Страница 66 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.263. Предложите последовательность реакций, с помощью которой можно осуществить следующую цепочку превращений:

$\mathrm{а}) {\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_2⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_6⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_{12}⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_{11}\mathrm{Сl}⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_{10}$

$\mathrm{б}) {\mathrm{С}}_7{\mathrm{Н}}_8⟶{\mathrm{С}}_7{\mathrm{Н}}_6{\mathrm{О}}_2⟶{\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_5{\mathrm{O}}_2\mathrm{Na}⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_6⟶{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5{\mathrm{NO}}_2$

$\mathrm{в}) {\mathrm{С}}_8{\mathrm{Н}}_{10}⟶{\mathrm{С}}_8{\mathrm{Н}}_9\mathrm{Вг}⟶{\mathrm{С}}_8{\mathrm{Н}}_8⟶{\mathrm{С}}_8{\mathrm{Н}}_8{\mathrm{Вг}}_2⟶{\mathrm{С}}_8{\mathrm{Н}}_6$

$\mathrm{г}) {\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_{14}⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_6 ⟶{\mathrm{С}}_7{\mathrm{Н}}_8⟶{\mathrm{С}}_7{\mathrm{Н}}_7\mathrm{Сl}⟶{\mathrm{С}}_{14}{\mathrm{Н}}_{14}$

$\mathrm{д}) {\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_{11}\mathrm{Сl}⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_{10}⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_{12}⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_6⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_6{\mathrm{Сl}}_6$

$\mathrm{е}) {\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_4{\mathrm{Вг}}_2⟶{\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_2⟶{\mathrm{С}}_6{\mathrm{Н}}_6⟶{\mathrm{С}}_9{\mathrm{Н}}_{12}⟶{\mathrm{С}}_7{\mathrm{Н}}_6{\mathrm{О}}_2$

$\mathrm{ж}) {\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_{16}⟶{\mathrm{C}}_7{\mathrm{C}}_8⟶{\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_7{\mathrm{NO}}_2⟶{\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_5{\mathrm{NO}}_4⟶{\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_4{\mathrm{NO}}_4\mathrm{K}$

а) $C_2H_2 \rightarrow C_6H_6 \rightarrow C_6H_{12} \rightarrow C_6H_{11}Cl \rightarrow C_6H_{10}$

1) Получение бензола из ацетилена (реакция тримеризации, реакция Зелинского). Пропускание ацетилена над активированным углем при высокой температуре.
$3C_2H_2 \xrightarrow{C_{акт.}, 600^\circ C} C_6H_6$

2) Гидрирование бензола в циклогексан. Реакция присоединения водорода в присутствии катализатора (Ni, Pt или Pd) при нагревании и повышенном давлении.
$C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{Ni, t, p} C_6H_{12}$

3) Радикальное хлорирование циклогексана в хлорциклогексан. Реакция замещения, инициируемая ультрафиолетовым светом.
$C_6H_{12} + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_{11}Cl + HCl$

4) Дегидрохлорирование хлорциклогексана в циклогексен. Реакция отщепления, протекающая под действием спиртового раствора щелочи.
$C_6H_{11}Cl + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} C_6H_{10} + KCl + H_2O$

Ответ: Последовательность реагентов и условий: 1. $C_{акт.}, 600^\circ C$; 2. $H_2, Ni, t, p$; 3. $Cl_2, h\nu$; 4. $KOH_{(спирт.)}, t$.

б) $C_7H_8 \rightarrow C_7H_6O_2 \rightarrow C_7H_5O_2Na \rightarrow C_6H_6 \rightarrow C_6H_5NO_2$

1) Окисление толуола ($C_7H_8$) в бензойную кислоту ($C_7H_6O_2$) сильным окислителем, например, перманганатом калия в кислой среде при нагревании.
$5C_6H_5CH_3 + 6KMnO_4 + 9H_2SO_4 \xrightarrow{t} 5C_6H_5COOH + 3K_2SO_4 + 6MnSO_4 + 14H_2O$

2) Получение бензоата натрия ($C_7H_5O_2Na$) реакцией нейтрализации бензойной кислоты гидроксидом натрия.
$C_6H_5COOH + NaOH \rightarrow C_6H_5COONa + H_2O$

3) Декарбоксилирование бензоата натрия для получения бензола. Сплавление соли с натронной известью (смесь $NaOH$ и $CaO$).
$C_6H_5COONa + NaOH_{(тв.)} \xrightarrow{t, CaO} C_6H_6 + Na_2CO_3$

4) Нитрование бензола в нитробензол ($C_6H_5NO_2$) с помощью нитрующей смеси (смесь концентрированных азотной и серной кислот).
$C_6H_6 + HNO_3_{(конц.)} \xrightarrow{H_2SO_4_{(конц.)}} C_6H_5NO_2 + H_2O$

Ответ: Последовательность реагентов и условий: 1. $KMnO_4, H_2SO_4, t$; 2. $NaOH$; 3. $NaOH_{(тв.)}, CaO, t$; 4. $HNO_3_{(конц.)}, H_2SO_4_{(конц.)}$.

в) $C_8H_{10} \rightarrow C_8H_9Br \rightarrow C_8H_8 \rightarrow C_8H_8Br_2 \rightarrow C_8H_6$

1) Бромирование этилбензола ($C_8H_{10}$) в боковую цепь с образованием 1-бром-1-фенилэтана ($C_8H_9Br$). Реакция радикального замещения при УФ-облучении.
$C_6H_5CH_2CH_3 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_5CH(Br)CH_3 + HBr$

2) Дегидробромирование 1-бром-1-фенилэтана в стирол (винилбензол, $C_8H_8$) действием спиртового раствора щелочи.
$C_6H_5CH(Br)CH_3 + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} C_6H_5CH=CH_2 + KBr + H_2O$

3) Бромирование стирола по двойной связи с образованием 1,2-дибром-1-фенилэтана ($C_8H_8Br_2$). Реакция электрофильного присоединения.
$C_6H_5CH=CH_2 + Br_2 \rightarrow C_6H_5CH(Br)CH_2Br$

4) Двойное дегидробромирование 1,2-дибром-1-фенилэтана в фенилацетилен ($C_8H_6$) при действии избытка сильного основания (например, спиртового раствора $KOH$ при жестких условиях или амида натрия).
$C_6H_5CH(Br)CH_2Br + 2KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} C_6H_5C\equiv CH + 2KBr + 2H_2O$

Ответ: Последовательность реагентов и условий: 1. $Br_2, h\nu$; 2. $KOH_{(спирт.)}, t$; 3. $Br_2$; 4. $2KOH_{(спирт.)}, t$.

г) $C_6H_{14} \rightarrow C_6H_6 \rightarrow C_7H_8 \rightarrow C_7H_7Cl \rightarrow C_{14}H_{14}$

1) Ароматизация (деридроциклизация) гексана ($C_6H_{14}$) в бензол ($C_6H_6$) при пропускании паров гексана над платиновым катализатором при высокой температуре.
$C_6H_{14} \xrightarrow{Pt, t} C_6H_6 + 4H_2$

2) Алкилирование бензола хлорметаном в присутствии катализатора ($AlCl_3$) для получения толуола ($C_7H_8$) (реакция Фриделя-Крафтса).
$C_6H_6 + CH_3Cl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5CH_3 + HCl$

3) Радикальное хлорирование толуола в боковую цепь для получения бензилхлорида ($C_7H_7Cl$) при УФ-облучении.
$C_6H_5CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_5CH_2Cl + HCl$

4) Синтез 1,2-дифенилэтана ($C_{14}H_{14}$) из бензилхлорида по реакции Вюрца с использованием металлического натрия.
$2C_6H_5CH_2Cl + 2Na \rightarrow C_6H_5CH_2-CH_2C_6H_5 + 2NaCl$

Ответ: Последовательность реагентов и условий: 1. $Pt, t$; 2. $CH_3Cl, AlCl_3$; 3. $Cl_2, h\nu$; 4. $Na$.

д) $C_6H_{11}Cl \rightarrow C_6H_{10} \rightarrow C_6H_{12} \rightarrow C_6H_6 \rightarrow C_6H_6Cl_6$

1) Дегидрохлорирование хлорциклогексана ($C_6H_{11}Cl$) в циклогексен ($C_6H_{10}$) спиртовым раствором щелочи.
$C_6H_{11}Cl + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} C_6H_{10} + KCl + H_2O$

2) Гидрирование циклогексена в циклогексан ($C_6H_{12}$) на катализаторе.
$C_6H_{10} + H_2 \xrightarrow{Ni, t} C_6H_{12}$

3) Дегидрирование (ароматизация) циклогексана в бензол ($C_6H_6$) при пропускании над катализатором при высокой температуре.
$C_6H_{12} \xrightarrow{Pt, t} C_6H_6 + 3H_2$

4) Радикальное присоединение хлора к бензолу с образованием гексахлорциклогексана ($C_6H_6Cl_6$, гексахлоран) под действием УФ-света.
$C_6H_6 + 3Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_6Cl_6$

Ответ: Последовательность реагентов и условий: 1. $KOH_{(спирт.)}, t$; 2. $H_2, Ni, t$; 3. $Pt, t$; 4. $3Cl_2, h\nu$.

е) $C_2H_4Br_2 \rightarrow C_2H_2 \rightarrow C_6H_6 \rightarrow C_9H_{12} \rightarrow C_7H_6O_2$

1) Получение ацетилена ($C_2H_2$) из 1,2-дибромэтана ($C_2H_4Br_2$) действием избытка спиртового раствора щелочи.
$CH_2Br-CH_2Br + 2KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} CH\equiv CH + 2KBr + 2H_2O$

2) Тримеризация ацетилена в бензол ($C_6H_6$) (реакция Зелинского).
$3C_2H_2 \xrightarrow{C_{акт.}, 600^\circ C} C_6H_6$

3) Алкилирование бензола пропеном для получения изопропилбензола (кумола, $C_9H_{12}$) (реакция Фриделя-Крафтса).
$C_6H_6 + CH_2=CH-CH_3 \xrightarrow{H_3PO_4, t, p} C_6H_5CH(CH_3)_2$

4) Окисление кумола в бензойную кислоту ($C_7H_6O_2$) сильным окислителем (например, $KMnO_4$) в кислой среде. При этом происходит разрыв боковой цепи.
$5C_6H_5CH(CH_3)_2 + 18KMnO_4 + 27H_2SO_4 \xrightarrow{t} 5C_6H_5COOH + 10CO_2\uparrow + 9K_2SO_4 + 18MnSO_4 + 42H_2O$

Ответ: Последовательность реагентов и условий: 1. $2KOH_{(спирт.)}, t$; 2. $C_{акт.}, 600^\circ C$; 3. $CH_2=CH-CH_3, H_3PO_4, t, p$; 4. $KMnO_4, H_2SO_4, t$.

ж) $C_7H_{16} \rightarrow C_7H_8 \rightarrow C_7H_7NO_2 \rightarrow C_7H_5NO_4 \rightarrow C_7H_4NO_4K$

1) Ароматизация гептана ($C_7H_{16}$) в толуол ($C_7H_8$) над катализатором при нагревании.
$C_7H_{16} \xrightarrow{Pt, t} C_6H_5CH_3 + 4H_2$

2) Нитрование толуола нитрующей смесью. Метильная группа является орто-, пара-ориентантом. Получается смесь изомеров, в основном орто- и пара-нитротолуол ($C_7H_7NO_2$). Возьмем для дальнейшей цепочки пара-изомер.
$C_6H_5CH_3 + HNO_3_{(конц.)} \xrightarrow{H_2SO_4_{(конц.)}} p-NO_2-C_6H_4-CH_3 + H_2O$

3) Окисление метильной группы в п-нитротолуоле до карбоксильной с образованием п-нитробензойной кислоты ($C_7H_5NO_4$).
$5(p-NO_2-C_6H_4-CH_3) + 6KMnO_4 + 9H_2SO_4 \xrightarrow{t} 5(p-NO_2-C_6H_4-COOH) + 3K_2SO_4 + 6MnSO_4 + 14H_2O$

4) Нейтрализация п-нитробензойной кислоты гидроксидом калия с образованием калиевой соли ($C_7H_4NO_4K$).
$p-NO_2-C_6H_4-COOH + KOH \rightarrow p-NO_2-C_6H_4-COOK + H_2O$

Ответ: Последовательность реагентов и условий: 1. $Pt, t$; 2. $HNO_3_{(конц.)}, H_2SO_4_{(конц.)}$; 3. $KMnO_4, H_2SO_4, t$; 4. $KOH$.

2.264. Установите молекулярную формулу гомолога бензола, если относительная плотность его паров по воздуху равна 3,17.

Дано:

$D_{воздух}(\text{гомолога бензола}) = 3,17$

Средняя молярная масса воздуха $M_{воздуха} \approx 29 \text{ г/моль}$

Все данные представлены в величинах, не требующих перевода в СИ.

Найти:

Молекулярную формулу гомолога бензола.

Решение:

1. Гомологи бензола (арены) имеют общую формулу $C_n H_{2n-6}$, где $n \geq 6$. Наша задача — найти значение $n$.

2. Относительная плотность паров вещества по воздуху ($D_{воздух}$) — это отношение молярной массы вещества ($M$) к средней молярной массе воздуха ($M_{воздуха}$).

$D_{воздух} = \frac{M(\text{вещества})}{M(\text{воздуха})}$

3. Выразим и рассчитаем молярную массу искомого гомолога бензола, приняв среднюю молярную массу воздуха равной 29 г/моль.

$M(\text{вещества}) = D_{воздух} \times M(\text{воздуха})$

$M(\text{вещества}) = 3,17 \times 29 \text{ г/моль} \approx 92 \text{ г/моль}$

4. Теперь составим выражение для молярной массы вещества, исходя из его общей формулы $C_n H_{2n-6}$. Атомная масса углерода $Ar(C) \approx 12$ а.е.м., водорода $Ar(H) \approx 1$ а.е.м.

$M(C_n H_{2n-6}) = n \times Ar(C) + (2n - 6) \times Ar(H)$

$M(C_n H_{2n-6}) = 12n + 1 \times (2n - 6) = 12n + 2n - 6 = 14n - 6$

5. Приравняем полученное выражение к вычисленному значению молярной массы и найдем $n$.

$14n - 6 = 92$

$14n = 92 + 6$

$14n = 98$

$n = \frac{98}{14}$

$n = 7$

6. Подставим найденное значение $n=7$ в общую формулу гомологов бензола $C_n H_{2n-6}$:

Число атомов углерода: $n=7$

Число атомов водорода: $2n - 6 = 2 \times 7 - 6 = 14 - 6 = 8$

Таким образом, искомая молекулярная формула — $C_7H_8$. Это вещество — толуол (метилбензол).

Ответ: $C_7H_8$.