Решение качественных задач
в курсе органической химии

Элективный курс • 11 класс

Продолжение. См. № 23/2006, 7/2007; 11/2008.

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

Занятие 8. Идентификация зашифрованных веществ

Ц е л ь. Научить решать текстовые задачи, где упоминаются особенные и качественные реакции на разные классы соединений и на применение этих веществ в промышленности и быту.

• Задача 1. Жидкое органическое вещество А при окислении дает сначала вещество В, а затем вещество С, употребляемое при приготовлении пищи. Вещество А взаимодействует с металлическим натрием с выделением водорода, но не реагирует с раствором щелочи. Вещество С реагирует как с металлическим натрием, так и с раствором щелочи. Взаимодействие вещества А с концентрированным раствором серной кислоты при нагревании приводит к образованию ненасыщенного соединения D, имеющего большое значение в производстве полимеров. Действие хлора на вещество D приводит к образованию ценного растворителя для жиров и может быть использовано для получения других растворителей жиров. Назовите все упомянутые в задаче вещества и напишите соответствующие уравнения реакций.

Вещество А – это спирт (т.к. потом из него получается вещество С, употребляемое в пищу), причем спирт – этиловый.

Вещество В – это альдегид этаналь.

Другие зашифрованные вещества: С – уксусная кислота, D – этилен.

Уравнения приведенных в тексте реакций:

Решение

• Задача 2. Органическое вещество А – бесцветная жидкость с характерным запахом. Она легко реагирует с натрием. При этом одним из продуктов реакции является газообразное, без запаха и цвета простое вещество В. Вещество А, взаимодействуя с нагретым оксидом меди(II), образует бесцветное вещество С с резким запахом, которое в больших количествах используется для производства пластмасс. Водный раствор вещества С применяется в кожевенном производстве. В зависимости от условий вещество С можно превратить либо в органическую кислоту, либо в вещество А. Что представляют собой вещества А, В, С? Напишите уравнения описанных реакций.

Вещество А – метиловый спирт.

Другие зашифрованные вещества: В – водород, С – формальдегид.

Уравнения указанных реакций:

Решение

• Задача 3. Органическое вещество состава С₃Н₆О₂ нагрели с разбавленной серной кислотой. Образовавшийся при этом раствор обладает резким раздражающим запахом, дает реакцию «серебряного зеркала». Содержащиеся в водном растворе органические соединения отделили от воды перегонкой и нагрели на этот раз с концентрированной серной кислотой.

В результате выделился ядовитый газ, который обесцвечивал бромную воду, но полностью ею не поглощался. Какое соединение было взято для исследования?

Решение

Запишем схемами исходные данные этой задачи.

1) С₃H₆O₂ + H₂SO₄ (разб.) А (вещество, дающее реакцию «серебряного зеркала», в его составе есть альдегидная группа) + В.

2) Смесь веществ

А + В + H₂SO₄ С (ядовитый газ, содержит двойную или тройную связь) + … .

3) Газ С + Br₂ —> обесцвечивание бромной воды, но газ поглощается не полностью.

1-й  в а р и а н т ответа: С₃H₆O₂ – это СН₂ОН–СН₂–СНО (пропанол-3-аль). Такой вариант не подходит, т. к. это соединение не взаимодействует с разбавленной серной кислотой.

2-й  в а р и а н т ответа: С₃H₆O₂ – это НCOОC₂H₅ (этиловый эфир муравьиной кислоты, t_кип = 53 °С).

3-й  в а р и а н т ответа: С₃H₆O₂ – это СН₃СООСН₃ (метиловый эфир уксусной кислоты). Поскольку продукты гидролиза данного эфира не дают реакции «серебряного зеркала», этот вариант не рассматриваем.

Из трех возможных веществ нам подходит только 2-й  в а р и а н т – этиловый эфир муравьиной кислоты. Тогда реакции из условия задачи:

Выделяющиеся органические соединения: А – муравьиная кислота и В – этиловый спирт с концентрированной серной кислотой дают два продукта – исходный эфир и этилен. Эфир не будет поглощаться бромной водой, а этилен дает обесцвечивание бромной воды:

С₂Н₄ + Br₂ —> С₂Н₄Br₂.

• Задача 4. Вещество А – жидкость, при добавлении которой к водному раствору хлорида железа(III) выпадает бурый осадок. Газ, образующийся при сгорании вещества А, вызывает помутнение известковой воды. Приведите формулу вещества А и уравнения перечисленных реакций.

Решение

Вещество А содержит углерод, т.к. при его сгорании образуется углекислый газ, который дает помутнение известковой воды:

СО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃ + Н₂О.

Образование бурого осадка с хлоридом железа(III) – качественная реакция на фенол:

• Задача 5. Приведите формулы трех изомеров состава С₇Н₈О, один из которых вступает в реакцию с натрием, но не вступает в реакцию с гидроксидом натрия, другой вступает в реакцию и с натрием, и с гидроксидом натрия, а третий не вступает в реакцию ни с натрием, ни с гидроксидом натрия. Напишите уравнения реакций.

Решение

Метилфениловый эфир С₆H₅OСH₃ в реакции с натрием и гидроксидом натрия не вступает.

• Задача 6. Соединение А состава С₃H₆O₃ в реакции с натрием образует вещество С₃H₄Na₂O₃, с карбонатом кальция – вещество С₆H₁₀СaO₆, а с этанолом в присутствии серной кислоты – вещество С₅H₁₀O₃. Предложите возможную структуру вещества А и напишите уравнения соответствующих реакций.

Решение

Раздел 4. Разделение смесей на основе
различий в физических и химических свойствах
составляющих их веществ

Занятие 9. Задачи на разделение смеси веществ.

Ц е л ь. Научить решать задачи на разделение смесей на основе различий в физико-химических свойствах.

Этот тип задач практически никогда не разбирается на уроках химии (имеется в виду обычная государственная программа – 2 ч химии в неделю). Учащиеся путают задания: разделить смесь и определить, где какое вещество.

Задачи на разделение смесей для решения сложней, чем задачи на идентификацию веществ. Считаю нужным разобрать решение некоторых задач для подготовки к олимпиадам.

• Задача 1. Разделите смесь фенола и бензойной кислоты.

Решение

Смысл задачи сводится к тому, чтобы сначала перевести вещества в раствор, а затем по очереди их осадить.

Обработка смеси водным раствором щелочи приводит к переходу в раствор фенола и бензойной кислоты:

С₆H₅OH + NaOH —> С₆H₅ONa + H₂O,

С₆H₅COOH + NaOH —> С₆H₅COONa + H₂O.

Если через полученный раствор пропустить CО₂, то выделяется фенол:

С₆H₅ONa + CO₂ + H₂О —> С₆H₅OH + NaHCO₃.

Обработка оставшегося раствора сильной кислотой приводит к выделению бензойной кислоты:

С₆H₅COONa + HCl —> С₆H₅COOH + NaCl.

• Задача 2. Предложите способ выделения веществ из смеси н-октана, 2,2,4-триметилпентана, фенола и бензойной кислоты.

Решение

Фенол и бензойную кислоту разделяем как в задаче 1 (см. выше). При обработке смеси водным раствором щелочи фенол и бензойная кислота переходят в водный слой:

С₆H₅OH + NaOH —> С₆H₅ONa + H₂O,

С₆H₅COOH + NaOH —> С₆H₅COONa + H₂O.

Водный слой отделяют с помощью делительной воронки и пропускают через него СО₂, в результате осаждается фенол:

С₆H₅ONa + CO₂ + H₂О —> С₆H₅OH + NaHCO₃.

Обрабатывая оставшийся раствор сильной минеральной кислотой, выделяют бензойную кислоту:

С₆H₅COONa + HCl —> С₆H₅COOH + NaCl.

К органическому слою смеси углеводородов следует добавить мочевину (NH₂)₂СО, образующую c н-октаном нерастворимое клатратное соединение. Этот клатрат отфильтровывают и обрабатывают водой, что вызывает обратную реакцию образования мочевины и н-октана.

Кристаллическая мочевина за счет водородных связей образует ажурные структуры. В результате соединения строго определенного числа молекул мочевины получаются микрополости – шестигранные каналы, напоминающие пчелиные соты. Эти микрополости поглощают органические вещества (углеводороды, спирты, галогеналканы, амины) с нормальной цепью углеводородных атомов. Образуются устойчивые кристаллические продукты – соединения включения, иначе называемые клатратами. Разветвленные молекулы углеводородов не помещаются в сотах вещества-«хозяина». Таким образом можно разделить органические соединения нормального и разветвленного строения.

Свойство мочевины давать соединения включения используется в нефтеперерабатывающей отрасли промышленности для повышения качества топлива. Из бензина таким образом удаляют нормальные углеводороды, которые снижают октановое число горючего. При удалении н-алканов из топлива для реактивных двигателей снижается его температура застывания, т.к. углеводороды с разветвленной цепью плавятся значительно ниже нормальных.

• Задача 3. Разделите смесь газов, состоящую из этана, этилена и ацетилена.

Решение

Все эти газы близки по молярным массам, и разделить их физическими методами трудно. Однако эти вещества отличаются по химическим свойствам.

Ацетиленовые углеводороды легко взаимодействуют с аммиакатами меди(I):

HССН + 2[Cu(NН₃)₂]ОН —> CuССCu + 4NН₃ + 2Н₂О.

Если пропустить смесь газов через аммиачный раствор оксида меди(I), то выпадет кирпично-красный осадок, который легко отделить фильтрованием. На осадок действуем соляной кислотой и получаем исходный ацетилен:

CuССCu + 2HСl —> HССH + 2CuCl.

Осталась смесь достаточно инертного газа этана и очень реакционноспособного этилена. Для ее разделения можно воспользоваться способностью алкенов растворяться в концентрированной серной кислоте с образованием алкилсульфатов, а при нагревании отщепляться вследствие разложения алкилсульфата:

• Задача 4. Предложите способ разделения смеси, состоящей из пропилового спирта, бутилового спирта, пропионовой кислоты и пропионового альдегида.

Решение

Один из компонентов смеси не растворяется в воде – это бутиловый спирт. Его отделяем с помощью делительной воронки.

Выделение карбонильных соединений (альдегидов) основано на обработке смеси насыщенным раствором гидросульфита натрия.

Пропиловый спирт и пропионовая кислота растворяются в воде, пропионовый альдегид взаимодействует с гидросульфитом с образованием осадка:

Отфильтровываем осадок, промываем холодной водой и разлагаем гидроксидом натрия:

Пропионовый альдегид (t_кип = 48 °С) выделяем из водного раствора перегонкой.

Водный раствор пропилового спирта и пропионовой кислоты подщелачиваем для перевода кислоты в соль (в нелетучее соединение).

СН₃СН₂СООН + NaOH —> CН₃СН₂СООNа + Н₂О.

Отгоняем перегонкой пропиловый спирт.

К оставшемуся раствору соли пропионовой кислоты добавляем серную кислоту и перегонкой отгоняем пропионовую кислоту:

СН₃СН₂СООNа + Н₂SO₄ —> NaHSO₄ + СН₃СН₂СООН.

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