Номер 248, страница 60 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.248. При гидратации двух ациклических углеводородов, содержащих одинаковое число атомов углерода, образовались третичный спирт и кетон в молярном соотношении 1 : 3. Если исходную смесь сжечь, то вода будет составлять 25,80% от общей массы продуктов сгорания. При пропускании смеси 60 через раствор $\left[\mathrm{Cu}{\left({\mathrm{NH}}_3\right)}_2\right]\mathrm{Cl}$ выпадает осадок. Также известно, что оба углеводорода имеют разветвлённый углеродный скелет. Определите строение исходных углеводородов и запишите уравнения всех протекающих реакций.

Дано:

Найти:

Решение:

1. Определим классы исходных углеводородов. Реакция с аммиачным раствором хлорида меди(I) $[Cu(NH_3)_2]Cl$ с образованием осадка является качественной реакцией на терминальные алкины (содержащие группу $-C \equiv CH$). Следовательно, один из углеводородов (пусть будет УВ2) — это терминальный алкин. Гидратация терминальных алкинов (реакция Кучерова), за исключением ацетилена, приводит к образованию кетонов, что соответствует условию задачи.

Второй углеводород (УВ1) при гидратации образует третичный спирт. Это возможно, если УВ1 является алкеном, у которого двойная связь расположена у третичного атома углерода.

Таким образом, исходная смесь состоит из алкена (УВ1) и терминального алкина (УВ2), имеющих одинаковое число атомов углерода $n$ и разветвленное строение. Общая формула УВ1: $C_nH_{2n}$, УВ2: $C_nH_{2n-2}$.

2. Найдем число атомов углерода $n$ в молекулах углеводородов. Молярное соотношение продуктов гидратации (третичный спирт : кетон) составляет 1 : 3. Это означает, что молярное соотношение исходных углеводородов в смеси (алкен : алкин) также равно 1 : 3. Пусть в смеси содержится 1 моль алкена $C_nH_{2n}$ и 3 моль алкина $C_nH_{2n-2}$.

Запишем уравнения сгорания для этих количеств веществ:

Для 1 моль алкена: $C_nH_{2n} + \frac{3n}{2}O_2 \rightarrow nCO_2 + nH_2O$

Для 3 моль алкина: $3C_nH_{2n-2} + 3 \cdot \frac{3n-1}{2}O_2 \rightarrow 3nCO_2 + 3(n-1)H_2O$

Общее количество вещества продуктов сгорания (углекислого газа и воды):

$\nu(CO_2)_{общ} = n + 3n = 4n$ моль

$\nu(H_2O)_{общ} = n + 3(n-1) = n + 3n - 3 = 4n - 3$ моль

Вычислим массы продуктов сгорания, используя молярные массы $M(CO_2) = 44$ г/моль и $M(H_2O) = 18$ г/моль:

$m(CO_2) = 4n \cdot 44 = 176n$ г

$m(H_2O) = (4n-3) \cdot 18 = 72n - 54$ г

Общая масса продуктов сгорания: $m_{прод.} = m(CO_2) + m(H_2O) = 176n + 72n - 54 = 248n - 54$ г.

Массовая доля воды в продуктах сгорания составляет 25,80% (0,2580). Составим и решим уравнение:

$\omega(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{m_{прод.}} = \frac{72n-54}{248n-54} = 0,2580$

$72n - 54 = 0,2580 \cdot (248n - 54)$

$72n - 54 = 63,984n - 13,932$

$8,016n = 40,068$

$n = \frac{40,068}{8,016} \approx 5$

Следовательно, оба углеводорода содержат по 5 атомов углерода. Их формулы: $C_5H_{10}$ (алкен) и $C_5H_8$ (алкин).

3. Установим строение углеводородов.

УВ1 ($C_5H_{10}$) — алкен разветвленного строения, при гидратации которого образуется третичный спирт. Единственный разветвленный углеродный скелет с 5 атомами углерода — это скелет 2-метилбутана. Третичный спирт, который может образоваться на его основе — 2-метилбутан-2-ол. Этот спирт получается при гидратации 2-метилбут-1-ена или 2-метилбут-2-ена. Оба варианта удовлетворяют условию. Выберем, например, 2-метилбут-2-ен.

Строение УВ1: 2-метилбут-2-ен, $CH_3-C(CH_3)=CH-CH_3$.

УВ2 ($C_5H_8$) — терминальный алкин разветвленного строения. Единственная структура, удовлетворяющая этим требованиям — 3-метилбут-1-ин.

Строение УВ2: 3-метилбут-1-ин, $(CH_3)_2CH-C \equiv CH$.

Проверка: гидратация 3-метилбут-1-ина по правилу Марковникова приводит к образованию кетона 3-метилбутан-2-она, $(CH_3)_2CH-C(O)-CH_3$, что согласуется с условием задачи.

Ответ:

Строение исходных углеводородов:

Первый углеводород (алкен) — 2-метилбут-2-ен (или 2-метилбут-1-ен). Его структурная формула: $CH_3-C(CH_3)=CH-CH_3$.

Второй углеводород (алкин) — 3-метилбут-1-ин. Его структурная формула: $(CH_3)_2CH-C \equiv CH$.

Уравнения всех протекающих реакций:

1. Гидратация 2-метилбут-2-ена с образованием третичного спирта:

$CH_3-C(CH_3)=CH-CH_3 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-C(OH)(CH_3)-CH_2-CH_3$

2. Гидратация 3-метилбут-1-ина с образованием кетона (реакция Кучерова):

$(CH_3)_2CH-C \equiv CH + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} (CH_3)_2CH-C(O)-CH_3$

3. Реакция смеси с аммиачным раствором хлорида меди(I) (реагирует только алкин):

$(CH_3)_2CH-C \equiv CH + [Cu(NH_3)_2]Cl \rightarrow (CH_3)_2CH-C \equiv CCu \downarrow + NH_4Cl + NH_3$

4. Реакции сгорания исходных углеводородов:

Сгорание 2-метилбут-2-ена ($C_5H_{10}$):

$2C_5H_{10} + 15O_2 \rightarrow 10CO_2 + 10H_2O$

Сгорание 3-метилбут-1-ина ($C_5H_8$):

$C_5H_8 + 7O_2 \rightarrow 5CO_2 + 4H_2O$