Document 612506

Министерство образования Российской Федерации
Алтайский государственный технический университет
Бийский технологический институт
Н.В. Степанова
ХИМИЯ
УЧЕБНОМЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКТ
ДЛЯ АБИТУРИЕНТОВ
Методические рекомендации по выполнению
контрольного задания №8
Барнаул 2001
УДК 54(075.4)
Степанова Н.В. Химия: Учебно-методический комплект для абитуриентов. Методические рекомендации по выполнению контрольной
работы №8.
Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск.
Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2001. – 18 с.
Настоящие методические рекомендации представляют собой
восьмую часть единого учебно-методического комплекта по курсу
«Химия» для абитуриентов.
Данная часть посвящена теме: «Углеводороды: алканы, алкены,
алкины и арены, а также их производные» и включает теоретические
вопросы и задачи, отражающие основное содержание темы.
Рекомендуются учащимся школ, гимназий и лицеев, а также абитуриентам химических вузов.
Комплект рассмотрен и утвержден
на заседании кафедры «Общая химия
и экспертиза товаров».
Протокол №194 от 3.06.2001 г.
Рецензент: доцент каф. «Общая химия и экспертиза
товаров» Разгоняева Т.П.
 БТИ АлтГТУ, 2001
2
Контрольное задание №8
1 Предельные углеводороды (алканы)
При выполнении данного контрольного задания рассмотрите правила номенклатуры предельных углеводородов. Имейте в виду, что,
начиная с четвертого члена гомологического ряда предельных углеводородов (с общей формулой СnH2n+2), имеет место структурная изомерия. Углеводород с n = 4 (бутан) имеет два изомера, углеводород с
n = 5 (пентан) – три изомера. Далее число изомеров быстро возрастает.
Первые четыре члена гомологического ряда алканов имеют тривиальные названия: метан, этан, пропан, бутан. Далее названия углеводородов образуются из греческих и латинских числительных с добавлением суффикса –ан: н–пентан, н–гексан, н–гептан и т.д.; приставка
н– означает «нормальный», то есть с неразветвленной цепью углеродных атомов. Чтобы дать названия изомерам с разветвленной цепью,
необходимо знать наименования простейших одновалентных органических радикалов.
Рассмотрите общие методы синтеза предельных углеводородов.
Имейте в виду, что предельные углеводороды могут быть получены из
соединений с тем же, а также меньшим и большим числом углеродных
атомов.
Обратите внимание на особенности химического поведения предельных углеводородов, в которых все атомы углерода находятся в состоянии sp3–гибридизации. Запомните, что основным типом реакций
предельных углеводородов является радикальное замещение. Повторите раздел о крекинге углеводородов – термическом и каталитическом.
Рассмотрите отличие свойств циклических предельных углеводородов от алифатических. Циклоалканы, содержащие от трех до пяти
атомов в цикле, могут вступать в реакции присоединения.
Задачи с решениями
Задача 1. Определите молекулярную формулу алкана, если известно, что его пары в 2,5 раза тяжелее аргона.
Решение. По относительной плотности можно найти молярную
массу алкана:
М(СnН2n+2) = 14n + 2 = 2,5M(Ar) = 100 г/моль,
откуда n = 7. Формула алкана – C7H16.
Ответ: C7H16.
3
Задача 2. Определите молекулярную формулу алкана, если известно, что для сжигания 6 л этого вещества потребовалось 39 л кислорода. Сколько литров углекислого газа при этом образовалось?
Решение. Запишем общее уравнение сгорания алканов СnН2n+2:
6л
CnH2n+2
39 л
+ (3n+1)/2O2
nCO2
+ (n+1)H2O.
Объем кислорода в 6,5 раз превышает объем алкана. По закону
Авогадро это означает, что для сгорания одного моля алкана требуется
6,5 моль кислорода, то есть (3n + 1)/2 = 6,5, откуда n = 4. Формула алкана – С4Н10.
Из закона Авогадро также следует, что объем углекислого газа в
n = 4 раза превышает объем алкана: V(CO2) = 46 = 24 л.
Ответ: С4Н10 , 24 л СO2.
Задача 3. Назовите следующие углеводороды:
CH3 CH2 CH CH3
CH3 CH CH CH2 CH CH3
CH2
CH3 CH2
CH3
CH3
CH3
.
Решение. 1. В первом углеводороде главная углеродная цепь состоит из пяти атомов (в структурной формуле она изображена под
прямым углом):
1 2 3
C C C
C 4
C 5.
Нумерацию атомов в данном случае можно начинать с любого
конца цепи, так как метильная группа –СН3 связана с центральным
атомом углерода, который является третьим по счету. Название углеводорода – 3-метилпентан.
Во втором углеводороде главная углеродная цепь состоит из шести атомов, а нумерация атомов начинается с того края цепи, ближе к
которому находится этильная группа –С2H5 (метильные группы
4
не могут определить начало нумерации, т.к. они находятся на одинаковом расстоянии от концов цепи):
1
2
CH3 CH
3
CH
4
5
6
CH2 CH CH3
CH3 CH2
CH3
CH3
Название углеводорода – 2,5-диметил-3-этилгексан.
Задача 4. Напишите структурные формулы всех алканов с пятью
атомами углерода в главной цепи, плотность паров которых по водороду равна 50. Назовите их по систематической номенклатуре.
Решение. Молярная масса алканов равна:
М(СnН2n+2) = 250 = 100 г/моль, откуда n = 7.
Из семи атомов углерода пять составляют главную цепь, а два
входят в состав заместителей: двух групп –СН3 или одной группы
–С2Н5. Две группы –СН3 могут находиться в следующих положениях
при главной цепи: 2,2–; 2,3–; 2,4–; 3,3–.
CH3
CH3 C CH2 CH2 CH3
CH3 CH
CH3
CH CH2 CH3
CH3 CH3
2,2 - димeтилпeнтан
2,3 - димeтилпeнтан
CH3
CH3 CH
CH3
CH2 CH
CH3
CH3 CH2 C CH2 CH3
CH3
CH3
2,4 - димeтилпeнтан
3,3 - димeтилпeнтан
Одна группа –C2H5 может находиться только в положении 3, в
противных случаях она войдет в состав главной цепи, и длина последней будет превышать пять атомов углерода:
CH3 CH2 CH
CH2 CH3
C2 H5
3 - этилпeнтан
Ответ: пять изомеров состава C7H16.
5
Задача 5. Углеводород имеет элементный состав: 82,76% углерода и 17,24% водорода (по массе). При хлорировании (радикальном) углеводород образует два изомерных монохлорида – первичный и третичный. Определите строение исходного углеводорода.
Решение. Пусть формула углеводорода – СхНу (М = 12x + у). Массовая доля водорода в одном моле этого вещества:
(Н) = y/(12x+y)= 0,1724,
откуда у = 2,5x. Это означает, что простейшая формула углеводорода –
C2H5. Ей соответствует истинная формула С4Н10. Существует два углеводорода состава С4Н10:
CH3 CH2 CH2 CH3
CH3 CH
CH3
CH3
2 - мeтилпропан
бутан
Третичные атомы углерода есть только в одном из этих двух изомеров, в 2–метилпропане, поэтому только 2–метилпропан при хлорировании может образовать третичный алкилхлорид:
CH3 CCl CH3
+
HCl
CH3
CH3 CH
CH3
+
Cl2
CH3
CH3 CH
CH2Cl
+
HCl
CH3
Ответ: 2–метилпропан.
Задача 6. Какой минимальный объем 10%–ного раствора гидроксида калия (плотность 1,09 г/мл) потребуется для поглощения продуктов полного сгорания 100 л пропана (измерено при температуре 20°С и
давлении 95 кПа)?
Решение. Запишем уравнение сгорания:
3,9
C3H8 +
11,7
3CO2 +
5O2
4H2O.
Для расчета количества пропана надо использовать уравнение
Клапейрона–Менделеева:
6
(С3Н8) = PV/RT = 95100/(8,31293) = 3,9 моль.
Согласно уравнению реакции (СО2) = 33,9 = 11,7 моль.
Минимальное количество гидроксида калия, которое требуется
для поглощения углекислого газа, соответствует образованию кислой
соли согласно уравнению:
КОН + СO2 = КНСО3.
(KOH) = (CO2) = 11,7 моль.
m(KOH) = 11,756 = 655,2 г,
m(p–pa КОН) = 655,2/0,1 = 6552 г.
V(p–pa КОН) = 6552/1,09 = 6011 мл  6,01 л.
Ответ: 6,01 л.
2 Углеводороды с двойной связью (алкены)
Для этиленовых углеводородов (алкенов) характерно наличие
двойной связи С=С. Поэтому наряду с изомерией скелета в ряду алкенов возможна еще изомерия, связанная с положением двойной связи в
углеродной цепи, а также пространственная, так называемая геометрическая или циc–транс–изомерия, обусловленная различным положением заместителей относительно двойной связи.
Названия алкенов по систематической номенклатуре образуются
из названий аналогично построенных парафинов заменой суффиксов –
ан на –ен, причем цифрой показывают положение двойной связи (атом,
с которого начинается двойная связь). За главную цепь принимают самую длинную цепь с двойной связью. Нумерация углеродных атомов
начинается с того конца цепи, к которому связь ближе.
Главным структурным элементом, определяющим реакционную
способность алкенов, является двойная связь, представляющая собой
сочетание -связи, образованной sp2-гибридными орбиталями, и
-связи, образованной негибридными 2p-орбиталями. Поскольку,
-связь более прочна, чем -связь, последняя легко разрывается путем
присоединения по месту двойной связи двух атомов или атомных
групп. Для этиленовых углеводородов характерны реакции электрофильного присоединения. В случае несимметричных алкенов направление реакций присоединения определяется правилом Марковникова.
7
Для этиленовых углеводородов характерны также реакции полимеризации. Полимеры могут иметь линейное, разветвленное и пространственное строение.
Задачи с решениями
Задача 1. Напишите структурные формулы всех алкенов состава
C8H16,
образующихся
при
каталитическом
дегидрировании
2,2,4–триметилпентана, и назовите их по систематической номенклатуре.
Решение. При дегидрировании алканов углеродный скелет не изменяется (исключение – реакция дегидроциклизации, с помощью которой алканы превращают в ароматические углеводороды), поэтому алкены должны иметь углеродный скелет 2,2,4–триметилпентана:
1 C 3 4 5
C C C C C
C
C
.
Двойную связь нельзя образовать с участием четвертичного атома
углерода, т.к. в этом случае мы получим пятивалентный углерод.
Двойную связь можно образовать только между парами атомов 3
и 4 или 4 и 5:
CH3
5
CH3 C CH
CH3
2
C
CH3
5
2
CH3 C CH2 C
1
CH3
CH3
CH3
2,4,4 - тримeтилпeнтeн - 2
1
CH2
CH3
2,4,4 - тримeтилпeнтeн - 1
Обратите внимание, что нумерация атомов углерода изменилась
по сравнению с алканом, так как атомы углерода надо нумеровать с того конца, ближе к которому находится двойная связь. С точки зрения
нумерации двойная связь имеет приоритет перед разветвлением цепи.
Задача 2. Какой простейший хлоралкен может существовать в
виде двух геометрических изомеров?
Решение. Для существования геометрических изомеров достаточно, чтобы каждый атом углерода при двойной связи С=С был
8
связан с двумя разными между собой группами, то есть соединение с
двойной связью должно иметь структуру типа:
A
X
C C
B
Y,
где А  В, Х  Y. Мы должны выбрать четыре заместителя при двойной связи, удовлетворяющих этому условию и имеющих минимально
возможную молекулярную массу. Один из заместителей – Сl, в качестве трех других можно выбрать два атома водорода Н, связанных с
разными атомами углерода, и одну метальную группу СН3. Искомое
вещество – 1-хлорпропен: СН3–СН=СНСl. Структурные формулы геометричерких изомеров:
H3C
C
H
H
H3C
Cl
H
C
Cl
C
транс - 1 - хлорпропeн
C
H
цис - 1 - хлорпропeн
Ответ: 1–хлорпропен.
Задача 3. Этиленовый углеводород массой 7,0 г присоединяет
2,24 л (н.у.) бромоводорода. Определите молярную массу и строение
этого углеводорода, если известно, что он является цис–изомером.
Решение. Этиленовые углеводороды присоединяют бромоводород по уравнению:
СnН2n + НВr  CnH2n+1Br.
(HBr) = 2,24/22,4 = 0,1 моль,
(CnH2n) = (HBr) = 0,1 моль.
M(CnH2n) = 7,0/0,1 = 70 г/моль,
следовательно n = 5.
9
Существует пять структурных изомеров этиленовых углеводородов состава С5Н10:
CH3 CH2 CH2 CH
CH2
CH3 CH2 CH
CH3
пeнтeн - 1
пeнтeн - 1
CH3 CH2 C
CH
CH2
CH3 CH
CH3
C
CH3
CH2 CH
CH3
2 - мeтилбутeн - 1
CH CH3
CH3
2 - мeтилбутeн - 2
3 - мeтилбутeн - 1
Из этих веществ только пентен–2 имеет цис–транс–изомеры:
H5C2
H5C2
H
C C
H
CH3
C C
CH3
H
транс -пeнтeн - 2
H
цис - пeнтeн - 2
Ответ: цис–пентен–2.
Задача 4. Сколько существует индивидуальных веществ состава
C3H5Cl, обесцвечивающих бромную воду? Приведите структурные
формулы молекул этих веществ.
Решение. C3H5Cl – это монохлорпроизводное от углеводорода
С3Н6. Это вещество обесцвечивает бромную воду, следовательно, имеет в своем составе двойную связь. Три атома углерода могут образовать только неразветвленный углеродный скелет с концевой двойной
связью:
С–С=С.
Структурная изомерия возможна только за счет положения атома
хлора относительно двойной связи:
CH3 CH
CH2Сl
1 - хлорпропeн
CH3 CCl
CH2
2 - хлорпропeн
10
Cl
CH2 CH
CH2
3 - хлорпропeн
1–хлорпропен может существовать в виде цис–транс–изомеров:
H3C
H
H3C
C C
H
Cl
C C
Cl
H
транс - 1 - хлорпропeн
H
цис - 1 - хлорпропeн
Ответ: четыре вещества.
3 Углеводороды с тройной связью (алкины)
Для ацетиленовых углеводородов (алкинов) характерно наличие
тройной связи, состоящей из одной - и двух -связей. Атомы углерода, соединенные тройной связью, находятся в состоянии spгибридизации.
Изомерия в ряду ацетиленовых углеводородов начинается с гомолога С4Н6. Однако изомеры С4Н6 могут различаться только положением тройной связи, но не строением углеродного скелета. Изомерия скелета начинается только с углеводорода C5H8.
По систематической номенклатуре ацетиленовые углеводороды
называют, пользуясь теми же правилами, что и в случае предельных
углеводородов, при этом суффикс –ан заменяют суффиксом –ин. Главную цепь выбирают так, чтобы она включала тройную связь. Нумерация начинается с того конца, ближе к которому находится тройная
связь.
Для ацетиленовых углеводородов характерны реакции электрофильного присоединения (Вr2, H2, HHal, Н2О), но по сравнению с алкенами алкины в этих реакциях несколько менее активны. Многие реакции электрофильного присоединения к алкинам идут лишь в присутствии катализатора.
Для алкинов характерна повышенная полярность связи С–Н и,
следовательно, наличие очень слабых кислотных свойств.
Задачи с решениями
Задача 1. Напишите структурные формулы изомерных ацетиленовых углеводородов состава С7Н12, главная цепь которых состоит из
пяти углеродных атомов, и назовите их.
11
Решение. Тройная связь в главной цепи может находиться в положениях 1 и 2:
C C C C C
C C C C C
В первом случае возможны четыре структурных изомера (две
группы –СН3 в положениях 3,3; 3,4; 4,4 или одна группа –C2H5 в положении 3):
CH3
CH3
CH3 CH2 C C CH
CH3 C CH2 C
CH3
CH3
3,3 - димeтилпeнтин - 1
CH3 CH CH
CH
4,4 - димeтилпeнтин - 1
C CH
CH3 CH2 CH
C CH
C2 H5
CH3 CH3
3,4 - димeтилпeнтин - 1
3 - этилпeнтин - 1
Во втором случае возможен единственный изомер, когда две метальные группы находятся в положении 4:
CH3
CH3 C C
C
CH3
CH3
4,4 - димeтилпeнтин - 2
Ответ: пять изомеров.
Задача 2. Как химическим путем выделить бутин-2 из его смеси с
бутином-1?
Решение. Смесь следует пропустить через аммиачный раствор
оксида серебра. При этом бутин-1 поглотится за счет реакции:
СН3–СН2–ССН + [Аg(NH3)2]ОН  СН3–СН2–ССАg + 2NН3 + Н2О.
Бутин-2 не реагирует с [Аg(NН3)2]ОН и улетучится в чистом
виде.
12
Задача 3. При пропускании смеси пропана и ацетилена через
склянку с бромной водой масса склянки увеличилась на 1,3 г. При полном сгорании такого же количества исходной смеси углеводородов
выделилось 14 л (н.у.) оксида углерода (IV). Определите массовую долю пропана в исходной смеси.
Решение. Ацетилен поглощается бромной водой:
НССН + 2Вr2  НСВr2–СНВr2.
1,3 г – это масса ацетилена. (C2H2) = 1,3/26 = 0,05 моль. При сгорании этого количества ацетилена по уравнению:
2С2Н2 + 5O2 = 4СO2 + 2Н2O
выделилось 20,05 = 0,1 моль СO2. Общее количество СO2 равно
14/22,4 = 0,625 моль. При сгорании пропана согласно уравнению:
С3Н8 + 5O2 = 3СO2 + 4Н2O
выделилось 0,625 – 0,1 = 0,525 моль СO2, при этом в реакцию вступило
0,525/3 =0,175 моль С3Н8 массой 0,17544 == 7,7 г.
Общая масса смеси углеводородов равна 1,3 + 7,7 = 9,0 г, а массовая доля пропана составляет: (С3Н8) = 7,7/9,0 = 0,856 или 85,6%.
Ответ: 85,6% пропана.
Задача 4. Ацетиленовый углеводород, содержащий пять углеродных атомов в главной цепи, может максимально присоединить 80 г
брома с образованием продукта реакции массой 104 г. Определите
строение ацетиленового углеводорода, если известно, что он не вступает в реакцию с аммиачным раствором оксида серебра.
Решение. К тройной связи в ацетиленовых углеводородах могут
присоединиться две молекулы брома:
СnН2n–2 + 2Вr2  СnН2n–2Вr4.
(Br2) = 80/160 = 0,5 моль.
(CnH2n–2) = 0,5/2 = 0,25 моль.
В реакцию с бромом вступило 104–80=24 г углеводорода CnH2n–2,
следовательно его молярная масса равна:
М(CnH2n–2)=24/0,25=96 г/моль, откуда следует, что n = 7.
13
Углеводород С7Н12 не реагирует с аммиачным раствором оксида
серебра, следовательно, тройная связь находится в середине цепи.
Существует только один алкин состава С7Н12 с пятью атомами углерода в главной цепи и с тройной связью в положении 2 – это
4,4–диметилпентин–2:
CH3
CH3 C
C
C
CH3
CH3
Ответ: 4,4–диметилпентин–2.
4 Ароматические углеводороды (арены)
К классу ароматических углеводородов относят бензол и его гомологи. Существует только одно ароматическое соединение с молекулярной формулой С6Н6 – бензол – и только один его ближайший гомолог с формулой C7H8 – толуол. Далее для каждого члена ряда может
существовать уже несколько изомеров, различающихся положением
заместителей в бензольном кольце.
Изомерия ароматических углеводородов связана как с величиной
и числом, так и с положением радикалов. Два радикала могут занимать
в ядре три различных положения:
орто– (1,2–), мета– (1,3–), пара– (1,4–).
Сопряженная система -связей в бензольном кольце обладает
особой устойчивостью, например, к действию окислителей. Обладая
подвижной шестеркой -электронов, ароматическое ядро является
удобным объектом для атаки электрофильными реагентами – частицами с дефицитом электронов. Для ароматических углеводородов наиболее характерны реакции электрофильного замещения. Рассмотрите
условия протекания этих реакций. Обратите особое внимание на правила ориентации в реакциях электрофильного замещения и влияние
заместителей на активность бензольного кольца.
Реакции присоединения к бензолу требуют очень жестких условий, так как при этом разрушается стабильная ароматическая
-система.
Гомологи бензола отличаются от самого бензола тем, что могут
вступать в реакции радикального замещения и окисляться за счет боковых цепей.
14
Задачи с решениями
Задача 1. Напишите структурные формулы всех изомерных ароматических углеводородов состава С9Н12.
Решение. Из девяти атомов углерода шесть атомов образуют бензольное кольцо и три входят в состав заместителей. Существует три
варианта распределения атомов углерода по заместителям в бензольном кольце:
1. Один заместитель –С3Н7 (два изомера):
CH3
CH2CH2CH3
CH
CH3
2. Два заместителя: –СН3 и –C2H5 (три изомера – орто–, мета– и
пара–):
CH3
CH3
CH3
C2 H5
орто
мeта
C2 H5
C2 H5
пара
3. Три заместителя –СН3 (три изомера – 1,2,3; 1,2,4 и 1,3,5):
CH3
1 2 СH
3
CH3
1 2 СH
3
CH3
1
3
5
СH3
СH3
4
СH3
Ответ: восемь изомеров.
15
3
СH3
Задача 2. Определите строение ароматического углеводорода состава C9H12, если известно, что при его окислении перманганатом калия образуется бензолтрикарбоновая кислота, а при бромировании в
присутствии FeBr3 – только одно монобромпроизводное.
Решение. Так как углеводород C9H12 при окислении перманганатом калия образует трикарбоновую кислоту, то он должен иметь три
метильные группы. По условию задачи при бромировании образуется
только одно монобромпроизводное. Следовательно, углеводород построен симметрично, это – 1,3,5-триметилбензол. Схемы реакций:
СH3
COOH
[O]
СH3
СH3
HOOC
СH3
COOH
СH3
Br2
+
FeBr3
СH3
СH3
СH3
HBr
СH3
Br
Ответ: 1,3,5–триметилбензол.
Задача 3. Предложите схему получения 3-нитробензойной кислоты из этилбензола в две стадии. Укажите условия реакций.
Решение. Карбоксильная группа СООН – мета-ориентант, поэтому при нитровании бензойной кислоты образуется 3-нитробензойная кислота. Нитрование проводится концентрированной азотной
кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты.
Бензойную кислоту можно получить из этилбензола действием
подкисленного раствора перманганата калия. Схема указанных превращений:
CH2 CH3
COOH
COOH
KMnO4, H2SO4
HNO3
- CO2
H2SO4
16
NO2
Задача 4. Напишите схемы реакций, соответствующих следующей последовательности превращений:
C6H6
C2H5Cl
A
AlCl3
Cl2, hv
Б
KOH
KMnO4
В
C2H5OH
H2O
Г
Решение. При действии хлорэтана на бензол образуется этилбензол – вещество "А" (реакция Фриделя–Крафтса):
C6H6
+
AlCl3
C2H5Cl
C6H5
+
C2H5
HCl
При хлорировании этилбензола на свету происходит замещение
водорода на хлор у ближайшего к бензольному кольцу атома углерода
в боковой цепи:
C6H5
CH2
CH3
+
Cl2
hv
C6H5
CHCl
CH3
+
HCl
"Б"
.
При действии на вещество "Б" спиртового раствора КОН происходит отщепление хлороводорода с образованием стирола
(вещество "В"):
C2H5OH
C6H5 CHCl CH3 + KOH
C6H5 CH CH2 + KCl + H2O
При взаимодействии стирола с водным раствором перманганата
калия окисляется двойная связь и образуется двухатомный спирт
(вещество "Г"):
3 C6H5 CH
CH2
+ 2KMnO4 + 4H2O
3 C6H5 CHOH
17
CH2OH
+ 2MnO2 + 2KOH
Степанова Наталья Владимировна
ХИМИЯ
Учебно-методический комплект для абитуриентов
Методические рекомендации по выполнению контрольного
задания №8
Редактор Идт Л.И
Подписано в печать 02.07.2001. Формат 60х84 1/16
Усл. п. л. - 1,04. Уч. изд. л. - 1,12
Печать – ризография, множительно - копировальный
аппарат «RISO TR - 1510»
Тираж 50 экз. Заказ 2001-66
Издательство Алтайского государственного
технического университета
655099, г. Барнаул, пр-т. Ленина, 46
Оригинал-макет подготовлен ИВЦ БТИ АлтГТУ
Отпечатано на ИВЦ БТИ АлтГТУ
659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 29
18