Денисова В.Г. Решение заданий занятия № 5

Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ЗАНЯТИЯ № 4
Задачи на вывод формул органических веществ
повышенного уровня сложности
Задача 1. Вещество содержит 67,74 % углерода (по массе), 6,45% водорода и кислород.
Установите строение вещества, если 3,1 г его может прореагировать с 100 мл 0,5 М раствора
гидроксида натрия или с 800 г 1,5% раствора брома в воде. (2008)
Решение:
1) Обозначим вещество СхНуОz и определим соотношение индексов в его молекуле
ω(С) ω(Н) ω(О)
67,74 6,45 25,81
х : y : z = ------- : ------- : ------- = ------- : ------- : -------- =
Ar(С) Ar(Н) Ar(О)
12
1
16
= 5,645 : 6,45 : 1,613 = 3,5 : 4 : 1 = 7 : 8 : 2 Простейшая формула С7Н8О2
2) n (NaOH)= 0,1 ·0,5=0,05 моль
n(Br)= 800·0,015/160= 0,075 моль
3) Предположим, что формула С7Н8О2 истинная, тогда n(С7Н8О2)=3,1/124 = 0,025 моль
4) По соотношению атомов углерода и водорода можно предположить ароматическое строение
вещества.
n (NaOH): n(С7Н8О2)= 0,05: 0,025=2:1, такое соотношение говорит о том, что в составе две группы,
имеющие кислотные свойства, так как атомов кислорода всего 2, то это гидроксильные группы. Это
заместители первого рода и ориентируют атомы брома при замещении в орто и пара-положения.
Кроме этого есть метильный радикал. С учетом того, что замещается три атома брома, искомое
вещество 3,5-дигидрокситолуол. Группы ОН и СН3 согласованно ориентируют бром в о,пположения по отношению к себе.
Большинство участников мастер-класса правильно вывели молекулярную формулу, но не смогли
построить структурную формулу, удовлетворяющую условию.
Задача 2. При обработке алкена подкисленным раствором перманганата калия при
нагревании образовалось только одно органическое вещество, причем массовые доли углерода в нем
и в исходном алкене различаются на 23,64%. Определите структурные формулы двух продуктов,
удовлетворяющих условию и принадлежащих к разным классам органических веществ, двух
исходных алкенов.
Решение: В кислой среде при нагревании окисление алкенов идет деструктивно, с разрывом
двойной связи. Так как органический продукт образуется только один, алкен имеет симметричное
строение. При окислении алкена могут образоваться кислоты или кетоны. В кетонах и кислотах
массовая доля углерода меньше, чем в алкенах, так как определенная масса приходится на кислород.
В алкенах массовая доля углерода 12n/14n = 0,857 или 85,7%. Следовательно, в кислоте или кетоне
она будет 85,7 – 23,64= 62,06%.
Общая формула кетона CnH2nO. 0,6206 = 12n/(14n+16), откуда n = 3 – пропанон/2,3-диметилбутен-2.
Исходным алкеном мог быть метилпропен, при его окислении образуется ацетон и углекислый газ.
Общая формула кислоты CnH2nO2. 0,6206 = 12n/(14n+32), откуда n = 6 – гексановая
кислота/додецен-6. Исходным алкеном мог быть гептен-1, при его оксилении образуется
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
углекислый газ и гексановая кислота. Это может быть любая изомерная гексановой кислота и
соответствующий алкен.
Большинство участников мастер-класса справились с этой задачей. В некоторых работах были
определены кетон и кислота, но не определены соответствующие алкены. Во многих работах
неверно назван ДОДЕЦЕН. (Встречаются такие названия: этадецен, додекен, тетрадецен и
бутадецен???)
Задача 3. При сплавлении 5,25 г соли карбоновой кислоты с избытком щелочи выделилось
2,24 л газа (н.у.), который в 15,25 раза тяжелее водорода. После пропускания газа через соляную
кислоту его объем уменьшился в 2 раза, а плотность по неону составила 1,5. Определите строение
исходной соли.
Решение: При сплавлении солей карбоновых кислот с щелочами образуются углеводороды,
они соляной кислотой не поглощаются. В нашем случае образовалось два газа, второй газ
вытесняется из соли щелочью и поглощается соляной кислотой – аммиак или амин. То есть исходная
соль – соль аммония или алкиламмония.
1)
n(газов) = 2,24/22,4 = 0,1 моль
2)
М (СхНу) = 1,5 ∙ 20 = 30 г/моль – этан.
3)
М (смеси газов)= 15,25 ∙ 2 = 30,5 г/моль
4)
М (второго газа). Так как газы выделялись в соотношении 1:1, то 30,5 – среднее
арифметическое молярных масс этана и второго газа.
(30 + Х)/2 = 30,5, Х = 31 г/моль – это метиламин
5)
Проверим наше предположение
С2Н5СОО– СН3NH3+ + 2NaOH = C2H6 + СН3NH2 + H2O + Na2CO3
Количество соли 0,1/2 = 0,05 моль Молярная масса соли 5,25/0,05 = 105 г/моль
М (С2Н5СОО– СН3NH3+) = 105 г/моль
Ответ: пропионат метиламмония
В основном, с этой задачей справились. Однако, в некоторых работах дан ответ - ацетат
этиламмония, хотя правильно определен амин – метиламин.
Задача 4. Для полного гидролиза 14,75 г сложного эфира потребовалось 56 г 25% раствора
гидроксида калия. Смесь после гидролиза нагрели с избытком подкисленного раствора перманганата
калия, при этом выделилось 11,2 л углекислого газа. Установите строение сложного эфира.
Решение: 1) Определим количество щелочи 56 ∙ 0,25 / 56 = 0,25 моль
2) Определим количество углекислого газа 11,2/22,4 = 0,5 моль
3) Если гидролиз шел в соотношении 1:1, то количество эфира равно 0,25 моль, его молярная масса
14,75/0,25 = 59 г/моль. Пусть формула эфира RCOOX, тогда на RX приходится 59 – 44 = 15 г/моль,
такой молярной массе соответствует радикал метил, и не достаточно атомов для другого радикала,
следовательно, такого эфира не существует.
4) Если гидролиз идет в соотношении 1:2 (эфир двухатомного спирта или двухосновной кислоты), то
количество эфира 0,25/2 = 0,125 моль, его молярная масса 14,75/0,125 = 118 г/моль. Вычитаем из
этой массы массы двух эфирных группировок 118 – 88 = 30 г/моль. Предположим, что эфир
образован метиловым спиртом и двухосновной кислотой, тогда 30 – 15 – 15 = 0 г/моль –
углеводородная часть кислоты. СН3–ООС–СОО–СН3
СН3–ООС–СОО–СН3+ 2NaOH → 2 СН3–ОН + NaООС–СООNa
NaООС––СООNa в кислой среде деструктивно окисляется с образованием 2 молей СО2.
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
Таким образом, углекислого газа при окислении продуктов гидролиза должно по количеству
получиться в 4 раза больше исходного эфира (каждый моль метилового спирта дает 1 моль
углекислого газа, каждый моль кислоты – 2 моль СО2). Проверим, 0,125∙ 4 = 0, 5 моль. Что
соответствует условию.
Ответ: диметилоксалат СН3–ООС–СОО–СН3
Предположим, что это был эфир двухатомного спирта этиленгликоля: RCOO-CH2-CH2-OOCR, тогда
R=H
НCOO-CH2-CH2-OOCН + 2NaOH → НO-CH2-CH2-OН + 2НСООNa
НO-CH2-CH2-OН в избытке окислителя в кислой среде окисляется до 2 моль СО2
Следовательно, ответом может быть диформиат этиленгликоля.
В основном, с этой задачей справились, хотя большинство участников мастер-класса дали только
один ответ (даже в этом случае решение оценивалось в 5 баллов). Однако, в некоторых работах дан
ответ – метилформиат, или рассуждения обрываются после нахождения массы 15 г/моль. В этом
случае за задачу баллы не ставились.
Задача 5. К одноосновной карбоновой кислоте массой 96 г добавили водный раствор
гидроксида бария. Раствор упарили, остаток прокалили при 380оС. В результате прокаливания
выделилась смесь газов с плотностью 0,56 г/л и осталось 236,4 г твердого вещества. При добавлении
к этому твердому веществу избытка соляной кислоты выделилось 29,04 л газа с плотностью 1,82 г/л
при 22оС. Определите состав исходной кислоты. (все измерения проводились при давлении 1 атм)
Решение.
1) Проанализируем химизм процесса. Кислота нейтрализуется щелочью, полученная соль
прокаливается. Прокаливание солей двухвалентных металлов приводит к образованию кетонов:
(RCOO)2Вa → ВaCO3 + R – (C=O) – R
В условии сказано, что получена смесь газов. Это говорит о том, что щелочь была в избытке и
прошла реакция Дюма: (RCOO)2Вa + Вa(OH)2 → 2ВaCO3 + 2RH
Значит, смесь газов состоит из углеводорода и кетона.
2) Используя уравнение Менделеева-Клапейрона, определим молярную массу смеси газов
М = mRT/PV; M = ρRT/P; M = 0,56 ∙ 8,314 ∙ (380 + 273)/ 101325 = 0,03 кг/моль = 30 г/моль
Такое значение молярной массы показывает, что один газ имеет молярную массу больше 30 (кетон),
а другой – меньше 30 (метан, этан имеет массу 30).
Отсюда мы делаем вывод, что R = CH3, кетон – это ацетон, а исходная кислота – уксусная.
3) Проверим наше предположение.
Определим, в каком соотношении образовались метан (х моль) и ацетон (у моль)
16х +58у = 30
х = 0,667 моль
х + у = 1 моль
у = 0,333 моль
Определим молярную массу газа, выделившегося при обработке твердого остатка соляной кислотой
M = ρRT/P; M = 1,82 ∙ 8,314 ∙ (22+273)/ 101325 = 0,044 кг/моль = 44 г/моль Это углекислый газ
Его масса = 1,82 ∙ 29,04 = 52,8528 г, его количество 52,8528 : 44 = 1,2012 моль
Это количество равно количеству карбоната бария 236,4/197 = 1,2 моль
Количество карбоната, в свою очередь, равно количеству метана (0,667 ∙ 1,2 = 0,8 моль) и ацетона
(0,333 ∙ 1,2 = 0,3996 моль)
0,3996
0,3996
0,3996
(RCOO)2Вa → ВaCO3 + R – (C=O) – R
0,4
0,8
0,8
(RCOO)2Вa + Вa(OH)2 → 2ВaCO3 + 2RH
Общее количество соли 0,7996 моль, следовательно, кислоты в 2 раза больше:
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
1,5992
0,7996
2RCOOН + Вa(OH)2 → (RCOO)2Вa + 2Н2О
Найдем молярную массу кислоты 96/1,5992= 60 г/моль. Соответствует расчету.
Ответ: уксусная кислота
В основном, с этой задачей справились. В некоторых работах дан ответ – пропановая
пропеновая кислота. В этом случае за задачу баллы не ставились.
или
Задача 6. Смесь газов, полученная при сжигании 1,8 г образца вещества Х, была пропущена
через трубку с пентаоксидом фосфора (ее масса возросла на 2,16 г), потом через склянку с
гидроксидом кальция (в ней образовалось 6 г осадка), объем непоглощенного газа У при 35оС и 101,3
Па составил 758 мл. При добавлении к такому же образцу Х избытка азотистой кислоты образуется
соединение Z и выделяется вдвое больший объем У, чем при сгорании. Установите строение Х и Z.
Решение: 1) пентаоксид фосфора поглощает воду, ее масса 2,16 г;
Найдем υ(Н). υ(Н) = 2υ(Н2О) = 2∙2,16/18 = 0,24 моль
Найдем массу водорода m(Н) = υ(Н) ∙ М(Н) = 0,24 ∙ 1 = 0,24 г
2) Углекислый газ поглощается известковой водой с образованием карбоната кальция.
Найдем υ(С). υ(С) = υ(СаСО3) = 6/100 = 0,06 моль
Найдем массу углерода m(C) = υ(С) ∙ М(С) = 0,06 ∙ 12 = 0,72 г
3) Остался азот. Найдем его количество υ(N2) = PV/RT; υ(N2) = 101300 ∙ 0,000758/8,314 ∙ 308=0,03
моль
Найдем υ(N). υ(N) = 2υ(N2) = 2∙0,03 = 0,06 моль
Найдем массу азота m(N) = υ(N) ∙ М(N) = 0,06 ∙ 14 = 0,84 г
4) Проверим, был ли в исходном веществе кислород: m(O) = m(вещества) – m (C) – m (H) – m (N) =
1,8 – 0,24– 0,72 – 0,84 = 0; кислорода нет
5) х : y : z = υ(C) : υ(H) : υ(N) = 0,06 : 0,24 : 0,06 = 1 : 4 : 1 СН4N – не м.б., удвоим С2Н8N2
Судя по формуле, это предельный диамин.
Так как он реагирует с азотистой кислотой с образованием азота, то это первичный амин.
1,2 – диаминоэтан (Х) + 2HNO2 → 2N2 + 2H2O + этиленгликоль (Z)
1,1 – диаминоэтан (Х) + 2HNO2 → 2N2 + 3H2O + уксусный альдегид (Z)
В основном, с этой задачей справились, хотя большинство участников мастер-класса дали только
один ответ (даже в этом случае решение оценивалось в 5 баллов). Однако, в некоторых работах дан
ответ – СН4N, либо приведены формулы вторичных аминов и производных гидразина. Они не
удовлетворяют условию, так как не реагируют с азотистой кислотой с образованием азота.
Задача 7. Навеску органической соли, состоящей из углерода, кислорода, азота и водорода,
массой 10,7 г сожгли в 11,2 л кислорода. Полученная смесь газов была пропущена последовательно
через трубку с безводным хлоридом кальция (ее масса увеличилась на 8,1 г), склянку с баритовой
водой (выпало 59,1 г осадка) и раскаленную железную трубку (масса увеличилась на 4 г). При этом
остался непоглощенным газ с плотностью 1,25 г/л (н.у.). Установите формулу соли.
Решение:
1) безводный хлорид кальция поглощает воду, ее масса 8,1 г;
υ(Н) = 2υ(Н2О) = 2∙8,1/18 = 0,9 моль
m(Н) = υ(Н) ∙ М(Н) = 0,9 ∙ 1 = 0,9 г
υ(О) = υ(Н2О) = 8,1/18 = 0,45 моль
2) Углекислый газ поглощается баритовой водой с образованием карбоната бария.
υ(С) = υ(ВаСО3) = 59,1/197 = 0,3 моль
m(C) = υ(С) ∙ М(С) = 0,3 ∙ 12 = 3,6 г
υ(О) = 2υ(СО2) = 2∙ 0,3 = 0,6 моль
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
3) Масса раскаленной железной трубки увеличилась за счет окисления свободным кислородом, не
вступившим в реакцию,
υ(О) = 2υ(О2) = 4/16 = 0, 25 моль
4) Остался азот, что определяется по плотности М=1,25·22,4=28 г/моль.
5) По закону сохранения, количество атомов кислорода до и после реакции равны
Вступило в реакцию υ(О) = 2υ(О2) = 2∙11,2/22,4 = 1 моль
До реакции было (1 + z) моль (О)
После реакции стало 0,45 + 0,6 + 0, 25 = 1,3 моль (О)
(1 + z) = 1,3
z = 0,3 моль было кислорода в исходном веществе
m = 0,3 ∙ 16 = 4,8 г (О)
5) Найдем массу азота 10,7 – 0,9 – 3,6 – 4,8 = 1,4; υ(N) = 1,4 : 14 = 0,1 моль
6) х : y : z : q = υ(C) : υ(H) : υ(O) : υ(N) = 0,3 : 0,9 : 0,3 : 0,1 = 3 : 9 : 3 : 1 С3Н9О3N
Ответ: CH3–CH (ОН)–COONH4 или CH2(ОН)–CH2–COONH4
подходит также (НО-СН2-СОО– СН3 NН3+) – соль гликолевой кислоты – гидроксиацетат
метиламмония; возможны и другие варианты.
С этой задачей справились практически все участники, но не все, получив молекулярную формулу,
построили структурную.