Задачи для самостоятельного решения

 

Вариант 1

1. Выведите структурные формулы всех изомерных предельных углеводородов, содержащих шесть атомов углерода в молекуле. Назовите углеводороды по систематической номенклатуре.

2. Напишите сокращенную структурную формулу каждого из следующих соединений: 2-метилпентан; 2,3,4,4-тетраметилпентен-2; гексин-3; 1,2,3-триметилбензол.

3. При каталитическом дегидрировании смеси бензола, циклогексана и циклогексена получено 23,4 г бензола и выделилось 11,2 л водорода. Известно, что исходная смесь может присоединить 16 г брома. Определите состав (% по массе) исходной смеси.

4. Этиленовый углеводород массой 7 г присоединяет 2,24 л бромоводорода. Определите молярную массу и строение этого углеводорода, если известно, что он является цис-изомером.

5. Напишите формулу углеводорода, который получится в результате взаимодействия 3,3-диметилбутена-1 с бромом, а затем с избытком спиртового раствора щелочи при нагревании.

6. Покажите смещение электронной плотности и знак заряда на атомах углерода в о- и п-положениях бензольного кольца в следующих молекулах: карболовая кислота, нитробензол.

7. Предложите способ выделения бензола из смеси бензола со стиролом (фенилэтилен).

8. Если при одинаковых условиях гидрировать раздельно этилен и ацетилен, то за определенное время степень гидрогенизации этилена превышает соответствующую величину для ацетилена. Если же гидрировать их смесь, то в первую очередь гидрируется ацетилен. При гидратации смеси этилена и пропилена в первую очередь гидрируется этилен. Объясните эти явления.

9. Толуол, хлорбензол, нитробензол вступают в реакцию электрофильного замещения с бромом при наличии избытка вещества (т.е. предполагается образование только монобромпроизводного). Расположите вещества в порядке возрастания массовой доли выхода пара-изомера и дайте объяснения.

10. Газ, выделившийся при получении бромбензола из 22,17 мл бензола (плотность = 0,88 г/см³), ввели в реакцию с 4,48 л (н. у.) изобутилена. Определите состав и массу образовавшихся веществ, учитывая, что выход бромбензола составляет 80 % от теоретического, а реакция с изобутиленом идет с количественным выходом.

 

Вариант 2

1. Укажите углеводороды, которые относятся к алканам, и дайте им названия: С₅Н₁₂; С₇Н₁₄; С₆Н₆; С₂Н₂; С₂₂Н₄₄.

2. Напишите сокращенную структурную формулу каждого из следующих соединений: 4-этилгептан; 3-метил-4этилгексен-3.

3. Ароматический углеводород состава С₈Н₈ обесцвечивает бромную воду. При каталитическом гидрировании этого углеводорода образуется этилциклогексан. Установите строение углеводорода. Определите объем водорода, который потребуется для гидрирования 52 г этого углеводорода, если реакция протекает с 80 %-ным выходом.

4. Определите молярную массу и напишите структурные формулы всех возможных изомеров этиленового углеводорода, если известно, что 1,12 г его могут обесцветить 8 г 40 %-ного раствора брома в хлороформе.

5. Напишите реакции получения бутина-2 из бутанола-1.

6. Покажите смещение электронной плотности и знак заряда на атомах углерода в о- и п-положениях бензольного кольца в следующих молекулах: этилбензол, нитробензол.

7. Напишите продукты окисления перманганатом калия этилбензола и п-ксилола.

8. Укажите преимущественное направление реакции бромирования по механизму электрофильного замещения мета- и пара-фтортолуола.

9. Этилен гидрируется легче других алкенов, но присоединение галогенов и галогеноводородов протекает легче для гомологов этилена, чем для С₂Н₄. Объясните эти факты.

10. При окислении смеси бензола и толуола раствором перманганата калия при нагревании получено после подкисления 8,54 г одноосновной органической кислоты. При взаимодействии этой кислоты с избытком водного раствора гидрокарбоната натрия выделился газ, объем которого в 19 раз меньше объема такого же газа, полученного при сгорании исходной смеси углеводородов. Определите состав исходной смеси (в % по массе).

 

Вариант 3

1. Напишите структурные формулы всех возможных изомерных радикалов и назовите их: С₂Н₅-; С₃Н₇-.

2. Напишите сокращенную структурную формулу каждого из следующих соединений: 2-метил-4-этилгексан; 2,3-диметил-бутен-2; диэтилацетилен; 1-метил-2-этилбензол.

3. Рассчитайте массу н-гептана, которая потребуется для получения из него толуола в процессе циклизации и дегидрирования, чтобы выделившегося при этом водорода было достаточно для гидрирования 84 г гексена-1. Определите массу получившегося толуола.

4. Определите объем водорода, который потребуется для каталитического гидрирования 20 г смеси, содержащей 42 % гексена и 58 % пентена (по массе).

5. Химическим путем докажите, что в первой пробирке находится пропан, а во второй – пропин.

6. Покажите смещение электронной плотности и знак заряда на атомах углерода в о- и п-положениях бензольного кольца в следующих молекулах: фенол, бензойная кислота.

7. Объясните, почему бензол не обесцвечивает бромную воду и водный раствор перманганата калия.

8. Докажите, что ацетилен в отличие от этана и этена способен легко замещать атомы водорода на атомы металла.

9. С ростом числа атомов углерода в молекуле число возможных изомеров у алкинов больше, чем у алканов, но меньше, чем у алкенов, даже если учитывать геометрическую изомерию. Объясните этот факт.

10. Смесь бензола, циклогексена и циклогексана при обработке бромной водой присоединяет 16 г брома; при каталитическом дегидрированиии исходной смеси образуется 39 г бензола и водород, объем которого в 2 раза меньше объема водорода, необходимого для полного каталитического гидрирования исходной смеси углеводородов. Определите состав исходной смеси углеводородов (в % мольных).

 

Вариант 4

 

1. Напишите молекулярные формулы предельных углеводородов, содержащих пять, девять и двадцать атомов углерода в молекуле.

2. Напишите сокращенную структурную формулу каждого из следующих соединений: 2,2,4-триметилпентан; 2-метил-бутен-1; гексин-2; 1,2,3-триметилбензол.

3. При нагревании 13,8 г ароматического углеводорода А, содержащего одну алкильную группу с перманганатом калия, получено после подкисления вещество В, для нейтрализации которого требуется 30 г 20 %-ного раствора гидроксида натрия. Определите строение исходного углеводорода А.

4. Смесь этана, пропилена и ацетилена занимает объем 448 мл и может обесцветить 40 мл 5 %-ного раствора брома в тетрахлорметане (плотность = 1,6 г/см³). Минимальный объем 40 %-ного раствора гидроксида калия (плотность = 1,4 г/см³), которым можно поглотить весь оксид углерода (IV), образовавшийся при полном сгорании исходной смеси, равен 5 мл. Определите содержание газов (в % по объему) в исходной смеси. Объемы газов измерены при нормальных условиях.

5. Укажите, какой из двух изомерых газообразных углеводородов является ацетиленовым, а какой диеновым – на примере бутина-1 и бутадиена-1,3.

6. Покажите смещение электронной плотности и знак заряда на атомах углерода в о- и п-положениях бензольного кольца в следующих молекулах: толуол, карболовая кислота.

7. Напишите уравнения реакций трех способов синтеза бензола.

8. Объясните, в каких случаях присоединение водородсодержащих соединений к алкенам идет против правила Марковникова.

9. Бензойная кислота, этиловый эфир бензойной кислоты, нитробензол вступают в реакцию электрофильного замещения с бромом при наличии избытка вещества (т.е. предполагается образование только монобромпроизводного). Расположите вещества в порядке возрастания массовой доли выхода пара-изомера и дайте объяснения.

10. Смесь циклогексена и циклогексана может обесцветить 320 г 10 %-ного раствора брома в СCl₄. Определите состав смеси углеводородов (в % по массе), если известно, что при полном дегидрировании этой смеси с образованием бензола выделяется водород в количестве, достаточном для исчерпывающего гидрирования 11,2 л дивинила.

ЗАДАНИЕ 3

Задание включает материал раздела органической химии «Кислородсодержащие соединения»: спирты, фенолы, карбоновые кислоты, альдегиды, сложные эфиры, жиры, углеводы.

 

Примеры решения задач

Пример 1.

Напишите все изомеры вторичных спиртов гексанола и назовите их по заместительной номенклатуре.

 

Решение:

гексанол-2

 

гексанол-3

 

    4-метилпентанол-2

                                                                  3-метилпентанол-2

 

                                                                                         4-метилпентанол-3

 

                                                                                         3,3-диметилбутанол-2.

Пример 2.

На нейтрализацию смеси фенола и этанола затрачен раствор объемом 50 мл с массовой долей гидроксида натрия 18 % и плотностью 1,2 г/мл. Такая же масса смеси реагирует с металлическим натрием массой 9,2 г. Определите массовые доли фенола и этанола в смеси.

Дано:

V (р-ра NaOH) = 50 мл

w (NaOH) = 18 %

r = 1,2 г/мл

m (Na) = 9,2 г

M (C₆H₅OH) = 94 г/моль

M (C₂H₅OH) = 46 г/моль

M (Na) = 23 г/моль

M (NaOH) = 40 г/моль

Найти:

w (C₆H₅OH)

w (C₂H₅OH)

 

Решение:

С раствором гидроксида натрия реагирует только фенол, этанол не взаимодействует. С металлическим натрием реагируют оба компонента смеси. Запишем уравнения реакций:

C₆H₅OH + NaOH = C₆H₅ONa + H₂O     (1)

C₆H₅OH + Na = C₆H₅ONa + ½ H₂          (2)

C₂H₅OH + Na = C₂H₅ONa + ½ H₂          (3).

По уравнению (1) рассчитаем количество вещества фенола в смеси. Определим количество вещества гидроксида натрия в 50 мл 18 %-ного раствора. Масса раствора равна:

m (p-pa) = V × r = 50 × 1,2 = 60 (г), тогда

 (г), следовательно,

 (моль).

По уравнению реакции (1) соотношение n (C₆H₅ОН) : n (NaOH) равно 1 : 1, следовательно, в реакцию вступило 0,27 моль фенола. Вычислим его массу:

m (C₆H₅ОН) = n × M = 0,27 × 94 = 25,38 (г).

По уравнению реакции (2) с фенолом реагирует 0,27 моль натрия (соотношение n (C₆H₅ОН) : n (Na) равно 1 : 1). Остальной натрий реагирует по уравнению (3) с этанолом. Вычислим количество вещества натрия, вступившего в реакции (2) и (3):

 (моль), тогда на реакцию (3) расходуется:

n₃ (Na) = n (Na) – n₂ (Na) = 0,4 – 0,27 = 0,13 (моль).

Следовательно, этанола в смеси 0,13 моль (по уравнению (3) соотношение n (C₂H₅ОН) : n (Na) равно 1 : 1). Вычислим массу этанола:

m (C₂H₅ОН) = n × M = 0,13 × 46 = 5,98 (г).

Общая масса смеси равна:

m (смеси)= m (C₂H₅ОН) + m (C₆H₅ОН) = 5,98 + 25,38 = 31,36 (г).

Рассчитаем массовые доли компонентов в смеси:

 (%);

 (%).

Ответ: w (C₆H₅OH) = 80,93 %, w (C₂H₅OH) = 19,07 %.

Пример 3.

Напишите уравнения реакций, которые нужно провести для осуществления следующей цепочки превращения: CH₃COH ® С₂Н₅ОН ® С₂Н₄ ® НОСН₂ – СН₂ОН.

 

Решение:

1) Восстановление уксусного альдегида при нагревании в присутствии никелевого катализатора:

CH₃COH + [H] ® С₂Н₅ОН.

2) Дегидратация этанола при действии избытка концентрированной серной кислоты при температуре 170 °С:

С₂Н₅ОН  С₂Н₄.

3) Мягкое окисление этилена водным раствором перманганата калия (реакция Вагнера):

3С₂Н₄ + 2KMnO₄ + 4H₂O = 3НОСН₂ - СН₂ОН + 2MnO₂ + 2KOH.

 

Пример 4.

При окислении неизвестного кислородсодержащего предельного органического соединения массой 1,8 г аммиачным раствором нитрата серебра получили серебро массой 5,4 г. Определите состав органического вещества, подвергнутого окислению.

 

Дано:

m (C_xH_yO_z) = 1,8 г

m (Ag) = 5,4 г

M (Ag) = 107,8 г/моль

Найти:

C_xH_yO_z

 

Решение:

С аммиачным раствором нитрата серебра с образованием металлического серебра взаимодействуют альдегиды (реакция «серебряного зеркала»), следовательно, искомый кислородсодержащий углеводород имеет общую формулу R – COH. Запишем уравнение реакции:

R – COH + 2[Ag(NH₃)₂](OH) = R – COONH₄ + 2Ag¯ + 3NH₃ + H₂O.

Вычислим количество вещества образовавшегося серебра:

 (моль), следовательно,

количество вещества альдегида равно 0,025 моль (n (R – COH) : n (Ag) равно 1 : 2). Вычислим молярную массу альдегида:

 (г/моль).

Общая формула предельных альдегидов: C_nH_2n+1COH. Молярная масса определяется следующим образом:

M (C_nH_2n+1COH) = n × M (C) + (n + 1) × M (H) + M (C) + M (O) + M (H) = n × 12 + (2n + 1) × 1 + 12 + 16 + 1 = 14n + 30 = 72 (г/моль).

Получили: 14n + 30 = 72, n = 3, искомый альдегид – C₃H₇COH – бутаналь.

Ответ: C₃H₇COH.

 

Пример 5.

Определите массу этилацетата, который можно получить в реакции этерификации этанола массой 1,61 г и уксусной кислоты массой 1,80 г, если выход продукта составляет 75 %.

 

Дано:

m (C₂H₅OH) = 1,61 г

m (CH₃СOOH) = 1,80 г

h (CH₃СOOC₂H₅) = 75 %.

M (C₂H₅OH) = 46 г/моль

М (CH₃СOOH) = 60 г/моль

М (CH₃СOOC₂H₅) = 88 г/моль

Найти:

m (CH₃СOOC₂H₅)

 

Решение:

Запишем уравнение реакции взаимодействия этилового спирта с уксусной кислотой:

C₂H₅OH + CH₃СOOH = CH₃СOOC₂H₅ + Н₂О.

Так как по условию задачи даны массы спирта и кислоты, рассчитаем количество вещества и определим, какое из веществ взято в избытке:

 (моль);

 (моль).

По уравнению реакции соотношение n (C₂H₅OH) : n (CH₃СOOH) равно 1 : 1, по условию задачи соотношение n (C₂H₅OH) : n (CH₃СOOH) равно 0,035 : 0,030, следовательно, спирт взят в избытке, расчеты проводим по кислоте.

В реакцию вступило 0,03 моль уксусной кислоты, следовательно образовалось 0,03 моль этилацетата (n (CH₃СOOC₂H₅) : n (CH₃СOOH) равно 1 : 1), вычислим его массу:

m (CH₃СOOC₂H₅) = n × M = 0,03 88 = 2,64 (г).

Это масса, рассчитанная по уравнению реакции, или теоретический выход. Определим практическую массу этилацетата, учитывая, что выход продукта составляет 75 %:

 (г).

Ответ: m (CH₃СOOC₂H₅) = 1,98 г.

Пример 6.

Напишите уравнения и условия протекания реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения: оксид углерода (IV) ® крахмал ® глюкоза ® этиловый спирт.

 

Решение:

1) Крахмал образуется в растениях при фотосинтезе:

6CO₂ + 6H₂O = C₆H₁₂O₆ + 6O₂, затем глюкоза превращается в крахмал:

nC₆H₁₂O₆ = (C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O.

2) При нагревании в кислой среде происходит гидролиз крахмала и образование a-глюкозы:

(C₆H₁₀O₅)_n + nH₂O = nC₆H₁₂O₆.

3) Под действием ферментов происходит спиртовое брожение глюкозы:

C₆H₁₂O₆  2C₂H₅OH + 2CO₂.