«Задачи по химии»

Дополнительно известно:

• Соединение B является неустойчивым промежуточным продуктом;

• C является ценным растворителем, используется для хранения и транспортировки ацетилена (в 1 л C растворяется до 250 л ацетилена), молекулярная масса C меньше, чем D;

• Соединения E и F являются изомерами, причём в молекуле E образуется внутримолекулярная водородная связь, а в молекуле F – нет.

Приведите структурные формулы соединений А–F, Х и Y.

Задание 2. Азотистая кислота – малоустойчивое соединение, однако её можно генерировать in situ (в реакционной колбе) добавлением сильной кислоты к нитриту натрия или другого щелочного металла. Неустойчивость азотистой кислоты во многом связана с тем, что в условиях её генерации она может протонироваться далее с образованием катиона H2NO2+, который реагирует с нуклеофильными частицами как источник катиона NO+. С другой стороны, именно эта способность является основой использований азотистой кислоты.

В трёх колбах находились водно-метанольные растворы триметиламина (колба А), диметиламина (колба В) и метиламина (колба С). В каждую добавили раствор нитрита натрия и соляную кислоту. Протекание реакции в одной колбе было видно невооружённым глазом, однако при исследовании её содержимого после окончания реакции никаких продуктов найти не удалось. Анализ содержимого другой колбы после проведения эксперимента показал наличие соединения D, содержащего, по данным элементного анализа, 37,8 % азота. В третьей колбы никаких следов протекания реакции поначалу обнаружено не было. Однако когда анализ повторили через несколько дней, в ней, наряду с исходным субстратом, было найдено некоторое количество соединения D, а также новое соединение Е.

1. Объясните полученные результаты. Напишите уравнения реакций, протекавших в каждой колбе.

Не все первичные амины ведут себя одинаково в реакциях с азотистой кислотой. Например, при обработке нитритом натрия и соляной кислотой этилового эфира глицина образуется соединение F, содержащее 42,1 % С.

Задание 3. Соединения, содержащие связь С=О, чрезвычайно важны как в крупнотоннажной химической промышленности, так и в тонком органическом синтезе, а также играют огромную роль в химии живого. Это обусловлено высокой реакционной способностью карбонильных соединений по отношению к различным нуклеофильным реагентам. Так, при взаимодействии альдегидов и многих кетонов с цианидом натрия или калия образуются так называемые циангидрины. Например, из уксусного альдегида с помощью этой реакции можно получить широкоиспользуемый полимер P и молочную кислоту М:

1. Напишите структурные формулы соединений А, В и М. Укажите мономерное звено полимера P.

Однако некоторые альдегиды при действии цианид-иона не образуют циангидрины. Так, при нагревании бензальдегида с NaCN образуется соединение С, содержащее 72,4 % углерода, 5,2 % водорода и 13,8 % кислорода по массе.

2. Напишите структурную формулу С, учитывая, что при действии на С периодата натрия образуется только исходный бензальдегид, а при обработке 1 г С гидридом натрия выделяется 96,6 мл водорода.

В 1850 г. Штрекер хотел получить молочную кислоту, проведя вышеупомянутую реакцию уксусного альдегида с цианид-ионом, используя в качестве источника последнего HCN и водный аммиак. Однако после гидролиза первичного продукта он, к своему удивлению, получил не молочную кислоту, а соединение D (C = 40,45 %), хорошо растворимое в воде и играющее важную роль в жизнедеятельности человека.

3. Напишите структурные формулы частиц, в виде которых соединение D присутствует в водных растворах при pH 0, рН 7 и рН 12.

Задание 4. Жили-были однажды муж с женой – молодые химики, и был у них сынишка Иванушка. Уехала однажды мама в командировку и оставила молодого папу на хозяйстве. Квартиру убери, поесть приготовь, в магазин сходи, да ещё студентам контрольную приготовить надо. Плачет брошенный Иванушка, надрывается. И тут осенило химика: соски-пустышки сыну не хватает! А из чего пустышки делают? Или из латекса натурального каучука, или из каучука синтетического.

1. Приведите структурную формулу мономерного звена натурального каучука. 2. Напишите схемы реакций, протекающих при вулканизации ди-трет-бутилпероксидом синтетического бутадиенстирольного каучука. 3. Приведите структуру мономерного звена силиконового каучука, если его брутто-формула (C2H6O3Si)n.

Изготовили Иванушке пустышку по спецзаказу, а он всё равно плачет. Осмотрел его папаша – ба, а пелёнки-то мокрые! Раз постирал, два постирал – надоело! Надо бы подгузник сынишке сделать. А из чего? 4. Для изготовления впитывающих материалов раньше использовались доступные природные материалы, такие как хлопок или высушенный мох. Из какого полимера построены эти материалы? К какому классу органических веществ он относится?

Задание 5. Определите, какие два вещества вступили в химические реакции, если в результате их протекания получены следующие продукты (указаны без коэффициентов):

А) ; Б) ;

В) ; Г) ;

Д) .

Напишите уравнения этих реакций.

Задание 6. При крекинге предельного углеводорода образовалась смесь двух углеводородов, содержащих одинаковое число атомов углерода. Плотность смеси по водороду равна 28,5.

1. Установите строение исходного углеводорода и продуктов крекинга.

2. Напишите уравнения крекинга алкана.

3. Ответьте на следующие вопросы:

• С какой целью в промышленности осуществляется крекинг высококипящих нефтяных фракций?

• Какие виды крекинга осуществляют в промышленности?

• Какой еще способ переработки нефти применяют в промышленности? Что лежит в основе этого метода?

Задание 7. При хлорировании алкана получена смесь двух монохлорпроизводных и трех дихлорпроизводных.

1.Установите возможное строение алкана и назовите его.

2.Напишите структурные формулы продуктов хлорирования.

3. Назовите продукты реакции.

4. Ответьте на следующие вопросы:

• К какому типу реакций относится реакция хлорирования алканов и в каких условиях проводят эту реакцию?

• Имеются ли различия в реакционной способности различных СН- связей данного алкана в реакции хлорирования?

Задание 8. К 1,12 л бесцветного газа (н.у.), полученного из карбида кальция и воды, присоединили хлороводород, образовавшийся при действии концентрированной серной кислоты на 2,93г поваренной соли. Продукт присоединения хлороводорода полимеризовался с образованием 2,2 г полимера. Написать уравнения протекающих реакций.

1. Какое соединение было получено из карбида кальция?

2. Какой полимер был получен и какие названия этого полимера вам известны?

3. Каков выход превращения мономера в полимер (в % от теоретического)?

4. Какими свойствами обладает и где находит применение данный полимер?

Задание 9. Органическое стекло представляет собой термопластичный полимер, полученный из метилового эфира метакриловой кислоты – простейшей непредельной карбоновой кислоты с разветвленным скелетом.

1. Напишите уравнение реакции образования оргстекла.

2. Дайте название полимера.

3. Может ли оргстекло использоваться повторно после его термической переработки?

4. Где используется оргстекло?

5. Какие свойства оргстекла обуславливают его широкое применение?

6. В чем отличие свойств оргстекла от свойств силикатного стекла?

Задание 10. Этиловый эфир n-аминобензойной кислоты применяется в медицине под названием анестезин.

1. Какими способами можно синтезировать это соединение, исходя из n-нитротолуола?

2. Обоснуйте последовательность стадий предложенных способов синтеза.

Дайте названия всех представленных реакций и продуктов этих реакций.

Задание 11. Сегодня нашу жизнь невозможно представить без пластмассовых изделий и синтетических волокон: корпус ручки, которой Вы сейчас пишете, яркая кофточка на симпатичной девушке, что Вы встретили вчера, жевательная резинка, которую усердно жует сосед слева, клавиатура ноутбука автора этой задачи – все это сделано из высокомолекулярных продуктов крупнотоннажной химической промышленности. Ниже приведена некоторая информация о пяти распространенных синтетических полимерах I V.

Поли-мер Название или аббревиатура Промышленная схема получения

I ПВХ

II ПС

III ПЭТ, лавсан

IV, V ?, ?

1. Приведите структурные формулы промежуточных продуктов А – З, а также структурные формулы элементарных звеньев полимеров I IV (без учета стереоизомеров).

2. Расшифруйте аббревиатуры названий полимеров I III. От каких слов образовано название "лавсан"? Укажите названия полимеров IV и V. Как называется процесс превращения IV в V под действием серы? Какой из полимеров I IV образовался в результате реакции поликонденсации?

Задание 12. Рассмотрите цепочку превращений:

1) А = Б + В

2) Б + С2Н5Cl = Г

3) Г + С2Н5Cl = Д + А

4) Б + TiCl4 = А + Е

5) Б + С4Н8Cl2 = А + Ж

6) Б + N2O4 = И + NO

1. Расшифруйте вещества А – И, если известно, что вещество А придает

горький вкус морской воде, Б, В, и Е являются простыми веществами. Реакции 1 и 4 проходят при высокой температуре. Реакция 1 идет под действием постоянного электрического тока. Реакцию 2 проводят в диэтиловом эфире.

1. Напишите уравнения реакций 1 – 6.

Что может представлять собой вещество Ж? Назовите его.

Задание 13. При исследовании присоединения бромистого водорода к соединению А (в соотношении 1 : 1) образуются 2 изомерных продукта В и С, содержащих 79,2% брома, а также углерод и водород, причем В содержит асимметрический атом углерода, а С имеет в спектре ПМР два сигнала от двух типов протонов. Реакция была исследована различными группами ученых, которые получили разное соотношение продуктов. Обнаружено, что в присутствии гидрохинона (1,4-дигидроксибензола) образуется преимущественно изомер В.

1. Установите структуру соединений А, В, С. Объясните однозначность вашего

выбора.

2. Объясните, почему различными группами ученых были получены разные

результаты. Какие условия необходимо соблюдать в данной реакции для преимущественного получения С ?

Задание 14. Мы привыкли к тому, что окружающие нас углеводородные полимеры (полиэтилен, поли-стирол, полипропилен, каучук и т.д.) не проводят электрический ток и используются для изоляции токонесущих элементов. Однако полимеры и полимерные материалы могут выступать не только в роли изоляторов, но и полупроводников и проводников. Нобелевская премия по химии за 2000 год была вручена профессорам Алану Хигеру (США), Алану Мак-Диармиду (США) и Хидеки Шикарава (Япония) за тридцатилетний цикл исследований в области электрической проводимости полимерных материалов. Попробуйте реконструировать часть химического содержания их исследования.

Первый токопроводящий полимер был получен в 1974 году в виде серебристых (полимер А1 –группа ученых из США) или золотистых (А2 – группа японских химиков) кристаллов. В обоих случаях полимер А получался каталитической полимеризацией широко используемого в органическом синтезе газа В. Полимеры А1 и А2 имеют одинаковый количественный состав, а именно: 92,26% углерода и 7,74% водорода (по массе).

Другой токопроводящий полимер С (полипарафенилен) тоже может быть получен исходя из газа В, но в несколько стадий:

Электрическая проводимость углеводородных полимеров А1, А2 и полипарафенилена соответствует проводимости полупроводников, однако обработка их йодом или металлическим натрием приводит к тому, что проводимость продукта реакции возрастает и приближается к электропроводимости металлов.

1. Приведите формулы структурных звеньев полиэтилена, полистирола,

полипропилена и природного каучука.

Примечание: название стирола по систематической номенклатуре винилбензол (фенилэтилен).

2. Определите простейшую формулу полимеров А1, А2, газа В.

3. Определите формулу газа В, предложите структурную формулу

элементарного структурного звена полимеров А1, А2.

4. Чем можно объяснить различия во внешнем виде двух полимеров с

одинаковым количественном составом?

5. Расшифруйте цепочку превращений. Запишите структурные формулы

веществ D-Q.

6. Чем может объясняться электропроводность упомянутых в условии задачи

полимеров? Почему их проводимость резко возрастает при обработке натрием или йодом?

Решение 8

1. Ацетилен (этин).

Поливинилхлорид, (ПВХ), поли(1-хлорэтилен), винил, вестолит, хосталит, виннол, корвик, сикрон, джеон, ниппеон, сумилит, луковил, хелвик, норвик, PVС).

3. Взято ацетилена – 0,05 моль и хлорида натрия 0,05 моль, а хлороводорода получено 0,05 моль.

Следовательно должно было получиться 0,05 моль мономера – винилхлорида или 62,5х0,05=3,125(г), такая же масса полимера теоретически должна была получиться. Таким образом выход превращения мономера в полимер составил (2,2 г:3,125г)х100 %=70,4 % .

5. Поливинилхлорид — пластмасса белого цвета, термопластичный полимер. Отличается химической стойкостью к щелочам, минеральным маслам, многим кислотам и растворителям. Не горит на воздухе, но обладает малой морозостойкостью (-15 °C). Нагревостойкость: +65 °C. Применяется для электроизоляции проводов и кабелей, производства листов, труб (преимущественно хлорированный поливинилхлорид), пленок, пленок для натяжных потолков, искусственных кож, поливинилхлоридного волокна, пенополивинилхлорида, линолеума, обувных пластикатов, мебельной кромки и т. д. Также применяется для производства грампластинок (т. н. виниловых), профилей для изготовления окон и дверей.

Поливинилхлорид также часто используется в одежде и аксессуарах для создания подобного коже материала, отличающегося гладкостью и блеском.

Поливинилхлорид используют как уплотнитель в бытовых холодильниках, вместо относительно сложных механических затворов. Это дало возможность применить магнитные затворы в виде намагниченных эластичных вставок, помещаемых в баллоне уплотнителя.

Задание 9

Органическое стекло представляет собой термопластичный полимер, полученный из метилового эфира метакриловой кислоты – простейшей непредельной карбоновой кислоты с разветвленным скелетом.

1. Напишите уравнение реакции образования оргстекла.

2. Дайте название полимера.

3. Может ли оргстекло использоваться повторно после его термической переработки?

4. Где используется оргстекло?

5. Какие свойства оргстекла обуславливают его широкое применение?

6. В чем отличие свойств оргстекла от свойств силикатного стекла?

Решение 9

2. Полиметилметакрилат, (ПММА), оргстекло, акрил, плексиглас.

3. Может использоваться повторно после его переработки.

4. Области применения: осветительная техника (плафоны, перегородки, лицевые экраны, рассеиватели) наружная реклама (лицевые стекла для коробов, световых букв, формованные объемные изделия) торговое оборудование (подставки, витрины, ценники) сантехника (оборудование ванных комнат) строительство и архитектура (остекление проемов, перегородки, купола, танц-пол, объемные формованные изделия, аквариумы) транспорт (остекление самолетов, катеров, обтекатели) приборостроение (циферблаты, смотровые окна, корпуса, диэлектрические детали, емкости). ПММА нашёл широкое применение в офтальмологии: из него делаются жёсткие интраокулярные линзы (ИОЛ), которых в настоящее время имплантируется в мире до нескольких миллионов штук в год.

5. Легкость (почти в 2,5 раза легче обычного стекла), влагоустойчивость, ударопрочность, стойкость к атмосферным воздействиям, термопластичность, легко обрабатывается, высокая устойчивость к старению. Экологически чистый материал, не продуцирует никаких токсических веществ. Термопластичный полимер.

6. По сравнению с силикатным стеклом оргстекло обладает жесткостью и механической прочностью, легко обрабатывается (его можно резать, сверлить, гнуть, склеивать, формовать, окрашивать, также почти в 2,5 раза легче обычного стекла.

Задание 10

Этиловый эфир n-аминобензойной кислоты применяется в медицине под названием анестезин.

1. Какими способами можно синтезировать это соединение, исходя из n-нитротолуола?

2. Обоснуйте последовательность стадий предложенных способов синтеза.

Дайте названия всех представленных реакций и продуктов этих реакций.

Решение 10

1.

2. Проведение превращений в соответствии последовательности схемы 1 состоит в этерификации карбоксильной группы после восстановления нитрогруппы. По второму способу указанные превращения проводятся в обратном порядке: сначала восстанавливают нитрогруппу, затем окисляют метильную группу до карбоксильной и полученную n-аминобензойную кислоту переводят в эфир. Перед реакцией окисления необходимо защитить аминогруппу ацилированием. Очевидно, первый способ менее трудоемок, так как включает меньше стадий.

3. 1 способ: реакции – окисление, этерификация, восстановление;

названия продуктов реакций – n-нитробензойная кислота, этиловый эфир n-нитробензойной кислоты или этил- n-нитробензоат, этиловый эфир n-аминобензойной кислоты или этил- n-аминобензоат.

2 способ: реакции – восстановление, ацилирование, окисление, гидролиз, этерификация;

названия продуктов реакций: n-аминотолуол, n-(N-ацетоамино)толуол, n-аминобензойная кислота, этиловый эфир n-аминобензойной кислоты или этил- n-аминобензоат.

Задача 11

Сегодня нашу жизнь невозможно представить без пластмассовых изделий и синтетических волокон: корпус ручки, которой Вы сейчас пишете, яркая кофточка на симпатичной девушке, что Вы встретили вчера, жевательная резинка, которую усердно жует сосед слева, клавиатура ноутбука автора этой задачи – все это сделано из высокомолекулярных продуктов крупнотоннажной химической промышленности. Ниже приведена некоторая информация о пяти распространенных синтетических полимерах I V.

Поли-мер Название или аббревиатура Промышленная схема получения

I ПВХ

II ПС

III ПЭТ, лавсан

IV, V ?, ?

1. Приведите структурные формулы промежуточных продуктов А – З, а также структурные формулы элементарных звеньев полимеров I IV (без учета стереоизомеров).

2. Расшифруйте аббревиатуры названий полимеров I III. От каких слов образовано название "лавсан"? Укажите названия полимеров IV и V. Как называется процесс превращения IV в V под действием серы? Какой из полимеров I IV образовался в результате реакции поликонденсации?

Решение 11 (автор Ильин М.А.)

Промышленным методом получения ацетилена (схема получения полимера I) является кратковременное нагревание метана до высокой температуры (~1600 С). При взаимодействии ацетилена с газообразным сухим хлороводородом происходит электрофильное присоединение по тройной связи и образуется винилхлорид (продукт А), который является мономером для получения известного полимера – поливинилхлорида (полимер I, ПВХ):

Рассмотрим схему получения полимера II. При взаимодействии бензола с этиленом в присутствии кислоты Льюиса (в данном случае – AlCl3) образуется этилбензол (Б). Заметим, что молекулярные формулы этилбензола (С8Н10) и продукта В (C8H8) различаются на два атома водорода, следовательно, при нагревании паров этилбензола до 600 С над железохромовом катализатором происходит дегидрирование и образуется стирол (винилбензол, В). В присутствии органических пероксидов (например, пероксида бензоила) происходит радикальная полимеризация стирола, приводящая к полистиролу (полимер II, ПС):

Основным продуктом жидкофазного каталитического окисления пара ксилола кислородом (верхняя часть схемы получения полимера III) является терефталевая кислота (Г, С8Н6О4):

При окислении этилена кислородом в присутствии катализатора (серебро, нанесенное на корундовый носитель) образуется этиленоксид (продукт Д), последующая гидратация которого приводит к образованию простейшего двухатомного спирта – этиленгликоля (Е):

Нагреванием этиленгликоля и терефталевой кислоты получают полимер III – полиэтилентерефталат (ПЭТ). Сейчас этот полимер широко используется для производства небьющихся пластиковых бутылок, а волокно, формируемое на основе этого полимера называется лавсан (сокращенное от "Лаборатория высокомолекулярных соединений Академии наук СССР").

При гидратации этилена образуется этиловый спирт (Ж), который на смешанном оксидном катализаторе при нагревании претерпевает одновременно дегидрирование и дегидратацию – это один из способов получения бутадиена 1,3 (по Лебедеву) (З). Полученный диен в результате каталитической полимеризации (под действием металлического натрия) превращается в каучук (бутадиеновый, или натрийбутадиеновый, каучук), полимер IV:

.

При нагревании смеси каучука с серой его макромолекулы сшиваются между собой мостиковыми атомами серы, этот процесс называют вулканизацией. При вулканизации каучука в зависимости от содержания серы получают резину или эбонит (полимер V, любое из названий считается полным верным ответом).

Образование макромолекул полимеров из мономеров возможно при протекании двух различных процессов – полимеризации и поликонденсации. Если при полимеризации превращение мономера в полимер происходит без выделения каких-либо соединений, то реакция поликонденсации сопровождается выделением низкомолекулярных продуктов – воды, аммиака, хлороводорода и т. д. Единственный полимер среди I IV, который при образовании из мономеров дает низкомолекулярный продукт (вода), – полиэтилентерефталат.

Задание 12

Рассмотрите цепочку превращений:

1) А = Б + В

2) Б + С2Н5Cl = Г

3) Г + С2Н5Cl = Д + А

4) Б + TiCl4 = А + Е

5) Б + С4Н8Cl2 = А + Ж

6) Б + N2O4 = И + NO

1. Расшифруйте вещества А – И, если известно, что вещество А придает

горький вкус морской воде, Б, В, и Е являются простыми веществами. Реакции 1 и 4 проходят при высокой температуре. Реакция 1 идет под действием постоянного электрического тока. Реакцию 2 проводят в диэтиловом эфире.

1. Напишите уравнения реакций 1 – 6.

Что может представлять собой вещество Ж? Назовите его.

Решение 12

Горький вкус морской воде придают соединения магния. Поскольку при электролизе расплава вещества А получается два простых вещества, то очевидно, что это галогенид магния, а именно его хлорид, как это следует из реакции 4. При взаимодействии с хлорэтаном идет реакция присоединения. Поскольку в реакции образуется только одно вещество, то вещество Г – продукт присоединения магния – магнийорганическое соединение (реактив Гриньяра)

А – MgCl2

Б – Mg

В – Cl2

Г – C2H5MgCl

Д – C4H10

Е – Ti

Ж – C4H8

И – Mg(NO3)2

1) MgCl2→ Mg +Cl2

2) Mg + C2H5Cl→ C2H5MgCl

3) C2H5MgCl + C2H5Cl → C4H10 + MgCl2

4) 2Mg + TiCl4 → 2 MgCl2 + Ti

5) Mg + C4H8Cl2→ C4H8 + MgCl2

6) Mg + 2 N2O4 → Mg (NO3)2 + 2NO

В зависимости от взаимного расположения атомов хлора в молекуле C4H8Cl2 могут получаться различные продукты.

В случае, если атомы хлора расположены у одного атома углерода, в заметных количествах может образовываться октен.

Если атомы хлора расположены у двух соседних атомов углерода, получаются изомеры бутана: СН2 = СН - СН2 - СН3 (бутен-1) или СН3 - СН = СН - СН3 (бутен-2). Когда атомы хлора находятся через два атома углерода, в незначительных количествах может получиться циклический углеводород - циклобутан.

Задание 13

При исследовании присоединения бромистого водорода к соединению А (в соотношении 1 : 1) образуются 2 изомерных продукта В и С, содержащих 79,2% брома, а также углерод и водород, причем В содержит асимметрический атом углерода, а С имеет в спектре ПМР два сигнала от двух типов протонов. Реакция была исследована различными группами ученых, которые получили разное соотношение продуктов. Обнаружено, что в присутствии гидрохинона (1,4-дигидроксибензола) образуется преимущественно изомер В.

1. Установите структуру соединений А, В, С. Объясните однозначность вашего

выбора.

2. Объясните, почему различными группами ученых были получены разные

результаты. Какие условия необходимо соблюдать в данной реакции для преимущественного получения С ?

Решение 13

Если полученные соединения содержат по 1 атому брома, то молекулярная масса М (В) = М (С) = 80 г/моль∙100г/79,2г = 101,01 г/моль. Тогда на С и Н остается 101 – 80 = 21, но такого вещества быть не может. Если (А) содержало 1 атом брома, тогда (В) и (С) содержат по два атома брома, и молекулярная масса продуктов составит М = 160/0,792 = 202,02. В этом случае на С и Н остается 202 - 160 = 42, что может соответствовать только С3Н6.

Тогда состав (А) – С3Н5Вr.

Строение (А), удовлетворяющее условию задачи:

(В) содержит асимметрический атом углерода, а (С) имеет в спектре ПМР два сигнала от двух типов протонов.

Ученые получали разное соотношение продуктов, поскольку проводили реакции в разных условиях.

Органическая жидкость (А) хорошо растворяет кислород из воздуха, а, как известно, присутствие кислорода в реакционной смеси способствует течению реакции по радикальному механизму (с нарушением правила Марковникова).

Гидрохинон – сильный восстановитель, он взаимодействует с растворенным кислородом, подавляя тем самым радикальный процесс. Поэтому в присутствии гидрохинона преимущественно образуется (В), а в присутствии перекисей – (С).