Решение качественных задач
в курсе органической химии

Элективный курс 11 класс

Продолжение. См. № 23/2006, 7/2007.

Раздел 2.
Установление структуры веществ
на основе данных физико-химических методов
и химических свойств (продолжение)

Занятие 6. Расчетные задачи
на установление структуры вещества

Ц е л ь. Научить школьников решать расчетные задачи на установление строения вещества.

Задание 1. Установите строение углеводорода, при сгорании одного объема которого образуется шесть объемов углекислого газа, а при хлорировании на свету – только два монохлорпроизводных.

Решение

Схема задачи:

Собственно подсказок для решения задачи две: это выделение шести объемов СО 2 (значит, в молекуле 6 атомов углерода) и то, что хлорирование идет на свету (значит, это алкан).

Формула углеводорода – С 6 Н 14 .

Устанавливаем структуру. Поскольку у этого углеводорода всего два монохлорпроизводных, значит, его углеродная цепь следующая:

Это – 2,3-диметилбутан. Каркасы хлоруглеводородов следующие:

Задание 2. Для сжигания порции алкана, содержащей 1 10 23 молекул, требуется порция кислорода, содержащая 1,6 10 24 атомов. Установите состав и возможное строение (все изомеры) алкана.

Решение

При разборе решения надо обратить внимание на расстановку коэффициентов в общем виде (через n ), т.к. без этого задачу не решить:

С n H 2n +2 + (1,5n + 0,5)O 2 = n CO 2 + (n + 1)H 2 O.

(алкана) = 1 10 23 /(6,02 10 23) = 0,166 моль,

(O 2) = 1,6 10 24 /(6,02 10 23 2) = 1,33 моль.

Составим пропорцию:

1 моль алкана – 1,5n + 0,5 кислорода,

0,166 моль алкана – 1,33 моль кислорода.

Отсюда n = 5.

Это – пентан C 5 H 12 , для него возможны три изомера:

Задание 3. Смесь алкана и кислорода, объемное соотношение которых соответствует стехиометрическому, после сгорания, конденсации паров и приведения к исходным условиям сократилась по объему вдвое. Установите строение алкана, входившего в состав смеси.

Решение

При разборе решения надо обратить внимание на расстановку коэффициентов в общем виде через n , т.к. без этого задачу не решить:

С n H 2n +2 + (1,5n + 0,5)O 2 = n CO 2 + (n + 1)H 2 O.

До реакции общий объем газов был:

(1 + 1,5n + 0,5) л.

После реакции учитываем только объем СО 2 – n л (вода H 2 O при 20 °С – жидкость).

Составляем уравнение: 1 + 1,5n + 0,5 = 2n .

Отсюда n = 3.

Ответ . Пропан C 3 H 8 .

Задание 4. Смесь алкана и кислорода, объемное соотношение которых соответствует стехиометрическому, после сгорания, конденсации паров воды и приведения к н.у. cократилась по объему в 1,8 раза. Установите формулу алкана, входившего в состав смеси, если известно, что в его молекуле четыре первичных атома углерода.

Ответ . Неопентан (СН 3) 3 ССН 3 .

Задание 5. При пропускании смеси цис- и трансизомеров алкена через избыток раствора перманганата калия масса выпавшего осадка оказалась больше массы исходного алкена. Установите строение алкена.

Решение

Напишем уравнение реакции алкена с раствором перманганата калия:

3С n H 2n + 2KMnO 4 + 4H 2 O = 3С n H 2n (OH) 2 + 2MnO 2 + 2KOH.

Пусть в реакцию вступил 1 моль алкена, тогда выделилось 0,6667 моль оксида марганца(IV).

M r (MnO 2) = 87, m (MnO 2) = 87 0,6667 = 58 г.

Следовательно, учитывая условие задачи, относительная молекулярная масса алкена меньше 58. Этому условию отвечают алкены С 2 Н 4 , С 3 Н 6 , С 4 Н 8 .

По условию задачи алкен имеет цис- и трансизомеры. Тогда точно не подходят этен и пропен. Остается бутен-2: только он имеет цис- и трансизомеры.

Ответ . Бутен-2.

Задание 6. Принитровании одного из гомологов бензола массой 31,8 г было получено только одно мононитропроизводное массой 45,3 г. Установите строение исходного вещества продукта реакции.

Решение

По условию задачи (С 6 Н 5 R) = (С 6 Н 4 RNO 2). Используя формулу = m /M , получим:

31,8/(77 + R) = 45,3/(77 – 1 + 46 + R).

Отсюда R = 29.

Поскольку R = С n H 2n +1 , верно соотношение:

12n + 2n + 1 = 29.

Поэтому n = 2, радикал R – это С 2 Н 5 .

Однако по условию задачи получается только одно нитропроизводное. Следовательно, исходное вещество не может быть этилбензолом, т. к. тогда образовались бы орто- и паранитропроизводные. Значит, гомолог бензола содержит не радикал этил, а два метильных радикала. Расположены они симметрично (пара -ксилол). При таком расположении заместителей получается только одно нитропроизводное.

Уравнение реакции:

Задание 7. При нагревании смеси двух предельных первичных спиртов с разветвленным скелетом в присутствии серной кислоты получена смесь трех органических веществ, относящихся к одному классу соединений. Вещества получены в равных молярных соотношениях общей массой 21,6 г, при этом выделилась вода массой 2,7 г. Установите все возможные формулы исходных соединений и рассчитайте массу исходной смеси.

Решение

Анализируем условие задачи для написания уравнения. В присутствии серной кислоты возможна либо внутримолекулярная, либо межмолекулярная дегидратация или их комбинация. Если дегидратация внутримолекулярная, то получается всего два непредельных углеводорода, если межмолекулярная, то получается смесь трех эфиров. Комбинированный вариант рассматривать не имеет смысла, т.к. по условию получаются вещества одного класса. Уравнение реакции:

Рассчитаем количество вещества воды:

(H 2 O) = m /M = 2,7/18 = 0,15 моль.

Поскольку продукты реакции получены в равных молярных соотношениях, значит, каждого эфира получилось по: 0,15/3 = 0,05 моль.

Составляем уравнение материального баланса:

0,05 (М (R) + (М (R") + 16) + 0,05 (2М (R) + 16) + 0,05 (2М (R") + 16) = 21,6

Отсюда (M (R) + M (R") = 128. Оба радикала R и R" – предельные, поэтому их суммарную молярную массу можно записать так:

M (С n H 2n +1) = 128.

Подставляя значения атомных масс, находим:

12n + 2n + 1 = 128, n = 9.

Молекулы двух спиртов содержат 9 атомов углерода.

По условию задачи спирты первичные и имеют разветвленный углеродный скелет. Значит, один спирт содержит 4 атома углерода, а другой – 5.

Варианты формул:

Масса исходной смеси: 21,6 + 2,7 = 24,3 г.

Раздел 3.
Идентификация органических веществ
(качественные реакции на разные классы соединений)

Занятие 7. Распознавание органических веществ
с помощью качественных реакций

Ц е л и. Научить решать задачи на определение веществ, закрепить знания качественных реакций органических соединений разных классов.

Задание 1. В четырех пробирках находятся следующие вещества: гексан, 2-метилпентен-1,
пентин-2, пентин-1. При помощи каких химических реакций можно различить эти вещества?

Решение

В этой задаче представлены три класса соединений: алканы, алкены и алкины. Для алканов нет особенных качественных реакций, для алкенов – это обесцвечивание бромной воды и раствора перманганата калия. Для алкинов тоже характерно обесцвечивание бромной воды и перманганата калия, но реакция идет медленнее (табл. 1). Предложенные два алкина отличаются положением тройной связи. Алкины, у которых тройная связь с края, реагируют с аммиачным раствором оксида серебра и оксида меди(I).

Таблица 1

№ пробирки	Реагенты			Вывод – вещество в пробирке
	OH	Br 2 (в H 2 O)	KMnO 4 (р-р)
1	–	–	–	Гексан
2	–	Быстрое обесцвечивание	Быстрое обесцвечивание	2-Метилпентен-1
3	–	Медленное обесцвечивание	Медленное обесцвечивание	Пентин-2
4	Осадок	Медленное обесцвечивание	Медленное обесцвечивание	Пентин-1

Сначала проводят реакцию на обнаружение пентина-1:

CH 3 CH 2 CH 2 СCH + OH CH 3 CH 2 CH 2 СCAg + 2NH 3 + H 2 O.

Затем по отсутствию реакции с бромной водой обнаруживают гексан:

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 + Br 2 (H 2 O) … .

Пентин-2 обесцвечивает бромную воду медленно, а 2-метилпентен-2 – быстро:

Реакцию с перманганатом калия можно не делать.

Задание 2. В трех пробирках без надписей находятся жидкости: н -пропанол, 1-хлорбутан и глицерин. Различите эти вещества.

Решение

В пробирках находятся вещества трех классов: спирт, многоатомный спирт и галогенпроизводное алканов. Глицерин обладает вязкостью, уже поэтому можно предположить, в какой он пробирке. Качественная реакция на многоатомные спирты – взаимодействие с гидроксидом меди(II) до василькового окрашивания. Спирт от галогеналкана можно отличить по реакции с натрием без нагревания. В пробирке со спиртом будет наблюдаться выделение пузырьков газа водорода (табл. 2).

Таблица 2

№ пробирки	Реагент			Вывод – вещество в пробирке
	По внешнему виду	Cu(OH) 2	Na
1	Обладает вязкостью	Васильковое окрашивание	Выделение пузырьков газа	Глицерин
2	–	–	Выделение пузырьков газа	Пропанол
3	–	–	–	1-Хлорбутан

Уравнения реакций:

Задание 3. В трех пробирках налиты следующие жидкости: бензол, стирол, фенилацетилен. Определите, где какое вещество.

Решение

Все вещества содержат ароматическое кольцо:

Уравнения реакций:

Составим таблицу (табл. 3).

Таблица 3

№ пробирки	Реагент		Вывод – вещество в пробирке
	OH	Br 2 (в H 2 O)
1	–	–	С 6 Н 6 , бензол
2	–	Обесцвечивание бромной воды	С 6 Н 5 CH=CH 2 , стирол
3	Выпадение осадка	Обесцвечивание бромной воды	С 6 Н 5 CCH, фенилацетилен

Задание 4. В трех пробирках без подписей находятся следующие вещества: бутанол-1, этиленгликоль, раствор фенола в бензоле. С помощью каких реакций можно различить эти вещества?

Решение

Составим таблицу (табл. 4).

Таблица 4

Уравнения реакций:

З а д а н и я д л я с а м о с т о я т е л ь н о г о р е ш е н и я

Задание 1. В четырех склянках без надписей находятся следующие органические вещества: этанол, ацетальдегид, этиленгликоль и водный раствор фенола. Предложите способ, как различить эти вещества.

Составим таблицу – схему решения (табл. 5).

Таблица 5

№ пробирки	Реагенты			Вывод – вещество в склянке
	Cu(OH) 2	Br 2 (в H 2 O)	OH
1	–	–	–	Этанол
2	–	–	Осадок	Ацетальдегид
3	Васильковое окрашивание	–	–	Этиленгликоль
4	–	Осадок	–	Фенол (в Н 2 О)

Задание 2. В четырех пробирках находятся следующие вещества: муравьиная кислота, пропионовая кислота, метанол, уксусный альдегид. С помощью каких реакций можно различить названные вещества? Составьте уравнения этих реакций.

Составим таблицу – схему решения (табл. 6).

Таблица 6

№ пробирки	Реагенты		Вывод – вещество в пробирке
	Лакмус	OH
1	Красный	Осадок	Муравьиная кислота
2	Красный	–	Пропионовая кислота
3	Фиолетовый	–	Метанол
4	Фиолетовый	Осадок	Уксусный альдегид

Задание 3. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно различить следующие твердые органические вещества: глюкозу, сахарозу, ацетат натрия, крахмал и фенол.

Составим таблицу – схему решения (табл. 7).

Таблица 7

№ пробирки	Реагенты
	Растворимость в холодной воде	Cu(OH) 2		Раствор йода
1	Растворим	Васильковое окрашивание	Изменение цвета на морковный	Опыт не проводим	Глюкоза
2	Растворим	Васильковое окрашивание	Практически без изменений	Опыт не проводим	Сахароза
3	Растворим	Без изменений	Без изменений	Без изменений	Ацетат натрия
4	Нерастворим	Опыт не проводим	Опыт не проводим	Синее окрашивание	Крахмал
5	Малорастворим	Опыт не проводим	Опыт не проводим	Без изменений	Фенол

Реакцию с раствором бромной воды для определения фенола можно не проводить. Неопознанными остались два вещества – это ацетат натрия и фенол. Причем ацетат натрия хорошо растворим в холодной воде, а фенол – плохо. Так их можно различить.

Задание 4. Как различить органические вещества: хлорид фениламмония, ацетат натрия, глюкозу, аминоуксусную кислоту? Напишите уравнения реакций, которые надо осуществить для распознавания веществ.

Составим таблицу – схему решения (табл. 8).

Таблица 8

№ пробирки	Реагенты			Вывод – определяемое вещество
	Cu(OH) 2	Отношение к нагреванию растворов с васильковым окрашиванием	NaOH (тв.) при нагревании
1	Без изменений	Без изменений	Выделение газа, запах аммиака	Хлорид фениламмония
2	Без изменений	Без изменений	Выделение газа метана	Ацетат натрия
3	Васильковое окрашивание	Изменение цвета на морковный	Нет видимых изменений	Глюкоза
4	Темно-синее окрашивание	Без изменений	Нет видимых изменений	Аминоуксусная кислота

Продолжение следует

Гексенал(эвипан натрия) - 1,5-диметил-5-(циклогексен-1-ил)-барбитуратнатрия- представляет собой натриевуюсольгексобарбитала. Это белая или слегка желтоватая пенообразная горькая масса. Под влиянием влагивоздухагексеналрасплывается, а под влияниемуглекислого газа- разлагается. Хорошо растворяется вводе,этиловом спиртеихлороформе, слабо - вдиэтиловом эфире.Гексеналэкстрагируется органическимирастворителямииз кислых водныхрастворов.

Применение. Действие наорганизм.Гексеналпроявляет снотворное действие, а в большихдозахон имеет наркотические свойства. Его применяют для наркоза в сочетании соксидом азота(I),фторотаноми с некоторыми другимивеществами.Гексенали сам может применяться для кратковременного наркоза (продолжительностью 15-20. мин).

Метаболизм. Гексеналотносится к барбитуратам короткого периода действия. Ворганизмеон подвергаетсяметаболизмунесколькими путями. Приметаболизмеможет гидроксилироваться циклогексильная группагексенала. Образовавшийся при этом продукт гидроксилирования может подвергатьсяокислениюс образованием 3"-кетогексабарбитала. Этотметаболит, в свою очередь, может подвергаться N-деметилированию. Некоторая частьгексеналаподвергаетсяметаболизмупутем N-деметилирования приатомеазотав третьем положении. В результате этого образуется норгексабарбитал. Определенное количествогексенала, поступившего ворганизм, метаболизируется путем разрыва циклабарбитуровой кислоты.

Обнаружение гексенала

1. От прибавления солейкобальтаиизопропиламинакгексеналупоявляется фиолетовая окраска.

2. Гексеналссолямикобальтаищелочьюдаетрозовую или красную окраску.

3. От прибавления концентрированной серной кислотыкгексеналуобразуется осадок, состоящий из сростков игольчатыхкристаллов.

4. Гексеналс подкисленным спиртовымрастворомиодида калияобразует кристаллический осадок.

Способы выполнения перечисленных реакций описаны выше (см. гл. V, § 12).

5. Обнаружение гексеналапо УФ-спектрам.Гексеналв ходе химико-токсикологического анализа выделяется из биологического материала в виде гексобарбитала, который можно обнаружить по спектрам поглощения (см. гл. V, § 12).

В ИК-области спектра гексенал(диск с бромидом калия) имеет основные пики при 1712, 1660, 1390, 1358 см -1.

§ 20. Производные ксантина

В химико-токсикологическом анализе определенный интерес представляют производные ксантинаили так называемыепурины. Этивеществасодержат конденсированную кольцевую системуимидазолаипиримидина.

К числу производных ксантина, применяемых в медицине, относятсякофеин,теоброминитеофиллин, которые являютсяалкалоидами:

Для обнаружения кофеина,теоброминаитеофиллинаприменяют реакцию образованиямурексида, реакции групповогоосажденияалкалоидов, некоторые физико-химические методы и др.

Реакция образования мурексида. При действииокислителей(хлорнаявода, бромнаявода,пероксид водорода,хлорат калияKClO 3 и др.) исоляной кислотына производныексантинаобразуется смесь производных аллоксана и диалуровой кислоты. От прибавленияаммиакак этой смеси образуется метильное производноемурексида(аммонийнаясольтетраметилпурпуровой кислоты), имеющее фиолетовую окраску:

Выполнение реакции. В литературе описано несколько вариантов выполнения мурексидной реакции, некоторые из этих вариантов приводятся ниже:

а) 5-6 капель раствораисследуемоговеществавхлороформевносят в фарфоровуючашкуи при комнатнойтемпературевыпаривают досуха. К сухому остатку прибавляют 0,5-1,0 мл бромнойводы(насыщенныйрастворбромав воде), 2-3 каплисоляной кислоты, затем содержимое фарфоровойчашкина водяной бане выпаривают досуха. К полученному остатку, имеющему красную или красно-бурую окраску, прибавляют каплю 25 %-гораствора аммиака. Появление пурпурной или фиолетовой окраски указывает на наличие производныхксантинаврастворе;

б) к сухому остатку, полученному после выпариванияхлороформногораствора, прибавляют 2-3 капли концентрированнойсоляной кислотыи несколько кристалликовхлората калия(KClO 3). Послеперемешиванияэтой смеси ее выпаривают на водяной бане досуха. К сухому остатку прибавляют каплю 2 н.раствора аммиака. При наличиикофеина,теобромина,теофиллинаили других производныхксантинав пробе появляется пурпурная или фиолетовая окраска.

Приготовление бромной воды (см. Приложение 1, реактив 3).

Индивидуальные реакции обнаружения отдельных производных ксантинаприведены ниже при описании способовидентификациикофеина,теоброминаитеофиллина.

Гексан — органическое вещество, линейный насыщенный углеводород с химической формулой C6H14. Относится к классу алканов, иначе парафинов, алифатических углеводородов. Данный тип химических соединений характеризуется насыщенностью атомами водорода (их в молекуле максимально возможное количество) и простыми связями. Атом углерода соединен с четырьмя атомами водорода как верхний узел в тетраэдре. Между собой атомы углерода соединены неполярной связью. Оба типа связи С—С и С—Н отличаются достаточной прочностью, что обеспечивает низкую химическую активность гексана. По расположению структуры атомов углерода в пространстве у гексана различают пять изомеров.

При создании определенных условий давления и температуры гексан взаимодействует со слабым раствором азотной кислоты, вступает в реакции галогенирования, сульфохлорирования. Окисляется кислородом с получением гидропероксида; горит с выделением большого количества тепла. Окислением в присутствии катализаторов можно получить спирт, альдегид, карбоновую кислоту. Методом риформинга в присутствии катализатора из гексана получают его изомеры и бензол.

Представляет собой прозрачную подвижную летучую жидкость, с несильным запахом. Жидкось огнеопасна и взрывоопасна. Не растворяется в воде, но хорошо смешивается с органическими растворителями: хлороформом, этанолом, метанолом, ацетоном, диэтиловым эфиром.

Получение

Гексан получают из бензиновых фракций первой перегонки нефти и конденсатов сопутствующих газов.
Изомеры гексана выделяют из бензинов, полученных алкилированием или каталитическим крекингом; гидрокрекингом из газойлей (тяжелых фракций нефти), а также из гудронов после удаления твердых составляющих.

Опасность гексана

Гексан оказывает раздражающее воздействие на кожу; при внутреннем потреблении повреждает легкие; при вдыхании действует как наркотическое вещество, вызывая сонливость, головокружение, поражение периферической нервной системы и онемение ног, угнетение ЦНС. Пары гексана вызывают раздражение слизистой глаз.

При регулярном вдыхании паров гексана возникает хроническое отравление, приводящее к серьезным заболеваниям нервной системы, которые проявляются понижением чувствительности ног, быстрой утомляемостью, снижением мышечного тонуса, головными болями и даже параличом конечностей.

Гексан огне- и взрывоопасен. Работать с ним допускается только в помещениях с хорошей вентиляцией или в вытяжном шкафу, с соблюдением правил пожарной безопасности, с использованием всех средств защиты , включая противогазы с автономным запасом воздуха.

Транспортировка гексана должна производиться в герметичной таре со специальной информационной маркировкой, отдельно от легковоспламеняющихся веществ. Хранение — в помещении с вентиляцией, защищенном от света, сухом и прохладном.

Применение

— Нейтральный растворитель лакокрасочных материалов, клеев для мебели и обуви, адгезивов.
— Производство бензина и добавок к бензину (изомеров гексана) для улучшения его свойств.
— Сырье для производства бензола, синтетических резин, полиолефинов.
— В химической индустрии для фракционной очистки веществ.
— В качестве промышленного средства для обезжиривания и очистки.
— Для экстракционной очистки растительных масел в пищепроме.
— В лабораторной практике — для анализа качества воды, лекарственных средств, продуктов питания, продуктов нефтепереработки. Используется в сложных и точных исследованиях (флюориметрия, УФ-спектроскопия, газохроматография). Неполярный растворитель в химических реакциях.
— В качестве индикаторной жидкости в термометрах с диапазоном минусовых значений.
— Гексан отличный растворитель парафиновых пробок при добыче нефти.
— В электронной, шинной промышленности.

У нас в магазине можно купить гексан «ч» (чистый) и гексан «хч» (химический чистый), средства защиты, широкий спектр хим реактивов и товаров для лабораторий.