Страница 80 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.343. При хлорировании углеводорода X хлором на свету было получено соединение Y, содержащее 54,48% хлора (по массе). Взаимодействие соединения Y с избытком водного раствора гидроксида натрия приводит к образованию соединения Z, содержащего 15,97% натрия (по массе). Определите неизвестные вещества X–Z и запишите уравнения описанных реакций.

Дано:

$ \omega(Cl) $ в соединении Y = 54,48%
$ \omega(Na) $ в соединении Z = 15,97%

Найти:

Вещества X, Y, Z - ?
Уравнения реакций - ?

Решение

1. Определение строения вещества Z.

Соединение Y является хлорпроизводным углеводорода X. При взаимодействии с избытком водного раствора гидроксида натрия (NaOH) Y образует соединение Z, содержащее натрий. Галогеналканы в водном растворе щелочи подвергаются гидролизу с образованием спиртов. Наличие натрия в продукте Z указывает на то, что образующийся спирт (или продукт его превращения) обладает кислотными свойствами и реагирует с избытком щелочи.

Такая ситуация возможна, если в результате гидролиза образуется карбоновая кислота. Это происходит при гидролизе тригалогенпроизводных, у которых все три атома галогена находятся у одного атома углерода ($R-CCl_3$). Промежуточно образуется неустойчивое соединение с тремя гидроксильными группами у одного атома углерода, которое отщепляет воду, превращаясь в карбоновую кислоту. Кислота затем реагирует с избытком NaOH, образуя соль — карбоксилат натрия.

Следовательно, Z — это натриевая соль карбоновой кислоты общей формулы $R-COONa$.

Зная массовую долю натрия в Z, найдем молярную массу соединения Z ($M_Z$):

$M_Z = \frac{A_r(Na)}{\omega(Na)} = \frac{23 \text{ г/моль}}{0,1597} \approx 144 \text{ г/моль}$

Теперь найдем молярную массу радикала R:

$M_Z = M_R + M_{COONa} = M_R + M(C) + 2 \cdot M(O) + M(Na)$

$144 = M_R + 12 + 2 \cdot 16 + 23 = M_R + 67$

$M_R = 144 - 67 = 77 \text{ г/моль}$

Найдем формулу радикала R. Если предположить, что R — это алкильный радикал $C_nH_{2n+1}$, то его молярная масса $14n + 1 = 77$, откуда $14n = 76$, $n \approx 5,43$, что не является целым числом. Следовательно, радикал не является алкильным.

Проверим ароматический радикал фенил $C_6H_5-$. Его молярная масса: $M(C_6H_5) = 6 \cdot 12 + 5 \cdot 1 = 77 \text{ г/моль}$. Это значение совпадает с рассчитанным.

Таким образом, вещество Z — это бензоат натрия, $C_6H_5COONa$.

Проверим молярную массу бензоата натрия: $M(C_6H_5COONa) = 7 \cdot 12 + 5 \cdot 1 + 2 \cdot 16 + 23 = 144 \text{ г/моль}$. Расчет верен.

Z — бензоат натрия ($C_6H_5COONa$)

2. Определение строения вещества Y.

Как мы установили, бензоат натрия (Z) образуется при щелочном гидролизе соединения, содержащего группу $-CCl_3$, связанную с фенильным радикалом. Следовательно, вещество Y — это (трихлорметил)бензол (или бензотрихлорид), $C_6H_5CCl_3$.

Проверим это предположение, рассчитав массовую долю хлора в $C_6H_5CCl_3$. Молекулярная формула $C_7H_5Cl_3$.

Молярная масса Y: $M_Y = 7 \cdot 12 + 5 \cdot 1 + 3 \cdot 35,5 = 84 + 5 + 106,5 = 195,5 \text{ г/моль}$.

Массовая доля хлора в Y:

$\omega(Cl) = \frac{3 \cdot A_r(Cl)}{M_Y} = \frac{3 \cdot 35,5}{195,5} = \frac{106,5}{195,5} \approx 0,5448$ или 54,48%.

Рассчитанное значение совпадает с данным в условии задачи. Следовательно, вещество Y — это (трихлорметил)бензол.

Y — (трихлорметил)бензол ($C_6H_5CCl_3$)

3. Определение строения вещества X.

Соединение Y ($C_6H_5CCl_3$) было получено при хлорировании углеводорода X на свету. Хлорирование на свету ($h\nu$) — это реакция радикального замещения. Для ароматических углеводородов с боковой цепью такая реакция идет по боковой цепи.

Поскольку Y содержит фенильный радикал и трихлорметильную группу, исходный углеводород X должен иметь метильную группу, связанную с бензольным кольцом. Таким углеводородом является толуол (метилбензол), $C_6H_5CH_3$.

X — толуол ($C_6H_5CH_3$)

4. Запись уравнений реакций.

1) Получение (трихлорметил)бензола (Y) из толуола (X) путем хлорирования на свету:

$C_6H_5CH_3 + 3Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_5CCl_3 + 3HCl$

2) Получение бензоата натрия (Z) из (трихлорметил)бензола (Y) действием избытка водного раствора гидроксида натрия. Реакция включает стадию гидролиза до бензойной кислоты и последующую нейтрализацию кислоты избытком щелочи:

$C_6H_5CCl_3 + 4NaOH \rightarrow C_6H_5COONa + 3NaCl + 2H_2O$

Ответ:

Неизвестные вещества:

• X — толуол (метилбензол), $C_6H_5CH_3$.
• Y — (трихлорметил)бензол (бензотрихлорид), $C_6H_5CCl_3$.
• Z — бензоат натрия, $C_6H_5COONa$.

Уравнения реакций:

1. $C_6H_5CH_3 + 3Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_5CCl_3 + 3HCl$

2. $C_6H_5CCl_3 + 4NaOH \rightarrow C_6H_5COONa + 3NaCl + 2H_2O$

2.344. Определите молекулярную формулу монохлоралкана, если известно, что в результате его взаимодействия с иодидом натрия образуется продукт, массовая доля углерода в котором 2,166 раза меньше, чем в исходном монохлоралкане.

Дано:

Найти:

Молекулярную формулу монохлоралкана - $C_nH_{2n+1}Cl$

Решение:

1. Запишем общую формулу монохлоралкана: $C_nH_{2n+1}Cl$.

2. Запишем уравнение реакции взаимодействия монохлоралкана с иодидом натрия. Это реакция нуклеофильного замещения (реакция Финкельштейна), в результате которой атом хлора замещается на атом иода:

$C_nH_{2n+1}Cl + NaI \rightarrow C_nH_{2n+1}I + NaCl$

Продукт, о котором идет речь в задаче, — это моноиодалкан с общей формулой $C_nH_{2n+1}I$.

3. Выразим молярные массы исходного монохлоралкана ($M_1$) и полученного моноиодалкана ($M_2$). Используем относительные атомные массы: $Ar(C)=12$, $Ar(H)=1$, $Ar(Cl)=35.5$, $Ar(I)=127$.

$M_1(C_nH_{2n+1}Cl) = 12 \cdot n + 1 \cdot (2n+1) + 35.5 = 14n + 36.5$

$M_2(C_nH_{2n+1}I) = 12 \cdot n + 1 \cdot (2n+1) + 127 = 14n + 128$

4. Запишем формулы для массовых долей углерода ($\omega(C)$) в каждом из соединений. Масса углерода в молекуле в обоих случаях равна $12n$.

Массовая доля углерода в монохлоралкане:

$\omega_{1}(C) = \frac{12n}{M_1} = \frac{12n}{14n + 36.5}$

Массовая доля углерода в моноиодалкане:

$\omega_{2}(C) = \frac{12n}{M_2} = \frac{12n}{14n + 128}$

5. Согласно условию, массовая доля углерода в продукте (моноиодалкане) в 2,166 раза меньше, чем в исходном монохлоралкане. Составим уравнение:

$\frac{\omega_{1}(C)}{\omega_{2}(C)} = 2.166$

$\frac{\frac{12n}{14n + 36.5}}{\frac{12n}{14n + 128}} = 2.166$

После сокращения $12n$ в числителе и знаменателе получаем:

$\frac{14n + 128}{14n + 36.5} = 2.166$

6. Решим полученное уравнение относительно $n$:

$14n + 128 = 2.166 \cdot (14n + 36.5)$

$14n + 128 = 30.324n + 79.059$

$30.324n - 14n = 128 - 79.059$

$16.324n = 48.941$

$n = \frac{48.941}{16.324} \approx 3$

Поскольку $n$ — это число атомов углерода, оно должно быть целым. Следовательно, $n=3$.

7. Определим молекулярную формулу монохлоралкана, подставив $n=3$ в общую формулу $C_nH_{2n+1}Cl$:

$C_3H_{2 \cdot 3 + 1}Cl \rightarrow C_3H_7Cl$

Ответ: $C_3H_7Cl$

2.345. При сжигании монохлоралкана и конденсации паров воды была получена 28,85%-я соляная кислота. Определите молекулярную формулу монохлоралкана. Растворимостью углекислого газа в воде пренебречь.

Дано:
Массовая доля соляной кислоты, $\omega(HCl) = 28,85\% = 0.2885$

Найти:
Молекулярную формулу монохлоралкана - ?

Решение:

Общая формула для насыщенных одноатомных спиртов - $C_nH_{2n+1}Cl$, где $n$ – число атомов углерода в молекуле.

При сжигании (полном окислении) монохлоралкана образуются углекислый газ ($CO_2$), вода ($H_2O$) и хлороводород ($HCl$). Запишем уравнение реакции в общем виде:

$C_nH_{2n+1}Cl + \frac{3n}{2}O_2 \rightarrow nCO_2 + nH_2O + HCl$

Из условия задачи следует, что полученная соляная кислота образовалась при растворении хлороводорода ($HCl$) в воде ($H_2O$), которые оба являются продуктами реакции сгорания. Растворимостью углекислого газа в воде можно пренебречь.

Массовая доля растворенного вещества ($\omega$) в растворе вычисляется по формуле:

$\omega(HCl) = \frac{m(HCl)}{m(раствора)} = \frac{m(HCl)}{m(HCl) + m(H_2O)}$

Из уравнения реакции видно, что из 1 моль монохлоралкана $C_nH_{2n+1}Cl$ образуется 1 моль $HCl$ и $n$ моль $H_2O$.

Примем количество сгоревшего монохлоралкана за 1 моль. Тогда:

Количество вещества хлороводорода $\nu(HCl) = 1$ моль.

Количество вещества воды $\nu(H_2O) = n$ моль.

Найдем массы этих веществ, используя молярные массы:

$M(HCl) = 1 + 35.5 = 36.5$ г/моль

$M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18$ г/моль

Масса хлороводорода: $m(HCl) = \nu(HCl) \cdot M(HCl) = 1 \text{ моль} \cdot 36.5 \text{ г/моль} = 36.5$ г.

Масса воды: $m(H_2O) = \nu(H_2O) \cdot M(H_2O) = n \text{ моль} \cdot 18 \text{ г/моль} = 18n$ г.

Теперь подставим массы в формулу для массовой доли и используем значение, данное в условии задачи, для нахождения $n$:

$0.2885 = \frac{36.5}{36.5 + 18n}$

Решим это уравнение:

$0.2885 \cdot (36.5 + 18n) = 36.5$

$10.53025 + 5.193n = 36.5$

$5.193n = 36.5 - 10.53025$

$5.193n = 25.96975$

$n = \frac{25.96975}{5.193} \approx 5$

Так как $n$ — это число атомов углерода, оно должно быть целым. Следовательно, $n = 5$.

Подставим найденное значение $n$ в общую формулу монохлоралкана $C_nH_{2n+1}Cl$:

$C_5H_{2 \cdot 5 + 1}Cl = C_5H_{11}Cl$

Ответ: Молекулярная формула монохлоралкана $C_5H_{11}Cl$.