Какая молекулярная формула углеводорода и его структура, если известно, что его молекула содержит атом углерода

Гроза

63

Для решения данной задачи необходимо рассмотреть процессы сжигания углеводорода.

Количество углекислого газа, образовавшегося при сжигании углеводорода, можно использовать для определения количества углерода в молекуле углеводорода. Зная, что при сжигании углеводорода образовалось 6,72 л углекислого газа, мы можем использовать закон Авогадро для связи объема газа с количеством молекул:

\[6,72 \, л \, \text{CO}_2 \times \left(\frac{1 \, моль \, \text{CO}_2}{22,4 \, л \, \text{CO}_2}\right) = 0,3 \, моль \, \text{CO}_2\]

Так как одна молекула углеводорода содержит один атом углерода, полученное количество молей углекислого газа (0,3 моль) будет соответствовать количеству молекул углеводорода. Теперь мы можем использовать полученные данные для определения молекулярной формулы углеводорода и его структуры.

Углерод находится в состоянии sp3-гибридизации, что означает, что у него 4 одинаковых гибридных орбиталя. Каждая из этих орбиталей может образовывать связи с другими атомами. Учитывая то, что водород может образовывать только одну связь, мы можем заключить, что каждый атом углерода в молекуле углеводорода будет иметь 4 связи с атомами водорода.

Теперь рассмотрим количество паров воды, образовавшихся при сжигании углеводорода. Известно, что образовалось 3,6 г паров воды. Молярная масса воды равна 18 г/моль, поэтому мы можем использовать полученные данные для определения количества молей воды:

\[3,6 \, г \, \text{воды} \times \left(\frac{1 \, моль \, \text{воды}}{18 \, г \, \text{воды}}\right) \approx 0,2 \, моль \, \text{воды}\]

Так как между каждым атомом углерода и водорода устанавливается только одна связь, количество молей воды будет соответствовать количеству молекул углеводорода (0,2 моль). А так как каждая молекула углеводорода содержит 4 атома водорода, общее количество атомов водорода будет равно 4 умножить на количество молекул углеводорода.

С учетом полученных данных, можно сформулировать следующие уравнения:

Мольный соотношение между углеродом и углекислым газом: \[1 \, моль \, \text{углеводорода} = 0,3 \, моль \, \text{CO}_2\]
Мольное соотношение между углеродом и водородом: \[1 \, моль \, \text{углеводорода} = 0,2 \, моль \, \text{воды}\]
Соотношение между атомами углерода и водорода: \[1 \, атом \, \text{углерода} : 4 \, атома \, \text{водорода}\]

Теперь мы можем определить количество атомов водорода:

\[0,2 \, моль \, \text{воды} \times \left(\frac{4 \, атома \, \text{водорода}}{1 \, моль \, \text{углеводорода}}\right) = 0,8 \, атома \, \text{водорода}\]

Количество атомов водорода (0,8 атома) будет равно 4 умножить на количество атомов углерода в молекуле углеводорода. Отсюда следует, что в молекуле углеводорода присутствует только один атом углерода.

Также, учитывая, что каждый атом углерода формирует 4 связи с атомами водорода и углерод находится в состоянии sp3-гибридизации, можно предположить, что структура углеводорода будет прямой цепью, состоящей из одного атома углерода и 4 атомов водорода.

Таким образом, молекулярная формула углеводорода, удовлетворяющая указанным условиям, будет \(\text{CH}_4\). Структура углеводорода будет выглядеть следующим образом:

\[
\begin{array}{c}
H \\
| \\
H - C - H \\
| \\
H
\end{array}
\]

Где атомы водорода (H) связаны с атомом углерода (C) в молекуле углеводорода.