Номер 62, страница 32 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.62. Укажите продукты взаимодействия бутана со следующими реагентами: $\mathrm{а}) {\mathrm{Br}}_2,$ свет; $\mathrm{б}) \mathrm{HN}{\mathrm{O}}_{3\left(\mathrm{разб}\right)},$ р, t; $\mathrm{в}) {\mathrm{O}}_2,$ [Со], t; $\mathrm{г}) {\mathrm{AlCl}}_3,$ t; $\mathrm{д}) \mathrm{S}{\mathrm{O}}_2, {\mathrm{Cl}}_2,$ свет; $\mathrm{е}) {\mathrm{F}}_2$ (изб.), t.

Бутан ($CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$) является насыщенным углеводородом (алканом). Для него характерны реакции замещения, идущие по свободно-радикальному механизму, а также реакции изомеризации, окисления и крекинга, протекающие в жестких условиях.

a) Br₂, свет

Взаимодействие бутана с бромом на свету (УФ-облучение) представляет собой реакцию свободно-радикального замещения. Атомы водорода в молекуле бутана замещаются на атомы брома. В молекуле бутана имеются первичные (при C1 и C4) и вторичные (при C2 и C3) атомы водорода. Замещение у вторичных атомов углерода протекает с большей скоростью, так как образующийся вторичный радикал более стабилен, чем первичный. Следовательно, основным продуктом реакции будет 2-бромбутан, а 1-бромбутан образуется в меньшем количестве.

Уравнения реакций:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH(Br)-CH_2-CH_3 + HBr$ (основной продукт)

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-Br + HBr$ (побочный продукт)

Ответ: 2-бромбутан (основной продукт), 1-бромбутан, бромоводород.

б) HNO₃(разб.), p, t

Реакция бутана с разбавленной азотной кислотой при повышенных температуре и давлении (реакция Коновалова) — это реакция нитрования алканов. Она также протекает по свободно-радикальному механизму. Как и в случае бромирования, замещение водорода на нитрогруппу ($-NO_2$) преимущественно происходит у вторичного атома углерода. В жестких условиях также происходит разрыв углерод-углеродных связей (крекинг), что приводит к образованию смеси нитроалканов с меньшим числом атомов углерода.

Основные реакции:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + HNO_3 \xrightarrow{t, p} CH_3-CH(NO_2)-CH_2-CH_3 + H_2O$ (основной продукт)

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + HNO_3 \xrightarrow{t, p} CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-NO_2 + H_2O$ (побочный продукт)

Продукты крекинга: нитропропан, нитроэтан, нитрометан.

Ответ: Смесь продуктов, в которой основным является 2-нитробутан, а также содержатся 1-нитробутан, нитроалканы с меньшей длиной цепи (нитропропан, нитроэтан, нитрометан) и вода.

в) O₂, [Co], t

Каталитическое окисление бутана кислородом воздуха в присутствии солей кобальта (или марганца) при температуре является промышленным способом получения уксусной кислоты. В ходе реакции происходит разрыв углерод-углеродной связи между вторым и третьим атомами углерода.

Суммарное уравнение реакции:

$2CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + 5O_2 \xrightarrow{[Co], t} 4CH_3COOH + 2H_2O$

Ответ: Уксусная кислота ($CH_3COOH$) и вода.

г) AlCl₃, t

Нагревание н-бутана в присутствии катализатора хлорида алюминия ($AlCl_3$) приводит к его изомеризации. Происходит перестройка углеродного скелета с образованием разветвленного алкана — изобутана (2-метилпропана). Реакция обратима.

Уравнение реакции:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \rightleftharpoons[AlCl_3, t] (CH_3)_2CH-CH_3$

Ответ: Изобутан (2-метилпропан).

д) SO₂, Cl₂, свет

Эта реакция называется сульфохлорированием (реакция Рида). Она инициируется светом и протекает по свободно-радикальному цепному механизму. В результате атом водорода в молекуле алкана замещается на сульфохлоридную группу ($-SO_2Cl$). Как и в других реакциях радикального замещения для бутана, преимущественно образуется продукт замещения у вторичного атома углерода.

Уравнения реакций:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + SO_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH(SO_2Cl)-CH_2-CH_3 + HCl$ (основной продукт)

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + SO_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-SO_2Cl + HCl$ (побочный продукт)

Ответ: Бутан-2-сульфохлорид (основной продукт), бутан-1-сульфохлорид, хлороводород.

е) F₂(изб.), t

Фтор является самым активным галогеном. Его реакция с алканами протекает очень бурно, со взрывом, и носит неселективный характер. В условиях избытка фтора и при нагревании происходит не только замещение всех атомов водорода на фтор, но и разрыв углерод-углеродных связей (деструктивное фторирование). В результате образуется смесь перфторуглеродов, основным из которых будет тетрафторид углерода.

Примерные реакции:

$C_4H_{10} + 10F_2 \rightarrow C_4F_{10} + 10HF$

$C_4H_{10} + F_2(\text{изб.}) \xrightarrow{t} CF_4, C_2F_6, C_3F_8, C_4F_{10} + HF$

Ответ: Смесь перфторуглеродов (тетрафторид углерода $CF_4$, гексафторэтан $C_2F_6$, октафторпропан $C_3F_8$, декафторбутан $C_4F_{10}$) и фтороводород ($HF$).