Задания 35 (2017). Нахождение формулы органического вещества. Задание №1 Некоторое вещество было получено при окислении углеводорода состава С5Н8 перманганатом калия в присутствии серной кислоты. При сжигании образца этого вещества массой 26 г получили 33 г углекислого газа и 9 г воды. На основании данных условия задания: 1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества; 2) запишите молекулярную формулу органического вещества; 3) составьте возможную структурную формулу этого вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле; 4) напишите уравнение получения этого вещества окислением соответствующего углеводорода состава С5Н8 перманганатом калия в присутствии серной кислоты. Решение Ответ: Молекулярная формула искомого органического вещества: C3H4O4 Структурная формула искомого органического вещества: HOOC-CH2-COOH Уравнение получения этого вещества окислением соответствующего углеводорода: CH2=CH-CH2-CH=CH2 + 4KMnO4 + 6H2SO4 = 2CO2 + HOOC-CH2-COOH + 4MnSO4 + 2K2SO4 + 8H2O Расчеты и пояснения: При сгорании неизвестного вещества, полученного окислением углеводорода C5H8, образовались только углекислый газ и вода. Это значит, что формулу данного соединения можно записать как CxHyOz, где z может оказаться равным нулю. 1) ν(CO2) = m(CO2)/M(CO2) = 33/44 = 0,75 моль => ν(С) = ν(CO2) = 0,75 моль => m(C) = ν(С)∙M(C) = 0,75∙12 = 9 г. 2) ν(H2O) = m(H2O)/M(H2O) = 9/18 = 0,5 моль => ν(H) = 2∙ν(H2O) = 2∙0,5 = 1 моль => m(H) = ν(H)∙M(H) = 1∙1 = 1 г. 3) m(O) = m(в-ва) – m(C) – m(H) = 26 – 9 – 1 = 16 г => ν(O) = m(O)/M(O) = 16/16 = 1 моль. Таким образом: x : y : z = ν(C) : ν(H) : ν(O) = 0,75 : 1 : 1 = 1 : 1,333 : 1,333 = 3 : 4: 4. Следовательно, простейшая формула может быть записана, как C3H4O4. Продуктами окисления углеводородов подкисленным раствором перманганата калия могут быть карбоновые кислоты, кетоны, а также углекислый газ. Формула C3H4O4 описывается общей формулой CnH2n-2O4. Такую общую формулу имеют предельные двухосновные карбоновые кислоты. Единственной двухосновной кислотой с формулой C3H4O4 является малоновая кислота: HOOC-CH2-COOH Тогда логично предположить, что атомы углерода, входящие в состав карбоксильных групп, до момента окисления в исходном углеводороде C5H8 образовывали кратные (двойные или тройные) связи с другими атомами углерода. Т.е. в молекуле исходного углеводорода были, как минимум, две кратные связи. Молекулярная формула C5H8 удовлетворяет общей формуле CnH2n-2. Такую общую формулу имеют алкадиены и алкины. Среди указанных классов соединений более одной кратной связи содержится в молекулах алкадиенов. Таким образом, углеводород C5H8 представляет собой алкадиен, структурную формулу которого можно записать как: Тогда уравнение получения искомого вещества окислением соответствующего углеводорода имеет вид: Задание №2 При сжигании образца органического вещества А получено 4,48 л (н.у.) углекислого газа, 0,9 г воды и 16,2 г бромоводорода. Данное вещество А может быть получено присоединением избытка брома к соответствующему углеводороду Б. Также известно, что при бромировании этого углеводорода Б в условиях недостатка брома возможно образование структурных изомеров. На основании данных условия задания: 1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества; 2) запишите молекулярную формулу органического вещества А; 3) составьте возможную структурную формулу вещества А, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле; 4) напишите уравнение реакции получения данного вещества А взаимодействием соответствующего углеводорода Б с избытком брома. Решение Ответ: Молекулярная формула искомого органического вещества: C4H6Br4 Структурная формула искомого органического вещества А: Уравнение реакции получения данного вещества А взаимодействием соответствующего углеводорода Б с избытком брома: Расчеты и пояснения: ν(CO2) = V(CO2)/Vm = 4,48/22,4 = 0,2 моль => v(C) = v(CO2) = 0,2 моль; ν(H2O) = m(H2O)/M(H2O) = 0,9/18 = 0,05 моль; ν(HBr) = m(HBr)/M(HBr) = 16,2/81 = 0,2 моль, тогда: ν(H) = 2ν(H2O) + ν(HBr) = 2∙0,05 + 0,2 = 0,3 моль; ν(Br) = ν(HBr) = 0,2 моль. Поскольку вещество А может быть получено присоединением брома к углеводороду Б, очевидно, что вещество А кислород не содержит и его общая формула может быть записана как CxHyBrz. Тогда: x : y : z = 0,2 : 0,3 : 0,2 = 1 : 1,5 : 1 = 2 : 3 : 2. Таким образом, простейшая формула вещества А – C2H3Br2. Суммарное количество атомов галогена и атомов водорода в одной молекуле галогенпроизводного углеводорода не может равняться нечетному числу. По этой причине истинная формула вещества А, очевидно, не совпадает с простейшей и кратна ей, как минимум, в 2 раза. Удвоив простейшую формулу, мы получим C4H6Br4. В таком случае исходный углеводород Б, очевидно, имеет формулу C4H6. Данная молекулярная формула вписывается в гомологический ряд соединений с общей формулой CnH2n-2. Такую формулу могут иметь алкины и алкадиены. Вариант с алкином отпадает, т.к. при частичном бромировании алкинов образование структурных изомеров невозможно. Таким образом, наиболее вероятен в качестве решения алкадиен. При этом одновременно подходят два алкадиена: бутадиен-1,3: CH2=CH-CH=CH2 и бутадиен-1,2: CH2=C=CH-CH3 По всей видимости, авторы задания подразумевали все-таки бутадиен-1,4, способный к 1,2− и 1,4-присоединению при взаимодействии с галогеном в соотношении 1:1. В таком случае уравнение получения вещества А присоединением избытка брома к соответствующему углеводороду будет иметь вид: Задание №3 При взаимодействии соли первичного амина с ацетатом серебра образуется органическое вещество А и хлорид серебра. Вещество А содержит 45,71% углерода, 13,33% азота и 30,48% кислорода по массе. На основании данных условия задания: 1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества А; 2) запишите молекулярную формулу вещества А; 3) составьте структурную формулу вещества А, которая однозначно отражает порядок связи атомов в соединении; 4) напишите уравнение реакции получения вещества А взаимодействием соли первичного амина и ацетата серебра. Решение Ответ: Молекулярная формула искомого органического вещества А: C4H11NO2 Структурная формула искомого органического вещества А: CH3COO−[C2H5-NH3]+ Уравнение реакции получения вещества А взаимодействием соли первичного амина и ацетата серебра: [C2H5-NH3]+Cl- + CH3COOAg = AgCl↓ + CH3COO-[C2H5-NH3]+ Расчеты и пояснения: Рассчитаем массовую долю углерода в веществе А: w(C) = 100% − w(N) − w(H) − w(O) = 100% − 13,33% − 10,48% − 30,48% = 45,71%. Таким образом, в 100 г вещества А: m(C) = 47,71 г; m(H) = 10,48 г; m(N) = 13,33 г; m(O) = 30,48 г. Пересчитаем массы элементов в их количества вещества: ν(C) = m(C)/M(C) = 45,71/12 = 3,81 моль, ν(H) = m(H)/M(H) = 10,48/1 = 10,48 моль, ν(N) = m(N)/M(N) = 13,33/14 ≈ 0,9521 моль, ν(O) = m(O)/M(O) = 30,48/16 = 1,905 моль. Записав формулу вещества А как CxHyNzOk, рассчитаем соотношение между атомами разных элементов: x : y : z : k = 3,81 : 10,48 : 0,9521 : 1,905 = 4 : 11 : 1 : 2. Таким образом, простейшая формула вещества А – C4H11NO2 Поскольку вещество А получается при взаимодействии соли первичного амина с ацетатом серебра, то количество атомов азота в веществе А, как и в первичном амине, должно быть равно 1. Следовательно, истинная формула вещества А совпадает с его простейшей формулой. Таким образом, молекулярная формула вещества А – C4H11NO2. Также, ввиду того что одним из продуктов является хлорид серебра, следует, что исходная соль первичного амина является солью соляной кислоты. Таким образом, записав формулу первичного амина как R-NH2, формулу соли первичного амина можно записать как [R-NH3]+Cl-. Уравнение реакции тогда будет иметь вид: [R-NH3]+Cl- + CH3COOAg = AgCl + CH3COO-[R-NH3]+ − вещество А. Зная, что формула вещества А может быть записана как C4H11NO2, а также как CH3COO-[R-NH3]+, легко определить состав углеводородного радикала R. В нем должны содержаться 2 атома углерода и 5 атомов водорода. Т.е. искомый радикал – этил С2Н5-, первичный амин имеет формулу C2H5NH2 , а формула вещества А может быть записана как: CH3COO-[C2H5-NH3]+ Уравнение реакции соли первичного амина с ацетатом серебра: [C2H5-NH3]+Cl- + CH3COOAg = AgCl↓ + CH3COO-[C2H5-NH3]+ Задание №4 Органическое вещество содержит 72% углерода и 21,33% кислорода и 6,67% водорода по массе. Данное вещество подвергается гидролизу под действием гидроксида калия с образованием двух солей. На основании данных условия задания: 1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества; 2) запишите молекулярную формулу исходного органического вещества; 3) составьте возможную структурную формулу этого вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле; 4) напишите уравнение гидролиза данного вещества в присутствии гидроксида калия. Решение Ответ: Молекулярная формула искомого органического вещества: C9H10O2 Структурная формула искомого органического вещества: Уравнение гидролиза данного вещества в присутствии гидроксида калия: Расчеты и пояснения: Пусть нам дана навеска искомого вещества массой 100 г. Тогда массы углерода, водорода и кислорода в этой навеске будут равны соответственно: m(C) = 72 г, m(H) = 6,67 г, m(О) = 21,33 г, тогда: ν(С) = m(C)/M(C) = 72/12 = 6 моль, ν(H) = m(H)/M(H) = 6,67/1 = 6,67 моль, ν(O) = m(O)/M(O) = 21,33/16 = 1,33 моль. Тогда, записав простейшую формулу искомого вещества как CxHyOz, найдем значения x, y и z: x : y : z = ν(С) : ν(H) : ν(O) = 6 : 6,67 : 1,33 = 4,5 : 5 : 1 = 9 : 10 : 2 Таким образом, простейшая формула искомого вещества может быть записана как C9H10O2. Данная формула вписывается в гомологический ряд ароматических карбоновых кислот, а также в ряд ароматических сложных эфиров с общей формулой CnH2n-8O2. Однако карбоновые кислоты не гидролизуются, следовательно, искомое вещество может представлять собой только сложный эфир. При щелочном гидролизе сложных эфиров, образованных спиртом и карбоновой кислотой, среди продуктов гидролиза образуется только одна соль − соль карбоновой кислоты. Связано это с тем, что спирты с щелочами не реагируют. В таком случае, искомое вещество может представлять собой сложный эфир, образованный карбоновой кислотой и фенолом, например, фенилпропионат. Структурная формула фенилпропионата: Уравнение гидролиза фенилпропионата в присутствии гидроксида калия: Следует отметить, что возможны и другие варианты решения. В частности, в качестве искомого вещества подходят также сложные эфиры орто-, мета- или пара-крезола и уксусной кислоты. [adsp-pro-3] Задание №5 Некоторое вещество было получено при окислении углеводорода состава С5Н8 перманганатом калия в присутствии серной кислоты. Это вещество содержит 61,54% кислорода, 34,62% углерода и 3,84% водорода по массе. На основании данных условия задания: 1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества; 2) запишите молекулярную формулу органического вещества; 3) составьте возможную структурную формулу этого вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле; 4) напишите уравнение получения этого вещества окислением соответствующего углеводорода состава С5Н8 перманганатом калия в присутствии серной кислоты. Решение Ответ: Молекулярная формула искомого органического вещества: C3H4O4 Структурная формула искомого органического вещества: Уравнение получения этого вещества окислением соответствующего углеводорода: Расчеты и пояснения: Пусть нам дана навеска искомого вещества массой 100 г. Тогда массы углерода, водорода и кислорода в этой навеске будут равны соответственно: m(C) = 34,62 г, m(H) = 3,84 г, m(О) = 61,54 г, тогда: ν(С) = m(C)/M(C) = 34,62/12 = 2,885 моль, ν(H) = m(H)/M(H) = 3,84/1 = 3,84 моль, ν(O) = m(O)/M(O) = 61,54/16 = 3,85 моль. Формулу данного соединения можно записать как CxHyOz. Таким образом: x : y : z = ν(C) : ν(H) : ν(O) = 2,885 : 3,84 : 3,85 = 1 : 1,33 : 1,33 = 3 : 4: 4 Следовательно, простейшая формула может быть записана, как C3H4O4. Продуктами окисления углеводородов подкисленным раствором перманганата калия могут быть карбоновые кислоты, кетоны, а также углекислый газ. Формула C3H4O4 описывается общей формулой CnH2n-2O4. Такую общую формулу имеют предельные двухосновные карбоновые кислоты. Единственной двухосновной кислотой с формулой C3H4O4 является малоновая кислота HOOC-CH2-COOH. Тогда логично предположить, что атомы углерода, входящие в состав карбоксильных групп, до момента окисления в исходном углеводороде C5H8 образовывали кратные (двойные или тройные) связи с другими атомами углерода. Т.е. в молекуле исходного углеводорода были, как минимум, две кратные связи. Молекулярная формула C5H8 удовлетворяет общей формуле CnH2n-2. Такую общую формулу имеют алкадиены и алкины. Среди указанных классов соединений более одной кратной связи содержится в молекулах алкадиенов. Таким образом, углеводород C5H8 представляет собой алкадиен, структурную формулу которого можно записать как: Тогда уравнение получения искомого вещества окислением соответствующего углеводорода имеет вид: Задание №6 При сгорании 16,2 г органического вещества нециклического строения получили 26,88 л (н.у.) углекислого газа и 16,2 г воды. Известно, что 1 моль этого органического вещества в присутствии катализатора присоединяет только 1 моль воды и данное вещество не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра. На основании данных условия задачи: 1) произведите вычисления, необходимые для установления молекулярной формулы органического вещества; 2) запишите молекулярную формулу органического вещества; 3) составьте структурную формулу органического вещества, которая однозначно отражает порядок связи атомов в его молекуле; 4) напишите уравнение реакции гидратации органического вещества. Решение Ответ: Молекулярная формула органического вещества: C4H6 Структурная формула органического вещества: CH3-C≡C-CH3 Уравнение реакции гидратации органического вещества: Расчеты и пояснения: ν(CO2) = V(CO2)/Vm = 26,88/22,4 = 1,2 моль => ν(C) = ν(CO2) = 1,2 моль => m(C) = M(C)∙ν(C) = 12∙1,2 = 14,4 г; ν(H2O) = m(H2O)/M(H2O)= 16,2/18 = 0,9 моль => ν(H) = 2∙ν(H2O) = 2∙0,9 = 1,8 моль => m(H) = M(H)∙ν(H) = 1,8∙1 = 1,8 г, m(O) = m(вещества) − m(C) − m(H) = 16,2 − 14,4 − 1,8 = 0, следовательно, кислорода в искомом соединении нет. Таким образом, искомое соединение представляет собой углеводород и его формулу в общем виде можно записать как CxHy. Тогда: x : y = ν(C) : ν(H) = 1,2 : 1,8 = 1 : 1,5 = 2 : 3. То есть простейшая формула искомого вещества − C2H3. Истинная формула может отличаться от простейшей в целое число раз, т.е. в нашем случае может быть записана как C2nH3n, где n − некоторое положительное целое число. Поскольку молекула любого углеводорода не может содержать нечетное число атомов водорода, то истинная формула может отличаться от рассчитанной нами простейшей лишь в четное число раз (2, 4, 6 и т.д.). Пусть истинная формула отличается от простейшей в два раза, т.е. может быть записана как C4H6. Данная формула вписывается в гомологические ряды алкинов и алкадиенов, общая формула которых имеет вид CnH2n-2. Искомое вещество не может быть алкадиеном, т.к. 1 молекула любого алкадиена из-за наличия двух кратных связей может присоединить максимум 2 молекулы воды или, что то же самое, 1 моль любого алкадиена может присоединить максимум 2 моля воды. Таким образом, искомое вещество может представлять собой алкин. Из условия известно, что искомое вещество не реагирует с аммиачным раствором оксида серебра. Следовательно, в молекуле алкина оба атома углерода, образующие тройную связь, не являются первичными. Таким образом, искомое вещество представляет собой бутин-2. Уравнение гидратации органического вещества: [adsp-pro-10]
