Страница 119 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Как можно двумя способами доказать, что в данном растворе содержится альдегид? Приведите уравнения соответствующих реакций.

Доказать наличие альдегидной группы в растворе можно с помощью качественных реакций, которые основаны на её способности легко окисляться. Ниже приведены два наиболее распространенных способа.

Решение

1. Реакция с аммиачным раствором оксида серебра (реакция «серебряного зеркала»)

К исследуемому раствору добавляют реактив Толленса (свежеприготовленный аммиачный раствор оксида серебра) и смесь осторожно нагревают на водяной бане. В ходе реакции альдегидная группа окисляется до карбоксильной (которая в аммиачной среде образует аммонийную соль), а ионы серебра ($Ag^+$) восстанавливаются до металлического серебра ($Ag^0$). Визуальным признаком реакции является образование блестящего серебряного налета на внутренних стенках пробирки.

Уравнение реакции в общем виде для альдегида $R-CHO$:

$R-CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} R-COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 \uparrow + H_2O$

Пример реакции с уксусным альдегидом (этаналем):

$CH_3-CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} CH_3COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 \uparrow + H_2O$

Ответ: Проведение реакции «серебряного зеркала»: при нагревании исследуемого раствора с аммиачным раствором оксида серебра(I) наблюдается образование серебряного налета на стенках сосуда, что доказывает наличие альдегида.

2. Реакция со свежеосажденным гидроксидом меди(II)

К исследуемому раствору добавляют несколько капель раствора сульфата меди(II) и избыток раствора щелочи (например, $NaOH$), в результате чего образуется голубой осадок гидроксида меди(II) — $Cu(OH)_2$. Затем полученную смесь нагревают. Если в растворе присутствует альдегид, он окисляется до карбоновой кислоты (которая в щелочной среде образует соль), а гидроксид меди(II) (степень окисления $Cu^{+2}$) восстанавливается до оксида меди(I) ($Cu_2O$), имеющего характерный кирпично-красный цвет. Наблюдаемое изменение окраски осадка с голубого на красный свидетельствует о наличии альдегидной группы.

Уравнение реакции в общем виде для альдегида $R-CHO$:

$R-CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} R-COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$

Пример реакции с уксусным альдегидом (этаналем):

$CH_3-CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CH_3COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$

Ответ: Проведение реакции с гидроксидом меди(II): при нагревании исследуемого раствора со свежеосажденным гидроксидом меди(II) происходит изменение цвета осадка с голубого на кирпично-красный, что доказывает наличие альдегида.

2. Перечислите области применения важнейших альдегидов и кетонов. На каких свойствах основано их использование?

Альдегиды и кетоны находят широкое применение в различных отраслях промышленности и в быту благодаря своей высокой реакционной способности, обусловленной наличием карбонильной группы $C=O$.

Формальдегид (метаналь, муравьиный альдегид), $HCHO$
Области применения: производство полимерных материалов, в частности фенолформальдегидных и мочевиноформальдегидных смол, которые используются для изготовления пластмасс (например, бакелита), клеев для ДСП и фанеры, лаков; дезинфекция и консервация, его 40%-й водный раствор (формалин) применяется для обработки помещений, инструментов и для сохранения биологических препаратов; дубление кожи в кожевенной промышленности; синтез других органических веществ, например, лекарственного препарата уротропина.
Свойства, на которых основано применение: Использование формальдегида обусловлено его высокой химической активностью. Способность вступать в реакции поликонденсации с фенолом, мочевиной и другими веществами лежит в основе производства полимеров. Сильные бактерицидные свойства и способность вызывать денатурацию (свертывание) белков определяют его применение в качестве антисептика и консерванта.
Ответ: Формальдегид используется для производства полимеров (пластмасс, клеев), как дезинфицирующее и консервирующее средство, а также для дубления кожи. Его применение основано на высокой реакционной способности в реакциях поликонденсации и на его способности денатурировать белки.

Ацетальдегид (этаналь, уксусный альдегид), $CH_3CHO$
Области применения: является ключевым сырьем для промышленного получения уксусной кислоты; используется в синтезе многих других органических продуктов, таких как этилацетат (растворитель), бутадиен (основа для синтетического каучука), пентаэритрит (компонент алкидных смол); получение твердого топлива — "сухого спирта" (метальдегид, являющийся тетрамером ацетальдегида).
Свойства, на которых основано применение: Применение ацетальдегида основано на его химических свойствах, в первую очередь на способности легко окисляться до уксусной кислоты. Также важна его способность вступать в реакции альдольной конденсации и другие реакции присоединения, что позволяет синтезировать из него широкий спектр органических соединений.
Ответ: Ацетальдегид в основном применяется для синтеза уксусной кислоты и других органических соединений (этилацетата, бутадиена). Это обусловлено его высокой реакционной способностью, в частности, легкостью окисления и участием в реакциях конденсации.

Ацетон (пропанон, диметилкетон), $CH_3COCH_3$
Области применения: широко используется как универсальный органический растворитель для лаков, красок, смол, жиров, целлюлозы и ацетилена (в быту — в жидкостях для снятия лака); является важным сырьем в химической промышленности для синтеза метилметакрилата (из которого получают оргстекло), дифенилолпропана (для производства поликарбонатных пластмасс и эпоксидных смол), уксусного ангидрида и лекарственных препаратов. Также используется для безопасного хранения и транспортировки взрывоопасного ацетилена в баллонах (под давлением ацетилен растворяется в ацетоне).
Свойства, на которых основано применение: Главное свойство ацетона, определяющее его широкое применение, — это его превосходная растворяющая способность по отношению ко многим органическим и некоторым неорганическим веществам. Его летучесть, низкая токсичность (по сравнению с другими растворителями) и смешиваемость с водой в любых соотношениях также являются важными преимуществами. В органическом синтезе используется реакционная способность его карбонильной группы.
Ответ: Ацетон применяется как универсальный растворитель и как сырье для органического синтеза (оргстекла, пластмасс). Его использование основано на его уникальной растворяющей способности, летучести и химической активности.

3. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:

a) $CH_4 \to C_2H_2 \to CH_3-COH \to CH_3-CH_2OH \to CH_3-CH_2-Br \to C_2H_4 \to CH_3-CH_2OH \to CH_3-COH$

б) $CH_4 \to HCOH \to CH_3OH \to CH_3Cl \to C_2H_6 \to C_2H_5OH \to CH_3COOH$

а)

Решение

1. Получение ацетилена из метана осуществляется пиролизом (нагреванием до высокой температуры с последующим быстрым охлаждением):

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

2. Ацетилен гидратируют (присоединяют воду) в присутствии солей ртути(II) в кислой среде для получения уксусного альдегида (реакция Кучерова):

$C_2H_2 + H_2O \xrightarrow{HgSO_4, H_2SO_4} CH_3-COH$

3. Уксусный альдегид восстанавливают водородом на катализаторе (например, никелевом) до этанола:

$CH_3-COH + H_2 \xrightarrow{Ni, t} CH_3-CH_2OH$

4. Для получения бромэтана этанол обрабатывают бромоводородом в присутствии концентрированной серной кислоты:

$CH_3-CH_2OH + HBr \xrightarrow{H_2SO_4, t} CH_3-CH_2Br + H_2O$

5. Этен получают из бромэтана реакцией дегидробромирования при действии спиртового раствора щелочи:

$CH_3-CH_2Br + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} C_2H_4 + KBr + H_2O$

6. Этанол получают промышленной гидратацией этена в кислой среде при высокой температуре и давлении:

$C_2H_4 + H_2O \xrightarrow{H_3PO_4, t, p} CH_3-CH_2OH$

7. Уксусный альдегид можно снова получить мягким окислением этанола, например, оксидом меди(II):

$CH_3-CH_2OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3-COH + Cu + H_2O$

Ответ: $2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$; $C_2H_2 + H_2O \xrightarrow{HgSO_4} CH_3-COH$; $CH_3-COH + H_2 \xrightarrow{Ni} CH_3-CH_2OH$; $CH_3-CH_2OH + HBr \xrightarrow{H_2SO_4} CH_3-CH_2Br + H_2O$; $CH_3-CH_2Br + KOH_{(спирт.)} \xrightarrow{t} C_2H_4 + KBr + H_2O$; $C_2H_4 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3-CH_2OH$; $CH_3-CH_2OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3-COH + Cu + H_2O$.

б)

Решение

1. Формальдегид (метаналь) получают каталитическим окислением метана кислородом воздуха:

$CH_4 + O_2 \xrightarrow{kat, t} H-COH + H_2O$

2. Восстановлением формальдегида водородом на катализаторе получают метанол:

$H-COH + H_2 \xrightarrow{Ni, t} CH_3OH$

3. Хлорметан получают из метанола при реакции с хлороводородом:

$CH_3OH + HCl \xrightarrow{ZnCl_2} CH_3Cl + H_2O$

4. Удвоение углеродной цепи для получения этана из хлорметана проводят по реакции Вюрца с использованием металлического натрия:

$2CH_3Cl + 2Na \rightarrow C_2H_6 + 2NaCl$

5. Прямое превращение этана в этанол затруднительно, поэтому его проводят в две стадии:

I стадия: Хлорирование этана на свету (реакция радикального замещения).

$C_2H_6 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Cl + HCl$

II стадия: Щелочной гидролиз полученного хлорэтана водным раствором щелочи.

$C_2H_5Cl + NaOH_{(водн.)} \rightarrow C_2H_5OH + NaCl$

6. Уксусную кислоту получают окислением этанола сильными окислителями, например, дихроматом калия в кислой среде:

$3C_2H_5OH + 2K_2Cr_2O_7 + 8H_2SO_4 \xrightarrow{t} 3CH_3COOH + 2Cr_2(SO_4)_3 + 2K_2SO_4 + 11H_2O$

Ответ: $CH_4 + O_2 \xrightarrow{kat, t} H-COH + H_2O$; $H-COH + H_2 \xrightarrow{Ni} CH_3OH$; $CH_3OH + HCl \rightarrow CH_3Cl + H_2O$; $2CH_3Cl + 2Na \rightarrow C_2H_6 + 2NaCl$; $C_2H_6 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_2H_5Cl + HCl$, затем $C_2H_5Cl + NaOH_{(водн.)} \rightarrow C_2H_5OH + NaCl$; $3C_2H_5OH + 2K_2Cr_2O_7 + 8H_2SO_4 \rightarrow 3CH_3COOH + 2Cr_2(SO_4)_3 + 2K_2SO_4 + 11H_2O$.

4. Напишите уравнения химических реакций, подтверждающих генетическую связь между классами органических соединений в схеме б. Результат обсудите с соседом по парте.

Поскольку в условии задачи не приведена "схема б", для ответа на вопрос будет использована классическая схема генетической связи между основными классами органических соединений на примере соединений с двумя атомами углерода. Эта схема демонстрирует возможность превращения веществ одного класса в вещества другого класса посредством химических реакций.

Цепочка превращений: Этан → Этен → Этанол → Этаналь → Уксусная кислота → Этилацетат.

1. Получение этена из этана (Алкан → Алкен)

Для превращения предельного углеводорода (алкана) в непредельный (алкен) используют реакцию дегидрирования. Реакция заключается в отщеплении молекулы водорода от молекулы алкана при нагревании в присутствии катализатора (например, $Ni$, $Pt$, $Cr_2O_3$).

$C_2H_6 \xrightarrow{t, \text{кат.}} C_2H_4 + H_2$

Ответ: $C_2H_6 \xrightarrow{t, \text{кат.}} C_2H_4 + H_2$

2. Получение этанола из этена (Алкен → Спирт)

Спирты можно получить из алкенов реакцией гидратации — присоединением молекулы воды по двойной связи. Реакция протекает в кислой среде (в качестве катализатора обычно используют ортофосфорную кислоту), при повышенной температуре и давлении.

$CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+, t, p} CH_3-CH_2-OH$

Ответ: $C_2H_4 + H_2O \xrightarrow{H_3PO_4, t, p} C_2H_5OH$

3. Получение этаналя из этанола (Спирт → Альдегид)

Альдегиды получают путем мягкого окисления первичных спиртов. Одним из лабораторных способов является окисление спирта оксидом меди(II) при нагревании. При этом первичный спирт (этанол) окисляется до альдегида (этаналь), а черный оксид меди(II) восстанавливается до металлической меди красного цвета.

$C_2H_5OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3CHO + Cu + H_2O$

Ответ: $C_2H_5OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3CHO + Cu + H_2O$

4. Получение уксусной кислоты из этаналя (Альдегид → Карбоновая кислота)

Карбоновые кислоты могут быть получены при окислении альдегидов. Это качественная реакция на альдегидную группу. Например, при нагревании альдегида со свежеосажденным гидроксидом меди(II) (голубого цвета) образуется карбоновая кислота и выпадает осадок оксида меди(I) (красного цвета).

$CH_3CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CH_3COOH + Cu_2O\downarrow + 2H_2O$

Ответ: $CH_3CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CH_3COOH + Cu_2O\downarrow + 2H_2O$

5. Получение этилацетата из уксусной кислоты и этанола (Карбоновая кислота + Спирт → Сложный эфир)

Сложные эфиры образуются в результате реакции этерификации — взаимодействия карбоновых кислот со спиртами. Реакция является обратимой и катализируется сильными кислотами (обычно концентрированной серной кислотой), которая также является водоотнимающим средством, смещая равновесие в сторону образования продуктов.

$CH_3COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O$ (в присутствии $H_2SO_4$ (конц.))

Ответ: $CH_3COOH + C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4} CH_3COOC_2H_5 + H_2O$

5. Окислили 2 моль метанола, а образовавшийся метаналь растворили в 200 г воды. Вычислите содержание метаналя в растворе (в процентах).

Дано:

$n(CH_3OH) = 2 \text{ моль}$

$m(H_2O) = 200 \text{ г} = 0.2 \text{ кг}$

Найти:

$\omega(HCHO) - ?$

Решение:

1. Сначала запишем уравнение реакции окисления метанола до метаналя. При каталитическом окислении метанола кислородом воздуха или оксидом меди(II) образуется метаналь (формальдегид) и вода (или водород). С точки зрения стехиометрии, из одного моля метанола образуется один моль метаналя:

$CH_3OH + [O] \rightarrow HCHO + H_2O$

Из уравнения следует, что количество вещества метанола и образующегося метаналя соотносятся как 1:1.

$n(CH_3OH) : n(HCHO) = 1 : 1$

2. По условию задачи было окислено 2 моль метанола. Следовательно, количество вещества образовавшегося метаналя также равно 2 моль:

$n(HCHO) = n(CH_3OH) = 2 \text{ моль}$

3. Вычислим молярную массу метаналя (HCHO), используя относительные атомные массы элементов: C - 12, H - 1, O - 16.

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

4. Теперь рассчитаем массу метаналя, зная его количество вещества и молярную массу:

$m(HCHO) = n(HCHO) \cdot M(HCHO) = 2 \text{ моль} \cdot 30 \text{ г/моль} = 60 \text{ г}$

5. Масса конечного раствора складывается из массы растворенного вещества (метаналя) и массы растворителя (воды).

$m_{раствора} = m(HCHO) + m(H_2O) = 60 \text{ г} + 200 \text{ г} = 260 \text{ г}$

6. Массовая доля (содержание в процентах) метаналя в растворе вычисляется по формуле:

$\omega(\text{вещества}) = \frac{m(\text{вещества})}{m(\text{раствора})} \cdot 100\%$

Подставим наши значения:

$\omega(HCHO) = \frac{m(HCHO)}{m_{раствора}} \cdot 100\% = \frac{60 \text{ г}}{260 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 23,08\%$

Ответ: содержание метаналя в растворе составляет 23,08%.

6. При окислении этаналя выделилось 2,7 г серебра. Вычислите, какой объём (в литрах) ацетилена потребовался для получения необходимой массы этаналя $CH_3-COH$ (н. у.).

Дано:

$m(\text{Ag}) = 2,7 \text{ г}$

Условия: н. у. (нормальные условия)

Найти:

$V(\text{C}_2\text{H}_2) - ?$

Решение:

Задача решается в несколько этапов. Сначала по массе выделившегося серебра мы найдем количество вещества этаналя, вступившего в реакцию окисления. Затем, зная количество этаналя, мы определим количество и объем ацетилена, необходимого для его синтеза.

1. Запишем уравнение реакции окисления этаналя аммиачным раствором оксида серебра (реакция «серебряного зеркала»). В результате этой реакции из альдегида образуется соответствующая карбоновая кислота (в данном случае, уксусная кислота), а серебро восстанавливается до металлического состояния и выпадает в осадок.

$\text{CH}_3\text{CHO} + \text{Ag}_2\text{O} \xrightarrow{\text{NH}_3 \cdot \text{H}_2\text{O}} \text{CH}_3\text{COOH} + 2\text{Ag}\downarrow$

Из уравнения видно, что при окислении 1 моль этаналя образуется 2 моль серебра.

2. Рассчитаем количество вещества (в молях) выделившегося серебра. Молярная масса серебра $M(\text{Ag})$ составляет примерно $108 \text{ г/моль}$.

$n(\text{Ag}) = \frac{m(\text{Ag})}{M(\text{Ag})} = \frac{2,7 \text{ г}}{108 \text{ г/моль}} = 0,025 \text{ моль}$

3. По уравнению реакции найдем количество вещества этаналя ($ \text{CH}_3\text{CHO} $), которое было окислено. Согласно стехиометрическому соотношению $n(\text{CH}_3\text{CHO}) : n(\text{Ag}) = 1 : 2$.

$n(\text{CH}_3\text{CHO}) = \frac{1}{2} n(\text{Ag}) = \frac{1}{2} \cdot 0,025 \text{ моль} = 0,0125 \text{ моль}$

4. Теперь рассмотрим процесс получения этаналя из ацетилена. Это реакция гидратации ацетилена (реакция Кучерова), которая протекает в присутствии солей ртути(II) в кислой среде.

$\text{C}_2\text{H}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Hg}^{2+}, \text{H}^+} \text{CH}_3\text{CHO}$

5. Из этого уравнения следует, что для получения 1 моль этаналя требуется 1 моль ацетилена. Таким образом, их количества веществ равны.

$n(\text{C}_2\text{H}_2) = n(\text{CH}_3\text{CHO}) = 0,0125 \text{ моль}$

6. На последнем этапе вычислим объем ацетилена, который соответствует найденному количеству вещества. По условию, газ находится при нормальных условиях (н. у.), где молярный объем любого газа $V_m$ равен $22,4 \text{ л/моль}$.

$V(\text{C}_2\text{H}_2) = n(\text{C}_2\text{H}_2) \cdot V_m = 0,0125 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 0,28 \text{ л}$

Ответ: для получения необходимой массы этаналя потребовался объем ацетилена 0,28 л.