Номер 15, страница 188 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

6.15. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие синтезы: а) полиэтилена из метана; б) поливинилхлорида из метана; в) полистирола из бензола; г) фенолформальдегидной смолы из угля; д) капрона из фенола; е) полиметилметакрилата из изомасляной кислоты; ж) синтетического каучука из глюкозы.

а) полиэтилена из метана

Синтез полиэтилена из метана осуществляется в несколько стадий. Сначала метан подвергают высокотемпературному пиролизу для получения ацетилена. Затем ацетилен частично гидрируют до этилена с использованием катализатора Линдлара, чтобы предотвратить полное гидрирование до этана. На заключительном этапе этилен полимеризуют.

1. Получение ацетилена из метана (пиролиз):

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

2. Получение этилена из ацетилена (гидрирование):

$C_2H_2 + H_2 \xrightarrow{Pd/Pb^{2+}, CaCO_3} C_2H_4$

3. Получение полиэтилена (полимеризация):

$n CH_2=CH_2 \xrightarrow{p, t, kat} (-CH_2-CH_2-)_n$

Ответ:

Цепочка превращений: $CH_4 \rightarrow C_2H_2 \rightarrow C_2H_4 \rightarrow$ полиэтилен. Уравнения реакций:

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

$C_2H_2 + H_2 \xrightarrow{Pd/Pb^{2+}, CaCO_3} C_2H_4$

$n CH_2=CH_2 \xrightarrow{p, t, kat} (-CH_2-CH_2-)_n$

б) поливинилхлорида из метана

Синтез поливинилхлорида из метана также начинается с получения ацетилена путем пиролиза метана. Далее ацетилен вступает в реакцию гидрохлорирования, образуя мономер — винилхлорид. Полимеризация винилхлорида приводит к образованию поливинилхлорида (ПВХ).

1. Получение ацетилена из метана:

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

2. Получение винилхлорида из ацетилена:

$C_2H_2 + HCl \xrightarrow{HgCl_2, t} CH_2=CHCl$

3. Получение поливинилхлорида (полимеризация):

$n CH_2=CHCl \xrightarrow{kat} (-CH_2-CHCl-)_n$

Ответ:

Цепочка превращений: $CH_4 \rightarrow C_2H_2 \rightarrow CH_2=CHCl \rightarrow$ поливинилхлорид. Уравнения реакций:

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

$CH \equiv CH + HCl \xrightarrow{HgCl_2, t} CH_2=CHCl$

$n CH_2=CHCl \xrightarrow{kat} (-CH_2-CHCl-)_n$

в) полистирола из бензола

Для синтеза полистирола из бензола сначала необходимо получить мономер — стирол (винилбензол). Это достигается путем алкилирования бензола этиленом по реакции Фриделя-Крафтса с образованием этилбензола. Затем этилбензол дегидрируют до стирола, который далее полимеризуют.

1. Получение этилбензола (алкилирование бензола):

$C_6H_6 + CH_2=CH_2 \xrightarrow{AlCl_3/H_3PO_4} C_6H_5CH_2CH_3$

2. Получение стирола (дегидрирование этилбензола):

$C_6H_5CH_2CH_3 \xrightarrow{kat (Fe_2O_3), 600-650^\circ C} C_6H_5CH=CH_2 + H_2$

3. Получение полистирола (полимеризация стирола):

$n C_6H_5CH=CH_2 \xrightarrow{kat} [-CH_2-CH(C_6H_5)-]_n$

Ответ:

Цепочка превращений: бензол $\rightarrow$ этилбензол $\rightarrow$ стирол $\rightarrow$ полистирол. Уравнения реакций:

$C_6H_6 + CH_2=CH_2 \xrightarrow{AlCl_3/H_3PO_4} C_6H_5CH_2CH_3$

$C_6H_5CH_2CH_3 \xrightarrow{kat, t} C_6H_5CH=CH_2 + H_2$

$n C_6H_5CH=CH_2 \xrightarrow{kat} [-CH_2-CH(C_6H_5)-]_n$

г) фенолформальдегидной смолы из угля

Синтез фенолформальдегидной смолы требует получения двух мономеров — фенола и формальдегида — из угля (углерода).

Синтез фенола из угля:

1. Из угля получают карбид кальция: $CaO + 3C \xrightarrow{2000^\circ C} CaC_2 + CO$

2. Из карбида кальция получают ацетилен: $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow C_2H_2 + Ca(OH)_2$

3. Тримеризация ацетилена в бензол: $3C_2H_2 \xrightarrow{C_{акт.}, 600^\circ C} C_6H_6$

4. Сульфирование бензола и последующий щелочной плав с подкислением: $C_6H_6 \xrightarrow{+H_2SO_4} C_6H_5SO_3H \xrightarrow{+2NaOH} C_6H_5ONa \xrightarrow{+HCl} C_6H_5OH$

Синтез формальдегида из угля:

1. Из угля получают синтез-газ: $C + H_2O \xrightarrow{1000^\circ C} CO + H_2$

2. Из синтез-газа получают метанол: $CO + 2H_2 \xrightarrow{kat, p, t} CH_3OH$

3. Каталитическое окисление метанола в формальдегид: $2CH_3OH + O_2 \xrightarrow{Ag/Cu, t} 2HCHO + 2H_2O$

Получение смолы (поликонденсация):

Фенол и формальдегид вступают в реакцию поликонденсации, образуя смолу. Структура смолы сложна, ниже приведена схема образования одного из возможных фрагментов макромолекулы:

$n C_6H_5OH + n HCHO \xrightarrow{H^+/OH^-} (-C_6H_3(OH)CH_2-)_n + n H_2O$

Ответ:

Уравнения ключевых стадий:

$CaC_2 + 2H_2O \rightarrow C_2H_2 + Ca(OH)_2$

$3C_2H_2 \xrightarrow{C_{акт.}, t} C_6H_6$

$C_6H_6 \rightarrow ... \rightarrow C_6H_5OH$

$CO + 2H_2 \xrightarrow{kat} CH_3OH$

$2CH_3OH + O_2 \xrightarrow{kat} 2HCHO + 2H_2O$

$n C_6H_5OH + n HCHO \xrightarrow{kat} (-C_6H_3(OH)CH_2-)_n + n H_2O$

д) капрона из фенола

Капрон (нейлон-6) — это полиамид, получаемый полимеризацией ε-капролактама. Синтез капролактама из фенола включает следующие шаги: гидрирование фенола до циклогексанола, окисление циклогексанола до циклогексанона, получение оксима циклогексанона и его перегруппировку в капролактам (перегруппировка Бекмана).

1. Гидрирование фенола: $C_6H_5OH + 3H_2 \xrightarrow{Ni, p, t} C_6H_{11}OH$ (циклогексанол)

2. Окисление циклогексанола: $C_6H_{11}OH \xrightarrow{Cu, t \text{ или } HNO_3} C_6H_{10}O + H_2O$ (циклогексанон)

3. Получение оксима циклогексанона: $C_6H_{10}O + NH_2OH \rightarrow C_6H_{10}=NOH + H_2O$

4. Перегруппировка Бекмана: $C_6H_{10}=NOH \xrightarrow{H_2SO_4} \text{ε-капролактам}$

5. Полимеризация ε-капролактама: $n \text{ (ε-капролактам)} \xrightarrow{H_2O, t} [-NH-(CH_2)_5-CO-]_n$

Ответ:

Цепочка превращений: фенол $\rightarrow$ циклогексанол $\rightarrow$ циклогексанон $\rightarrow$ оксим циклогексанона $\rightarrow$ ε-капролактам $\rightarrow$ капрон. Уравнения реакций:

$C_6H_5OH + 3H_2 \xrightarrow{Ni, p, t} C_6H_{11}OH$

$C_6H_{11}OH \xrightarrow{kat} C_6H_{10}O + H_2O$

$C_6H_{10}O + NH_2OH \rightarrow C_6H_{10}=NOH + H_2O$

$C_6H_{10}=NOH \xrightarrow{H_2SO_4} \text{ε-капролактам}$

$n \text{ (ε-капролактам)} \xrightarrow{H_2O, t} [-NH-(CH_2)_5-CO-]_n$

е) полиметилметакрилата из изомасляной кислоты

Полиметилметакрилат (оргстекло) получают полимеризацией метилметакрилата. Синтез мономера из изомасляной (2-метилпропановой) кислоты включает α-галогенирование кислоты, дегидрогалогенирование с образованием метакриловой кислоты и последующую этерификацию метанолом.

1. α-бромирование изомасляной кислоты (реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского):

$(CH_3)_2CHCOOH + Br_2 \xrightarrow{P_{красн.}} (CH_3)_2C(Br)COOH + HBr$

2. Дегидробромирование до метакриловой кислоты:

$(CH_3)_2C(Br)COOH + KOH(спирт.) \rightarrow CH_2=C(CH_3)COOH + KBr + H_2O$

3. Этерификация метакриловой кислоты:

$CH_2=C(CH_3)COOH + CH_3OH \xleftrightarrow{H^+} CH_2=C(CH_3)COOCH_3 + H_2O$

4. Полимеризация метилметакрилата:

$n CH_2=C(CH_3)COOCH_3 \xrightarrow{kat} [-CH_2-C(CH_3)(COOCH_3)-]_n$

Ответ:

Уравнения реакций для синтеза полиметилметакрилата из изомасляной кислоты:

$(CH_3)_2CHCOOH + Br_2 \xrightarrow{P_{красн.}} (CH_3)_2C(Br)COOH + HBr$

$(CH_3)_2C(Br)COOH + KOH(спирт.) \rightarrow CH_2=C(CH_3)COOH + KBr + H_2O$

$CH_2=C(CH_3)COOH + CH_3OH \xleftrightarrow{H^+} CH_2=C(CH_3)COOCH_3 + H_2O$

$n CH_2=C(CH_3)COOCH_3 \xrightarrow{kat} [-CH_2-C(CH_3)(COOCH_3)-]_n$

ж) синтетического каучука из глюкозы

Классическим методом получения синтетического каучука (полибутадиена) является метод Лебедева, использующий в качестве сырья этанол. Этанол, в свою очередь, можно получить спиртовым брожением глюкозы.

1. Получение этанола из глюкозы (брожение):

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2$

2. Получение бутадиена-1,3 из этанола (метод Лебедева):

$2C_2H_5OH \xrightarrow{Al_2O_3, ZnO, 425^\circ C} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2O + H_2$

3. Получение полибутадиенового каучука (полимеризация):

$n CH_2=CH-CH=CH_2 \xrightarrow{Na} [-CH_2-CH=CH-CH_2-]_n$

Ответ:

Цепочка превращений: глюкоза $\rightarrow$ этанол $\rightarrow$ бутадиен-1,3 $\rightarrow$ синтетический каучук. Уравнения реакций:

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{дрожжи} 2C_2H_5OH + 2CO_2$

$2C_2H_5OH \xrightarrow{Al_2O_3, ZnO, 425^\circ C} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2O + H_2$

$n CH_2=CH-CH=CH_2 \xrightarrow{Na} [-CH_2-CH=CH-CH_2-]_n$