Формула циклоалканов

Определение и формула циклоалканов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Циклоалканы – ненасыщенные алициклические углеводороды.

В названии циклоалканов употребляют приставку цикло- к названию алкана с соответствующим числом атомов углерода.

Химическая формула циклоалканов

Общая химическая формула циклоалканов C_nH₂_n, например C₃H₆–циклопропан, C₄H₈ – циклобутан, C₅H₁₀ – циклопентан и т.д.Химическая формула показывает качественные и количественный состав молекулы (сколько и каких атомов присутствует в ней). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу вещества:

Mr(C₃H₆) = 3×Ar(C) + 6×Ar(H);

Mr(C₃H₆) = 3×12 + 6×1 = 36 + 6 = 42

Mr(C₄H₈) = 4×Ar(C) +8×Ar(H);

Mr(C₄H₈) = 4×12 + 8×1 = 48 + 8 = 56

Mr(C₅H₁₀) = 5×Ar(C) +10×Ar(H);

Mr(C₅H₁₀) = 5×12 + 10×1 = 60 + 10 = 70

Структурная (графическая) формула циклоалканов

Структурная (графическая) формула циклоалканов является более наглядной. Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы.

Рассмотрим, как выглядит графическая формула циклоалканов на примере циклогексана:

Молекула циклогексана не является плоским треугольником, так как при плоском строении валентные углы между атомами углерода были бы равны 120^o, т.е. существенно отклонялись бы от величины нормального валентного угла, и все атомы водорода находились бы в энергетически невыгодном, заслоненном положении.

Молекула циклогексана принимает различные конформации за счет частичного вращения вокруг σ-связей между атомами углерода. Среди нескольких неплоских конформаций наиболее энергетически выгодными являются конформации кресла и ванны (рис. 1).

Рис. 1. Пространственное строение молекулы циклогексана. Конформации: а) кресла; б) ванны.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

При полном сгорании некоторого количества углеводорода образовалось 14,08 г оксида углерода (IV) и 3,6 г воды. Найдите молекулярную формулу вещества, если относительная плотность его паров по водороду равна 39.

Решение

Составим схему реакции сгорания аминокислоты обозначив количество атомов углерода, водорода, кислорода и азота за «x», «у», «z» и «k» соответственно:

C_xH_y+ O_z→CO₂ + H₂O

Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.

m(C) = n(C)×M(C) = n(CO₂)×M(C) = [m(CO₂) / M(CO₂)]×M(C);

m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H₂O)×M(H) = [2×m(H₂O) / M(H₂O)]×M(H);

Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr):

M(CO₂) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H₂O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль

Тогда,

m(C) = [14,8 / 44]×12 = 4,04 г;

m(H) = 2×3,6 / 18 ×1= 0,4 г

Определим химическую формулу углеводорода:

x:y = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H);

x:y= 4,04/12 :0,4/1

x:y= 0,34 : 0,4 = 1 : 1

Значит его простейшая формула CH, а молярная масса 13 г/моль [M(CH) = Ar(C) + Ar(H) = 12 + 1 =13 / моль].

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по водороду:

M_substance = M(H₂) × D(H₂)_;

M_substance = 2 × 39 = 78 г/моль

Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс:

M_substance / M(CH) = 78 / 13 = 6

Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 6 раз выше, т.е. формула вещества будет иметь вид C₆H₆.Это бензол.

Ответ

C₆H₆

ПРИМЕР 2

Задание

При сжигании 26,7 г аминокислоты (C_xH_yO_zN_k) в избытке кислорода образуется 39,6 г оксида углерода (IV), 18,9 г воды и 4,2 г азота. Определите формулу аминокислоты.

Решение

C_xH_yO_zN_k+ O_z→CO₂ + H₂O + N₂

m(C) = n(C)×M(C) = n(CO₂)×M(C) = [m(CO₂) / M(CO₂)]×M(C);

m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H₂O)×M(H) = [2×m(H₂O) / M(H₂O)]×M(H);

M(CO₂) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H₂O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль

Тогда,

m(C) = [39,6 / 44]×12 = 10,8 г;

m(H) = 2×18,9 / 18 ×1= 2,1 г

m(O) = m(C_xH_yO_zN_k) – m(C) – m(H) – m(N)= 26,7 – 10,8 – 2,1 – 4,2 = 9,6 г

Определим химическую формулу аминокислоты:

x:y:z:k = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H) : m(O)/Ar(O) : m(N)/Ar(N);

x:y:z:k= 10,8/12 :2,1/1 :9,6/16 : 4,2/14;

x:y:z:k= 0,9 : 2,1 : 0,41 : 0,3 = 3: 7 : 1,5 : 1 = 6 : 14: 3 : 2

Значит простейшая формула аминокислоты C₆H₁₄O₃N₂.