Страница 115 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

5. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно получить альдегиды и кетоны.

Альдегиды и кетоны можно получить несколькими способами. Ниже приведены основные методы и соответствующие уравнения реакций.

1. Окисление спиртов

Окисление первичных спиртов приводит к образованию альдегидов. Чтобы предотвратить дальнейшее окисление альдегида до карбоновой кислоты, необходимо использовать мягкие окислители или отгонять альдегид из реакционной смеси по мере его образования. Окисление вторичных спиртов всегда приводит к образованию кетонов.

Пример получения альдегида (этаналя) из первичного спирта (этанола):
$CH_3CH_2OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3CHO + Cu + H_2O$

Пример получения кетона (пропанона) из вторичного спирта (пропанола-2):
$3CH_3CH(OH)CH_3 + K_2Cr_2O_7 + 4H_2SO_4 \rightarrow 3CH_3C(O)CH_3 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 7H_2O$

Ответ:

$CH_3CH_2OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3CHO + Cu + H_2O$
$3CH_3CH(OH)CH_3 + K_2Cr_2O_7 + 4H_2SO_4 \rightarrow 3CH_3C(O)CH_3 + Cr_2(SO_4)_3 + K_2SO_4 + 7H_2O$

2. Гидратация алкинов (реакция Кучерова)

Присоединение воды к алкинам в присутствии солей ртути(II) в кислой среде. Гидратация ацетилена является единственным способом получения альдегида этим методом. Гидратация его гомологов приводит к образованию кетонов согласно правилу Марковникова.

Пример получения альдегида (этаналя) из ацетилена:
$HC \equiv CH + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} CH_3CHO$

Пример получения кетона (пропанона) из пропина:
$CH_3C \equiv CH + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} CH_3C(O)CH_3$

Ответ:

$HC \equiv CH + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} CH_3CHO$
$CH_3C \equiv CH + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} CH_3C(O)CH_3$

3. Пиролиз кальциевых или бариевых солей карбоновых кислот

Термическое разложение (сухая перегонка) солей карбоновых кислот. При пиролизе соли одной кислоты (кроме муравьиной) образуется кетон. Для получения альдегида проводят пиролиз смеси соли муравьиной кислоты и соли другой карбоновой кислоты.

Пример получения альдегида (этаналя) из смеси ацетата и формиата кальция:
$(CH_3COO)_2Ca + (HCOO)_2Ca \xrightarrow{t} 2CH_3CHO + 2CaCO_3$

Пример получения кетона (пропанона) из ацетата кальция:
$(CH_3COO)_2Ca \xrightarrow{t} CH_3C(O)CH_3 + CaCO_3$

Ответ:

$(CH_3COO)_2Ca + (HCOO)_2Ca \xrightarrow{t} 2CH_3CHO + 2CaCO_3$
$(CH_3COO)_2Ca \xrightarrow{t} CH_3C(O)CH_3 + CaCO_3$

4. Гидролиз геминальных дигалогеналканов

Реакция дигалогеналканов, у которых два атома галогена находятся у одного атома углерода, с водными растворами щелочей. Если атомы галогена находятся у первичного атома углерода, образуется альдегид. Если у вторичного — кетон.

Пример получения альдегида (этаналя) из 1,1-дихлорэтана:
$CH_3CHCl_2 + 2NaOH_{(aq)} \rightarrow CH_3CHO + 2NaCl + H_2O$

Пример получения кетона (пропанона) из 2,2-дихлорпропана:
$CH_3CCl_2CH_3 + 2NaOH_{(aq)} \rightarrow CH_3C(O)CH_3 + 2NaCl + H_2O$

Ответ:

$CH_3CHCl_2 + 2NaOH_{(aq)} \rightarrow CH_3CHO + 2NaCl + H_2O$
$CH_3CCl_2CH_3 + 2NaOH_{(aq)} \rightarrow CH_3C(O)CH_3 + 2NaCl + H_2O$

6. Составьте уравнения реакций окисления этанола и пропанола. В чём сходство и различия в строении молекул полученных продуктов?

Составьте уравнения реакций окисления этанола и пропанола.

Решение

Окисление первичных спиртов, таких как этанол и пропанол-1, может протекать по-разному в зависимости от условий реакции и используемого окислителя. При мягком окислении (например, оксидом меди(II) при нагревании) образуются альдегиды. При жестком окислении (например, раствором перманганата или дихромата калия в кислой среде) образуются карбоновые кислоты. В уравнениях ниже используется условное обозначение $[O]$ для атома кислорода из окислителя.

1. Окисление этанола ($C_2H_5OH$)

а) Мягкое окисление с образованием этаналя (уксусного альдегида):

$CH_3CH_2OH + [O] \xrightarrow{CuO, t} CH_3CHO + H_2O$

б) Жесткое окисление с образованием этановой (уксусной) кислоты:

$CH_3CH_2OH + 2[O] \xrightarrow{KMnO_4, H^+} CH_3COOH + H_2O$

2. Окисление пропанола (имеется в виду пропанол-1, $CH_3CH_2CH_2OH$)

а) Мягкое окисление с образованием пропаналя (пропионового альдегида):

$CH_3CH_2CH_2OH + [O] \xrightarrow{CuO, t} CH_3CH_2CHO + H_2O$

б) Жесткое окисление с образованием пропановой (пропионовой) кислоты:

$CH_3CH_2CH_2OH + 2[O] \xrightarrow{KMnO_4, H^+} CH_3CH_2COOH + H_2O$

Ответ:
Уравнения реакций окисления этанола:
до альдегида: $CH_3CH_2OH + [O] \rightarrow CH_3CHO + H_2O$
до кислоты: $CH_3CH_2OH + 2[O] \rightarrow CH_3COOH + H_2O$
Уравнения реакций окисления пропанола-1:
до альдегида: $CH_3CH_2CH_2OH + [O] \rightarrow CH_3CH_2CHO + H_2O$
до кислоты: $CH_3CH_2CH_2OH + 2[O] \rightarrow CH_3CH_2COOH + H_2O$

В чём сходство и различия в строении молекул полученных продуктов?

Решение

Продуктами окисления являются вещества, относящиеся к двум разным классам: альдегиды (этаналь и пропаналь) и карбоновые кислоты (этановая и пропановая кислоты). Сравним строение молекул внутри каждого класса.

Сравнение альдегидов: этаналя ($CH_3CHO$) и пропаналя ($CH_3CH_2CHO$)

Сходство: Оба соединения являются альдегидами, гомологами, и содержат одну и ту же функциональную группу — альдегидную $(-CHO)$. Наличие этой группы обуславливает их общие химические свойства, например, способность вступать в реакцию «серебряного зеркала».

Различие: Молекулы этих альдегидов различаются длиной углеродной цепи. Молекула пропаналя содержит на одну метиленовую группу $(-CH_2-)$ больше, чем молекула этаналя. Таким образом, они отличаются углеводородным радикалом, связанным с функциональной группой: метил ($CH_3-$) у этаналя и этил ($C_2H_5-$) у пропаналя.

Сравнение карбоновых кислот: этановой ($CH_3COOH$) и пропановой ($CH_3CH_2COOH$)

Сходство: Оба соединения являются одноосновными карбоновыми кислотами, гомологами, и содержат одну и ту же функциональную группу — карбоксильную $(-COOH)$. Эта группа определяет их общие химические свойства, прежде всего кислотный характер.

Различие: Молекулы этих кислот, как и в случае с альдегидами, различаются длиной углеводородного радикала. Молекула пропановой кислоты отличается от молекулы этановой кислоты на одну метиленовую группу $(-CH_2-)$. Углеводородный радикал у этановой кислоты — метил ($CH_3-$), а у пропановой — этил ($C_2H_5-$).

Ответ:
Сходство в строении полученных продуктов заключается в том, что при окислении спиртов образуются соединения, принадлежащие к одному гомологическому ряду (либо альдегиды, либо карбоновые кислоты) и содержащие одинаковую функциональную группу (альдегидную $-CHO$ или карбоксильную $-COOH$ соответственно).
Различие заключается в том, что продукты окисления этанола и пропанола являются соседними гомологами. Их молекулы отличаются друг от друга на гомологическую разность — метиленовую группу $(-CH_2-)$, то есть имеют разную длину углеродной цепи.

7. Напишите структурную формулу вещества состава $C_4H_8O$, если известно, что оно взаимодействует с гидроксидом меди(II) и при окислении образует 2-метилпропановую кислоту. Назовите это вещество.

Решение

1. Проанализируем молекулярную формулу вещества: $C_4H_8O$. Общая формула для насыщенных ациклических углеводородов — $C_nH_{2n+2}$. Для $n=4$ это было бы $C_4H_{10}$. В нашем случае формула соответствует общей формуле $C_nH_{2n}O$, что указывает на наличие одной двойной связи или одного цикла в молекуле. Такая формула может соответствовать альдегиду, кетону, ненасыщенному спирту или простому эфиру.

2. Проанализируем химические свойства. В условии сказано, что вещество взаимодействует с гидроксидом меди(II) ($Cu(OH)_2$). Эта реакция является качественной на альдегидную группу (-CHO). При нагревании альдегиды окисляются гидроксидом меди(II) до карбоновых кислот, при этом синий осадок $Cu(OH)_2$ превращается в красный осадок оксида меди(I) $Cu_2O$. Это свойство однозначно указывает на то, что искомое вещество является альдегидом.

3. Определим строение по продукту окисления. При окислении неизвестного вещества образуется 2-метилпропановая кислота. Напишем её структурную формулу: $(CH_3)_2CH-COOH$.

Реакция окисления альдегидов в карбоновые кислоты (в том числе под действием $Cu(OH)_2$) протекает без изменения углеродного скелета. Альдегидная группа (-CHO) превращается в карбоксильную группу (-COOH). Следовательно, исходный альдегид имеет тот же углеродный скелет, что и 2-метилпропановая кислота. Чтобы определить его структуру, необходимо в формуле кислоты заменить группу -COOH на группу -CHO.

Структурная формула исходного альдегида: $(CH_3)_2CH-CHO$. Проверим её соответствие молекулярной формуле $C_4H_8O$: 4 атома углерода, $3+3+1+1=8$ атомов водорода и 1 атом кислорода. Формула верна.

4. Назовем полученное вещество. По номенклатуре ИЮПАК, нумерацию самой длинной углеродной цепи, содержащей функциональную группу, начинают с атома углерода альдегидной группы. Эта цепь состоит из трех атомов углерода (основа "пропан"), к названию которой добавляется суффикс "-аль". У второго атома углерода находится заместитель — метильная группа ($CH_3$). Таким образом, полное название вещества — 2-метилпропаналь.

Уравнение реакции окисления 2-метилпропаналя гидроксидом меди(II):
$(CH_3)_2CH-CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} (CH_3)_2CH-COOH + Cu_2O\downarrow + 2H_2O$

Ответ: Структурная формула вещества — $(CH_3)_2CH-CHO$. Название вещества — 2-метилпропаналь.

8. При сжигании 7,5 г органического вещества (н. у.) образуется 4,5 г водяного пара и 11 г оксида углерода(IV). Найдите молекулярную формулу вещества и назовите его, если известно, что плотность его пара по водороду равна 15.

Дано:

• $m_{орг. в-ва} = 7,5 \text{ г}$
• $m_{H_2O} = 4,5 \text{ г}$
• $m_{CO_2} = 11 \text{ г}$
• $D_{H_2}(\text{орг. в-ва}) = 15$

Найти:

• Молекулярную формулу вещества - ?
• Название вещества - ?

Решение:

1. Определим молярную массу искомого органического вещества, используя его относительную плотность по водороду. Плотность пара по водороду ($D_{H_2}$) — это отношение молярной массы вещества к молярной массе молекулярного водорода ($H_2$).

Молярная масса водорода ($H_2$) равна $M(H_2) = 2 \cdot 1 = 2 \text{ г/моль}$.

Молярная масса органического вещества ($M_{орг. в-ва}$) вычисляется по формуле:

$M_{орг. в-ва} = D_{H_2} \cdot M(H_2) = 15 \cdot 2 \text{ г/моль} = 30 \text{ г/моль}$.

2. Найдем количество вещества (в молях) продуктов сгорания - оксида углерода(IV) ($CO_2$) и воды ($H_2O$).

Молярная масса $CO_2$: $M(CO_2) = 12 + 2 \cdot 16 = 44 \text{ г/моль}$.

Молярная масса $H_2O$: $M(H_2O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 \text{ г/моль}$.

Количество вещества $CO_2$: $n(CO_2) = \frac{m(CO_2)}{M(CO_2)} = \frac{11 \text{ г}}{44 \text{ г/моль}} = 0,25 \text{ моль}$.

Количество вещества $H_2O$: $n(H_2O) = \frac{m(H_2O)}{M(H_2O)} = \frac{4,5 \text{ г}}{18 \text{ г/моль}} = 0,25 \text{ моль}$.

3. Определим количество вещества и массу атомов углерода (C) и водорода (H), входивших в состав сгоревшего вещества. Весь углерод из органического вещества перешел в $CO_2$, а весь водород - в $H_2O$.

Количество вещества атомов углерода: $n(C) = n(CO_2) = 0,25 \text{ моль}$.

Масса углерода: $m(C) = n(C) \cdot M(C) = 0,25 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 3 \text{ г}$.

Количество вещества атомов водорода: $n(H) = 2 \cdot n(H_2O) = 2 \cdot 0,25 \text{ моль} = 0,5 \text{ моль}$.

Масса водорода: $m(H) = n(H) \cdot M(H) = 0,5 \text{ моль} \cdot 1 \text{ г/моль} = 0,5 \text{ г}$.

4. Проверим, содержался ли в органическом веществе кислород (O).

Суммарная масса углерода и водорода: $m(C) + m(H) = 3 \text{ г} + 0,5 \text{ г} = 3,5 \text{ г}$.

Масса исходного органического вещества равна 7,5 г. Так как $m(C) + m(H) < m_{орг. в-ва}$, в его состав входил кислород.

Масса кислорода: $m(O) = m_{орг. в-ва} - (m(C) + m(H)) = 7,5 \text{ г} - 3,5 \text{ г} = 4 \text{ г}$.

Количество вещества атомов кислорода: $n(O) = \frac{m(O)}{M(O)} = \frac{4 \text{ г}}{16 \text{ г/моль}} = 0,25 \text{ моль}$.

5. Установим простейшую (эмпирическую) формулу вещества, найдя соотношение количеств атомов C, H и O.

Соотношение индексов x, y, z в формуле $C_xH_yO_z$ равно соотношению молей атомов:

$x : y : z = n(C) : n(H) : n(O) = 0,25 : 0,5 : 0,25$

Для нахождения целочисленного соотношения разделим все значения на наименьшее (0,25):

$x : y : z = \frac{0,25}{0,25} : \frac{0,5}{0,25} : \frac{0,25}{0,25} = 1 : 2 : 1$

Таким образом, простейшая формула вещества - $CH_2O$.

6. Найдем истинную (молекулярную) формулу вещества.

Вычислим молярную массу вещества с простейшей формулой $CH_2O$:

$M(CH_2O) = 12 + 2 \cdot 1 + 16 = 30 \text{ г/моль}$.

Сравним ее с истинной молярной массой, найденной в п.1:

$\frac{M_{орг. в-ва}}{M(CH_2O)} = \frac{30 \text{ г/моль}}{30 \text{ г/моль}} = 1$.

Так как отношение равно 1, простейшая формула является и истинной молекулярной формулой.

Молекулярная формула вещества - $CH_2O$.

7. Назовем вещество.

Вещество с формулой $CH_2O$ относится к классу альдегидов и является простейшим его представителем. Систематическое название - метаналь. Тривиальные названия - формальдегид, муравьиный альдегид.

Ответ: Молекулярная формула вещества - $CH_2O$. Название вещества - метаналь (или формальдегид).

9. Какой объём воздуха (н. у.) потребуется для окисления метанола, если нужно получить 1 т раствора с массовой долей метаналя 40 %?

Дано:

$m_{раствора} = 1 \text{ т} = 1 000 000 \text{ г}$
$w(HCHO) = 40 \% = 0.4$
$\phi(O_2) \text{ в воздухе} = 21 \% = 0.21$
Условия: нормальные (н. у.)

Найти:

$V_{воздуха} - ?$

Решение:

1. Составим уравнение реакции каталитического окисления метанола кислородом воздуха до метаналя (формальдегида):

$2CH_3OH + O_2 \xrightarrow{кат.} 2HCHO + 2H_2O$

2. Найдем массу чистого метаналя (HCHO) в полученном растворе. Масса раствора составляет 1 т, что равно 1 000 000 г.

$m(HCHO) = m_{раствора} \cdot w(HCHO) = 1 000 000 \text{ г} \cdot 0.4 = 400 000 \text{ г}$

3. Рассчитаем молярную массу метаналя, используя атомные массы элементов: C=12, H=1, O=16.

$M(HCHO) = 12 + 1 \cdot 2 + 16 = 30 \text{ г/моль}$

4. Найдем количество вещества (число молей) метаналя, которое нужно получить:

$\nu(HCHO) = \frac{m(HCHO)}{M(HCHO)} = \frac{400 000 \text{ г}}{30 \text{ г/моль}} = \frac{40000}{3} \text{ моль} \approx 13333.33 \text{ моль}$

5. По уравнению реакции определим количество вещества кислорода, необходимого для получения такого количества метаналя. Согласно стехиометрическим коэффициентам, соотношение количеств веществ $\nu(O_2) : \nu(HCHO)$ составляет $1 : 2$.

$\nu(O_2) = \frac{1}{2} \nu(HCHO) = \frac{1}{2} \cdot \frac{40000}{3} \text{ моль} = \frac{20000}{3} \text{ моль} \approx 6666.67 \text{ моль}$

6. Рассчитаем объем кислорода при нормальных условиях (н.у.), используя молярный объем газа $V_m = 22.4 \text{ л/моль}$:

$V(O_2) = \nu(O_2) \cdot V_m = \frac{20000}{3} \text{ моль} \cdot 22.4 \text{ л/моль} = \frac{448000}{3} \text{ л} \approx 149333.3 \text{ л}$

7. Зная, что объемная доля кислорода в воздухе составляет примерно 21%, найдем объем воздуха, который потребуется для реакции:

$V_{воздуха} = \frac{V(O_2)}{\phi(O_2)} = \frac{149333.3 \text{ л}}{0.21} \approx 711111 \text{ л}$

Переведем полученный объем в кубические метры ($1 \text{ м}^3 = 1000 \text{ л}$):

$V_{воздуха} = 711111 \text{ л} = 711.11 \text{ м}^3$

Ответ: для окисления метанола потребуется приблизительно $711.1 \text{ м}^3$ воздуха.

1. Формулы только альдегидов находятся в ряду

1) $C_3H_7COH$, $CH_3COOH$, $C_6H_5OH$

2) $C_2H_5COH$, $C_6H_5CH_3$, $CH_3COCH_3$

3) $C_3H_7COOH$, $C_4H_9COH$, $CH_3COCH_3$

4) $C_2H_5COH$, $C_3H_7COH$, $HCOH$

Решение

Для решения этой задачи необходимо определить класс каждого из представленных органических соединений. Альдегиды — это соединения, в молекулах которых содержится альдегидная группа $-CHO$ (в условии она записана как $-COH$), связанная с углеводородным радикалом или атомом водорода. Проанализируем каждый предложенный ряд.

1) $C_3H_7COH, CH_3COOH, C_6H_5OH$
В этом ряду находятся: $C_3H_7COH$ — бутаналь, который является альдегидом.
$CH_3COOH$ — уксусная кислота, которая относится к классу карбоновых кислот из-за наличия карбоксильной группы $-COOH$.
$C_6H_5OH$ — фенол, который относится к классу фенолов.
Так как в ряду присутствуют соединения, не являющиеся альдегидами, этот вариант не подходит.
Ответ: неверно.

2) $C_2H_5COH, C_6H_5CH_3, CH_3COCH_3$
В этом ряду находятся: $C_2H_5COH$ — пропаналь, является альдегидом.
$C_6H_5CH_3$ — толуол, является ароматическим углеводородом.
$CH_3COCH_3$ — ацетон (пропанон), является кетоном, так как его карбонильная группа ($C=O$) связана с двумя углеводородными радикалами.
В этом ряду также находятся соединения разных классов.
Ответ: неверно.

3) $C_3H_7COOH, C_4H_9COH, CH_3COCH_3$
В этом ряду находятся: $C_3H_7COOH$ — бутановая кислота, относится к карбоновым кислотам.
$C_4H_9COH$ — пентаналь, является альдегидом.
$CH_3COCH_3$ — ацетон, является кетоном.
Этот ряд содержит соединения разных классов.
Ответ: неверно.

4) $C_2H_5COH, C_3H_7COH, HCOH$
В этом ряду находятся: $C_2H_5COH$ — пропаналь, является альдегидом.
$C_3H_7COH$ — бутаналь, является альдегидом.
$HCOH$ — метаналь (формальдегид), является простейшим альдегидом.
Все три соединения в этом ряду содержат альдегидную группу и относятся к классу альдегидов.
Ответ: верно.

2. Гомологом ацетальдегида является органическое соединение

1) $C_2H_5OH$

2) $CH_3COCH_3$

3) $C_2H_5COH$

4) $C_3H_7COOH$

Гомологи — это органические соединения, принадлежащие к одному классу, имеющие сходное строение и химические свойства, но отличающиеся по составу на одну или несколько групп $-CH_2$ (гомологическую разность).

Ацетальдегид, или уксусный альдегид, имеет химическую формулу $CH_3CHO$. Это представитель класса альдегидов, для которого характерна функциональная альдегидная группа $-CHO$. Общая формула гомологического ряда предельных альдегидов — $C_nH_{2n}O$.

Проанализируем предложенные соединения:

1) $C_2H_5OH$ — это этанол, представитель класса спиртов. Его функциональная группа — гидроксильная ($-OH$). Так как он принадлежит к другому классу соединений, он не является гомологом ацетальдегида.

2) $CH_3COCH_3$ — это ацетон (пропанон), представитель класса кетонов. Его функциональная группа — карбонильная ($>C=O$), расположенная между двумя углеродными атомами. Он является изомером пропаналя, но не гомологом ацетальдегида.

3) $C_2H_5COH$ — это пропаналь (пропионовый альдегид). Данное соединение, как и ацетальдегид, относится к классу альдегидов и содержит альдегидную группу $-CHO$. Состав пропаналя ($C_3H_6O$) отличается от состава ацетальдегида ($C_2H_4O$) на одну метиленовую группу $-CH_2$. Следовательно, пропаналь является ближайшим гомологом ацетальдегида.

4) $C_3H_7COOH$ — это бутановая (масляная) кислота, представитель класса карбоновых кислот. Её функциональная группа — карбоксильная ($-COOH$). Соединение принадлежит к другому классу и не является гомологом ацетальдегида.

Таким образом, единственным гомологом ацетальдегида из предложенного списка является пропаналь.

Ответ: 3