Номер 71, страница 33 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.71. Определите неизвестные вещества в цепочках превращений:

а) карбид алюминия ⟶ ${\mathrm{X}}_1$ ⟶ $Y_1$ ⟶ этан;

б) ексан ⟶ ${\mathrm{X}}_2$ ⟶ $Y_2$ ⟶ бромциклогексан;

в) этан ⟶ ${\mathrm{X}}_3$ ⟶ $Y_3$ ⟶ 2-бром-2-метилпропан;

г) уксусная кислота ⟶ ${\mathrm{X}}_4$ ⟶ $Y_4$ ⟶ хлорметан;

д) метан ⟶ ${\mathrm{X}}_5$ ⟶ $Y_5$ ⟶ нитроэтан.

Запишите соответствующие уравнения реакций.

а) Решение:

1. Первое превращение — это гидролиз карбида алюминия, в результате которого образуется метан. Это вещество $X_1$.

$Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 3CH_4 \uparrow + 4Al(OH)_3 \downarrow$

Следовательно, вещество $X_1$ — метан ($CH_4$).

2. Для получения этана ($C_2H_6$) из метана ($CH_4$) необходимо увеличить длину углеродной цепи. Одним из промышленных способов является пиролиз метана до ацетилена ($Y_1$) с последующим гидрированием.

$2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$

Следовательно, вещество $Y_1$ — ацетилен (этин) ($C_2H_2$).

3. На последнем этапе ацетилен полностью гидрируют до этана.

$C_2H_2 + 2H_2 \xrightarrow{Ni, t, p} C_2H_6$

Ответ: $X_1$ — метан ($CH_4$), $Y_1$ — ацетилен ($C_2H_2$).
Уравнения реакций:
$Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 3CH_4 + 4Al(OH)_3$
$2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$
$C_2H_2 + 2H_2 \xrightarrow{Ni, t, p} C_2H_6$

б) Решение:

1. Для превращения гексана в бромциклогексан сначала необходимо получить циклический углеводород. Это достигается реакцией дегидроциклизации н-гексана в бензол ($X_2$).

$CH_3-(CH_2)_4-CH_3 \xrightarrow{Pt, t^\circ} C_6H_6 + 4H_2$

Следовательно, вещество $X_2$ — бензол ($C_6H_6$).

2. Далее, чтобы получить насыщенный цикл, бензол гидрируют до циклогексана ($Y_2$).

$C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{Ni, 150-250^\circ C, p} C_6H_{12}$

Следовательно, вещество $Y_2$ — циклогексан ($C_6H_{12}$).

3. На последнем этапе циклогексан вступает в реакцию радикального замещения с бромом при УФ-облучении, образуя бромциклогексан.

$C_6H_{12} + Br_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_{11}Br + HBr$

Ответ: $X_2$ — бензол ($C_6H_6$), $Y_2$ — циклогексан ($C_6H_{12}$).
Уравнения реакций:
$C_6H_{14} \xrightarrow{Pt, t^\circ} C_6H_6 + 4H_2$
$C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{Ni, t^\circ, p} C_6H_{12}$
$C_6H_{12} + Br_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_{11}Br + HBr$

в) Решение:

1. В этой цепочке исходное вещество — этан ($C_2H_6$), а конечный продукт — 2-бром-2-метилпропан, третичный бромид с разветвленной цепью из четырех атомов углерода. Это требует удлинения и изомеризации углеродного скелета. Стрелка в таких заданиях может означать многостадийный синтез. Наиболее логичный путь — получение н-бутана ($X_3$) из этана по реакции Вюрца.

$C_2H_6 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Cl + HCl$

$2C_2H_5Cl + 2Na \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 + 2NaCl$

Следовательно, вещество $X_3$ — н-бутан ($C_4H_{10}$).

2. Далее н-бутан изомеризуют в 2-метилпропан (изобутан) ($Y_3$) в присутствии катализатора.

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{AlCl_3, t^\circ} (CH_3)_2CH-CH_3$

Следовательно, вещество $Y_3$ — 2-метилпропан (изобутан).

3. На заключительном этапе 2-метилпропан бромируют. Атом водорода у третичного атома углерода замещается преимущественно, образуя 2-бром-2-метилпропан.

$(CH_3)_3CH + Br_2 \xrightarrow{h\nu} (CH_3)_3CBr + HBr$

Ответ: $X_3$ — н-бутан ($C_4H_{10}$), $Y_3$ — 2-метилпропан ($C_4H_{10}$).
Уравнения реакций (включая промежуточные стадии):
$C_2H_6 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Cl + HCl$
$2C_2H_5Cl + 2Na \rightarrow C_4H_{10} + 2NaCl$
$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{AlCl_3, t^\circ} (CH_3)_3CH$
$(CH_3)_3CH + Br_2 \xrightarrow{h\nu} (CH_3)_3CBr + HBr$

г) Решение:

1. Цепочка начинается с уксусной кислоты ($CH_3COOH$) и заканчивается хлорметаном ($CH_3Cl$), что указывает на необходимость укоротить углеродную цепь на один атом (декарбоксилирование). Сначала уксусную кислоту нейтрализуют щелочью, получая ее соль — ацетат натрия ($X_4$).

$CH_3COOH + NaOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O$

Следовательно, вещество $X_4$ — ацетат натрия ($CH_3COONa$).

2. Затем ацетат натрия подвергают сплавлению со щелочью (реакция Дюма), в результате чего образуется метан ($Y_4$).

$CH_3COONa + NaOH_{тв.} \xrightarrow{t^\circ, CaO} CH_4 \uparrow + Na_2CO_3$

Следовательно, вещество $Y_4$ — метан ($CH_4$).

3. На последнем этапе метан хлорируют в условиях радикального замещения для получения хлорметана.

$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$

Ответ: $X_4$ — ацетат натрия ($CH_3COONa$), $Y_4$ — метан ($CH_4$).
Уравнения реакций:
$CH_3COOH + NaOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O$
$CH_3COONa + NaOH \xrightarrow{t^\circ} CH_4 + Na_2CO_3$
$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$

д) Решение:

1. Для получения нитроэтана ($C_2H_5NO_2$) из метана ($CH_4$) необходимо удлинить углеродную цепь. Это можно сделать через реакцию Вюрца. Сначала метан хлорируют, получая хлорметан ($X_5$).

$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$

Следовательно, вещество $X_5$ — хлорметан ($CH_3Cl$).

2. Затем из хлорметана синтезируют этан ($Y_5$) по реакции Вюрца.

$2CH_3Cl + 2Na \rightarrow C_2H_6 + 2NaCl$

Следовательно, вещество $Y_5$ — этан ($C_2H_6$).

3. Наконец, этан нитруют разбавленной азотной кислотой при нагревании (реакция Коновалова), получая нитроэтан.

$C_2H_6 + HNO_3 (разб.) \xrightarrow{140^\circ C, p} C_2H_5NO_2 + H_2O$

Ответ: $X_5$ — хлорметан ($CH_3Cl$), $Y_5$ — этан ($C_2H_6$).
Уравнения реакций:
$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$
$2CH_3Cl + 2Na \rightarrow C_2H_6 + 2NaCl$
$C_2H_6 + HNO_3 \xrightarrow{t^\circ, p} C_2H_5NO_2 + H_2O$