Решение типовых задач по органической химии для различных классов соединений. Часть 1

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана








РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ СОЕДИНЕНИЙ





Методические указания



















Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2013

УДК 547
ББК 24.2
    Р31
Рецензент С.П. Еркович
         Решение типовых задач по органической химии для раз-Р31 личных классов соединений : метод. указания / М.Б. Степанов, Л.А. Хмарцева, Е.А. Якушева, Е.В. Быстрицкая, А.М. Голубев. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. -69, [3] с. '
         ISBN 978-5-7038-3688-0
         Содержат задачи по основным классам соединений органической химии и примеры решения. Сгруппированы по классам органических соединений: предельные и непредельные углеводороды и их производные, ароматические углеводороды и др. Позволяют найти соотношение между структурой органических веществ и их химическими свойствами, что создает предпосылки для творческого подхода к решению задач.
         Предназначены для студентов 2-го курса специальностей «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» и «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов».
УДК 547
                                                      ББК 24.2 Учебное издание

Степанов Михаил Борисович Хмарцева Людмила Алексеевна Якушева Елена Анатольевна Быстрицкая Елена Витальевна Голубев Александр Михайлович

РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ СОЕДИНЕНИЙ
Редактор В.М. Царев Корректор Р.В. Царева Компьютерная верстка А.Ю. Ураловой
Подписано в печать 22.04.2013. Формат 60*84/16.
Усл. печ. л. 4,19. Тираж 200 экз. Изд. № 14. Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
               Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1.

ISBN 978-5-7038-3688-0

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013

                ПРЕДИСЛОВИЕ




   Методические указания к решению задач по органической химии содержат их основные типы по различным классам органических соединений в соответствии с утвержденной в МГТУ им. Н.Э. Баумана программой для студентов специальности «Экология и промышленная безопасность» (кафедра Э-9).
   В указаниях подробно рассмотрены примеры решения разных типов задач по органической химии, предлагаемых на кафедре химии при защите лабораторных работ, выполнении домашнего задания.
   Учащимся необходимо показать знание химии в любых областях практической деятельности: профессиональной, бытовой, при решении экологических проблем. Задачи содержат информацию о свойствах веществ, явлениях и процессах, реально проявляющихся в окружающей человека среде.
   Задачи для самостоятельной работы могут быть разной сложности, что способствует повышению познавательной активности студентов.
   Издания, приведенные в списке литературы, помогут при решении задач и усвоении теоретического материала.
   В курсе органической химии рассматриваются задачи следующих типов:
   1)    нахождение плотности паров органических веществ и относительной плотности одного вещества по другому и обратные;
   2)    вычисление массовых долей и (или) массового отношения элементов в органическом веществе и обратные - вывод формул по массовому отношению или массовым долям элементов в веществе, если дана молярная плотность паров или относительная плотность паров вещества по некоторому газу;
   3)    вывод формулы органического вещества по массам, количествам или объемам продуктов сгорания либо иной реакции;

3

   4)    вывод формулы органического соединения с последующим написанием его изомеров и гомологов;
   5)    вывод массового или объемного состава газовой смеси по известным значениям (количеству, массе, объему) продуктов горения или иной реакции;
   6)    вывод состава газовой смеси по изменению давления в реакционном сосуде или изменению средней молярной массы смеси;
   7)    расчет равновесных концентраций газов из исходных концентраций и константы равновесия и обратная задача;
   8)    расчет массы, количества или объема одного из продуктов реакции, если одно из исходных веществ дано в избытке и указан объемный или массовый выход продукта, и обратные задачи;
   9)    вычисление степени полимеризации исходя из массы мономера и выхода реакции и обратная задача - вычисление числа макромолекул по степени полимеризации и выходу реакции.
   Задачи подразделяются по основным классам органических соединений.




                ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ. АЛКАНЫ




   Общая формула CₙH₂ₙ₊₂
   В органической химии термин номенклатура означает систему правил, позволяющих дать однозначное название каждому индивидуальному соединению. В настоящее время общепринятой является систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC -Международный союз теоретической и прикладной химии). Первые четыре вида углеводородов имеют названия метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пентана названия углеводородов образуют от греческих числительных с добавлением суффикса - ан: пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан и т. д.
   Если, например, необходимо назвать соединение, поступают следующим образом:
   1) выбирают главную цепь (самую длинную и разветвленную);
   2)    нумеруют атомы углерода С с того конца, где больше заместителей, чтобы радикалы получили наименьшие номера (сумма цифр заместителей - локантов - должна быть наименьшая);


     Греческие числительные (до десяти): 1 - моно, 2 - ди, 3 - три, 4 - тетра, 5 -пента, 6 - гекса, 7 - гепта, 8 - окта, 9 - нона, 10 - дека.


4

   3)     заместители называют по старшинству или в алфавитном порядке;
   4)  затем дают название углеводорода по главной цепи.
   Пример.


СН₃ - СН - СН - СН₂ - СН - СН₃

сн₃ сн₃

СН₃

сн₃
2,5-диметил - 3-этилгексан


   Изомерия. Основной вид - структурная изомерия углеродного скелета.
   Строение. Все атомы углерода - в зр³-гибридном состоянии, угол связи между атомами С составляет 109,5°. В молекулах имеются только 5 связи, которые достаточно прочны.
   Физические свойства. При содержании в молекуле числа атомов углерода 1.. .4 углеводороды находятся в газообразном состоянии, 5... 17 (нормального, т. е. неразветвленного строения) -жидком, равном или более 18 - твердом. Разветвленные углеводороды имеют более низкие температуры кипения.
   В воде алканы нерастворимы. Однако они хорошо растворяются в органических растворителях и друг в друге.
   Газообразные алканы не имеют запаха и цвета, легче воды.
   Основные способы получения алканов.
   1. Из природных источников (угля, нефти, газа).
   2.     Каталитическим гидрированием органических соединений (циклоалканов, алкенов, алкинов, диенов, аренов):


⁺    ⁺ ²)/² Н2 —► С„Н₂„ ₊ 2


   3. По реакция Вюрца:

2C„H₂„₊iHal +2Na

2NaCl + С₂„Н₄„ ₊ ₄

   4.  Из галогенопроизводных при замещении галогена водородом:


c»H2„ + iI + HI ► 1₂ + С„Н₂77 + 2

5

   5.  По реакции Гриньяра:

С,?Н₂/?+|MgCl + С/иН₂/н₊₁С1 ---------MgCl₂ + С„₊/„Н2/7+2о/+2
   Реактив Гриньяра


   6.    Декарбоксилированием солей органических кислот (реакция Дюма):

f°, сплав
CH₃COONa + NaOH —-----------► Na₂CO₃ + СН₄


    7. Из синтез-газа:


«СО + /иН₂ -----► смесь углеводородов + СН₂О


   Химические свойства. Алканы - малоактивные соединения, реагируют в жестких условиях (при нагревании или при освещении УФ-светом (hv), а также в присутствии катализаторов). Возможными для них являются реакции замещения, в которых участвуют обладающие высокой энергией весьма реакционноспособные радикальные частицы (реакции радикального замещения УR).


   1. Замещение


C„H₂„ ₊ ₂ + С1₂        C„H₂„₊₁C1 + НС1


   2. Термическое разложение алканов - крекинг


СИН₂„ + 2   ► CₘH₂ₘ + 2 + QH₂/₍

    3.    Гетерогенно-каталитическое дегидрирование. Катализаторы -Pt, алюмосиликаты:

С₂— С₅ -----► алкены (смесь),

С₆ - С₈ ----► ароматические углеводороды.

    4.    Изомеризация в присутствии катализаторов (AlCl₃, AlBr₃) для углеводородов с числом атомов С > 4


6

СН₃ - СН, - СН, - СН₃-► СН₃ - СН - сн₃


                                    сн₃


   5. Горение

С„Н₂„ ₊ ₂ + (Зи+1)/2О,

«СО, + (« + 1)Н₂О

   6.  Газофазное каталитическое окисление

2С₄Н₁₀ + 50,

*- 4СН₃СООН + 2Н₂О



            Задачи



    1.    Для производства румян используют вазелиновое масло, состоящее в основном из смеси алканов С₂₀Н₄₂ и С₂₂Н₄₆. Определите процентный состав этой смеси, если при сгорании массы 155,35 г образуется 185,17 л углекислого газа (н.у), объемный выход по реакции горения 75 %. Тип № 5.
    Решение. В результате реакций сгорания алканов образуются углекислый газ и вода:

С₂₀Н₄₂ + 30,5О₂

20СО₂ + 21Н,0

С₂₂Н₄б + 31,50,

22СО, + 23Н,О

   Найдем число молей углекислого газа (СО₂) по формуле


V n = —, V m


где Vₘ = 22,4 л/моль (молярный объем газа при нормальных условиях: Т = 273 K, р = 1 атм (760 мм рт. ст. )).
   Тогда количество вещества углекислого газа составит


n (СО2)реальное = 185,17/22,4 = 8,267 моль.


7

    С учетом 75%-НОГО выхода n (СО₂)теоретическое = 8,267/0,75 = = 11,022 моля.
    Пусть число молей С₂₀Н₄₂ будет х, а число молей С₂₂Н₄₆ = у, следовательно, первое уравнение имеет вид


20 х + 22у = 11,022.


(1)

    Молярные массы алканов: М(С₂₀Н4₂) = 282 г/моль; М(С₂₂Н4₆) = = 310 г/моль. Так как m = nM, то второе уравнение имеет вид

282х + 310у = 155,35.

(2)

    Решаем систему из двух уравнений. Из уравнения (1) найдем значение х:


х = 0,551 - 1,1 у.


(3)

    Подставляем это выражение в уравнение (2) и находим значение у:

155,41 - 0,2у = 155,35.


Отсюда у = 0,3 моль. Из уравнения (3) х = 0,22 моль.
    Найдем массу С₂₀Н₄₂: m = 282 • 0,22 = 62,04 г; тогда по формуле

W =

m_ вещества

•100%

m
смеси



определим процентный состав С₂₀Н₄₂: W =


⁶²,⁰⁴ -100% = 39,94%.
155,35

Следовательно, W(С₂₂Н₄₆) = 60,06 %.

    Примечание. При расчетах следует брать значения чисел с точностью до третьего знака после запятой, что связано с большими коэффициентами в стехиометрических уравнениях.

   2.    Перед городским праздником на нефтеперегонном заводе решили заполнить шарики различными предельными углеводородами, полученными при перегонке нефти, чтобы поднять их в воздух. Шарики, заполненные какими углеводородами, могут подняться в воздух? Молярная масса воздуха 29 г/моль. Тип № 1.

8

   Решение. Запишем первые два члена гомологического ряда алканов и их молярные массы. Определим плотности алканов по воздуху:

М(СН₄) = 16 г/моль; М(С₂Н₆) = 30 г/моль.

   Относительная плотность первого газа по второму обозначается D и представляет собой отношение массы определенного объема одного газа к массе такого же объема другого газа (взятого ............... .. M1          .            _   .... ..   . при тех же условиях): D =---------------------------------, где М₂ - молярная масса воздуха.
M 2
Часто плотность газа определяют по отношению к воздуху. Хотя воздух является смесью газов, все же говорят о его средней молярной массе. Она равна 29 г/моль.
   Тогда D возд = 16/29 = 0,55 < 1, т. е. шар полетит;
   D возд = 30/29 = 1,1 >1 - шар не полетит, поэтому проверять остальные алканы бесполезно.
   Ответ: Метан. Не следует забывать о его горючести, поэтому надежнее пользоваться гелием.
   3.     Выведите формулу углеводорода - основного компонента газовой смеси, используемой для ремонта дорог, если его относительная плотность по кислороду DО 2 = 1,375 и он является алканом. Тип № 1, обратная задача.
   Решение. Относительная плотность вещества рассчитывается
                M1
по формуле D =-----, где М1 - молярная масса неизвестного уг-
                M ₂
леводорода, М₂ - молярная масса кислорода (32 г/моль). Отсюда

М1= /\, • 32 = 1,375 • 32 = 44 г/моль. ¹ о 2          '

   Так как неизвестное вещество относится к алканам, их общая формула C₂ ₙ H₂ ₙ ₊ ₂, таким образом, М(C₂ ₙH₂ ₙ + ₂) = 12 n + 2 n + 2 = = 14 n + 2 = 44.
   Из уравнения n = 3, т. е. искомое вещество - пропан.
   Ответ: С₃Н₈.
   4.     Синтез этилена чаще всего проводится крекингом этана. Этилен, как известно, является мономером в реакции полимериза


9

ции для получения полиэтилена. При крекинге этана происходит следующая обратимая реакция:

СгН₆ ■<    ** С₂Н₄ + Н₂

   Пусть равновесные концентрации составляющих реакции
[C₂H₆] = 6 моль/л; [C₂H₄] = 4 моль/л.


   Определить константу равновесия KС дегидрирования этана и его начальную концентрацию. Начальные концентрации продуктов равны нулю. Тип № 7.
   Решение. Выражение константы равновесия для реакции имеет вид

Kс =

[С2Н4ПН2] [С2Н6]


   В условии задачи не дана равновесная концентрация водорода, однако из стехиометрического уравнения реакции очевидно, что [H2] = [C2H4] = 4 моль/л.
   Тогда найдем

4.4
KС =-----= 2,667 моль/л.
                     С 6


    Исходная концентрация этана составит С₀(С₂Н₆) = [С^^р^н + + С
¹ '-'прорег.
    С учетом стехиометрического уравнения этана прореагировало 4 моль/л. Таким образом, С₀(С₂Н₆) = 6 + 4 = 10 моль/л.
    Ответ: КС = 2, 667; С₀(С₂Н₆) = 10 моль/л.
    5.     В каком массовом соотношении используют смесь пропана и бутана для заправки садовых газовых баллонов вместимостью 5 кг, если при использовании газа из одного такого баллона образуется 7,653 м³ углекислого газа (н.у)?
    Решение. Найдем количество углекислого газа (СО₂) по формуле: n = V/Vₘ , где Vₘ = 22,4 л/моль (молярный объем газа при нормальных условиях, т. е. Т = 273 K, р = 1 атм (760 мм рт. ст. )).
    Отсюда n (CO₂) = 7653/22,4 = 341,65 моль.


10