Учимся решать задачи на смеси органических веществ

Обобщение опыта преподавания органической химии в профильных биолого-химических классах

Одним из главных критериев усвоения химии как учебной дисциплины является умение учащихся решать расчетные и качественные задачи. В процессе преподавания в профильных классах с углубленным изучением химии это имеет особую актуальность, т. к. на всех вступительных экзаменах по химии предлагаются задачи повышенного уровня сложности. Наибольшую трудность при изучении органической химии вызывают задачи на определение количественного состава многокомпонентной смеси веществ, качественное распознавание смеси веществ и разделение смесей. Это связано с тем, что для решения таких задач необходимо глубоко понимать химические свойства изучаемых веществ, уметь анализировать, сравнивать свойства веществ разных классов, а также иметь хорошую математическую подготовку. Очень важный момент в обучении – обобщение сведений о классах органических веществ. Рассмотрим методические приемы формирования у учащихся умения решать задачи на смеси органических соединений.

Углеводороды

• Где какое вещество (качественный состав)?
• Сколько вещества в растворе (количественный состав)?
• Как разделить смесь?

ЭТАП 1. Обобщение знаний о химических свойствах углеводородов с помощью таблицы (табл. 1).

ЭТАП 2. Решение качественных задач.

Задача 1 . Газовая смесь содержит этан, этилен и ацетилен. Как доказать присутствие в данной смеси каждого из газов? Напишите уравнения необходимых реакций.

Решение

Из оставшихся газов бромную воду будет обесцвечивать только этилен:

С 2 Н 4 + Вr 2 = С 2 Н 4 Вr 2 .

Третий газ – этан – горит:

2С 2 Н 6 + 7О 2 4СО 2 + 6Н 2 О.

Таблица 1

Химические свойства углеводородов

Задача 2. Выделите в чистом виде компоненты смеси, состоящей из ацетилена, пропена и пропана. Напишите уравнения необходимых реакций.

Решение

При пропускании смеси через аммиачный раствор оксида серебра поглощается только ацетилен:

С 2 Н 2 + Аg 2 O = С 2 Аg 2 + НОН.

Для регенерации ацетилена полученный ацетиленид серебра обрабатывают соляной кислотой:

С 2 Аg 2 + 2НСl = С 2 H 2 + 2AgCl.

При пропускании оставшихся газов через бромную воду поглотится пропен:

С 3 Н 6 + Br 2 = С 3 H 6 Br 2 .

Для регенерации пропена полученный дибромпропан обрабатывают цинковой пылью:

С 3 Н 6 Вr 2 + Zn = С 3 Н 6 + ZnBr 2 .

ЭТАП 3. Решение расчетных задач.

Задача 3. Известно, что 1,12 л (н.у.) смеси ацетилена с этиленом в темноте полностью связывается с 3,82 мл брома ( = 3,14 г/мл). Во сколько раз уменьшится объем смеси после пропускания ее через аммиачный раствор оксида серебра?

Решение

С бромом реагируют оба компонента смеси. Составим уравнения реакций:

С 2 Н 4 + Br 2 = С 2 Н 4 Вr 2 ,

С 2 Н 2 + 2Вr 2 = С 2 Н 2 Вr 4 .

Обозначим количество вещества этилена через х моль, а количество вещества ацетилена через
y моль. Из химических уравнений видно, что количество вещества реагирующего брома будет в первом случае х моль, а во втором – 2y моль. Количество вещества газовой смеси:

= V /V M = 1,12/22,4 = 0,05 моль,

а количество вещества брома:

(Br 2) = V /M = 3,82 3,14/160 = 0,075 моль.

Составим систему уравнений с двумя неизвестными:

Решая систему, получим, что количество вещества этилена в смеси равно количеству вещества ацетилена (по 0,025 моль). С аммиачным раствором серебра реагирует только ацетилен, поэтому при пропускании газовой смеси через раствор Ag 2 O объем газа уменьшится ровно в два раза.

Задача 4. Газ, выделившийся при сгорании смеси бензола и циклогексена, пропустили через избыток баритовой воды. При этом получили 35,5 г осадка. Найдите процентный состав исходной смеси, если такое же ее количество может обесцветить 50 г раствора брома в тетрахлориде углерода с массовой долей брома 3,2%.

Решение

С 6 Н 10 + Br 2 = C 6 H 10 Br 2 .

Количество вещества циклогексена равно количеству вещества брома:

(Br 2) = m /M = 0,032 50/160 = 0,01 моль.

Масса циклогексена составляет 0,82 г.

Запишем уравнения реакций сжигания углеводородов:

С 6 Н 6 + 7,5О 2 = 6СО 2 + 3Н 2 О,

С 6 Н 10 + 8,5О 2 = 6СО 2 + 5Н 2 О.

0,01 моль циклогексена образует при сжигании 0,06 моль углекислого газа. Выделяющийся углекислый газ образует осадок с баритовой водой по уравнению:

СО 2 + Ba(OH) 2 = BaСО 3 + Н 2 О.

Количество вещества осадка карбоната бария (BaCO 3) = m /M = 35,5/197 = 0,18 моль равно количеству вещества всего углекислого газа.

Количество вещества углекислого газа, образовавшегося при сгорании бензола, составляет:

0,18 – 0,06 = 0,12 моль.

По уравнению реакции горения бензола рассчитываем количество вещества бензола – 0,02 моль. Масса бензола – 1,56 г.

Масса всей смеси:

0,82 + 1,56 = 2,38 г.

Массовые доли бензола и циклогексена равны соответственно 65,5% и 34,5%.

Кислородсодержащие
органические соединения

Решение задач на смеси в теме «Кислородсодержащие органические соединения» происходит аналогичным образом.

ЭТАП 4. Составление сравнительно-обобщающей таблицы (табл. 2).

ЭТАП 5. Распознавание веществ.

Задача 5. С помощью качественных реакций докажите присутствие в данной смеси фенола, муравьиной кислоты и уксусной кислоты. Напишите уравнения реакций, укажите признаки их протекания.

Решение

Из компонентов смеси фенол реагирует с бромной водой с образованием белого осадка:

С 6 Н 5 ОН + 3Вr 2 = С 6 Н 2 Вr 3 ОН + 3НВr.

Наличие муравьиной кислоты можно установить при помощи аммиачного раствора оксида серебра:

НСООН + 2Аg(NН 3) 2 ОН = 2Аg + NH 4 HCO 3 + 3NН 3 + НОН.

Cеребро выделяется в виде осадка или зеркального налета на стенках пробирки.

Если после добавления избытка аммиачного раствора оксида серебра смесь дает вскипание c раствором питьевой соды, то можно утверждать, что в смеси присутствует уксусная кислота:

СН 3 СООН + NaНСО 3 = СН 3 СООNа + СО 2 + Н 2 O.

Таблица 2

Химические свойства кислородсодержащих
органических веществ

Задача 6. В четырех пробирках без надписей находятся этанол, ацетальдегид, уксусная кислота и муравьиная кислота. При помощи каких реакций можно различить вещества в пробирках? Составьте уравнения реакций.

Решение

Анализируя особенности химических свойств данных веществ, приходим к выводу, что для решения проблемы следует воспользоваться раствором гидрокарбоната натрия и аммиачным раствором оксида серебра. Ацетальдегид реагирует только с оксидом серебра, уксусная кислота – только с гидрокарбонатом натрия, а муравьиная кислота – и с тем, и с другим реактивом. Вещество, не вступающее в реакцию ни с одним из реактивов, – этанол.

Уравнения реакций:

СН 3 СНО + 2Аg(NН 3) 2 ОН = СН 3 СООNH 4 + 2Аg + 3NН 3 + НОН,

СН 3 СООН + NаНСО 3 = СН 3 СООNа + СО 2 + НОН,

НСООН + 2Аg(NН 3) 2 ОН = 2Аg + NH 4 HСО 3 + 3NН 3 +НОН,

НСООН + NаНСО 3 = НСООNа + СО 2 + НОН.

ЭТАП 6. Определение количественного состава смеси.

Задача 7. На нейтрализацию 26,6 г смеси уксусной кислоты, ацетальдегида и этанола израсходовано 44,8 г 25%-го раствора гидроксида калия. При взаимодействии такого же количества смеси с избытком металлического натрия выделилось 3,36 л газа при н.у. Вычислите массовые доли веществ в данной смеси.

Решение

С металлическим Na будут реагировать уксусная кислота и этанол, а с КОН – только уксусная кислота. Составим уравнения реакций:

СН 3 СООН + Nа = СН 3 СООNа + 1/2H 2 , (1)

С 2 Н 5 ОН + Nа = С 2 Н 5 ONa + 1/2Н 2 , (2)

Задача 8. Смесь пиридина и анилина массой 16,5 г обработали 66,8 мл 14%-й хлороводородной кислоты ( = 1,07 г/мл). Для нейтрализации смеси потребовалось добавить 7,5 г триэтиламина. Рассчитайте массовые доли солей в полученном растворе.

Решение

Составим уравнения реакций:

С 5 Н 5 N + НСl = (С 5 Н 5 NH)Cl,

С 6 Н 5 NH 2 + НСl = (С 6 Н 5 NН 3)Cl,

(С 2 Н 5) 3 N + НСl = ((С 2 Н 5) 3 NН)Сl.

Рассчитаем количества веществ – участников реакций:

(HCl) = 0,274 моль,

((С 2 Н 5) 3 N) = 0,074 моль.

На нейтрализацию триэтиламина израсходовано также 0,074 моль кислоты, а для реакции со смесью: 0,274 – 0,074 = 0,2 моль.

Используем тот же прием, что и в задаче 3. Обозначим х – число моль пиридина и y – число анилина в смеси. Составим систему уравнений:

Решая систему, получим, что количество пиридина – 0,15 моль, а анилина – 0,05 моль. Рассчитаем количества веществ хлороводородных солей пиридина, анилина и триэтиламина, их массы и массовые доли. Они составляют соответственно 0,15 моль, 0,05 моль, 0,074 моль; 17,33 г, 6,48 г, 10,18 г; 18,15%, 6,79%, 10,66%.

ЛИТЕРАТУРА

Кузьменко Н.Е., Еремин В.В. Химия. 2400 задач для школьников и поступающих в вузы. М.: Дрофа, 1999;
Ушкалова В.Н., Иоанидис Н.В . Химия: конкурсные задания и ответы. Пособие для поступающих в вузы. М.: Просвещение, 2000.

Хлороводород в промышленности получают либо прямым синтезом из хлора и водорода, либо из побочных продуктов при хлорировании алканов (метана). Мы будем рассматривать прямой синтез из элементов.

HCl – бесцветный газ с резким, характерным запахом

t° пл = –114,8°C, t° кип = –84°C, t° крист = +57°C, т.е. хлороводород можно получать при комнатной температуре в жидком виде, увеличивая давление до 50 – 60 атм. В газовой и жидкой фазе находится в виде отдельных молекул (отсутствие водородных связей). Прочное соединение Е св = 420 кДж/моль. Начинает разлагаться на элементы при t>1500°C.

2HCl Cl 2 + H 2

Эффективный радиус HCl = 1,28 , диполь – 1,22 .

R Cl - = 1,81 , т.е. протон внедряется в электронное облако иона хлора на треть эффективного радиуса и при этом происходит упрочнение самого соединения, вследствие повышения положительного заряда вблизи ядра иона хлора и уравновешивания отталкивающего действия электронов. Все галогеноводороды образованы аналогично и являются прочными соединениями.

Хлороводород хорошо растворим в воде в любых соотношениях (в одном объеме H 2 O расторяется до 450 объемов HCl), с водой образует несколько гидратов и дает азеотропную смесь – 20,2% HCl и t° кип = 108,6°C.

Образование хлороводорода из элементов:

Cl 2 + H 2 = 2HCl

Смесь водорода и хлора при освещении взрывается, что указывает на цепной характер реакции.

В начале века Баденштейн предложил следующий механизм реакции:

Инициирование: Cl 2 + hν → ē + Cl 2 +

Цепь: Cl 2 + + H 2 → HCl + H + Cl +

H + Cl 2 → HCl + Cl

Обрыв цепи: Cl + + ē → Cl

Cl + Cl → Cl 2

Но ē в сосуде обнаружен не был.

В 1918 г. Нернст предложил другой механизм:

Инициирование: Cl 2 + hν → Cl + Cl

Цепь: Cl + H 2 → HCl + H

H + Cl 2 → HCl + Cl

Обрыв цепи: H + Cl → HCl

В дальнейшем этот механизм получил дальнейшее развитие и дополнение.

1 стадия – инициирование

реакция Cl 2 + hν → Cl + Cl

Инициируется фотохимическим путем, т.е. путем поглощения кванта света hν. Согласно принципу эквивалентности Эйнштейна каждый квант света может вызвать превращение только одной молекулы. Количественной характеристикой принципа эквивалентности является квантовый выход реакции:

– количество прореагировавших молекул приходящихся на 1 квант света.

γ в обычных фотохимических реакциях ≤1. Однако в случае цепных реакций γ>>1. Например, в случае синтеза HCl γ=10 5 , при распаде H 2 O 2 γ=4.

Если молекула Cl 2 поглотила квант света, то она находится в возбужденном состоянии

10 -8 -10 -3 сек и, если полученной с квантом света энергии хватило для превращения, то происходит реакция, если нет, то молекула снова перейдет в основное состояние, либо с испусканием кванта света (флуоресценция или фосфоресценция), либо электронное возбуждение конверсируется в энергию колебания или вращения.

Посмотрим, что происходит в нашем случае:

Е дис Н 2 = 426,4 кДж/моль

Е дис Cl 2 = 239,67 кДж/моль

Е обр HCl = 432,82 кДж/моль – без облучения реакция не идет.

Квант света имеет энергию Е кв = 41,1*10 -20 Дж. Энергия, необходимая для начала реакции (энергия активации) ровна энергии, затраченной диссоциацию молекулы Cl 2:

т.е. Е Cl2 <Е кв и энергии кванта достаточно для преодоления потенциального барьера реакции и реакция начинается.

В отличие от катализа, при котором потенциальный барьер снижается, в случае фотохимических реакций он просто преодолевается за счет энергии кванта света.

Еще одна возможность инициирования реакции – добавление паров Na в смесь H 2 +Cl 2 . Реакция идет при 100°C в темноте:

Na + Cl 2 → NaCl + Cl

Cl + H 2 → HCl + H ………

и образуется до 1000 HCl на 1 атом Na.

2 стадия – продолжение цепи

Реакции продолжения цепи при получении HCl бывают следующих типов:

1. Cl + H 2 → HCl + H E a =2,0 кДж/моль

2. H + Cl 2 → HCl + Cl E a =0,8 кДж/моль

Это звенья цепи.

Скорость данных реакций можно представить следующим образом:

W 1 = K 1 [ H 2 ]

W 2 = K 2 [ Cl 2 ]

Т.к. энергии активации этих реакций малы, то их скорости велики. Цепи в данном случае неразветвленные, а по теории неразветвленных цепей:

W развитие цепи = W ициируется фотохимическим путем, т.е. путем поглощения кванта светаобрыва,

Cl + Cl +М → Cl 2 + М,

то W обр = К 2

От реакций 1 и 2 зависит скорость получения HCl

в данном случае W 1 =W 2 , т.к.цепи достаточно длинные (из теории цепных реакций)

Данное кинетическое уравнение справедливо в отсутствие примесей в смеси H 2 + Cl 2 . Если в систему попадет воздух, то кинетическое уравнение будет иное. В частности

W обр = K, т.е. не квадратичный обрыв и ход процесса полностью меняется.

Т.к. есть вещества, являющиеся ингибиторами цепных реакций. Ингибитором реакции образования HCl является кислород:

O 2 + H → O 2 H

Этот радикал малоактивен и может реагировать только с таким же радикалом, регенерируя кислород

O 2 H + O 2 H = O 2 + H 2 O 2

Расчеты показывают, что в присутствии 1% O 2 реакция замедляется в 1000 раз. Еще более сильно замедляет скорость процесса присутствие NCl 3 , который замедляет реакцию в 10 5 раз сильнее, чем кислород. Т.к. хлорид азота может присутствовать в хлоре в процессе его получения в промышленности, необходима тщательная очистка исходного хлора перед синтезом HCl.

Даны вещества: водные растворы тетрагидроксоалюмината калия К[Аl(ОН)4], хлорида алюминия, карбоната калия, хлор. Напишите уравнения четырёх возможных реакций между этими веществами
(*ответ*) 3K + AlCl3 = 4Al(OH)3 + 3KCl
(*ответ*) 3K2CO3 + 2AlCl3 + 3H2O = 2Al(OH)3 + 3CO2 + 6KCl
(*ответ*) K + CO2 = KHCO3 + Al(OH)3
(*ответ*) 3K2CO3 + 3Cl2 = 5KCl + KClO3 + 3CO2
2AlCl3 + 2CO2 + 3H2O = Al(OH)3 + 2H2CO3 + 2HCl
Даны вещества: водные растворы тетрагидроксоцинката калия K2, пероксид натрия, уголь, углекислый газ. Напишем уравнения четырёх возможных реакций между этими веществами
(*ответ*) K2 + CO2 = K2CO3 + Zn(OH)2 + H2O
(*ответ*) 2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2
(*ответ*) CO2 + C 2CO
(*ответ*) 2Na2O2 + C Na2CO3 + Na2O
2Na2O2 + 2CO = 2Na2CO3 + 2СO2
Даны вещества: водный раствор гексагидроксохромата калия К3[Сr(ОН)6], твёрдый гипохлорит калия, оксид марганца(IV), концентрированная соляная кислота. Напишем уравнения четырёх возможных реакций между этими веществами: _
(*ответ*) 2K3 + 3KClO = 2K2CrO4 + 3KCl + 2KOH + 5H2O
(*ответ*) K3 + 6HCl = 3KCl + CrCl3 + 6H2O
(*ответ*) 4HCl + MnO2 = Cl2 + MnCl2 + 2H2O
(*ответ*) 2HCl + KClO = Cl2 + KCl + H2O
MnO2 + KClO = MnCl4 + KO
Даны вещества: карбонат натрия, концентрированный раствор гидроксида натрия, оксид алюминия, фторид фосфора(V), вода. Напишем уравнения четырёх возможных реакций между этими веществами:
(*ответ*) PF5 + 4H2O = H3PO4 + 5HF
(*ответ*) PF5 + 8NaOH = Na3PO4 + 5NaF + 4H2O
(*ответ*) Na2CO3 + Al2O3 2NaAlO2 + CO2
(*ответ*) Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na
PF5 + 2Na2CO3 = Na3PO4 + 2CO2 + NaF
Даны вещества: концентрированная азотная кислота, фосфор, сернистый газ, концентрированный раствор сульфита аммония. Напишем уравнения четырёх возможных реакций между этими веществами. В итоге получим: _
(*ответ*) P + 5HNO3 = H3PO4 + 5NO2 + H2O
(*ответ*) 2HNO3 + SO2 = H2SO4 + 2NO2
(*ответ*) (NH4)2SO3 + SO2 + H2O = 2NH4HSO3
(*ответ*) 2HNO3 + (NH4)2SO3 = (NH4)2SO4 + 2NO2 + H2O
P + SO2 = PS + O2
Даны вещества: концентрированная серная кислота, сера, серебро, хлорид натрия. Напишем уравнения четырёх возможных реакций между этими веществами. В итоге получим: _
(*ответ*) 2H2SO4 + S = 3SO2 + 2H2O
(*ответ*) H2SO4 + 2NaCl = Na2SO4 + 2HCl (или NaHSO4 + HCl)
(*ответ*) 2Ag + 2H2SO4 =Ag2SO4 + SO2 + 2H2O
(*ответ*) 2Ag+S = Ag2S
3H2SO4 + 2NaCl = 2Na + 2HCl + 3SO2 + 2H2O+ O2
Даны вещества: концентрированная хлорноватая кислота, растворы хлорида хрома(III), гидроксида натрия. Напишем уравнения четырёх возможных реакций между этими веществами. В итоге получим: _
(*ответ*) HClO3 + 2CrCl3 + 4H2O = H2Cr2O7 + 7HCl
(*ответ*) HClO3 + NaOH = NaClO3 + H2O
(*ответ*) CrCl3 + 3NaOH = Cr(OH)3 + 3NaCl
(*ответ*) CrCl3 + 6NaOH = Na3 + 3NaCl
CrCl3 + 8NaOH = Na4 + 4NaCl
Даны вещества: хлор, концентрированная азотная кислота, растворы хлорида железа(II), сульфида натрия. Напишем уравнения четырёх возможных реакций между этими веществами. В итоге получим: _
(*ответ*) 2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3
(*ответ*) Na2S + FeCl2 = FeS + 2NaCl
(*ответ*) Na2S + 4HNO3 = S + 2NO2 + 2NaNO3 + 2H2O
(*ответ*) FeCl2 + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO2 + 2HCl + H2O
2HNO3 + Cl2 = 2HCl +2NO2 +H2O
Даны вещества: хлорид фосфора(III), концентрированный раствор гидроксида натрия, хлор. Напишем уравнения четырёх возможных реакций между этими веществами. В итоге получим: _
(*ответ*) PCl3 + 5NaOH = Na2PHO3 + 3NaCl + 2H2O
(*ответ*) PCl3 + Cl2 = PCl5
(*ответ*) 2NaOH + Cl2 = NaCl + NaClO + H2O
(*ответ*) 6NaOH (горячий) + 3Cl2 = 5NaCl + NaClO3 + 3H2O
4NaOH + 2Cl2 = 4NaCl + H2O + O3
Используя метод электронного баланса, составим уравнение реакции: Cl2 + NaI + H2O ® NaIO3 + … и определим окислитель и восстановитель. В итоге получим: _
(*ответ*) уравнение реакции 3Cl2 + NaI + 3H2O = NaIO3 + 6HCl
(*ответ*) окислитель - хлор
(*ответ*) восстановитель - йод
уравнение реакции 2Cl2 + NaI + 2H2O = NaIO3 + 4HCl
восстановитель - хлор
окислитель - йод