Номер 5, страница 322 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

5. При сжигании 12,4 г органического вещества А образовалось 15,68 л (н. у.) углекислого газа и 7,2 г воды. Вещество А, реагируя с щелочью, превращается в мононатрийпроизводное (вещество В), а при взаимодействии с натрием — в динатриевое (вещество С). Бромирование вещества А бромной водой приводит к веществу D с молекулярной массой 361. Установите формулы веществ, напишите уравнения реакций.

Дано:

$m(\text{A}) = 12,4 \text{ г}$

$V(\text{CO}_2) = 15,68 \text{ л (н.у.)}$

$m(\text{H}_2\text{O}) = 7,2 \text{ г}$

$M(\text{D}) = 361 \text{ г/моль}$

Найти:

Формулы веществ A, B, C, D и уравнения реакций.

Решение:

1. Нахождение молекулярной формулы вещества А

Общая формула органического вещества A — $C_xH_yO_z$.

Уравнение реакции сгорания в общем виде:

$C_xH_yO_z + nO_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O$

Найдем количество вещества (моль) углерода, водорода и кислорода в исходном веществе A, исходя из продуктов сгорания.

Вычисляем количество вещества углекислого газа:

$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{15,68 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,7 \text{ моль}$

Количество вещества атомов углерода равно количеству вещества $CO_2$:

$n(C) = n(CO_2) = 0,7 \text{ моль}$

Масса углерода в веществе A:

$m(C) = n(C) \times M(C) = 0,7 \text{ моль} \times 12 \text{ г/моль} = 8,4 \text{ г}$

Вычисляем количество вещества воды:

$n(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{7,2 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,4 \text{ моль}$

Количество вещества атомов водорода в два раза больше количества вещества воды:

$n(H) = 2 \times n(H_2O) = 2 \times 0,4 \text{ моль} = 0,8 \text{ моль}$

Масса водорода в веществе A:

$m(H) = n(H) \times M(H) = 0,8 \text{ моль} \times 1 \text{ г/моль} = 0,8 \text{ г}$

Проверим, содержится ли в веществе A кислород, сравнив массу A с суммарной массой C и H:

$m(C) + m(H) = 8,4 \text{ г} + 0,8 \text{ г} = 9,2 \text{ г}$

Поскольку $m(C) + m(H) < m(A)$ ($9,2 \text{ г} < 12,4 \text{ г}$), в состав вещества входит кислород. Найдем его массу:

$m(O) = m(A) - m(C) - m(H) = 12,4 \text{ г} - 9,2 \text{ г} = 3,2 \text{ г}$

Вычисляем количество вещества кислорода:

$n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{3,2 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 0,2 \text{ моль}$

Найдем соотношение атомов в веществе A, разделив количества веществ на наименьшее из них (0,2):

$x : y : z = n(C) : n(H) : n(O) = 0,7 : 0,8 : 0,2$

$x : y : z = \frac{0,7}{0,2} : \frac{0,8}{0,2} : \frac{0,2}{0,2} = 3,5 : 4 : 1$

Чтобы получить целочисленные индексы, умножим все значения на 2:

$x : y : z = 7 : 8 : 2$

Простейшая (эмпирическая) формула вещества A — $C_7H_8O_2$. Молярная масса, соответствующая этой формуле:

$M(C_7H_8O_2) = 7 \times 12 + 8 \times 1 + 2 \times 16 = 84 + 8 + 32 = 124 \text{ г/моль}$

При бромировании вещества А образуется вещество D. Эта реакция, как правило, является реакцией замещения, при которой атомы водорода (обычно в ароматическом кольце) замещаются на атомы брома. Масса продукта D ($M_D = 361$ г/моль) больше массы исходного вещества A ($M_A$) на массу присоединенных атомов брома за вычетом массы замещенных атомов водорода.

$M_D = M_A - n \times M(H) + n \times M(Br) = M_A + n(M(Br) - M(H)) \approx M_A + n(80 - 1) = M_A + 79n$

где $n$ — число атомов брома, заместивших атомы водорода.

Предположим, что молекулярная формула A совпадает с простейшей, то есть $M_A = 124$ г/моль.

$361 = 124 + 79n$

$79n = 361 - 124 = 237$

$n = \frac{237}{79} = 3$

Поскольку $n=3$ является целым числом, наше предположение верно. Молекулярная формула вещества A — $C_7H_8O_2$.

Ответ: Молекулярная формула вещества А — $C_7H_8O_2$.

2. Установление строения веществ A, B, C, D и написание уравнений реакций

Проанализируем химические свойства вещества A ($C_7H_8O_2$):

• Реагирует со щелочью, образуя мононатрийпроизводное (вещество B). Это указывает на наличие одной кислотной группы, которая достаточно сильна, чтобы реагировать со щелочью. Такой группой может быть фенольный гидроксил (—OH, связанный с бензольным кольцом) или карбоксильная группа (—COOH).

• Реагирует с металлическим натрием, образуя динатриевое производное (вещество C). Это означает наличие двух подвижных атомов водорода, то есть двух кислотных групп. Это могут быть две фенольные, две спиртовые, две карбоксильные группы, либо их комбинации.

Сопоставление фактов: одна группа реагирует со щелочью, а обе — с натрием. Это характерно для соединения, содержащего одну фенольную и одну спиртовую гидроксильную группу. Карбоксильная группа исключается, так как соединение $C_7H_8O_2$ с бензольным кольцом и группой -COOH (например, метилбензойная кислота) имело бы формулу $C_8H_8O_2$.

Таким образом, вещество А — это гидроксибензиловый спирт, $HO—C_6H_4—CH_2OH$. Фенольная группа реагирует и со щелочью, и с натрием, а спиртовая — только с натрием.

Существует три изомера гидроксибензилового спирта: орто-, мета- и пара-. Выбор изомера можно сделать на основе реакции бромирования, в ходе которой замещаются 3 атома водорода. В бензольном кольце группы —OH и —CH₂OH являются ориентантами первого рода (активируют кольцо и направляют замещение в орто- и пара-положения). Для мета-гидроксибензилового спирта обе группы направляют замещение в положения 2, 4, 6. Эти три положения свободны, и происходит тризамещение, что соответствует найденному значению $n=3$.

Следовательно, вещество А — это мета-гидроксибензиловый спирт (3-(гидроксиметил)фенол).

Структурная формула вещества A:

Уравнения реакций:

1. Реакция вещества A со щелочью с образованием вещества B (мононатрийпроизводное — натриевая соль фенола):

$m-HO—C_6H_4—CH_2OH + NaOH \rightarrow m-NaO—C_6H_4—CH_2OH + H_2O$

Вещество B — 3-(гидроксиметил)фенолят натрия.

2. Реакция вещества A с натрием с образованием вещества C (динатриевое производное):

$m-HO—C_6H_4—CH_2OH + 2Na \rightarrow m-NaO—C_6H_4—CH_2ONa + H_2 \uparrow$

Вещество C — динатриевая соль 3-(гидроксиметил)фенола.

3. Реакция бромирования вещества A с образованием вещества D:

$m-HO—C_6H_4—CH_2OH + 3Br_2 \xrightarrow{H_2O} C_7H_5Br_3O_2 + 3HBr$

Вещество D — 2,4,6-трибром-3-(гидроксиметил)фенол.

Ответ:

Формула вещества A (мета-гидроксибензиловый спирт): $m-HO—C_6H_4—CH_2OH$

Формула вещества B (3-(гидроксиметил)фенолят натрия): $m-NaO—C_6H_4—CH_2OH$

Формула вещества C (динатриевая соль): $m-NaO—C_6H_4—CH_2ONa$

Формула вещества D (2,4,6-трибром-3-(гидроксиметил)фенол): $C_7H_5Br_3O_2$

Уравнения реакций:

$m-HO—C_6H_4—CH_2OH + NaOH \rightarrow m-NaO—C_6H_4—CH_2OH + H_2O$

$m-HO—C_6H_4—CH_2OH + 2Na \rightarrow m-NaO—C_6H_4—CH_2ONa + H_2 \uparrow$

$m-HO—C_6H_4—CH_2OH + 3Br_2 \rightarrow C_7H_5Br_3O_2 + 3HBr$