Номер 83, страница 96 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.83. Продукт окисления первичного одноатомного спирта на 15,9% тяжелее спирта. Определите молекулярную формулу и структуру спирта, если известно, что окисление происходит со 100%-м выходом, а исходный спирт существует в виде двух энантиомеров. Напишите уравнение взаимодействия спирта с избытком дихромата калия в сернокислой среде.

Дано:

Спирт: первичный, одноатомный
Отношение молярных масс: $M_{продукта} = M_{спирта} \cdot (1 + \frac{15.9}{100}) = 1.159 \cdot M_{спирта}$
Выход реакции: 100%
Свойство спирта: существует в виде двух энантиомеров (является хиральным)
Реагенты для окисления: избыток $K_2Cr_2O_7$ в $H_2SO_4$

Найти:

1. Молекулярную формулу спирта.
2. Структурную формулу спирта.
3. Уравнение реакции окисления спирта дихроматом калия в серной кислоте.

Решение:

1. Определение молекулярной формулы и структуры спирта

Общая формула предельных одноатомных спиртов - $C_nH_{2n+1}OH$ или $C_nH_{2n+2}O$. Молярная масса спирта ($M_{спирта}$) рассчитывается как: $M_{спирта} = 12 \cdot n + 1 \cdot (2n + 2) + 16 = 14n + 18$ г/моль.

Окисление первичного спирта в жестких условиях (избыток дихромата калия в кислой среде) приводит к образованию карбоновой кислоты. Реакция протекает по схеме: $R-CH_2OH + 2[O] \rightarrow R-COOH + H_2O$ При этом из молекулы спирта уходят два атома водорода и добавляется один атом кислорода. Общая формула образующейся карбоновой кислоты будет $C_nH_{2n}O_2$.

Молярная масса карбоновой кислоты ($M_{кислоты}$), являющейся продуктом окисления, рассчитывается как: $M_{кислоты} = 12 \cdot n + 1 \cdot 2n + 16 \cdot 2 = 14n + 32$ г/моль.

По условию задачи, продукт окисления на 15,9% тяжелее исходного спирта. Составим уравнение: $M_{кислоты} = M_{спирта} + 0.159 \cdot M_{спирта} = 1.159 \cdot M_{спирта}$ Подставим выражения для молярных масс: $14n + 32 = 1.159 \cdot (14n + 18)$ $14n + 32 = 16.226n + 20.862$ $16.226n - 14n = 32 - 20.862$ $2.226n = 11.138$ $n = \frac{11.138}{2.226} \approx 5$

Следовательно, в молекуле спирта содержится 5 атомов углерода. Молекулярная формула спирта: $C_5H_{12}O$.

Теперь определим структуру спирта. Известно, что это первичный спирт, который существует в виде двух энантиомеров, то есть его молекула хиральна (содержит асимметрический атом углерода — хиральный центр). Рассмотрим возможные изомеры первичных спиртов состава $C_5H_{12}O$:
1. Пентан-1-ол: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2OH$. Не содержит хирального центра.
2. 2-Метилбутан-1-ол: $CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH_2OH$. Атом углерода в положении 2 связан с четырьмя разными заместителями: $-H$, $-CH_3$, $-C_2H_5$ и $-CH_2OH$. Этот атом является хиральным центром, следовательно, это вещество существует в виде пары энантиомеров.
3. 3-Метилбутан-1-ол: $(CH_3)_2CH-CH_2-CH_2OH$. Не содержит хирального центра.
4. 2,2-Диметилпропан-1-ол: $(CH_3)_3C-CH_2OH$. Не содержит хирального центра.

Таким образом, искомый спирт — это 2-метилбутан-1-ол.

Ответ: Молекулярная формула спирта - $C_5H_{12}O$. Структурная формула - 2-метилбутан-1-ол, $CH_3CH_2CH(CH_3)CH_2OH$.

2. Написание уравнения взаимодействия спирта с избытком дихромата калия в сернокислой среде

2-метилбутан-1-ол окисляется избытком дихромата калия в серной кислоте до 2-метилбутановой кислоты. Составим уравнение реакции, используя метод электронного баланса.
В ходе реакции углеродный атом, связанный с гидроксильной группой, изменяет свою степень окисления с -1 до +3, а хром в дихромат-ионе восстанавливается с +6 до +3.
Составим полуреакции:
$C^{-1} - 4e^- \rightarrow C^{+3} \quad | \times 3$ (окисление)
$2Cr^{+6} + 6e^- \rightarrow 2Cr^{+3} \quad | \times 2$ (восстановление)
Чтобы уравнять число отданных и принятых электронов, находим наименьшее общее кратное (12) и расставляем коэффициенты.

Полное сбалансированное уравнение реакции: $3CH_3CH_2CH(CH_3)CH_2OH + 2K_2Cr_2O_7 + 8H_2SO_4 \rightarrow 3CH_3CH_2CH(CH_3)COOH + 2K_2SO_4 + 2Cr_2(SO_4)_3 + 11H_2O$

Ответ: $3CH_3CH_2CH(CH_3)CH_2OH + 2K_2Cr_2O_7 + 8H_2SO_4 \rightarrow 3CH_3CH_2CH(CH_3)COOH + 2K_2SO_4 + 2Cr_2(SO_4)_3 + 11H_2O$.