Страница 101 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.100. Приведите примеры трёх окислителей, способных окислить бутаналь в бутановую кислоту. Запишите соответствующие уравнения реакций.

Бутаналь (альдегид) можно окислить до бутановой (карбоновой) кислоты с помощью различных окислителей. Альдегидная группа $-CHO$ при этом превращается в карбоксильную группу $-COOH$. Ниже приведены три примера таких реакций.

1. Окисление аммиачным раствором оксида серебра (реактивом То́лленса)

Эта реакция является качественной на альдегидную группу и известна как реакция "серебряного зеркала". При слабом нагревании бутаналя с аммиачным раствором оксида серебра $[Ag(NH_3)_2]OH$ происходит окисление альдегида до карбоновой кислоты (которая в щелочной среде находится в виде аммонийной соли) и восстановление ионов серебра $Ag^+$ до металлического серебра $Ag$, которое оседает на стенках пробирки в виде блестящего налета.

Уравнение реакции, где в продуктах указана непосредственно бутановая кислота:

$CH_3CH_2CH_2CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} CH_3CH_2CH_2COOH + 2Ag \downarrow + 4NH_3 + H_2O$

Ответ: Окислитель - аммиачный раствор оксида серебра $[Ag(NH_3)_2]OH$. Уравнение реакции: $CH_3CH_2CH_2CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} CH_3CH_2CH_2COOH + 2Ag \downarrow + 4NH_3 + H_2O$.

2. Окисление свежеосажденным гидроксидом меди(II)

Это еще одна качественная реакция на альдегиды. При нагревании бутаналя со свежеосажденным гидроксидом меди(II) $Cu(OH)_2$ (голубой осадок) происходит окисление альдегида до карбоновой кислоты (в щелочной среде образуется ее соль) и восстановление меди из степени окисления +2 до +1. При этом голубой осадок $Cu(OH)_2$ превращается в красный (кирпично-красный) осадок оксида меди(I) $Cu_2O$.

Уравнение реакции:

$CH_3CH_2CH_2CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CH_3CH_2CH_2COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$

Ответ: Окислитель - гидроксид меди(II) $Cu(OH)_2$. Уравнение реакции: $CH_3CH_2CH_2CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CH_3CH_2CH_2COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$.

3. Окисление перманганатом калия в кислой среде

Сильные окислители, такие как перманганат калия $KMnO_4$ в кислой среде (например, в присутствии серной кислоты $H_2SO_4$), также окисляют альдегиды до карбоновых кислот. В ходе реакции фиолетовый раствор перманганата калия обесцвечивается, так как ион $MnO_4^-$ восстанавливается до бесцветного иона $Mn^{2+}$.

Уравнение реакции:

$5CH_3CH_2CH_2CHO + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \rightarrow 5CH_3CH_2CH_2COOH + 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 3H_2O$

Ответ: Окислитель - перманганат калия в кислой среде ($KMnO_4 + H_2SO_4$). Уравнение реакции: $5CH_3CH_2CH_2CHO + 2KMnO_4 + 3H_2SO_4 \rightarrow 5CH_3CH_2CH_2COOH + 2MnSO_4 + K_2SO_4 + 3H_2O$.

3.101. Составьте уравнения реакций с веществами, молекулярные формулы которых будут удовлетворять следующей схеме:

${\mathrm{С}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{Н}}_{2\mathrm{n} + 1}\mathrm{Вг}⟶{\mathrm{X}}_1⟶{\mathrm{С}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{Н}}_{2\mathrm{n}}{\mathrm{Вг}}_2⟶{\mathrm{Х}}_2⟶{\mathrm{С}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{Н}}_{2\mathrm{n}}\mathrm{O}$

Данная задача представляет собой цепочку химических превращений, для которой необходимо составить уравнения реакций. Для этого мы последовательно определим структуру промежуточных веществ $X_1$ и $X_2$ и подберем соответствующие реагенты и условия для каждой стадии.

Исходная схема: $C_n H_{2n+1}Br \rightarrow X_1 \rightarrow C_n H_{2n}Br_2 \rightarrow X_2 \rightarrow C_n H_{2n}O$

Решение

Общая стратегия решения заключается в том, чтобы, двигаясь по цепочке, идентифицировать классы соединений и типы реакций.

1. Идентификация $X_1$ и первых двух реакций.
Исходное вещество $C_n H_{2n+1}Br$ — это монобромалкан. На втором шаге из промежуточного вещества $X_1$ получается дибромалкан $C_n H_{2n}Br_2$. Добавление двух атомов брома и удаление одного атома водорода относительно исходного соединения обычно происходит в две стадии:

• Сначала из монобромалкана получают алкен путем реакции дегидробромирования (отщепления $HBr$). Эта реакция проводится действием спиртового раствора щёлочи (например, $KOH$) при нагревании. Продуктом этой реакции и будет вещество $X_1$.
• Затем к полученному алкену $X_1$ присоединяют молекулу брома ($Br_2$), что приводит к образованию дибромалкана $C_n H_{2n}Br_2$.

2. Идентификация $X_2$ и последних двух реакций.
На третьем шаге из дибромалкана $C_n H_{2n}Br_2$ получают вещество $X_2$, которое затем превращается в карбонильное соединение $C_n H_{2n}O$ (альдегид или кетон). Этот переход также осуществляется в две стадии:

• Из дибромалкана получают алкин путем двойного дегидробромирования. Для этого дибромалкан обрабатывают избытком сильного основания, например, спиртовым раствором $KOH$ при высокой температуре или амидом натрия ($NaNH_2$). Полученное соединение и есть вещество $X_2$.
• Затем алкин $X_2$ подвергают гидратации (реакция Кучерова), присоединяя молекулу воды в присутствии катализатора (солей ртути(II) в кислой среде). В результате образуется альдегид или кетон.

На основе этого анализа можно составить общие уравнения для всей цепочки превращений.

Пример для n=3 (производные пропана):
Исходное вещество: 1-бромпропан, $CH_3CH_2CH_2Br$.
1. $CH_3CH_2CH_2Br + KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t^{\circ}} \underbrace{CH_3CH=CH_2}_{X_1} + KBr + H_2O$
2. $CH_3CH=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_3CH(Br)CH_2Br$
3. $CH_3CH(Br)CH_2Br + 2KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t^{\circ}} \underbrace{CH_3C \equiv CH}_{X_2} + 2KBr + 2H_2O$
4. $CH_3C \equiv CH + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} CH_3C(O)CH_3$

Ответ:

Ниже представлены уравнения реакций в общем виде, которые удовлетворяют заданной схеме.

1. Получение алкена $X_1$ из монобромалкана:
   $C_n H_{2n+1}Br + KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t^{\circ}} C_n H_{2n} + KBr + H_2O$
2. Получение дибромалкана из алкена $X_1$:
   $C_n H_{2n} + Br_2 \rightarrow C_n H_{2n}Br_2$
3. Получение алкина $X_2$ из дибромалкана:
   $C_n H_{2n}Br_2 + 2KOH_{(спирт)} \xrightarrow{t^{\circ}} C_n H_{2n-2} + 2KBr + 2H_2O$
4. Получение карбонильного соединения из алкина $X_2$:
   $C_n H_{2n-2} + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} C_n H_{2n}O$

3.102. Какие два вещества вступили в реакцию, если в качестве продуктов образовались: а) ацетальдегид; б) ацетальдегид, медь и вода; в) ацетальдегид, хлорид натрия и вода; г) ацетон; д) формальдегид и вода?

а) ацетальдегид

Решение:

Продукт реакции — ацетальдегид ($CH_3CHO$). Одним из классических способов получения альдегидов является реакция гидратации алкинов (реакция Кучерова). Ацетальдегид образуется при гидратации ацетилена в присутствии солей ртути(II) в качестве катализатора.

Уравнение реакции:

$CH\equiv CH + H_2O \xrightarrow{H_2SO_4, HgSO_4} CH_3CHO$

Таким образом, в реакцию вступили ацетилен и вода.

Ответ: ацетилен и вода.

б) ацетальдегид, медь и вода

Решение:

Образование альдегида, металлической меди и воды указывает на реакцию окисления первичного спирта оксидом меди(II). При этой реакции спирт окисляется до альдегида, а оксид меди(II) восстанавливается до металлической меди. Первичным спиртом, из которого образуется ацетальдегид ($CH_3CHO$), является этанол ($C_2H_5OH$).

Уравнение реакции:

$CH_3CH_2OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3CHO + Cu\downarrow + H_2O$

Таким образом, в реакцию вступили этанол и оксид меди(II).

Ответ: этанол и оксид меди(II).

в) ацетальдегид, хлорид натрия и вода

Решение:

Образование альдегида, соли (хлорида натрия) и воды характерно для щелочного гидролиза дигалогеналканов, у которых оба атома галогена находятся у одного и того же атома углерода (гем-дигалогеналканы). Для получения ацетальдегида ($CH_3CHO$) и хлорида натрия ($NaCl$) исходными веществами должны быть 1,1-дихлорэтан и гидроксид натрия.

Уравнение реакции:

$CH_3CHCl_2 + 2NaOH \rightarrow CH_3CHO + 2NaCl + H_2O$

Таким образом, в реакцию вступили 1,1-дихлорэтан и гидроксид натрия.

Ответ: 1,1-дихлорэтан и гидроксид натрия.

г) ацетон

Решение:

Продукт реакции — ацетон ($CH_3COCH_3$), который является кетоном. По аналогии с получением ацетальдегида, кетоны образуются при гидратации гомологов ацетилена (реакция Кучерова). Ацетон образуется при гидратации пропина.

Уравнение реакции:

$CH_3-C\equiv CH + H_2O \xrightarrow{H_2SO_4, HgSO_4} CH_3-CO-CH_3$

Таким образом, в реакцию вступили пропин и вода.

Ответ: пропин и вода.

д) формальдегид и вода

Решение:

Образование альдегида и воды является результатом реакции окисления соответствующего первичного спирта. Для получения простейшего альдегида — формальдегида ($HCHO$) — необходимо окислить простейший первичный спирт — метанол ($CH_3OH$). В качестве окислителя может выступать кислород в присутствии катализатора (например, меди или серебра).

Уравнение реакции:

$2CH_3OH + O_2 \xrightarrow{Cu, t} 2HCHO + 2H_2O$

Таким образом, в реакцию вступили метанол и кислород.

Ответ: метанол и кислород.

3.103. Газ А обладает резким неприятным запахом и хорошо растворим в воде. Если в пробирку с раствором А добавить аммиачный раствор оксида серебра и нагреть, то на стенках пробирки образуется блестящий осадок металлического серебра. В промышленности газ получают окислением органического вещества Б, представляющего собой при обычных условиях ядовитую жидкость, неограниченно растворимую в воде. Вещество Б в промышленности получают из неорганического вещества В. Определите неизвестные вещества А, Б, В и напишите уравнения упомянутых реакций.

Решение

1. Проанализируем свойства вещества А. Это газ с резким неприятным запахом, который хорошо растворяется в воде. Его водный раствор реагирует с аммиачным раствором оксида серебра (реактивом То́лленса) при нагревании, в результате чего образуется осадок металлического серебра. Эта реакция, известная как «реакция серебряного зеркала», является качественным тестом на альдегидную группу ($-CHO$). Самый простой альдегид, который при нормальных условиях является газом, — это формальдегид (метаналь). Таким образом, вещество А — это формальдегид, химическая формула $HCHO$.

2. Определим вещество Б. В промышленности газ А (формальдегид) получают окислением органического вещества Б, которое описано как ядовитая жидкость, неограниченно растворимая в воде. Альдегиды получают окислением первичных спиртов. Для получения формальдегида ($HCHO$) необходимо окислить метанол ($CH_3OH$). Метанол (метиловый спирт) действительно является ядовитой жидкостью, которая смешивается с водой в любых соотношениях, что полностью соответствует описанию. Следовательно, вещество Б — это метанол.

3. Определим вещество В. Вещество Б (метанол) в промышленности получают из неорганического вещества В. Основной промышленный способ синтеза метанола — это каталитическая реакция между оксидом углерода(II) ($CO$) и водородом ($H_2$). Оксид углерода(II) (угарный газ) является неорганическим веществом. Таким образом, вещество В — это оксид углерода(II).

Теперь запишем уравнения упомянутых в задаче реакций:

1) Реакция раствора вещества А (формальдегида) с аммиачным раствором оксида серебра:
$HCHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} HCOONH_4 + 2Ag\downarrow + 3NH_3 \uparrow + H_2O$

2) Промышленное получение газа А (формальдегида) из вещества Б (метанола) путем каталитического окисления:
$2CH_3OH + O_2 \xrightarrow{\text{катализатор, t}} 2HCHO + 2H_2O$

3) Промышленное получение вещества Б (метанола) из вещества В (оксида углерода(II)):
$CO + 2H_2 \xrightarrow{\text{катализатор, p, t}} CH_3OH$

Ответ:
Неизвестные вещества:
А — формальдегид ($HCHO$);
Б — метанол ($CH_3OH$);
В — оксид углерода(II) ($CO$).
Уравнения реакций:
$HCHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} HCOONH_4 + 2Ag\downarrow + 3NH_3 \uparrow + H_2O$
$2CH_3OH + O_2 \xrightarrow{\text{катализатор, t}} 2HCHO + 2H_2O$
$CO + 2H_2 \xrightarrow{\text{катализатор, p, t}} CH_3OH$