Страница 107 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

Решение:

Для того чтобы получить анилин ($C_6H_5NH_2$) из метана ($CH_4$), можно предложить следующую последовательность химических превращений в четыре стадии:

Метан $\rightarrow$ Ацетилен $\rightarrow$ Бензол $\rightarrow$ Нитробензол $\rightarrow$ Анилин

Рассмотрим каждую стадию подробно.

1. Получение ацетилена из метана (пиролиз)

Первый этап — это получение ацетилена (этина) путем высокотемпературного крекинга (пиролиза) метана. Реакция проводится при температуре около $1500^{\circ}C$ с последующим быстрым охлаждением (закалкой) продуктов для предотвращения их разложения.

Уравнение реакции:

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

Промежуточное вещество, полученное на этой стадии, — ацетилен.

2. Получение бензола из ацетилена (реакция тримеризации)

Далее из ацетилена получают бензол. Это реакция циклотримеризации ацетилена, которая протекает при пропускании газообразного ацетилена над катализатором — активированным углем — при температуре $400-600^{\circ}C$ (реакция Зелинского-Казанского).

Уравнение реакции:

$3C_2H_2 \xrightarrow{C_{акт.}, 400-600^{\circ}C} C_6H_6$

Промежуточное вещество, полученное на этой стадии, — бензол.

3. Получение нитробензола из бензола (нитрование)

На третьей стадии бензол подвергают нитрованию для введения нитрогруппы ($-NO_2$) в бензольное кольцо. Реакцию проводят с помощью нитрующей смеси, состоящей из концентрированных азотной ($HNO_3$) и серной ($H_2SO_4$) кислот, при умеренном нагревании (до $50-60^{\circ}C$).

Уравнение реакции:

$C_6H_6 + HNO_3(конц.) \xrightarrow{H_2SO_4(конц.), t} C_6H_5NO_2 + H_2O$

Промежуточное вещество, полученное на этой стадии, — нитробензол.

4. Получение анилина из нитробензола (восстановление)

Заключительный этап — восстановление нитробензола до анилина. Эта реакция известна как реакция Зинина. В лабораторных условиях ее проводят с использованием металлического железа или олова в соляной кислоте.

Уравнение реакции в общем виде (с использованием атомарного водорода):

$C_6H_5NO_2 + 6[H] \xrightarrow{Fe, HCl} C_6H_5NH_2 + 2H_2O$

Конечный продукт — анилин.

Таким образом, предложенная цепь превращений состоит из четырех звеньев (стадий).

Ответ:

Уравнения реакций для получения анилина из метана:
1) $2CH_4 \xrightarrow{1500^{\circ}C} C_2H_2 + 3H_2$
2) $3C_2H_2 \xrightarrow{C_{акт.}, 400-600^{\circ}C} C_6H_6$
3) $C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4, 50-60^{\circ}C} C_6H_5NO_2 + H_2O$
4) $C_6H_5NO_2 + 6[H] \xrightarrow{Fe, HCl} C_6H_5NH_2 + 2H_2O$
Промежуточные вещества: ацетилен, бензол, нитробензол.
В предложенной цепи превращений 4 звена.

Решение

В качестве примера составим и решим цепь превращений, основанную на химических свойствах фосфора и его соединений. Данная цепь демонстрирует переход от простого вещества-неметалла к кислотному оксиду, затем к кислоте, соли и обратно к простому веществу.

Схема превращений: $P \rightarrow P_2O_5 \rightarrow H_3PO_4 \rightarrow Na_3PO_4 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2$

1. Получение оксида фосфора(V) из фосфора

При сжигании фосфора в избытке кислорода образуется его высший оксид — оксид фосфора(V). Это белый порошок, который является кислотным оксидом.

Ответ: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

2. Получение ортофосфорной кислоты из оксида фосфора(V)

Оксид фосфора(V) энергично реагирует с водой, образуя ортофосфорную кислоту. Реакцию лучше проводить при нагревании для полного превращения.

Ответ: $P_2O_5 + 3H_2O \xrightarrow{t} 2H_3PO_4$

3. Получение фосфата натрия из ортофосфорной кислоты

Ортофосфорная кислота является трехосновной кислотой и может быть полностью нейтрализована сильным основанием, таким как гидроксид натрия, с образованием средней соли — фосфата натрия.

Ответ: $H_3PO_4 + 3NaOH \rightarrow Na_3PO_4 + 3H_2O$

4. Получение фосфата кальция из фосфата натрия

Для получения нерастворимого фосфата кальция можно использовать реакцию ионного обмена между растворимым фосфатом натрия и растворимой солью кальция, например, хлоридом кальция. Фосфат кальция выпадет в виде белого осадка.

Ответ: $2Na_3PO_4 + 3CaCl_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 \downarrow + 6NaCl$

Решение

Синтез нитроглицерина

Нитроглицерин, химически правильное название которого — тринитрат глицерина, представляет собой сложный эфир трехатомного спирта глицерина и азотной кислоты. Он был впервые получен в 1847 году итальянским химиком Асканио Собреро, который отметил его чрезвычайную взрывоопасность.

Промышленный синтез нитроглицерина осуществляется в процессе нитрования глицерина. В качестве нитрующего агента используют так называемую нитрующую смесь — смесь концентрированной азотной ($HNO_3$) и концентрированной серной ($H_2SO_4$) кислот.

Реакция протекает по следующему уравнению:

$C_3H_5(OH)_3 + 3HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_3H_5(ONO_2)_3 + 3H_2O$

Роль серной кислоты в этом процессе двойная. Во-первых, она является сильным водоотнимающим средством и поглощает воду, образующуюся в ходе реакции. Это смещает химическое равновесие вправо, в сторону образования целевого продукта, согласно принципу Ле Шателье. Во-вторых, серная кислота катализирует реакцию, способствуя образованию активной частицы — иона нитрония ($NO_2^+$), который и атакует молекулу глицерина.

Процесс нитрования является сильно экзотермическим, то есть протекает с выделением большого количества тепла. Это делает синтез нитроглицерина крайне опасным, так как при повышении температуры выше определенного предела (обычно $25-30^{\circ}C$) начинается его бурное разложение со взрывом. Поэтому реакцию проводят при интенсивном охлаждении, поддерживая температуру в диапазоне $10-20^{\circ}C$. Глицерин медленно, по каплям, добавляют в охлажденную нитрующую смесь при постоянном перемешивании.

После завершения реакции смесь оставляют для расслаивания. Нитроглицерин, будучи более плотным и нерастворимым в отработанной кислотной смеси, образует нижний слой. Его осторожно отделяют, а затем многократно промывают сначала холодной водой, а затем слабым раствором соды для полной нейтрализации остатков кислот, которые снижают его стабильность при хранении.

Ответ: Синтез нитроглицерина основан на реакции этерификации (нитрования) глицерина смесью концентрированных азотной и серной кислот. Процесс требует строгого контроля температуры и охлаждения из-за высокой экзотермичности реакции и опасности взрывного разложения продукта.

Применение нитроглицерина

Нитроглицерин известен своим двойственным применением, находя применение в кардинально разных областях: военной промышленности и медицине.

1. Взрывчатые вещества
Чистый нитроглицерин — это вязкая, бесцветная маслянистая жидкость, обладающая чрезвычайно высокой чувствительностью к удару, трению и нагреву, что делает его использование в чистом виде очень опасным. Великий прорыв совершил Альфред Нобель в 1867 году, который нашел способ стабилизировать нитроглицерин. Он пропитал им пористое вещество — кизельгур (диатомовую землю), получив таким образом гораздо более безопасный в обращении сыпучий продукт, который он назвал динамитом. Это изобретение произвело революцию в горнодобывающей и строительной отраслях.

Нитроглицерин также является ключевым компонентом бездымных порохов (например, баллистита и кордита, где он смешан с нитроцеллюлозой) и различных видов желатиндинамитов. Его огромная энергия высвобождается при детонации, в ходе которой он мгновенно разлагается с образованием большого объема горячих газов:

$4C_3H_5(NO_3)_3(l) \rightarrow 12CO_2(g) + 10H_2O(g) + 6N_2(g) + O_2(g)$

2. Медицина
В медицине нитроглицерин используется как мощный вазодилататор — лекарственное средство, вызывающее расширение кровеносных сосудов. Его действие основано на том, что в организме он метаболизируется с образованием оксида азота ($NO$). Оксид азота активирует в гладкомышечных клетках сосудистой стенки фермент гуанилатциклазу, что приводит к расслаблению мышц и, как следствие, к расширению сосудов.

Основное медицинское применение нитроглицерина — это купирование (снятие) и профилактика приступов стенокардии ("грудной жабы"). Расширяя преимущественно вены, нитроглицерин уменьшает приток крови к сердцу (снижает преднагрузку). Расширяя коронарные артерии, он улучшает кровоснабжение самой сердечной мышцы. В результате работа сердца облегчается, а его потребность в кислороде снижается, что и приводит к прекращению болевого приступа.

Для медицинских целей нитроглицерин выпускается в виде таблеток или спрея для приема под язык, трансдермальных пластырей, мазей, а также растворов для внутривенных инъекций при острых состояниях.

Ответ: Нитроглицерин применяется, с одной стороны, как мощное взрывчатое вещество и основной компонент динамита и бездымных порохов, а с другой — как жизненно важное лекарство в кардиологии для расширения сосудов и снятия приступов стенокардии.

1) Проведите реакции, характерные для глюкозы, используя в качестве реактива одно химическое соединение. Опишите условия проведения и признаки реакций, составьте их уравнения. Сделайте вывод.

Решение:
Для идентификации глюкозы можно использовать один реактив — свежеосажденный гидроксид меди(II), $Cu(OH)_2$. Глюкоза, являясь альдегидоспиртом, проявляет двойственные свойства: как многоатомный спирт и как альдегид. Обе эти функциональные группы можно обнаружить с помощью $Cu(OH)_2$.

Сначала необходимо получить гидроксид меди(II) путем смешивания раствора сульфата меди(II) ($CuSO_4$) с раствором щелочи (например, $NaOH$):
$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$
Образуется голубой студенистый осадок гидроксида меди(II).

Реакция глюкозы как многоатомного спирта (качественная реакция на многоатомные спирты):
Условия проведения: К полученному осадку $Cu(OH)_2$ добавляют раствор глюкозы и встряхивают. Реакция протекает при комнатной температуре без нагревания.
Признаки реакции: Голубой осадок $Cu(OH)_2$ растворяется, и образуется прозрачный раствор ярко-синего цвета — комплексное соединение, сахарат меди(II).
Уравнение реакции (упрощенное):
$2C_6H_{12}O_6 + Cu(OH)_2 \rightarrow (C_6H_{11}O_6)_2Cu + 2H_2O$
Эта реакция доказывает наличие в молекуле глюкозы нескольких гидроксильных групп, расположенных у соседних атомов углерода.

Реакция глюкозы как альдегида (качественная реакция на альдегидную группу):
Условия проведения: Полученный в предыдущем опыте ярко-синий раствор нагревают.
Признаки реакции: При нагревании цвет раствора изменяется: сначала образуется желтый осадок гидроксида меди(I) ($CuOH$), который при дальнейшем нагревании разлагается и превращается в кирпично-красный осадок оксида меди(I) ($Cu_2O$).
Уравнение реакции:
$HOCH_2(CHOH)_4CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} HOCH_2(CHOH)_4COOH + Cu_2O\downarrow + 2H_2O$
В ходе реакции альдегидная группа глюкозы окисляется до карбоксильной (образуется глюконовая кислота), а медь со степенью окисления +2 восстанавливается до меди со степенью окисления +1.

Вывод: С помощью одного реактива — гидроксида меди(II) — можно доказать двойственную химическую природу глюкозы. Реакция при комнатной температуре подтверждает наличие у глюкозы свойств многоатомного спирта, а реакция при нагревании — наличие свойств альдегида.
Ответ: Характерными реакциями для глюкозы являются взаимодействие со свежеосажденным гидроксидом меди(II) при комнатной температуре с образованием ярко-синего раствора и последующее нагревание этого раствора, приводящее к выпадению кирпично-красного осадка.

2) Используя один и тот же реактив, экспериментально распознайте выданные вам в пронумерованных пробирках без этикеток вещества: раствор формальдегида и глицерина. Опишите условия проведения и признаки реакций, составьте их уравнения. Сделайте вывод.

Решение:
Для распознавания раствора формальдегида (метаналя) и глицерина (пропантриола-1,2,3) можно использовать один общий качественный реактив — свежеосажденный гидроксид меди(II), $Cu(OH)_2$.

Ход эксперимента:
1. В две пробирки наливают по 1-2 мл раствора сульфата меди(II) ($CuSO_4$) и добавляют избыток раствора гидроксида натрия ($NaOH$) до образования голубого осадка $Cu(OH)_2$.
2. В одну пробирку с осадком добавляют несколько капель исследуемого раствора из пробирки №1, в другую — из пробирки №2. Содержимое пробирок перемешивают.
3. Наблюдают за изменениями при комнатной температуре.
4. Обе пробирки осторожно нагревают на пламени спиртовки.

Наблюдения и уравнения реакций:
Пробирка с глицерином ($C_3H_5(OH)_3$):
Условия и признаки: При добавлении глицерина к осадку $Cu(OH)_2$ при комнатной температуре осадок растворяется, образуя прозрачный раствор ярко-синего цвета. Это качественная реакция на многоатомные спирты. При дальнейшем нагревании этого раствора видимых изменений не происходит, так как глицерин не содержит альдегидной группы.
Уравнение реакции (образование глицерата меди(II)):
$2C_3H_5(OH)_3 + Cu(OH)_2 \rightarrow \text{растворимый комплекс (глицерат меди(II)) ярко-синего цвета} + 2H_2O$

Пробирка с формальдегидом ($HCHO$):
Условия и признаки: При добавлении раствора формальдегида к осадку $Cu(OH)_2$ при комнатной температуре видимых изменений не наблюдается. При нагревании смеси происходит окислительно-восстановительная реакция: голубой осадок превращается в кирпично-красный осадок оксида меди(I) ($Cu_2O$). Это качественная реакция на альдегидную группу.
Уравнение реакции:
$HCHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} HCOOH + Cu_2O\downarrow + 2H_2O$
Поскольку образующаяся муравьиная кислота сама является сильным восстановителем, она может окисляться дальше до углекислого газа и воды:
$HCOOH + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2\uparrow + Cu_2O\downarrow + 3H_2O$
Суммарное уравнение окисления формальдегида:
$HCHO + 4Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CO_2\uparrow + 2Cu_2O\downarrow + 5H_2O$

Вывод: В пробирке, где осадок $Cu(OH)_2$ растворился при комнатной температуре с образованием ярко-синего раствора, находился глицерин. В пробирке, где при нагревании выпал кирпично-красный осадок, находился формальдегид. Таким образом, гидроксид меди(II) является универсальным реактивом для различения данных веществ.
Ответ: Глицерин можно идентифицировать по реакции с $Cu(OH)_2$ при комнатной температуре, в результате которой образуется ярко-синий раствор. Формальдегид можно идентифицировать по реакции с $Cu(OH)_2$ при нагревании, в результате которой образуется кирпично-красный осадок $Cu_2O$.