Номер 343, страница 80 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.343. При хлорировании углеводорода X хлором на свету было получено соединение Y, содержащее 54,48% хлора (по массе). Взаимодействие соединения Y с избытком водного раствора гидроксида натрия приводит к образованию соединения Z, содержащего 15,97% натрия (по массе). Определите неизвестные вещества X–Z и запишите уравнения описанных реакций.

Дано:

$ \omega(Cl) $ в соединении Y = 54,48%
$ \omega(Na) $ в соединении Z = 15,97%

Найти:

Вещества X, Y, Z - ?
Уравнения реакций - ?

Решение

1. Определение строения вещества Z.

Соединение Y является хлорпроизводным углеводорода X. При взаимодействии с избытком водного раствора гидроксида натрия (NaOH) Y образует соединение Z, содержащее натрий. Галогеналканы в водном растворе щелочи подвергаются гидролизу с образованием спиртов. Наличие натрия в продукте Z указывает на то, что образующийся спирт (или продукт его превращения) обладает кислотными свойствами и реагирует с избытком щелочи.

Такая ситуация возможна, если в результате гидролиза образуется карбоновая кислота. Это происходит при гидролизе тригалогенпроизводных, у которых все три атома галогена находятся у одного атома углерода ($R-CCl_3$). Промежуточно образуется неустойчивое соединение с тремя гидроксильными группами у одного атома углерода, которое отщепляет воду, превращаясь в карбоновую кислоту. Кислота затем реагирует с избытком NaOH, образуя соль — карбоксилат натрия.

Следовательно, Z — это натриевая соль карбоновой кислоты общей формулы $R-COONa$.

Зная массовую долю натрия в Z, найдем молярную массу соединения Z ($M_Z$):

$M_Z = \frac{A_r(Na)}{\omega(Na)} = \frac{23 \text{ г/моль}}{0,1597} \approx 144 \text{ г/моль}$

Теперь найдем молярную массу радикала R:

$M_Z = M_R + M_{COONa} = M_R + M(C) + 2 \cdot M(O) + M(Na)$

$144 = M_R + 12 + 2 \cdot 16 + 23 = M_R + 67$

$M_R = 144 - 67 = 77 \text{ г/моль}$

Найдем формулу радикала R. Если предположить, что R — это алкильный радикал $C_nH_{2n+1}$, то его молярная масса $14n + 1 = 77$, откуда $14n = 76$, $n \approx 5,43$, что не является целым числом. Следовательно, радикал не является алкильным.

Проверим ароматический радикал фенил $C_6H_5-$. Его молярная масса: $M(C_6H_5) = 6 \cdot 12 + 5 \cdot 1 = 77 \text{ г/моль}$. Это значение совпадает с рассчитанным.

Таким образом, вещество Z — это бензоат натрия, $C_6H_5COONa$.

Проверим молярную массу бензоата натрия: $M(C_6H_5COONa) = 7 \cdot 12 + 5 \cdot 1 + 2 \cdot 16 + 23 = 144 \text{ г/моль}$. Расчет верен.

Z — бензоат натрия ($C_6H_5COONa$)

2. Определение строения вещества Y.

Как мы установили, бензоат натрия (Z) образуется при щелочном гидролизе соединения, содержащего группу $-CCl_3$, связанную с фенильным радикалом. Следовательно, вещество Y — это (трихлорметил)бензол (или бензотрихлорид), $C_6H_5CCl_3$.

Проверим это предположение, рассчитав массовую долю хлора в $C_6H_5CCl_3$. Молекулярная формула $C_7H_5Cl_3$.

Молярная масса Y: $M_Y = 7 \cdot 12 + 5 \cdot 1 + 3 \cdot 35,5 = 84 + 5 + 106,5 = 195,5 \text{ г/моль}$.

Массовая доля хлора в Y:

$\omega(Cl) = \frac{3 \cdot A_r(Cl)}{M_Y} = \frac{3 \cdot 35,5}{195,5} = \frac{106,5}{195,5} \approx 0,5448$ или 54,48%.

Рассчитанное значение совпадает с данным в условии задачи. Следовательно, вещество Y — это (трихлорметил)бензол.

Y — (трихлорметил)бензол ($C_6H_5CCl_3$)

3. Определение строения вещества X.

Соединение Y ($C_6H_5CCl_3$) было получено при хлорировании углеводорода X на свету. Хлорирование на свету ($h\nu$) — это реакция радикального замещения. Для ароматических углеводородов с боковой цепью такая реакция идет по боковой цепи.

Поскольку Y содержит фенильный радикал и трихлорметильную группу, исходный углеводород X должен иметь метильную группу, связанную с бензольным кольцом. Таким углеводородом является толуол (метилбензол), $C_6H_5CH_3$.

X — толуол ($C_6H_5CH_3$)

4. Запись уравнений реакций.

1) Получение (трихлорметил)бензола (Y) из толуола (X) путем хлорирования на свету:

$C_6H_5CH_3 + 3Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_5CCl_3 + 3HCl$

2) Получение бензоата натрия (Z) из (трихлорметил)бензола (Y) действием избытка водного раствора гидроксида натрия. Реакция включает стадию гидролиза до бензойной кислоты и последующую нейтрализацию кислоты избытком щелочи:

$C_6H_5CCl_3 + 4NaOH \rightarrow C_6H_5COONa + 3NaCl + 2H_2O$

Ответ:

Неизвестные вещества:

• X — толуол (метилбензол), $C_6H_5CH_3$.
• Y — (трихлорметил)бензол (бензотрихлорид), $C_6H_5CCl_3$.
• Z — бензоат натрия, $C_6H_5COONa$.

Уравнения реакций:

1. $C_6H_5CH_3 + 3Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_5CCl_3 + 3HCl$

2. $C_6H_5CCl_3 + 4NaOH \rightarrow C_6H_5COONa + 3NaCl + 2H_2O$