Номер 16, страница 301 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 42. Оксид серы(VI). Серная кислота и её соли - номер 16, страница 301.

Условие.

16. Известно, что при дегидратации спиртов серная концентрированная кислота реагирует со спиртом, образуя эфиры серной кислоты, которые затем разлагаются. Рассмотрите механизм протекания этих реакций. Как условия будут влиять на состав продуктов? Предложите наиболее оптимальный состав реакционной смеси и условия проведения реакции для максимального выхода этилена при дегидратации этанола.

Решение.

Решение 2.

Рассмотрите механизм протекания этих реакций.

Дегидратация спиртов в присутствии концентрированной серной кислоты протекает через стадию образования промежуточного продукта — сложного эфира серной кислоты (алкилсульфата). Механизм включает следующие стадии на примере этанола ($C_2H_5OH$):

1. Образование этилсерной кислоты (этилгидросульфата). Этанол реагирует с концентрированной серной кислотой, образуя сложный эфир и воду. Это обратимая реакция этерификации.

$C_2H_5OH + H_2SO_4 \rightleftharpoons C_2H_5OSO_3H + H_2O$

2. Разложение этилсерной кислоты. Дальнейшая судьба этилсерной кислоты зависит от температуры. Существуют два основных пути ее разложения:

а) Внутримолекулярная дегидратация. При более высокой температуре (выше 140°C) происходит отщепление протона от соседнего атома углерода и регенерация серной кислоты. В результате образуется алкен — этилен.

$C_2H_5OSO_3H \xrightarrow{t > 140^{\circ}C} CH_2=CH_2 \uparrow + H_2SO_4$

б) Межмолекулярная дегидратация. При более низкой температуре (ниже 140°C) и избытке спирта молекула этилсерной кислоты реагирует с другой молекулой этанола. В результате образуется простой эфир — диэтиловый эфир — и регенерируется серная кислота.

$C_2H_5OSO_3H + C_2H_5OH \xrightarrow{t < 140^{\circ}C} C_2H_5-O-C_2H_5 + H_2SO_4$

Таким образом, серная кислота выступает и как катализатор (участвует в промежуточных стадиях и регенерируется), и как водоотнимающий агент (связывает образующуюся воду, смещая равновесие в сторону продуктов).

Ответ: Механизм включает две стадии: образование алкилсульфата (сложного эфира спирта и серной кислоты) и его последующее разложение, которое в зависимости от условий может приводить либо к алкену (внутримолекулярная дегидратация), либо к простому эфиру (межмолекулярная дегидратация).

Как условия будут влиять на состав продуктов?

Ключевыми условиями, определяющими направление реакции дегидратации спиртов, являются температура и соотношение реагентов.

1. Температура. Это главный фактор. Как показано в механизме, температура определяет, какой из двух конкурирующих процессов будет преобладать:

• При нагревании до температуры ниже 140°C (обычно около 130-140°C) преимущественно идет реакция межмолекулярной дегидратации с образованием простого эфира (для этанола — диэтилового эфира).
• При нагревании до температуры выше 140°C (обычно 160-180°C) преобладает реакция внутримолекулярной дегидратации с образованием алкена (для этанола — этилена).

2. Соотношение реагентов. Соотношение спирта и серной кислоты также влияет на выход продуктов:

• Избыток спирта способствует межмолекулярной реакции, так как повышается вероятность столкновения молекулы алкилсульфата с молекулой спирта. Это условие, наряду с низкой температурой, оптимально для получения простых эфиров.
• Избыток концентрированной серной кислоты, наоборот, смещает равновесие в сторону образования алкена. Кислота не только катализирует процесс, но и эффективно поглощает воду, способствуя полному разложению спирта.

Ответ: Главным образом на состав продуктов влияет температура: при t < 140°C образуется преимущественно простой эфир, а при t > 140°C — алкен. Также избыток спирта способствует образованию эфира, а избыток серной кислоты — алкена.

Предложите наиболее оптимальный состав реакционной смеси и условия проведения реакции для максимального выхода этилена при дегидратации этанола.

Для получения этилена из этанола необходимо создать условия, благоприятствующие внутримолекулярной дегидратации и подавляющие побочные реакции (образование диэтилового эфира и окисление спирта).

1. Температура. Реакционную смесь необходимо нагревать до температуры 160–180°C. Температура ниже 160°C приведет к заметному образованию диэтилового эфира, а температура выше 180-200°C может вызвать обугливание органических веществ и окисление этанола горячей концентрированной серной кислотой с выделением $SO_2$ и $CO_2$.

2. Состав реакционной смеси. Необходимо использовать концентрированную (96-98%) серную кислоту в качестве катализатора и водоотнимающего средства. Для смещения равновесия в сторону образования этилена и подавления реакции образования простого эфира, серную кислоту следует брать в избытке по отношению к спирту. Типичное объемное соотношение этанол : концентрированная $H_2SO_4$ составляет от 1:2 до 1:3.

3. Порядок смешивания и проведения реакции. Чтобы избежать сильного разогрева и побочных реакций при смешивании, а также для поддержания избытка кислоты в реакционной зоне, реакцию проводят, постепенно добавляя этанол к нагретой до нужной температуры серной кислоте. Образующийся газообразный этилен сразу отводится из реакционной зоны, что также смещает равновесие вправо согласно принципу Ле Шателье.

Ответ: Для максимального выхода этилена необходимо:
1. Использовать смесь концентрированной серной кислоты и этанола в объемном соотношении примерно 3:1.
2. Поддерживать температуру в реакционной смеси в диапазоне 160–180°C.
3. Постепенно приливать этанол к нагретой серной кислоте, обеспечивая постоянный отвод газообразного этилена из зоны реакции.