Страница 79 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.340. Предложите пример хлорированного органического соединения, взаимодействие которого с водным раствором щёлочи даёт: а) спирт; б) альдегид; в) соль карбоновой кислоты. Запишите уравнения соответствующих реакций.

Решение

Продукт взаимодействия хлорированного органического соединения с водным раствором щёлочи зависит от количества атомов хлора, связанных с одним и тем же атомом углерода. Реакция протекает по механизму нуклеофильного замещения (щелочной гидролиз), в ходе которого атомы хлора замещаются на гидроксильные группы (–OH).

а) спирт

Для получения спирта в качестве исходного вещества необходимо взять монохлорпроизводное алкана. При его взаимодействии с водным раствором щёлочи единственный атом хлора замещается на одну гидроксильную группу, что приводит к образованию спирта. В качестве примера можно привести реакцию хлорэтана с гидроксидом натрия.

Уравнение реакции:

$CH_3-CH_2-Cl + NaOH \xrightarrow{H_2O} CH_3-CH_2-OH + NaCl$

Ответ: Примером является хлорэтан ($CH_3-CH_2-Cl$), при взаимодействии которого с водным раствором щёлочи образуется спирт этанол.

б) альдегид

Для получения альдегида необходимо, чтобы у одного и того же первичного атома углерода находились два атома хлора (геминальный дихлорид). При щелочном гидролизе такого соединения первоначально образуется неустойчивый геминальный диол (соединение с двумя OH-группами у одного атома углерода). Он самопроизвольно отщепляет молекулу воды, превращаясь в альдегид. Примером может служить гидролиз 1,1-дихлорэтана.

Уравнение реакции:

$CH_3-CHCl_2 + 2NaOH \xrightarrow{H_2O} CH_3-CHO + 2NaCl + H_2O$

Ответ: Примером является 1,1-дихлорэтан ($CH_3-CHCl_2$), при взаимодействии которого с водным раствором щёлочи образуется этаналь (уксусный альдегид).

в) соль карбоновой кислоты

Для получения соли карбоновой кислоты необходимо, чтобы у одного первичного атома углерода находились три атома хлора. При гидролизе сначала образуется крайне неустойчивое соединение с тремя гидроксильными группами у одного атома углерода. Оно сразу же отщепляет молекулу воды с образованием карбоновой кислоты. Поскольку реакция проводится в избытке щёлочи, образовавшаяся кислота немедленно реагирует с ней (нейтрализуется), давая соль. Примером служит гидролиз 1,1,1-трихлорэтана.

Уравнение реакции:

$CH_3-CCl_3 + 4NaOH \xrightarrow{H_2O} CH_3-COONa + 3NaCl + 2H_2O$

Ответ: Примером является 1,1,1-трихлорэтан ($CH_3-CCl_3$), при взаимодействии которого с водным раствором щёлочи образуется соль карбоновой кислоты – ацетат натрия.

2.341. Определите неизвестные вещества и запишите уравнения всех реакций.

Решение

Для решения задачи последовательно определим все неизвестные вещества, обозначенные буквами, и запишем уравнения соответствующих химических реакций.

1. Уголь + CaO $\xrightarrow{t}$ A

   Первая реакция — это высокотемпературное взаимодействие угля (углерода) с оксидом кальция, что является промышленным способом получения карбида кальция. Таким образом, вещество A — это карбид кальция ($CaC_2$).

   Ответ: A — карбид кальция ($CaC_2$). Уравнение реакции: $3C + CaO \xrightarrow{t} CaC_2 + CO$.

2. A + H₂O $\rightarrow$ B

   Карбид кальция (A) реагирует с водой, образуя ацетилен (это стандартный лабораторный метод его получения) и гидроксид кальция. Следовательно, вещество B — это ацетилен ($C_2H_2$).

   Ответ: B — ацетилен ($HC \equiv CH$). Уравнение реакции: $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow C_2H_2 + Ca(OH)_2$.

3. B + H₂, Pd/PbO/CaCO₃ $\rightarrow$ F

   Это реакция каталитического гидрирования ацетилена (B) до этена. Используется катализатор Линдлара ($Pd/PbO/CaCO_3$), который позволяет остановить реакцию на стадии образования алкена, не доводя до алкана. Значит, вещество F — это этен (этилен, $C_2H_4$).

   Ответ: F — этен ($H_2C=CH_2$). Уравнение реакции: $HC \equiv CH + H_2 \xrightarrow{Pd/PbO/CaCO_3} H_2C=CH_2$.

4. B + H₂O, HgSO₄, H₂SO₄ $\rightarrow$ C

   Это реакция гидратации ацетилена (B) в присутствии солей ртути(II) и кислоты (реакция Кучерова). В результате образуется неустойчивый виниловый спирт, который немедленно изомеризуется в ацетальдегид. Таким образом, вещество C — это ацетальдегид (этаналь, $CH_3CHO$).

   Ответ: C — ацетальдегид ($CH_3CHO$). Уравнение реакции: $HC \equiv CH + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} CH_3CHO$.

5. C + PCl₅ $\rightarrow$ D

   Ацетальдегид (C) реагирует с пентахлоридом фосфора ($PCl_5$). В этой реакции карбонильный атом кислорода замещается на два атома хлора, образуя геминальный дигалогенид. Вещество D — это 1,1-дихлорэтан ($CH_3CHCl_2$).

   Ответ: D — 1,1-дихлорэтан ($CH_3CHCl_2$). Уравнение реакции: $CH_3CHO + PCl_5 \rightarrow CH_3CHCl_2 + POCl_3$.

6. B + HCl, HgCl₂ $\rightarrow$ E

   Ацетилен (B) вступает в реакцию гидрохлорирования (присоединение HCl) в присутствии катализатора ($HgCl_2$), образуя винилхлорид. Значит, вещество E — это винилхлорид (хлорэтен, $CH_2=CHCl$).

   Ответ: E — винилхлорид ($CH_2=CHCl$). Уравнение реакции: $HC \equiv CH + HCl \xrightarrow{HgCl_2} CH_2=CHCl$.

7. D + KOH, C₂H₅OH, t $\rightarrow$ E

   Эта реакция подтверждает структуру вещества E. 1,1-дихлорэтан (D) при действии спиртового раствора щелочи подвергается дегидрогалогенированию (отщеплению одной молекулы HCl), образуя винилхлорид (E).

   Ответ: Уравнение реакции: $CH_3CHCl_2 + KOH \xrightarrow{C_2H_5OH, t} CH_2=CHCl + KCl + H_2O$.

8. E + KOH, C₂H₅OH, t $\rightarrow$ G

   Винилхлорид (E) при действии спиртового раствора щелочи в более жестких условиях (нагревание) также вступает в реакцию дегидрогалогенирования, образуя ацетилен. Таким образом, вещество G — это ацетилен ($C_2H_2$), то есть то же самое вещество, что и B.

   Ответ: G — ацетилен ($HC \equiv CH$). Уравнение реакции: $CH_2=CHCl + KOH \xrightarrow{C_2H_5OH, t} HC \equiv CH + KCl + H_2O$.

9. E + Mg, эфир $\rightarrow$ H

   Винилхлорид (E) реагирует с магнием в среде сухого эфира с образованием реактива Гриньяра. Вещество H — это винилмагнийхлорид ($CH_2=CHMgCl$).

   Ответ: H — винилмагнийхлорид ($CH_2=CHMgCl$). Уравнение реакции: $CH_2=CHCl + Mg \xrightarrow{эфир} CH_2=CHMgCl$.

10. H + 1. CO₂; 2. HCl $\rightarrow$ I

    Реактив Гриньяра (H) реагирует с диоксидом углерода ($CO_2$), после чего продукт реакции обрабатывают кислотой (HCl). В результате образуется карбоновая кислота. Вещество I — это акриловая (пропеновая) кислота ($CH_2=CHCOOH$).

    Ответ: I — акриловая кислота ($CH_2=CHCOOH$). Суммарное уравнение реакции: $CH_2=CHMgCl \xrightarrow{1. CO_2; 2. HCl} CH_2=CHCOOH + MgCl_2$.

11. Анализ реакций F $\rightarrow$ G и G + H₂O $\rightarrow$ F

    Как было установлено, F — это этен ($C_2H_4$), а G — ацетилен ($C_2H_2$). Рассмотрим указанные в схеме превращения между ними:

    • $F \rightarrow G$: превращение этена в ацетилен является реакцией дегидрирования. Она возможна, но требует высоких температур и катализатора.
      Уравнение реакции: $H_2C=CH_2 \xrightarrow{t, kat.} HC \equiv CH + H_2$.

    • $G + H_2O \rightarrow F$: превращение ацетилена в этен при добавлении воды химически некорректно. Реакция гидратации ацетилена приводит к ацетальдегиду (вещество C). Вероятно, в данной части схемы допущена ошибка.

    Ответ: Реакция $F \rightarrow G$ является реакцией дегидрирования: $C_2H_4 \rightarrow C_2H_2 + H_2$. Реакция $G + H_2O \rightarrow F$ в представленном виде невозможна.

2.342. Бромалкан содержит 58,32% брома (по массе). Определите строение бромалкана, если известно, что он может существовать в виде оптических изомеров.

Дано:

Найти:

Решение:

1. Определение молекулярной формулы бромалкана.

Общая формула предельных одноатомных галогеналканов (монобромалканов) — $C_nH_{2n+1}Br$.

Молярная масса бромалкана $M(C_nH_{2n+1}Br)$ вычисляется как сумма атомных масс всех атомов в молекуле. Используем округленные относительные атомные массы: $Ar(C) = 12$ а.е.м., $Ar(H) = 1$ а.е.м., $Ar(Br) = 80$ а.е.м.

$M(C_nH_{2n+1}Br) = n \cdot Ar(C) + (2n+1) \cdot Ar(H) + Ar(Br) = 12n + (2n+1) + 80 = 14n + 81$ г/моль.

Массовая доля элемента в соединении вычисляется по формуле:

$w(Э) = \frac{k \cdot Ar(Э)}{M(соединения)}$, где $k$ — число атомов элемента в молекуле.

Для брома в бромалкане ($k=1$):

$w(Br) = \frac{Ar(Br)}{M(C_nH_{2n+1}Br)} = \frac{80}{14n + 81}$

Подставим известное значение массовой доли и решим уравнение относительно $n$:

$0.5832 = \frac{80}{14n + 81}$

$0.5832 \cdot (14n + 81) = 80$

$8.1648n + 47.2392 = 80$

$8.1648n = 80 - 47.2392$

$8.1648n = 32.7608$

$n = \frac{32.7608}{8.1648} \approx 4$

Следовательно, в молекуле бромалкана содержится 4 атома углерода. Молекулярная формула вещества: $C_4H_{2 \cdot 4 + 1}Br$, то есть $C_4H_9Br$.

2. Определение строения бромалкана.

По условию, вещество может существовать в виде оптических изомеров. Это возможно, если молекула вещества является хиральной. Основной причиной хиральности для таких соединений является наличие асимметрического атома углерода (хирального центра) — атома углерода, связанного с четырьмя различными заместителями.

Рассмотрим структурные изомеры состава $C_4H_9Br$:

• 1-бромбутан: $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-Br$. В этой молекуле нет хирального центра.
• 2-бромбутан: $CH_3-CH(Br)-CH_2-CH_3$. Второй атом углерода в цепи (C-2) связан с четырьмя различными группами: атом водорода ($-H$), атом брома ($-Br$), метильная группа ($-CH_3$) и этильная группа ($-CH_2CH_3$). Следовательно, C-2 является хиральным центром, и 2-бромбутан существует в виде пары оптических изомеров (энантиомеров).
• 1-бромо-2-метилпропан: $(CH_3)_2CH-CH_2-Br$. В этой молекуле нет хирального центра (второй атом углерода связан с двумя одинаковыми метильными группами).
• 2-бромо-2-метилпропан: $(CH_3)_3C-Br$. В этой молекуле нет хирального центра (второй атом углерода связан с тремя одинаковыми метильными группами).

Таким образом, единственным изомером, удовлетворяющим условию задачи, является 2-бромбутан.

Ответ: искомый бромалкан — это 2-бромбутан, его структурная формула: $CH_3-CH(Br)-CH_2-CH_3$.