Номер 84, страница 96 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.84. Смесь этиленгликоля и разветвлённого одноатомного спирта, содержащего в молекуле одну связь С=С, окислили нейтральным раствором перманганата калия при низкой температуре. Если для проведения реакции взять 13,8 г смеси спиртов, то образуется 8,12 г осадка. С той же массой исходной смеси может прореагировать 15,6 г уксусной кислоты. Установите структурную формулу непредельного спирта и приведите уравнения описанных в задаче реакций.

Дано:

$m(\text{смеси}) = 13,8 \text{ г}$

$m(MnO_2) = 8,12 \text{ г}$

$m(CH_3COOH) = 15,6 \text{ г}$

Смесь состоит из этиленгликоля ($HO-CH_2-CH_2-OH$) и разветвлённого одноатомного спирта с одной связью $C=C$.

Найти:

Структурную формулу непредельного спирта и уравнения описанных в задаче реакций.

Решение:

1. Запишем реакции, описанные в задаче. Непредельный спирт (обозначим его как $Alc_{un}$) содержит одну двойную связь и одну гидроксильную группу. Этиленгликоль ($EG$) — двухатомный спирт.

а) Реакция с нейтральным раствором перманганата калия (реакция Вагнера). Реагирует только непредельный спирт, так как он содержит двойную связь. Образующийся осадок — диоксид марганца ($MnO_2$).

$3 Alc_{un} + 2 KMnO_4 + 4 H_2O \rightarrow 3 \text{Триол} + 2 MnO_2\downarrow + 2 KOH$

б) Реакция с уксусной кислотой (этерификация). Реагируют оба спирта.

$HO-CH_2-CH_2-OH + 2 CH_3COOH \rightleftharpoons \text{Диэфир} + 2 H_2O$

$Alc_{un} + CH_3COOH \rightleftharpoons \text{Эфир} + H_2O$

2. Рассчитаем количество вещества непредельного спирта по массе образовавшегося осадка.

Молярная масса диоксида марганца:

$M(MnO_2) = 54,9 + 2 \cdot 16,0 = 86,9 \text{ г/моль}$

Количество вещества $MnO_2$:

$n(MnO_2) = \frac{m(MnO_2)}{M(MnO_2)} = \frac{8,12 \text{ г}}{86,9 \text{ г/моль}} \approx 0,09344 \text{ моль}$

Из стехиометрии реакции окисления следует:

$n(Alc_{un}) = \frac{3}{2} n(MnO_2) = \frac{3}{2} \cdot 0,09344 \text{ моль} \approx 0,14 \text{ моль}$

3. Рассчитаем количество вещества этиленгликоля.

Молярная масса уксусной кислоты:

$M(CH_3COOH) = 2 \cdot 12,0 + 4 \cdot 1,0 + 2 \cdot 16,0 = 60,0 \text{ г/моль}$

Количество вещества уксусной кислоты, вступившей в реакцию:

$n(CH_3COOH) = \frac{m(CH_3COOH)}{M(CH_3COOH)} = \frac{15,6 \text{ г}}{60,0 \text{ г/моль}} = 0,26 \text{ моль}$

Общее количество вещества гидроксильных групп в смеси равно количеству вещества прореагировавшей кислоты:

$n_{общ}(-OH) = 2 \cdot n(EG) + 1 \cdot n(Alc_{un}) = n(CH_3COOH)$

Подставим известное значение $n(Alc_{un})$:

$2 \cdot n(EG) + 0,14 \text{ моль} = 0,26 \text{ моль}$

$2 \cdot n(EG) = 0,12 \text{ моль}$

$n(EG) = 0,06 \text{ моль}$

4. Определим молярную массу и формулу непредельного спирта.

Масса этиленгликоля в смеси:

$M(EG) = M(C_2H_6O_2) = 2 \cdot 12,0 + 6 \cdot 1,0 + 2 \cdot 16,0 = 62,0 \text{ г/моль}$

$m(EG) = n(EG) \cdot M(EG) = 0,06 \text{ моль} \cdot 62,0 \text{ г/моль} = 3,72 \text{ г}$

Масса непредельного спирта в смеси:

$m(Alc_{un}) = m(\text{смеси}) - m(EG) = 13,8 \text{ г} - 3,72 \text{ г} = 10,08 \text{ г}$

Молярная масса непредельного спирта:

$M(Alc_{un}) = \frac{m(Alc_{un})}{n(Alc_{un})} = \frac{10,08 \text{ г}}{0,14 \text{ моль}} = 72,0 \text{ г/моль}$

Общая формула непредельных одноатомных спиртов — $C_nH_{2n}O$.

Выразим молярную массу через $n$: $M = 12n + 2n \cdot 1 + 16 = 14n + 16$.

$14n + 16 = 72$

$14n = 56 \Rightarrow n = 4$

Молекулярная формула спирта — $C_4H_8O$.

Установление структурной формулы непредельного спирта

Согласно условию, спирт имеет разветвлённое строение. Для формулы $C_4H_8O$ существует единственный изомер, который является стабильным разветвлённым непредельным спиртом — это 2-метилпроп-2-ен-1-ол.

Ответ: Структурная формула непредельного спирта — 2-метилпроп-2-ен-1-ол: $CH_2=C(CH_3)-CH_2OH$.

Уравнения описанных в задаче реакций

1. Окисление 2-метилпроп-2-ен-1-ола нейтральным раствором перманганата калия:

$3 CH_2=C(CH_3)-CH_2OH + 2 KMnO_4 + 4 H_2O \rightarrow 3 HOCH_2-C(OH)(CH_3)-CH_2OH + 2 MnO_2\downarrow + 2 KOH$

2. Этерификация этиленгликоля уксусной кислотой:

$HO-CH_2-CH_2-OH + 2 CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO-CH_2-CH_2-OOCCH_3 + 2 H_2O$

3. Этерификация 2-метилпроп-2-ен-1-ола уксусной кислотой:

$CH_2=C(CH_3)-CH_2OH + CH_3COOH \rightleftharpoons CH_2=C(CH_3)-CH_2-OOCCH_3 + H_2O$

Ответ:

$3 CH_2=C(CH_3)-CH_2OH + 2 KMnO_4 + 4 H_2O \rightarrow 3 HOCH_2-C(OH)(CH_3)-CH_2OH + 2 MnO_2\downarrow + 2 KOH$

$HO-CH_2-CH_2-OH + 2 CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO-CH_2-CH_2-OOCCH_3 + 2 H_2O$

$CH_2=C(CH_3)-CH_2OH + CH_3COOH \rightleftharpoons CH_2=C(CH_3)-CH_2-OOCCH_3 + H_2O$