Решение качественных задач
в курсе органической химии

Элективный курс • 11 класс

Продолжение. См. № 23/2006, 7/2007.

Раздел 2.
Установление структуры веществ
на основе данных физико-химических методов
и химических свойств (продолжение)

Занятие 6. Расчетные задачи
на установление структуры вещества

Ц е л ь. Научить школьников решать расчетные задачи на установление строения вещества.

•Задание 1.Установите строение углеводорода, при сгорании одного объема которого образуется шесть объемов углекислого газа, а при хлорировании на свету – только два монохлорпроизводных.

Решение

Схема задачи:

Собственно подсказок для решения задачи две: это выделение шести объемов СО₂ (значит, в молекуле 6 атомов углерода) и то, что хлорирование идет на свету (значит, это алкан).

Формула углеводорода – С₆Н₁₄.

Устанавливаем структуру. Поскольку у этого углеводорода всего два монохлорпроизводных, значит, его углеродная цепь следующая:

Это – 2,3-диметилбутан. Каркасы хлоруглеводородов следующие:

• Задание 2. Для сжигания порции алкана, содержащей 1•10²³ молекул, требуется порция кислорода, содержащая 1,6•10²⁴ атомов. Установите состав и возможное строение (все изомеры) алкана.

Решение

При разборе решения надо обратить внимание на расстановку коэффициентов в общем виде (через n), т.к. без этого задачу не решить:

С_nH_2n+2 + (1,5n + 0,5)O₂ = nCO₂ + (n + 1)H₂O.

(алкана) = 1•10²³/(6,02•10²³) = 0,166 моль,

(O₂) = 1,6•10²⁴/(6,02•10²³•2) = 1,33 моль.

Составим пропорцию:

1 моль алкана – 1,5n + 0,5 кислорода,

0,166 моль алкана – 1,33 моль кислорода.

Отсюда n = 5.

Это – пентан C₅H₁₂, для него возможны три изомера:

• Задание 3. Смесь алкана и кислорода, объемное соотношение которых соответствует стехиометрическому, после сгорания, конденсации паров и приведения к исходным условиям сократилась по объему вдвое. Установите строение алкана, входившего в состав смеси.

Решение

При разборе решения надо обратить внимание на расстановку коэффициентов в общем виде через n, т.к. без этого задачу не решить:

С_nH_2n+2 + (1,5n + 0,5)O₂ = nCO₂ + (n + 1)H₂O.

До реакции общий объем газов был:

(1 + 1,5n + 0,5) л.

После реакции учитываем только объем СО₂ – n л (вода H₂O при 20 °С – жидкость).

Составляем уравнение: 1 + 1,5n + 0,5 = 2n.

Отсюда n = 3.

Ответ. Пропан C₃H₈.

• Задание 4. Смесь алкана и кислорода, объемное соотношение которых соответствует стехиометрическому, после сгорания, конденсации паров воды и приведения к н.у. cократилась по объему в 1,8 раза. Установите формулу алкана, входившего в состав смеси, если известно, что в его молекуле четыре первичных атома углерода.

Ответ. Неопентан (СН₃)₃ССН₃.

• Задание 5. При пропускании смеси цис- и трансизомеров алкена через избыток раствора перманганата калия масса выпавшего осадка оказалась больше массы исходного алкена. Установите строение алкена.

Решение

Напишем уравнение реакции алкена с раствором перманганата калия:

3С_nH_2n + 2KMnO₄ + 4H₂O = 3С_nH_2n(OH)₂ + 2MnO₂ + 2KOH.

Пусть в реакцию вступил 1 моль алкена, тогда выделилось 0,6667 моль оксида марганца(IV).

M_r(MnO₂) = 87, m(MnO₂) = 87•0,6667 = 58 г.

Следовательно, учитывая условие задачи, относительная молекулярная масса алкена меньше 58. Этому условию отвечают алкены С₂Н₄, С₃Н₆, С₄Н₈.

По условию задачи алкен имеет цис- и трансизомеры. Тогда точно не подходят этен и пропен. Остается бутен-2: только он имеет цис- и трансизомеры.

Ответ. Бутен-2.

• Задание 6. При нитровании одного из гомологов бензола массой 31,8 г было получено только одно мононитропроизводное массой 45,3 г. Установите строение исходного вещества продукта реакции.

Решение

По условию задачи (С₆Н₅R) = (С₆Н₄RNO₂). Используя формулу = m/M, получим:

31,8/(77 + R) = 45,3/(77 – 1 + 46 + R).

Отсюда R = 29.

Поскольку R = С_nH_2n+1, верно соотношение:

12n + 2n + 1 = 29.

Поэтому n = 2, радикал R – это С₂Н₅.

Однако по условию задачи получается только одно нитропроизводное. Следовательно, исходное вещество не может быть этилбензолом, т. к. тогда образовались бы орто- и паранитропроизводные. Значит, гомолог бензола содержит не радикал этил, а два метильных радикала. Расположены они симметрично (пара-ксилол). При таком расположении заместителей получается только одно нитропроизводное.

Уравнение реакции:

• Задание 7.При нагревании смеси двух предельных первичных спиртов с разветвленным скелетом в присутствии серной кислоты получена смесь трех органических веществ, относящихся к одному классу соединений. Вещества получены в равных молярных соотношениях общей массой 21,6 г, при этом выделилась вода массой 2,7 г. Установите все возможные формулы исходных соединений и рассчитайте массу исходной смеси.

Решение

Анализируем условие задачи для написания уравнения. В присутствии серной кислоты возможна либо внутримолекулярная, либо межмолекулярная дегидратация или их комбинация. Если дегидратация внутримолекулярная, то получается всего два непредельных углеводорода, если межмолекулярная, то получается смесь трех эфиров. Комбинированный вариант рассматривать не имеет смысла, т.к. по условию получаются вещества одного класса. Уравнение реакции:

Рассчитаем количество вещества воды:

(H₂O) = m/M = 2,7/18 = 0,15 моль.

Поскольку продукты реакции получены в равных молярных соотношениях, значит, каждого эфира получилось по: 0,15/3 = 0,05 моль.

Составляем уравнение материального баланса:

0,05 • (М(R) + (М(R') + 16) + 0,05 • (2М(R) + 16) + 0,05 • (2М(R') + 16) = 21,6

Отсюда (M(R) + M(R') = 128. Оба радикала R и R' – предельные, поэтому их суммарную молярную массу можно записать так:

M(С_nH_2n+1) = 128.

Подставляя значения атомных масс, находим:

12n + 2n + 1 = 128, n = 9.

Молекулы двух спиртов содержат 9 атомов углерода.

По условию задачи спирты первичные и имеют разветвленный углеродный скелет. Значит, один спирт содержит 4 атома углерода, а другой – 5.

Варианты формул:

Масса исходной смеси: 21,6 + 2,7 = 24,3 г.

Раздел 3.
Идентификация органических веществ
(качественные реакции на разные классы соединений)

Занятие 7. Распознавание органических веществ
с помощью качественных реакций

Ц е л и. Научить решать задачи на определение веществ, закрепить знания качественных реакций органических соединений разных классов.

• Задание 1. В четырех пробирках находятся следующие вещества: гексан, 2-метилпентен-1,
пентин-2, пентин-1. При помощи каких химических реакций можно различить эти вещества?

Решение

В этой задаче представлены три класса соединений: алканы, алкены и алкины. Для алканов нет особенных качественных реакций, для алкенов – это обесцвечивание бромной воды и раствора перманганата калия. Для алкинов тоже характерно обесцвечивание бромной воды и перманганата калия, но реакция идет медленнее (табл. 1). Предложенные два алкина отличаются положением тройной связи. Алкины, у которых тройная связь с края, реагируют с аммиачным раствором оксида серебра и оксида меди(I).

Таблица 1

Сначала проводят реакцию на обнаружение пентина-1:

CH₃CH₂CH₂СCH + [Ag(NH₃)₂]OH CH₃CH₂CH₂СCAg + 2NH₃ + H₂O.

Затем по отсутствию реакции с бромной водой обнаруживают гексан:

CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃ + Br₂(H₂O) … .

Пентин-2 обесцвечивает бромную воду медленно, а 2-метилпентен-2 – быстро:

Реакцию с перманганатом калия можно не делать.

• Задание 2. В трех пробирках без надписей находятся жидкости: н-пропанол, 1-хлорбутан и глицерин. Различите эти вещества.

Решение

В пробирках находятся вещества трех классов: спирт, многоатомный спирт и галогенпроизводное алканов. Глицерин обладает вязкостью, уже поэтому можно предположить, в какой он пробирке. Качественная реакция на многоатомные спирты – взаимодействие с гидроксидом меди(II) до василькового окрашивания. Спирт от галогеналкана можно отличить по реакции с натрием без нагревания. В пробирке со спиртом будет наблюдаться выделение пузырьков газа водорода (табл. 2).

Таблица 2

Уравнения реакций:

• Задание 3. В трех пробирках налиты следующие жидкости: бензол, стирол, фенилацетилен. Определите, где какое вещество.

Решение

Все вещества содержат ароматическое кольцо:

Уравнения реакций:

Составим таблицу (табл. 3).

Таблица 3

№ пробирки	Реагент		Вывод – вещество в пробирке
	[Ag(NH3)2]OH	Br2 (в H2O)
1	–	–	С6Н6, бензол
2	–	Обесцвечивание бромной воды	С6Н5CH=CH2, стирол
3	Выпадение осадка	Обесцвечивание бромной воды	С6Н5CCH, фенилацетилен

• Задание 4. В трех пробирках без подписей находятся следующие вещества: бутанол-1, этиленгликоль, раствор фенола в бензоле. С помощью каких реакций можно различить эти вещества?

Решение

Составим таблицу (табл. 4).

Таблица 4

Уравнения реакций:

З а д а н и я  д л я с а м о с т о я т е л ь н о г о  р е ш е н и я

• Задание 1. В четырех склянках без надписей находятся следующие органические вещества: этанол, ацетальдегид, этиленгликоль и водный раствор фенола. Предложите способ, как различить эти вещества.

Составим таблицу – схему решения (табл. 5).

Таблица 5

• Задание 2. В четырех пробирках находятся следующие вещества: муравьиная кислота, пропионовая кислота, метанол, уксусный альдегид. С помощью каких реакций можно различить названные вещества? Составьте уравнения этих реакций.

Составим таблицу – схему решения (табл. 6).

Таблица 6

• Задание 3. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно различить следующие твердые органические вещества: глюкозу, сахарозу, ацетат натрия, крахмал и фенол.

Составим таблицу – схему решения (табл. 7).

Таблица 7

Реакцию с раствором бромной воды для определения фенола можно не проводить. Неопознанными остались два вещества – это ацетат натрия и фенол. Причем ацетат натрия хорошо растворим в холодной воде, а фенол – плохо. Так их можно различить.

• Задание 4. Как различить органические вещества: хлорид фениламмония, ацетат натрия, глюкозу, аминоуксусную кислоту? Напишите уравнения реакций, которые надо осуществить для распознавания веществ.

Составим таблицу – схему решения (табл. 8).

Таблица 8

Продолжение следует

М.А.АЛЕКСАНДРОВА,
учитель химии школы № 81
(Москва)