \mathrm{mol}. \]
6.4 每种烃发生水合的百分比
对于硝酸银(I) [Ag+].[O-][N+](=O)[O-]，一摩尔提供一当量的银(I)，因此 \(1\ \mathrm N\) 溶液中银(I)的浓度为 \(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\)。所以，分取样品实验中银的初始物质的量为
\[
n_{\mathrm{Ag,initial}}
=(0.070\ \mathrm{dm^3})(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})
=0.070\ \mathrm{mol}.
\]
未被还原的银以溴化银形式回收： \[ n_{\mathrm{Ag,unreduced}} =\frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \]
因此， \[ n_{\mathrm{Ag,reduced}}=0.070-0.050=0.020\ \mathrm{mol}. \]
由于一摩尔乙醛生成两摩尔银，所取的 \(10\ \mathrm g\) 样品中含有 \[ n_{\text{乙醛,分取样品}}=\frac{0.020}{2} =0.010\ \mathrm{mol}. \]
因此，全部 \(350\ \mathrm g\) 溶液中含有 \[ n_{\text{乙醛,总量}} =0.010\left(\frac{350}{10}\right) =0.350\ \mathrm{mol}. \] 每摩尔乙炔水合生成一摩尔乙醛，因此 \[ n_{\text{乙炔,已水合}}=0.350\ \mathrm{mol}. \]
所以，乙炔发生水合的百分比为 \[ \boxed{\frac{0.350}{0.600}\times100=58.3\%.} \] 剩余乙炔的物质的量为 \[ 0.600-0.350=0.250\ \mathrm{mol}. \]
为确定丙炔的转化率，设未水合炔烃的总物质的量为 \(u\) 摩尔。完全加氢需要 \(2u\) 摩尔氢气。氢气过量 \(50\%\)，因此加入量为 \[ n_{\ce{H2},\mathrm{added}}=1.50(2u)=3u. \]
加氢后，气体含有 \(u\) 摩尔烷烃和 \(3u-2u=u\) 摩尔过量氢气。因此，总物质的量为 \(2u\)： \[ 2u=\frac{11.2\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.500\ \mathrm{mol}, \] 由此得到 \[ u=0.250\ \mathrm{mol}. \]
这与已知的剩余乙炔的物质的量相等。因此，没有丙炔剩余： \[ n_{\text{丙炔,未水合}}=0.250-0.250=0. \] 最初的 \(0.150\ \mathrm{mol}\) 丙炔全部发生了水合： \[ \boxed{\text{丙炔的水合百分比}=100\%.} \]
用体积核验：最终气体由 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 乙烷和 \(0.250\ \mathrm{mol}\) 氢气组成，在标准状况下所占体积为 \(5.60+5.60=11.2\ \mathrm{dm^3}\)。
解答已与官方解答核对。本解答与官方解答不同之处，均为官方解答中的错误或印刷错误。
IChO 1973 · Теоретическая задача 6
Гидратация смеси двух углеводородов одного гомологического ряда
Газообразная смесь двух соседних членов одного гомологического ряда углеводородов была в 14.4 раза плотнее водорода. Эту смесь объёмом 16.8 дм³ подвергли гидратации, а при поглощении продуктов гидратации водой получили 350 г раствора. Отобрали десять граммов этого раствора и нагрели в присутствии оксида серебра(I), полученного из 70 см³ 1 н. раствора нитрата серебра(I). Непрореагировавший \(\ce{Ag2O}\) растворили в водном растворе аммиака, а оставшийся осадок отфильтровали. Фильтрат подкислили азотной кислотой; при добавлении к нему избытка бромида натрия образовалось 9.4 г осадка.
Когда смесь непрореагировавших углеводородов смешали с водородом, взятым с 50 % избытком, и пропустили над нагретым Pt-катализатором, её объём уменьшился до 11.2 дм³. Объёмы газов измеряли при нормальных условиях.
Задания:
6.1 Какие углеводороды входили в исходную смесь?
6.2 Напишите уравнения указанных выше реакций.
6.3 Рассчитайте состав исходной смеси в объёмных процентах.
6.4 Какая доля (в %) каждого углеводорода подверглась гидратации?
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
6.1 Этин (ацетилен), \(\ce{C2H2}\),
C#C, и пропин (метилацетилен), \(\ce{C3H4}\),CC#C. -
6.2 Уравнения реакций с расставленными коэффициентами приведены ниже; аналитические реакции записаны в сокращённой ионной форме. \[ \begin{aligned} &\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\\ &\ce{C3H4 + H2O -> CH3COCH3}\\ &\ce{2Ag+ + 2OH- -> Ag2O(s) + H2O}\\ &\ce{CH3CHO + Ag2O(s) -> CH3COOH + 2Ag(s)}\\ &\ce{Ag2O(s) + 4NH3 + H2O <=> 2[Ag(NH3)2]+ + 2OH-}\\ &\ce{[Ag(NH3)2]+ + 2H+ -> Ag+ + 2NH4+}\\ &\ce{NH3 + H+ -> NH4+}\\ &\ce{OH- + H+ -> H2O}\\ &\ce{Ag+ + Br- -> AgBr(s)}\\ &\ce{C2H2 + 2H2 ->[Pt] C2H6}\\ &\ce{C3H4 + 2H2 ->[Pt] C3H8} \end{aligned} \]
-
6.3 Исходная смесь содержала 80.0% этина и 20.0% пропина по объёму.
-
6.4 Гидратации подверглись 58.3% этина и 100% пропина.
Решение
Используем общепринятые округлённые атомные массы, соответствующие точности этих данных: \[ A_r(\mathrm H)=1,\quad A_r(\mathrm C)=12,\quad A_r(\mathrm{Ag})=108,\quad A_r(\mathrm{Br})=80, \] и молярный объём газа при нормальных условиях \[ V_m=22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
6.1 Определение углеводородов
Относительная плотность по водороду, [H][H], позволяет найти среднюю молярную массу смеси:
\[
\overline M=14.4\,M(\ce{H2})
=14.4(2.00)=28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
Опыт с серебром показывает, что один из продуктов гидратации восстанавливает серебро(I). Первоначально присутствовало \(0.070\ \mathrm{mol}\) серебра(I), тогда как в конечном осадке бромида серебра содержится лишь \[ \frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \] Разность соответствует серебру, восстановленному до металла.
При обычной гидратации алкенов образуются спирты, которые не вступают в эту реакцию окисления альдегидов. При обычной гидратации алкинов из этина образуется альдегид — этаналь (уксусный альдегид), CC=O; из высших алкинов образуются кетоны. Следовательно, этин обязательно присутствует в смеси.
Соседний с ним член того же гомологического ряда — пропин. Их молярные массы, \[ M(\ce{C2H2})=26.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{C3H4})=40.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] лежат по разные стороны от наблюдаемого среднего значения \(28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), как и требуется.
6.2 Объяснение реакций
Уравнения реакций с расставленными коэффициентами приведены в пункте 6.2 раздела «Ответы».
При гидратации этина образуется этаналь, а при гидратации пропина — пропанон (ацетон), CC(=O)C. При обычной гидратации алкинов в присутствии кислотного катализатора за присоединением воды следует енол-карбонильная таутомеризация.
Этаналь окисляется до этановой кислоты (уксусной кислоты), CC(=O)O. Каждый моль этаналя восстанавливает один моль оксида серебра(I) с образованием двух молей металлического серебра. Пропанон не вступает в эту реакцию окисления альдегидов.
Оксид серебра(I) можно получить добавлением гидроксид-ионов к раствору нитрата серебра(I). После окисления аммиак растворяет оставшийся оксид, образуя растворимый ион диамминсеребра(I), [NH3]->[Ag+]<-[NH3]. Этот ион имеет линейное координационное окружение серебра; запись SMILES указывает донорно-акцепторные связи, но не задаёт эту геометрию. Металлическое серебро остаётся в виде осадка, который отфильтровывают.
При подкислении азотной кислотой, O=[N+]([O-])O, аммиак протонируется и аммиачный комплекс серебра разрушается. При последующем добавлении бромида натрия, [Na+].[Br-], оставшееся серебро(I) осаждается в виде бромида серебра.
Другие молекулярные и ионные частицы, фигурирующие в уравнениях аналитических реакций:
| Частица | SMILES |
|---|---|
| Вода | O |
| Аммиак | N |
| Ион серебра(I) | [Ag+] |
| Гидроксид-ион | [OH-] |
| Ион водорода, используемый как сокращённое обозначение в кислотно-основных реакциях в водном растворе | [H+] |
| Ион аммония | [NH4+] |
| Бромид-ион | [Br-] |
| Оксид серебра(I), ионная формульная единица | [Ag+].[O-2].[Ag+] |
| Бромид серебра, ионная формульная единица | [Ag+].[Br-] |
Записи SMILES формульных единиц твёрдых веществ не отображают их кристаллические решётки.
При полном гидрировании над нагретой платиной из этина образуется этан, CC, а из пропина — пропан, CCC. На каждый моль алкина требуется два моля водорода. Расчёт в пункте 6.4 покажет, что к этой стадии фактически остаётся только этин.
6.3 Состав исходной смеси
Пусть \(x\) — мольная доля этина. Для газов, измеренных при одинаковых условиях, мольная доля равна объёмной доле. Поэтому \[ 26.0x+40.0(1-x)=28.8, \] откуда \[ x=\frac{40.0-28.8}{40.0-26.0}=0.800. \]
Следовательно, объёмный состав смеси: \[ \boxed{80.0\%\ \text{этин},\qquad 20.0\%\ \text{пропин}.} \]
Исходное суммарное количество вещества составляло \[ n_0=\frac{16.8\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.750\ \mathrm{mol}. \] Таким образом, \[ n_0(\ce{C2H2})=0.800(0.750)=0.600\ \mathrm{mol}, \] \[ n_0(\ce{C3H4})=0.200(0.750)=0.150\ \mathrm{mol}. \]
6.4 Доля каждого углеводорода, подвергшаяся гидратации, в процентах
Один моль нитрата серебра(I), [Ag+].[O-][N+](=O)[O-], соответствует одному эквиваленту серебра(I), поэтому раствор с концентрацией \(1\ \mathrm N\) содержит \(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) серебра(I). Следовательно, исходное количество серебра в опыте с аликвотой составляло
\[
n_{\mathrm{Ag,initial}}
=(0.070\ \mathrm{dm^3})(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})
=0.070\ \mathrm{mol}.
\]
Невосстановленное серебро было выделено в виде бромида серебра: \[ n_{\mathrm{Ag,unreduced}} =\frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно, \[ n_{\mathrm{Ag,reduced}}=0.070-0.050=0.020\ \mathrm{mol}. \]
Поскольку из одного моля этаналя образуется два моля серебра, аликвота массой \(10\ \mathrm g\) содержала \[ n_{\text{этаналь,аликвота}}=\frac{0.020}{2} =0.010\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно, весь раствор массой \(350\ \mathrm g\) содержал \[ n_{\text{этаналь,всего}} =0.010\left(\frac{350}{10}\right) =0.350\ \mathrm{mol}. \] При гидратации из одного моля этина образуется один моль этаналя, поэтому \[ n_{\text{этин,гидратированный}}=0.350\ \mathrm{mol}. \]
Таким образом, доля этина, подвергшаяся гидратации, в процентах составляла \[ \boxed{\frac{0.350}{0.600}\times100=58.3\%.} \] Количество оставшегося этина составляло \[ 0.600-0.350=0.250\ \mathrm{mol}. \]
Для определения степени превращения пропина обозначим через \(u\) общее число молей алкинов, не подвергшихся гидратации. Для полного гидрирования требуется \(2u\) молей водорода. При избытке \(50\%\) добавленное количество составляло \[ n_{\ce{H2},\mathrm{added}}=1.50(2u)=3u. \]
После гидрирования газ содержит \(u\) молей алканов и \(3u-2u=u\) молей избыточного водорода. Поэтому общее количество вещества газа равно \(2u\): \[ 2u=\frac{11.2\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.500\ \mathrm{mol}, \] откуда \[ u=0.250\ \mathrm{mol}. \]
Это равно уже найденному количеству оставшегося этина. Следовательно, пропина не осталось: \[ n_{\text{пропин,негидратированный}}=0.250-0.250=0. \] Все \(0.150\ \mathrm{mol}\) исходного пропина подверглись гидратации: \[ \boxed{\text{Доля гидратированного пропина}=100\%.} \]
Для проверки объёма отметим, что конечный газ состоит из \(0.250\ \mathrm{mol}\) этана и \(0.250\ \mathrm{mol}\) водорода, занимающих при нормальных условиях объём \(5.60+5.60=11.2\ \mathrm{dm^3}\).
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1973 · مسألة نظرية 6
إماهة مزيج من هيدروكربونين من السلسلة المتجانسة نفسها
كان مزيج غازي يحتوي على هيدروكربونين متتاليين في السلسلة المتجانسة نفسها ذا كثافة تساوي 14.4 ضعف كثافة الهيدروجين. أُخضع حجم قدره 16.8 dm³ من هذا المزيج للإماهة، وحُصل على 350 g من المحلول عند امتصاص نواتج الإماهة في الماء. أُخذت عشرة غرامات من هذا المحلول وسُخّنت بوجود أكسيد الفضة(I)، الذي حُضّر من 70 cm³ من محلول نترات الفضة(I) بتركيز 1 N. أُذيب ما لم يتفاعل من \(\ce{Ag2O}\) في محلول مائي للأمونيا، وفُصل الراسب المتبقي بالترشيح. حُمّض الراشح بحمض النتريك، وأدّت إضافة فائض من بروميد الصوديوم إليه إلى تكوّن 9.4 g من راسب.
عندما مُزج مزيج الهيدروكربونات التي بقيت دون تفاعل مع فائض من الهيدروجين مقداره 50 % ومُرّر فوق حفّاز من Pt مُسخّن، انخفض حجمه الناتج إلى 11.2 dm³. قِيست أحجام الغازات في الظروف القياسية لدرجة الحرارة والضغط (STP).
المطلوب:
6.1 ما الهيدروكربونات التي كانت موجودة في المزيج الابتدائي؟
6.2 اكتب المعادلات الكيميائية للتفاعلات المذكورة أعلاه.
6.3 احسب تركيب المزيج الابتدائي بالنسبة المئوية الحجمية.
6.4 ما النسبة المئوية التي خضعت للإماهة من كل هيدروكربون؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
6.1 الإيثاين (الأسيتيلين)، \(\ce{C2H2}\)،
C#C، والبروباين (ميثيل الأسيتيلين)، \(\ce{C3H4}\)،CC#C. -
6.2 ترد المعادلات الموزونة أدناه؛ وقد كُتبت التفاعلات التحليلية بالصيغة الأيونية الصافية. \[ \begin{aligned} &\ce{C2H2 + H2O -> CH3CHO}\\ &\ce{C3H4 + H2O -> CH3COCH3}\\ &\ce{2Ag+ + 2OH- -> Ag2O(s) + H2O}\\ &\ce{CH3CHO + Ag2O(s) -> CH3COOH + 2Ag(s)}\\ &\ce{Ag2O(s) + 4NH3 + H2O <=> 2[Ag(NH3)2]+ + 2OH-}\\ &\ce{[Ag(NH3)2]+ + 2H+ -> Ag+ + 2NH4+}\\ &\ce{NH3 + H+ -> NH4+}\\ &\ce{OH- + H+ -> H2O}\\ &\ce{Ag+ + Br- -> AgBr(s)}\\ &\ce{C2H2 + 2H2 ->[Pt] C2H6}\\ &\ce{C3H4 + 2H2 ->[Pt] C3H8} \end{aligned} \]
-
6.3 احتوى المزيج الابتدائي على 80.0% من الإيثاين و20.0% من البروباين حجمًا.
-
6.4 خضع للإماهة 58.3% من الإيثاين و100% من البروباين.
الحل
نستخدم الكتل الذرية التقليدية المقرّبة الملائمة لهذه المعطيات: \[ A_r(\mathrm H)=1,\quad A_r(\mathrm C)=12,\quad A_r(\mathrm{Ag})=108,\quad A_r(\mathrm{Br})=80, \] والحجم المولي للغاز في الظروف القياسية لدرجة الحرارة والضغط \[ V_m=22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
6.1 تحديد الهيدروكربونات
تعطي الكثافة النسبية بالنسبة إلى الهيدروجين، [H][H]، متوسط الكتلة المولية للمزيج:
\[
\overline M=14.4\,M(\ce{H2})
=14.4(2.00)=28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}.
\]
تثبت تجربة الفضة أن أحد نواتج الإماهة يختزل الفضة(I). كان هناك في البداية \(0.070\ \mathrm{mol}\) من الفضة(I)، في حين أن راسب بروميد الفضة النهائي لا يمثّل سوى \[ \frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \] ويمثّل الفرق الفضة التي اختُزلت إلى الفلز.
تنتج الإماهة المعتادة للألكينات كحولات، لا تُجري تفاعل أكسدة الألدهيد هذا. وفي الإماهة المعتادة للألكاينات، ينتج الإيثاين الإيثانال (الأسيتالدهيد)، CC=O، وهو ألدهيد؛ أما الألكاينات الأعلى فتنتج كيتونات. لذا لا بد من وجود الإيثاين.
العضو المجاور له في السلسلة المتجانسة نفسها هو البروباين. وتحيط كتلتاهما الموليتان، \[ M(\ce{C2H2})=26.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{C3H4})=40.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] بالمتوسط المرصود البالغ \(28.8\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)، كما هو مطلوب.
6.2 شرح التفاعلات
ترد المعادلات الموزونة في الإجابات 6.2.
تعطي إماهة الإيثاين الإيثانال، بينما تعطي إماهة البروباين البروبانون (الأسيتون)، CC(=O)C. وفي الإماهة المعتادة للألكاينات المحفَّزة بالحمض، تتبع إضافةَ الماء عمليةُ تصاوغ توتومري بين الإينول ومركّب الكربونيل.
يتأكسد الإيثانال إلى حمض الإيثانويك (حمض الأسيتيك)، CC(=O)O. ويختزل كل مول من الإيثانال مولًا واحدًا من أكسيد الفضة(I)، منتجًا مولين من الفضة الفلزية. ولا يخضع البروبانون لتفاعل أكسدة الألدهيد هذا.
يمكن تحضير أكسيد الفضة(I) بإضافة الهيدروكسيد إلى محلول نترات الفضة(I). وبعد الأكسدة، تُذيب الأمونيا الأكسيد المتبقي بتكوين أيون ثنائي أمين الفضة(I) القابل للذوبان، [NH3]->[Ag+]<-[NH3]. ويكون التناسق حول الفضة في هذا الأيون خطيًا؛ ويحدّد تمثيل SMILES الروابط التناسقية، لكنه لا يثبت هذا الشكل الهندسي. وتبقى الفضة الفلزية على هيئة الراسب الذي يُفصل بالترشيح.
تؤدّي إضافة حمض النتريك، O=[N+]([O-])O، للتحميض إلى بروتنة الأمونيا وتفكيك معقّد الفضة–الأمونيا. ثم تؤدّي إضافة بروميد الصوديوم، [Na+].[Br-]، إلى ترسيب الفضة(I) المتبقية على هيئة بروميد الفضة.
الأنواع الجزيئية والأيونية الأخرى في المعادلات التحليلية هي:
| النوع الكيميائي | SMILES |
|---|---|
| الماء | O |
| الأمونيا | N |
| أيون الفضة(I) | [Ag+] |
| أيون الهيدروكسيد | [OH-] |
| أيون الهيدروجين، المستخدم اختصارًا في وصف الأحماض والقواعد في المحاليل المائية | [H+] |
| أيون الأمونيوم | [NH4+] |
| أيون البروميد | [Br-] |
| أكسيد الفضة(I)، وحدة الصيغة الأيونية | [Ag+].[O-2].[Ag+] |
| بروميد الفضة، وحدة الصيغة الأيونية | [Ag+].[Br-] |
لا تمثّل صيغ SMILES لوحدات الصيغة في المواد الصلبة شبكاتها البلورية.
تعطي الهدرجة الكاملة فوق البلاتين المُسخّن الإيثان، CC، من الإيثاين، والبروبان، CCC، من البروباين. ويتطلّب كل ألكاين مولين من الهيدروجين لكل مول منه. وسيبيّن الحساب في 6.4 أن الإيثاين وحده هو ما يبقى فعليًا لهذه المرحلة.
6.3 تركيب المزيج الابتدائي
ليكن \(x\) الكسر المولي للإيثاين. بالنسبة إلى الغازات المقيسة في الظروف نفسها، يساوي الكسر المولي الكسر الحجمي. لذلك، \[ 26.0x+40.0(1-x)=28.8, \] ومن ثم \[ x=\frac{40.0-28.8}{40.0-26.0}=0.800. \]
إذن التركيب الحجمي هو \[ \boxed{80.0\%\ \text{إيثاين},\qquad 20.0\%\ \text{بروباين}.} \]
كانت كمية المادة الكلية الابتدائية \[ n_0=\frac{16.8\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.750\ \mathrm{mol}. \] وعليه، \[ n_0(\ce{C2H2})=0.800(0.750)=0.600\ \mathrm{mol}, \] \[ n_0(\ce{C3H4})=0.200(0.750)=0.150\ \mathrm{mol}. \]
6.4 النسبة المئوية التي خضعت للإماهة من كل هيدروكربون
بالنسبة إلى نترات الفضة(I)، [Ag+].[O-][N+](=O)[O-]، يوفّر مول واحد مكافئًا واحدًا من الفضة(I)، لذا يحتوي المحلول ذو التركيز \(1\ \mathrm N\) على \(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) من الفضة(I). ومن ثم كانت كمية الفضة الابتدائية في تجربة العينة المأخوذة
\[
n_{\mathrm{Ag,initial}}
=(0.070\ \mathrm{dm^3})(1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})
=0.070\ \mathrm{mol}.
\]
استُعيدت الفضة غير المختزلة على هيئة بروميد الفضة: \[ n_{\mathrm{Ag,unreduced}} =\frac{9.4\ \mathrm g}{188\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.050\ \mathrm{mol}. \]
وبالتالي، \[ n_{\mathrm{Ag,reduced}}=0.070-0.050=0.020\ \mathrm{mol}. \]
لأن مولًا واحدًا من الإيثانال ينتج مولين من الفضة، فقد احتوت العينة المأخوذة البالغة \(10\ \mathrm g\) على \[ n_{\text{إيثانال,العينة}}=\frac{0.020}{2} =0.010\ \mathrm{mol}. \]
وعليه، احتوى المحلول الكامل البالغ \(350\ \mathrm g\) على \[ n_{\text{إيثانال,الكلي}} =0.010\left(\frac{350}{10}\right) =0.350\ \mathrm{mol}. \] تنتج الإماهة مولًا واحدًا من الإيثانال لكل مول من الإيثاين، مما يعطي \[ n_{\text{إيثاين,المماه}}=0.350\ \mathrm{mol}. \]
إذن كانت النسبة المئوية للإيثاين الذي خضع للإماهة \[ \boxed{\frac{0.350}{0.600}\times100=58.3\%.} \] وكانت كمية الإيثاين المتبقية \[ 0.600-0.350=0.250\ \mathrm{mol}. \]
لتحديد تحوّل البروباين، ليكن \(u\) العدد الكلي لمولات الألكاينات التي لم تخضع للإماهة. تتطلّب الهدرجة الكاملة \(2u\) مول من الهيدروجين. ومع فائض مقداره \(50\%\)، كانت الكمية المضافة \[ n_{\ce{H2},\mathrm{added}}=1.50(2u)=3u. \]
بعد الهدرجة، يحتوي الغاز على \(u\) مول من الألكانات و\(3u-2u=u\) مول من الهيدروجين الفائض. لذا تكون كمية مادته الكلية \(2u\): \[ 2u=\frac{11.2\ \mathrm{dm^3}} {22.4\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}} =0.500\ \mathrm{mol}, \] مما يعطي \[ u=0.250\ \mathrm{mol}. \]
وهذا يساوي كمية الإيثاين التي عُرف مسبقًا أنها متبقية. لذلك لم يتبقَّ أي بروباين: \[ n_{\text{بروباين,غير المماه}}=0.250-0.250=0. \] خضعت كمية البروباين الأصلية كلها، البالغة \(0.150\ \mathrm{mol}\)، للإماهة: \[ \boxed{\text{البروباين الذي خضع للإماهة}=100\%.} \]
للتحقّق من الحجم، يتكوّن الغاز النهائي من \(0.250\ \mathrm{mol}\) من الإيثان و\(0.250\ \mathrm{mol}\) من الهيدروجين، ويشغل حجمًا قدره \(5.60+5.60=11.2\ \mathrm{dm^3}\) في الظروف القياسية لدرجة الحرارة والضغط.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.