Страница 206 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

3. Приведите уравнения двух химических реакций, в результате которых образуется толуол. Укажите условия протекания реакций.

1. Алкилирование бензола по реакции Фриделя-Крафтса

Одним из наиболее известных лабораторных и промышленных способов получения толуола является алкилирование бензола. В этой реакции бензол взаимодействует с алкилгалогенидом (например, хлорметаном или бромметаном) в присутствии катализатора, который является кислотой Льюиса. В результате реакции происходит замещение атома водорода в бензольном кольце на метильную группу.

Уравнение реакции алкилирования бензола хлорметаном:
$C_6H_6 + CH_3Cl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5CH_3 + HCl$

Условия протекания реакции: в качестве катализатора используются безводные кислоты Льюиса, чаще всего хлорид алюминия ($AlCl_3$) или хлорид железа(III) ($FeCl_3$). Реакцию обычно проводят при температуре около 80-100 °C.

Ответ: Реакция Фриделя-Крафтса — алкилирование бензола хлорметаном. Уравнение: $C_6H_6 + CH_3Cl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5CH_3 + HCl$. Условия: катализатор — безводный хлорид алюминия ($AlCl_3$), нагревание.

2. Каталитическое дегидрирование (ароматизация) н-гептана

Толуол в промышленности получают в больших количествах путем каталитического риформинга нефтяных фракций. В частности, при пропускании паров н-гептана над специальным катализатором при высокой температуре происходит его дегидроциклизация (ароматизация). В ходе этого процесса линейная молекула гептана замыкается в цикл и отщепляет атомы водорода, превращаясь в толуол.

Уравнение реакции ароматизации н-гептана:
$C_7H_{16} \xrightarrow{t, p, Pt/Al_2O_3} C_6H_5CH_3 + 4H_2$

Условия протекания реакции: высокая температура (450–550 °C), повышенное давление (10–50 атм) и наличие гетерогенного катализатора. Обычно используют платину ($Pt$) или оксид хрома(III) ($Cr_2O_3$), нанесенные на оксид алюминия ($Al_2O_3$).

Ответ: Каталитическое дегидрирование н-гептана. Уравнение: $C_7H_{16} \xrightarrow{t, p, kat} C_6H_5CH_3 + 4H_2$. Условия: высокая температура (450–550 °C), давление, катализатор (например, $Pt$ на $Al_2O_3$).

4. Какие ароматические углеводороды можно получить при дегидрировании и циклизации октана?

Решение

Дегидрирование и циклизация (дегидроциклизация или ароматизация) алканов с шестью и более атомами углерода в цепи при нагревании в присутствии катализаторов (например, платины на оксиде алюминия $Pt/Al_2O_3$ или оксида хрома(III) $Cr_2O_3$) приводит к образованию ароматических углеводородов. Исходным веществом является октан, который представляет собой алкан с восемью атомами углерода ($C_8H_{18}$). В реакции ароматизации участвует шестичленный углеродный фрагмент цепи, который замыкается в цикл с последующим дегидрированием до бензольного кольца.

Для н-октана ($CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$) возможны следующие основные пути реакции:

1. Циклизация с участием атомов углерода с 1-го по 6-й. В этом случае атомы $C_1-C_6$ образуют шестичленный цикл, а оставшиеся атомы $C_7$ и $C_8$ образуют этильный радикал ($-C_2H_5$), связанный с кольцом. Последующее дегидрирование приводит к образованию этилбензола.

Схема реакции:

$CH_3-(CH_2)_6-CH_3 \xrightarrow{t, катализатор} C_6H_5-CH_2-CH_3 + 4H_2$

2. Циклизация с участием атомов углерода со 2-го по 7-й. В этом случае в цикл замыкаются атомы $C_2-C_7$. Атомы $C_1$ и $C_8$ оказываются в виде метильных радикалов ($-CH_3$) у соседних атомов углерода образовавшегося кольца (у $C_2$ и $C_7$). В результате дегидрирования образуется 1,2-диметилбензол (орто-ксилол).

Схема реакции:

$CH_3-(CH_2)_6-CH_3 \xrightarrow{t, катализатор} o-C_6H_4(CH_3)_2 + 4H_2$

Кроме того, в жестких условиях реакции (высокая температура) протекают процессы изомеризации. Исходный н-октан может частично изомеризоваться в свои разветвленные изомеры (например, метилгептаны), дегидроциклизация которых также приводит к образованию ароматических углеводородов. Также происходит изомеризация уже образовавшихся ароматических углеводородов. Этилбензол и орто-ксилол могут изомеризоваться друг в друга, а также в другие изомеры ксилола:

• 1,3-диметилбензол (мета-ксилол)
• 1,4-диметилбензол (пара-ксилол)

Таким образом, в результате реакции образуется смесь всех возможных изомерных ароматических углеводородов состава $C_8H_{10}$.

Ответ: При дегидрировании и циклизации октана можно получить смесь ароматических углеводородов: этилбензол, орто-ксилол (1,2-диметилбензол), мета-ксилол (1,3-диметилбензол) и пара-ксилол (1,4-диметилбензол).

5. При нагревании некоторого углеводорода с катализатором образовалось 55 л паров бензола и 220 л водорода. Установите структуру исходного углеводорода.

Дано:

$V(C_6H_6) = 55 \text{ л}$

$V(H_2) = 220 \text{ л}$

Найти:

Структура исходного углеводорода - ?

Решение:

Процесс, описанный в задаче, — это каталитическая ароматизация (дегидроциклизация) углеводорода. Запишем общее уравнение реакции для неизвестного углеводорода $C_xH_y$:

$C_xH_y \xrightarrow{t, катализатор} C_6H_6 + H_2$

Согласно закону Авогадро, для газов при одинаковых условиях (температуре и давлении) отношение их объемов равно отношению их количеств вещества (молей). Это позволяет нам найти стехиометрическое соотношение между продуктами реакции — бензолом и водородом.

$\frac{n(C_6H_6)}{n(H_2)} = \frac{V(C_6H_6)}{V(H_2)} = \frac{55 \text{ л}}{220 \text{ л}} = \frac{1}{4}$

Таким образом, на 1 моль образовавшегося бензола приходится 4 моля водорода. Уточненное уравнение реакции выглядит так:

$C_xH_y \rightarrow 1 \cdot C_6H_6 + 4 \cdot H_2$

Для определения формулы исходного углеводорода $C_xH_y$ воспользуемся законом сохранения массы, составив баланс атомов для углерода и водорода.

1.Баланс атомов углерода (C):

Все атомы углерода из исходного вещества переходят в молекулы бензола. Следовательно, число атомов углерода в исходной молекуле равно числу атомов углерода в одной молекуле бензола.

$x = 1 \cdot 6 = 6$

2.Баланс атомов водорода (H):

Все атомы водорода из исходного вещества распределяются между молекулами бензола и водорода. Число атомов водорода в левой части уравнения должно быть равно общему числу атомов водорода в правой части.

$y = (1 \cdot 6) + (4 \cdot 2) = 6 + 8 = 14$

Следовательно, молекулярная формула исходного углеводорода — $C_6H_{14}$.

Данная формула соответствует общей формуле алканов $C_nH_{2n+2}$ (при $n=6$, $2n+2 = 2 \cdot 6 + 2 = 14$). Значит, исходное вещество является гексаном.

Реакция каталитической дегидроциклизации с образованием бензола характерна для алканов с неразветвленной цепью из шести атомов углерода. Таким веществом является н-гексан (нормальный гексан).

Уравнение реакции для н-гексана:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{Pt, t^{\circ}} C_6H_6 + 4H_2$

Ответ:

Исходный углеводород — н-гексан. Его структурная формула: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$.

6. При окислении вещества состава $C_8H_{10}$ образовалась фталевая кислота.

${C6H4(COOH)2}$

Установите структуру исходного углеводорода.

Решение

Молекулярная формула исходного вещества – $C_8H_{10}$. Этой формуле соответствуют несколько изомерных ароматических углеводородов: этилбензол и три изомера ксилола (орто-, мета- и пара-диметилбензолы).

Продуктом окисления является фталевая кислота, которая представляет собой бензол-1,2-дикарбоновую кислоту. Наличие двух карбоксильных групп (–COOH) в соседних (орто-) положениях бензольного кольца указывает на то, что исходный углеводород был дизамещенным производным бензола с двумя алкильными группами в положениях 1 и 2.

При жестком окислении гомологов бензола (например, перманганатом калия в кислой среде) любая алкильная боковая цепь, у которой есть хотя бы один атом водорода при α-углеродном атоме (атом, связанный с кольцом), окисляется до карбоксильной группы (–COOH).

Рассмотрим окисление возможных изомеров $C_8H_{10}$:

- Этилбензол ($C_6H_5-C_2H_5$). Имеет один заместитель, поэтому при окислении образует монокарбоновую бензойную кислоту.

- пара-Ксилол (1,4-диметилбензол). При окислении образует терефталевую (бензол-1,4-дикарбоновую) кислоту.

- мета-Ксилол (1,3-диметилбензол). При окислении образует изофталевую (бензол-1,3-дикарбоновую) кислоту.

- орто-Ксилол (1,2-диметилбензол). При окислении двух метильных групп образуется фталевая (бензол-1,2-дикарбоновая) кислота, что соответствует условию задачи.

Таким образом, исходное вещество – это орто-ксилол.

Реакция окисления орто-ксилола перманганатом калия в кислой среде:
$5C_6H_4(CH_3)_2 + 12KMnO_4 + 18H_2SO_4 \\rightarrow 5C_6H_4(COOH)_2 + 6K_2SO_4 + 12MnSO_4 + 28H_2O$

Структура исходного углеводорода (орто-ксилола) представляет собой бензольное кольцо, у которого два соседних атома углерода связаны с метильными группами (-CH₃).

Ответ: Исходный углеводород – орто-ксилол (1,2-диметилбензол).

7. В каком массовом отношении нужно смешать бензоат натрия и гидроксид кальция для получения бензола с максимальным выходом?

Для того чтобы найти массовое отношение реагентов для получения продукта с максимальным выходом, необходимо исходить из стехиометрического соотношения, которое определяется уравнением химической реакции.

Дано:
Реагенты: бензоат натрия ($C_6H_5COONa$) и гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$).
Условие: максимальный выход бензола.

Найти:
Массовое отношение $m(C_6H_5COONa) : m(Ca(OH)_2)$.

Решение:

1. Запишем уравнение реакции декарбоксилирования бензоата натрия при сплавлении с гидроксидом кальция. Эта реакция является вариантом реакции Дюма. Максимальный выход достигается, когда реагенты вступают в реакцию полностью, без остатка.

$2C_6H_5COONa + Ca(OH)_2 \xrightarrow{\Delta} 2C_6H_6 + Na_2CO_3 + CaCO_3$

2. Согласно уравнению реакции, на 2 моля бензоата натрия приходится 1 моль гидроксида кальция. Следовательно, их мольное соотношение для полного протекания реакции составляет:

$n(C_6H_5COONa) : n(Ca(OH)_2) = 2 : 1$

3. Для нахождения массового отношения рассчитаем молярные массы реагентов. Будем использовать округленные значения атомных масс: $Ar(C)=12$, $Ar(H)=1$, $Ar(O)=16$, $Ar(Na)=23$, $Ar(Ca)=40$.

Молярная масса бензоата натрия ($C_6H_5COONa$):

$M(C_6H_5COONa) = 7 \cdot 12 + 5 \cdot 1 + 2 \cdot 16 + 23 = 84 + 5 + 32 + 23 = 144 \text{ г/моль}$

Молярная масса гидроксида кальция ($Ca(OH)_2$):

$M(Ca(OH)_2) = 40 + 2 \cdot (16 + 1) = 40 + 34 = 74 \text{ г/моль}$

4. Теперь найдем массы реагентов, соответствующие стехиометрическому мольному соотношению (2 моль и 1 моль).

Масса 2 моль $C_6H_5COONa$:
$m(C_6H_5COONa) = n \cdot M = 2 \text{ моль} \cdot 144 \text{ г/моль} = 288 \text{ г}$

Масса 1 моль $Ca(OH)_2$:
$m(Ca(OH)_2) = n \cdot M = 1 \text{ моль} \cdot 74 \text{ г/моль} = 74 \text{ г}$

5. Таким образом, массовое отношение бензоата натрия к гидроксиду кальция составляет:

$m(C_6H_5COONa) : m(Ca(OH)_2) = 288 : 74$

6. Упростим полученное отношение, разделив обе части на их наибольший общий делитель, равный 2:

$288 \div 2 = 144$
$74 \div 2 = 37$

Искомое массовое отношение: $144 : 37$.

Ответ: для получения бензола с максимальным выходом бензоат натрия и гидроксид кальция нужно смешать в массовом отношении $144 : 37$.

8. При сжигании 21 г органического вещества образуется 16,8 л углекислого газа, 2,8 л азота (н. у.) и 4,5 г воды. Определите структурную формулу вещества, если известно, что при действии хлора в присутствии хлорида алюминия оно может образовать два изомерных монохлорпроизводных.

Дано:
$m(\text{вещества}) = 21 \text{ г}$
$V(\text{CO}_2) = 16,8 \text{ л}$ (н. у.)
$V(\text{N}_2) = 2,8 \text{ л}$ (н. у.)
$m(\text{H}_2\text{O}) = 4,5 \text{ г}$

Найти:
Структурную формулу вещества.

Решение:

1. Определим количество вещества (моль) продуктов сгорания. Молярный объем газа при нормальных условиях (н. у.) $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$. Молярная масса воды $M(\text{H}_2\text{O}) = 18 \text{ г/моль}$.

$n(\text{CO}_2) = \frac{V(\text{CO}_2)}{V_m} = \frac{16,8 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,75 \text{ моль}$

$n(\text{N}_2) = \frac{V(\text{N}_2)}{V_m} = \frac{2,8 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,125 \text{ моль}$

$n(\text{H}_2\text{O}) = \frac{m(\text{H}_2\text{O})}{M(\text{H}_2\text{O})} = \frac{4,5 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,25 \text{ моль}$

2. Найдем количество вещества и массу каждого элемента в исходном образце органического вещества.

Количество углерода C:
$n(\text{C}) = n(\text{CO}_2) = 0,75 \text{ моль}$
$m(\text{C}) = n(\text{C}) \times M(\text{C}) = 0,75 \text{ моль} \times 12 \text{ г/моль} = 9 \text{ г}$

Количество водорода H:
$n(\text{H}) = 2 \times n(\text{H}_2\text{O}) = 2 \times 0,25 \text{ моль} = 0,5 \text{ моль}$
$m(\text{H}) = n(\text{H}) \times M(\text{H}) = 0,5 \text{ моль} \times 1 \text{ г/моль} = 0,5 \text{ г}$

Количество азота N:
$n(\text{N}) = 2 \times n(\text{N}_2) = 2 \times 0,125 \text{ моль} = 0,25 \text{ моль}$
$m(\text{N}) = n(\text{N}) \times M(\text{N}) = 0,25 \text{ моль} \times 14 \text{ г/моль} = 3,5 \text{ г}$

3. Проверим, содержится ли в веществе кислород O. Для этого сравним сумму масс найденных элементов с исходной массой вещества.

$m(\text{C}) + m(\text{H}) + m(\text{N}) = 9 \text{ г} + 0,5 \text{ г} + 3,5 \text{ г} = 13 \text{ г}$

Так как $13 \text{ г} < 21 \text{ г}$, в веществе присутствует кислород.

$m(\text{O}) = m(\text{вещества}) - (m(\text{C}) + m(\text{H}) + m(\text{N})) = 21 \text{ г} - 13 \text{ г} = 8 \text{ г}$

$n(\text{O}) = \frac{m(\text{O})}{M(\text{O})} = \frac{8 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 0,5 \text{ моль}$

4. Установим простейшую (эмпирическую) формулу вещества, найдя соотношение молей элементов C, H, N, O.

$x : y : z : w = n(\text{C}) : n(\text{H}) : n(\text{N}) : n(\text{O}) = 0,75 : 0,5 : 0,25 : 0,5$

Для получения целочисленных индексов разделим все значения на наименьшее (0,25):

$x : y : z : w = \frac{0,75}{0,25} : \frac{0,5}{0,25} : \frac{0,25}{0,25} : \frac{0,5}{0,25} = 3 : 2 : 1 : 2$

Таким образом, простейшая формула вещества — $\text{C}_3\text{H}_2\text{NO}_2$.

5. Определим молекулярную (истинную) формулу вещества. Условие о реакции с $\text{Cl}_2$ в присутствии $\text{AlCl}_3$ указывает на наличие ароматического кольца, для которого необходимо как минимум 6 атомов углерода. Предположим, что истинная формула является кратной простейшей: $(\text{C}_3\text{H}_2\text{NO}_2)_k$.

Для образования бензольного кольца необходимо $k=2$. Тогда молекулярная формула будет $\text{C}_6\text{H}_4\text{N}_2\text{O}_4$.

Проверим это предположение, рассчитав молярную массу вещества по экспериментальным данным. Если истинная формула $\text{C}_6\text{H}_4\text{N}_2\text{O}_4$, то в одной молекуле содержится 2 атома азота ($z=2$). Тогда количество вещества исходного соединения равно:

$n(\text{вещества}) = \frac{n(\text{N})}{z} = \frac{0,25 \text{ моль}}{2} = 0,125 \text{ моль}$

Рассчитаем молярную массу:

$M(\text{вещества}) = \frac{m(\text{вещества})}{n(\text{вещества})} = \frac{21 \text{ г}}{0,125 \text{ моль}} = 168 \text{ г/моль}$

Рассчитаем молярную массу для формулы $\text{C}_6\text{H}_4\text{N}_2\text{O}_4$:

$M(\text{C}_6\text{H}_4\text{N}_2\text{O}_4) = 6 \times 12 + 4 \times 1 + 2 \times 14 + 4 \times 16 = 72 + 4 + 28 + 64 = 168 \text{ г/моль}$

Молярные массы совпадают, следовательно, молекулярная формула вещества — $\text{C}_6\text{H}_4\text{N}_2\text{O}_4$. Это динитробензол.

6. Установим структуру вещества на основе данных о реакции хлорирования. Вещество вступает в реакцию электрофильного замещения (хлорирование в присутствии катализатора $\text{AlCl}_3$), образуя два изомерных монохлорпроизводных. Рассмотрим возможные изомеры динитробензола:

– пара-Динитробензол (1,4-динитробензол): все 4 атома водорода в кольце эквивалентны, поэтому образуется только одно монохлорпроизводное.

– мета-Динитробензол (1,3-динитробензол): в кольце есть 3 типа неэквивалентных атомов водорода, что может привести к образованию трех изомеров.

– орто-Динитробензол (1,2-динитробензол): в кольце есть 2 типа неэквивалентных атомов водорода. Замещение в положения 3 и 6 (эквивалентны) дает один продукт. Замещение в положения 4 и 5 (эквивалентны) дает другой продукт. Таким образом, образуется два изомерных монохлорпроизводных.

Это соответствует условию задачи. Следовательно, искомое вещество — 1,2-динитробензол (орто-динитробензол).

Ответ:
Искомое вещество — 1,2-динитробензол. Его структурная формула:

9*.При сгорании 1 моль углеводорода образуется 179,2 л углекислого газа (н. у.). Такое же количество углеводорода способно присоединить 1 моль брома. При окислении углеводорода подкисленным раствором перманганата калия образуется только одно органическое соединение — монокарбоновая кислота. Назовите углеводород.

Дано:

$n(\text{углеводорода}) = 1 \text{ моль}$
$V(\text{CO}_2) = 179,2 \text{ л (н. у.)}$
$n(\text{углеводорода}) : n(\text{Br}_2) = 1 : 1$
Продукт окисления $KMnO_4/H^+$ - одна монокарбоновая кислота.

Найти:

Назвать углеводород.

Решение:

1. Определим число атомов углерода в молекуле углеводорода. Общая формула реакции горения углеводорода $C_xH_y$:
$C_xH_y + (x + \frac{y}{4})O_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O$
Согласно уравнению, из 1 моль углеводорода $C_xH_y$ образуется $x$ моль углекислого газа $CO_2$.

Найдем количество вещества $CO_2$, выделившегося в реакции, используя молярный объем газа при нормальных условиях ($V_m = 22,4 \text{ л/моль}$):
$n(CO_2) = \frac{V(CO_2)}{V_m} = \frac{179,2 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 8 \text{ моль}$

Поскольку сгорает 1 моль углеводорода и образуется 8 моль $CO_2$, то число атомов углерода в молекуле углеводорода ($x$) равно 8.

2. Определим класс углеводорода и его молекулярную формулу. Из условия известно, что 1 моль углеводорода способен присоединить 1 моль брома. Реакция присоединения в мольном соотношении 1:1 характерна для соединений, содержащих одну двойную связь $C=C$. Следовательно, искомый углеводород является алкеном.

Общая формула алкенов $C_nH_{2n}$. Так как мы установили, что число атомов углерода $n=8$, то молекулярная формула углеводорода — $C_8H_{16}$.

3. Установим структурную формулу и название углеводорода. При жестком окислении алкенов (например, подкисленным раствором $KMnO_4$) происходит разрыв углерод-углеродной цепи по месту двойной связи. По условию, при окислении нашего алкена образуется только одно органическое соединение — монокарбоновая кислота. Это возможно только в том случае, если исходный алкен имеет симметричное строение относительно двойной связи.

Схема реакции жесткого окисления симметричного алкена:
$R-CH=CH-R \xrightarrow{KMnO_4, H_2SO_4, t} 2 R-COOH$

Молекула исходного алкена $C_8H_{16}$ распадается на две одинаковые молекулы карбоновой кислоты. Следовательно, каждая молекула кислоты будет содержать $8 / 2 = 4$ атома углерода.

Карбоновая кислота, содержащая 4 атома углерода, — это бутановая (масляная) кислота с формулой $CH_3-CH_2-CH_2-COOH$.

Таким образом, радикал $R$ в исходном алкене — это пропил $CH_3-CH_2-CH_2-$. Тогда структурная формула исходного углеводорода будет:
$CH_3-CH_2-CH_2-CH=CH-CH_2-CH_2-CH_3$

Это соединение называется октен-4.

Ответ: октен-4.