|
|
Статьи Соросовского Образовательного журнала в текстовом формате
ЗАДАЧА 1
Юный химик собрал прибор для получения углекислого газа. Он засыпал в прибор мрамор, но вместо отсутствующей соляной кислоты взял 20%-ную серную кислоту.
1. Что изменится в процессе выделения газа по сравнению с прибором, в котором используются мрамор и соляная кислота?
2. Что изменится, если вместо серной кислоты взять: а) 20%-ную фосфорную; б) 20%-ную азотную кислоту?
1. Реакция скоро замедлится из-за образования пленки малорастворимого сульфата кальция (растворимость - 202 мг в 100 г воды при 18?С). Разумеется, кислый сульфат кальция более растворим, но он образуется "со стороны кислоты"; непосредственно поверхность мрамора покрывается средним сульфатом (избыток мрамора - источника кальция).
2. а) Реакция замедлится раньше и практически остановится. Растворимость среднего фосфата кальция составляет только 4 мг в 100 г воды.
б) Реакция будет идти быстро, как и с соляной кислотой. Растворимость нитрата кальция велика (120 г соли на 100 г воды при комнатной температуре). Кстати, при работе с более концентрированной азотной кислотой, например 40%-ной, при отсутствии перемешивания реакция тоже замедляется из-за окружения мрамора концентрированным раствором нитрата кальция.
ЗАДАЧА 2
В лаборатории имеются высшие оксиды элементов ╧ 34 и ╧ 52.
1. Какой из оксидов является более сильным окислителем и почему?
2. Какие вещества могут получиться при реакции этих оксидов с водой?
3. Какой из продуктов реакции высших оксидов с водой является более сильной кислотой и почему?
1. SeO3 - более сильный окислитель, чем TeO3 , так как более крупный атом теллура слабее удерживает электроны. Известно, что концентрированная селеновая кислота - более сильный окислитель, чем концентрированная серная кислота, поскольку реагирует с соляной кислотой с выделением хлора. Триоксид теллура - гораздо более слабый окислитель, поскольку в отличие от триоксидов серы и селена отщепляет кислород при прокаливании.
2. Формально H2SeO4 и H2TeO4 , реально H2SeO4 и H6TeO6 (или Te(OH)6).
3. H2SeO4 - более сильная кислота, так как электронная плотность на кислороде группы OH меньше в H2SeO4 , чем в H6TeO6 в силу меньшей разности электроотрицательностей Se-O по сравнению с Te-O. Кроме того, чем больше основность кислоты, тем она слабее. Так, селеновая кислота в растворах диссоциирует подобно серной, а теллуровая - настолько слабая, что не титруется щелочью и не имеет кислого вкуса.
Ответ: 1. SeO3 .
2. H2SeO4 и H6TeO6 .
3. H2SeO4 .
ЗАДАЧА 3
Начинающий лаборант пытался отмыть внутренние детали высоковакуумного диффузионно-масляного насоса от смолистого слоя нагара. Он спросил у опытного лаборанта, чем тот так здорово отмыл колбы от смолистых остатков синтеза. Опытный лаборант посоветовал замочить насос в 40%-ном растворе едкого натра (для мытья лабораторной стеклянной посуды этот способ действительно эффективен). Начинающий лаборант так и поступил. В корпус насоса (из нержавеющей стали) он залил 40%-ную щелочь и поставил в закрытую кладовку, чтобы кто-нибудь не пострадал от едкого реактива.
Через сутки лаборант вылил раствор щелочи из насоса; в насосе не осталось ни смолы, ни_ самих внутренних деталей!
1. Из какого металла могли быть сделаны внутренние детали насоса?
2. Какие продукты и в каких количествах (в граммах) образовались из деталей насоса, если известно, что масса сухого насоса уменьшилась на 360 г?
3. Что могло произойти, когда лаборант открыл кладовку и включил в ней свет?
1. Растворимые в концентрированном растворе щелочи металлические детали могли быть изготовлены из цинка или алюминия. На самом деле - из алюминия как менее летучего в вакууме. Давление паров цинка даже при комнатной температуре слишком велико (10- 7 мм рт. ст.), чтобы этот металл можно было использовать в высоковакуумном оборудовании. Тем не менее формально правильными можно считать оба ответа.
2. Если детали сделаны из цинка, то из 360 г металла (5,54 моля) по реакции
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2
получится 11 г H2 и 992 г Na2[Zn(OH)4].
Если детали сделаны из алюминия, то из 360 г металла (13,3 моля) по реакции
Al + 3NaOH + 3H2O = Na3[Al(OH)6] + 1,5H2
получится 40 г H2 и 2640 г Na3[Al(OH)6].
3. От искры в электровыключателе может взорваться смесь водорода с воздухом. Получившиеся из алюминия 40 г (20 молей) водорода занимают объем 448 л при н.у. Смеси воздуха с водородом взрывчаты при содержании водорода от 6 до 70% по объему. Следовательно, 448 л, или 0,448 м3, водорода взрывоопасны при объеме кладовки: 0,448/0,06 = = 7,46 м3 или меньше. В случае цинка опасности взрыва нет, так как концентрация образовавшегося водорода слишком мала.
Ответ: 1. Zn или Al.
2. 11 г H2 и 992 г Na2[Zn(OH)4] или
40 г H2 и 2640 г Na3[Al(OH)6 .
ЗАДАЧА 4
Юный химик растер в ступке серу с красным фосфором и оставил все это на воздухе. Через несколько дней вещество в ступке расплылось. Юный химик его понюхал и поморщился.
1. Какие химические реакции могли происходить в ступке?
2. Какие правила техники безопасности нарушил юный химик?
1. При растирании красного фосфора с серой на воздухе возможно как усиленное окисление самих простых веществ, прежде всего фосфора, так и взаимодействие между ними с образованием сульфидов. Наиболее вероятные реакции:
2P + 2,5O2 + 3H2O = 2H3PO4
2P + 5S = P2S5
4P + 3S = P4S3
4P + 7S = P4S7
Сульфиды фосфора P2S5 и P4S7 разлагаются во влажном воздухе; тем более они будут разлагаться в быстро намокающей из-за окисления и образования фосфорной кислоты смеси:
P2S5 + 8H2O = 2H3PO4 + 5H2S
Кроме сероводорода могут образовываться и полисульфиды водорода типа H2Sn; в любом случае запах у смеси будет неприятный.
2. Юный химик нарушил правила работы с огнеопасными и горючими веществами. В сухом воздухе образующийся сульфид P4S3 может воспламеняться уже при 100?С, то есть в процессе дальнейшего растирания. При намокании смесь становится менее огнеопасной, но более ядовитой из-за выделения сероводорода. Подобные смеси вообще не рекомендуется хранить, их нужно использовать сразу после приготовления.
ЗАДАЧА 5
Неизвестный газ Х в 14 раз тяжелее водорода. В прочный сосуд напустили 0,56 л газа Х и 2,8 л кислорода (н.у.). При пропускании электрической искры в сосуде произошла вспышка. Для того чтобы полностью поглотить все продукты реакции, понадобилось 25 г 8%-ного раствора едкого натра, при этом масса раствора, содержащего только одно растворенное вещество, стала равна 28,1 г.
1. Определите формулу газа Х.
2. Определите массовую долю вещества в полученном растворе.
1. Молекулярная масса газа 14 " 2 = 28. Такую молекулярную массу имеют азот, оксид углерода (II) CO и этилен C2H4 . Азот не подходит, так как он не вспыхивает в кислороде. Выбор газа делаем на основе реакции со щелочью. В 25 г 8%-ного едкого натра содержится 2 г NaOH, или 0,05 моля. 0,56 л газа составляет 0,025 моля. Если это CO, то щелочь оказывается в избытке. Прибавка массы раствора щелочи составляет
28,1 - 25 = 3,1 г.
Это больше, чем масса 0,025 моля углекислого газа (1,1 г). Следовательно, газ Х - этилен C2H4 . Реакция горения
C2H4 + 3O2 = 2CO2 + 2H2O
2. Из 0,025 моля этилена получается 0,05 моля CO2 , следовательно, из 0,05 моля щелочи получилась кислая соль
CO2 + NaOH = NaHCO3
Общая прибавка массы произошла за счет углекислого газа и воды. Массовая доля гидрокарбоната натрия: 0,05 моля или 4,2 г соли в 28,1 г раствора - 15,0% NaHCO3 .
Ответ: 1. Х = C2H4 .
2. 15,0% NaHCO3 .
ЗАДАЧА 6
Разрекламированную добавку в жевательные резинки - карбамид (мочевину) в промышленности синтезируют из углекислого газа и аммиака. Формула продукта (NH2)2CO.
1. Напишите уравнение реакции синтеза карбамида. Какие условия способствуют образованию карбамида?
2. Почему добавка карбамида в жевательную резинку может понижать кислотность? Напишите уравнение реакции карбамида с кислотой.
1. 2NH3 + CO2 = (NH2)2CO + H2O
Этой реакции согласно принципу Ле-Шателье должно способствовать повышенное давление. На практике углекислый газ реагирует с водным аммиаком при 100 атм и 130-140?С.
2. При гидролизе карбамида образуется карбонат аммония, реагирующий с кислотами:
(NH2)2CO + 2H2O = (NH4)2CO3
(NH4)2CO3 + 2H+ = + CO2 + H2O
ЗАДАЧА 7
Известно, что консервные банки из луженой жести (стали, покрытой тонким слоем олова) могут лежать на месте пикников и походных стоянок десятилетиями. Однако те же банки, прокаленные в костре после их использования, превращаются в порошок ржавчины в течение одного-двух лет.
1. Почему луженая жесть не ржавеет? (Олово находится в ряду напряжений металлов ближе к водороду, чем железо.)
2. Почему прокаленные банки быстро ржавеют?
3. Что нужно делать с алюминиевой и пластмассовой тарой в походе после ее использования?
1. Вся сталь закрыта более инертным оловом, поэтому неповрежденная луженая жесть не ржавеет.
2. Олово на поверхности жести при температуре выше температуры плавления олова (232?С) стягивается в более толстые мелкие капли, освобождая поверхность жести; возникает гальваническая пара железо-олово, в которой коррозия железа ускоряется из-за переноса электронов с железа на олово.
3. Все горючие отходы надо сжигать, если при этом отсутствует едкий запах - признак хлорсодержащих пластмасс. Поливинилхлорид может давать при горении ядовитые диоксины, поэтому его лучше закапывать. Алюминиевые банки можно плавить на костре; они при этом частично сгорают.
ЗАДАЧА 8
Один объем порошкообразного титана (плотность 4,5 г/см3) может при комнатной температуре (20?С) поглотить до 1800 объемов водорода.
1. Чему равна массовая доля водорода в его насыщенном растворе в титане при комнатной температуре?
2. Где больше водорода: в одном литре насыщенного раствора водорода в титане (н.у.) или в одном литре жидкого водорода (плотность 0,071 г/см3)?
1. Один литр титана массой 4500 г может поглотить 1800 л водорода массой 1800 " 101,3 " 2/(8,31 i i 293) = 150 г (расчет проведен по уравнению Клапейрона-Менделеева). Массовая доля водорода в насыщенном растворе в титане составляет w(H2) = = 150/(4500 + 150) = 0,0322, или 3,22%.
2. Если считать, что объем титана при растворении в нем водорода не изменяется, а растворимость водорода в титане при н.у. такая же, как и при комнатной температуре, то в 1 л раствора содержится (1800/22,4) = 161 г H2 . В одном литре жидкого водорода содержится 1000 " 0,071 = 71 г H2 . Таким образом, насыщенный раствор водорода в титане содержит в два с лишним раза больше водорода, чем равный объем жидкого водорода.
Ответ: 1. 3,22% H2 .
2. В насыщенном растворе.
ЗАДАЧА 1
По данным космических исследований, атмосфера Венеры в основном состоит из оксидов углерода и серы и содержит некоторое количество кислорода, азота и паров воды. Температура венерианской атмосферы достигает 400?С, а давление - 400 атм. В атмосфере постоянно происходят мощные электрические разряды.
1. Какие химические реакции могут происходить в венерианском воздухе?
2. Представим себе, что на поверхность Венеры опустился венероход, который сумел доставить на Землю образцы венерианского грунта. Могут ли среди образцов этого грунта быть минералы, напоминающие по своему составу земные: а) алмазы, б) графит, в) каменный уголь, г) мрамор, д) гранит, е) горный хрусталь, ж) самородное золото, з) магнитный железняк, и) пирит? Подтвердите свои выводы уравнениями химических реакций.
1. При электрических разрядах кислород может соединяться с азотом, образуя оксиды азота
N2 + O2 = 2NO, 2NO + O2 = 2NO2
Высокое давление будет способствовать образованию оксида азота(IV) и окислению оксида серы(IV) в оксид серы(VI)
2SO2 + O2 = 2SO3
Оксиды серы(VI) и азота(IV) с парами воды могут превращаться в серную и азотную кислоты
SO3 + H2O = H2SO4 ,
4NO2 + 2H2O + O2 = 4HNO3
При понижении температуры и при повышенном давлении на поверхность планеты возможно выпадение "кислотных дождей" из смеси серной и азотной кислот.
2. Существование на поверхности алмазов и графита маловероятно не только потому, что алмазы образуются в горных породах при высоких давлениях, а графит является продуктом превращений органических веществ (графитизация каменных углей), но и вследствие того, что углерод при повышенных температурах окисляется серной кислотой и диоксидом углерода:
C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O,
C + CO2 = 2CO
Каменный уголь образуется из остатков растений, а существование растительности в указанных условиях невероятно.
Мрамор представляет собой модификацию карбоната кальция, принадлежащего к осадочным породам. Его появление на поверхности в указанных условиях маловероятно потому, что он будет разрушаться кислотными дождями:
CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + CO2 + H2O
Магнитный железняк и пирит также не могут выдержать действия серной кислоты при повышенных температурах:
2Fe3O4 + 10H2SO4 = 3Fe2(SO4)3 + SO2 + 10H2O,
2FeS2 + 14H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 15SO2 + 14H2O
Из названных минералов действие кислот-окислителей могли бы выдержать самородное золото, гранит и горный хрусталь (кристаллический диоксид кремния).
ЗАДАЧА 2
При освещении смеси метана с хлором рассеянным светом при 20?С объем смеси уменьшился на 16%, а полученная смесь газообразных веществ не вызывает изменения окраски раствора хлорида железа(II).
1. Оцените возможное минимальное и максимальное содержание хлора (в процентах по объему) в исходной смеси.
2. Напишите необходимые уравнения реакций.
В смеси не осталось свободного хлора, так как иначе за счет реакции
2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3
происходило бы изменение окраски раствора.
При взаимодействии метана с хлором на рассеянном свету происходит реакция замещения, в результате которой образуются хлороводород и смесь хлорпроизводных общей формулы CH4-xClx :
CH4 + xCl2 = CH4-xClx + xHCl.
Три из этих галогенопроизводных - CH2Cl2 , CHCl3 и CCl4 - при 20?С представляют собой жидкости. Уменьшение объема соответствует количеству этих производных. Образование полихлорированных соединений протекает ступенчато:
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl ,
CH3Cl + Cl2 = CH2Cl2 + HCl ,
CH2Cl2 + Cl2 = CHCl3 + HCl ,
CHCl3 + Cl2 = CCl4 + HCl ,
но все они образуются в смеси одновременно, так как атомы хлора могут атаковать связи С-Н как в исходном метане, так и в любом из уже образовавшихся продуктов реакции, причем вторичное и последующее замещение может происходить быстрее, чем первичное.
Соотношение между количествами образующихся веществ неизвестно, но для оценки минимального и максимального содержания хлора и метана можно воспользоваться суммарными уравнениями материального баланса. Из сравнения уравнений реакций (1)-(4) видно, что наименьшее количество хлора вступит в реакцию с образованием CH3Cl, но при этом не будет происходить изменение объема смеси. Если предположить, что для проведения реакции был использован 1 моль газовой смеси и единственным жидким продуктом является CH2Cl2 , то изменение объема смеси, пропорциональное изменению числа молей газообразных веществ, соответствует формальному уравнению "реакции"
CH4 + 2Cl2 = CH2Cl2 + 2HCl
По этому уравнению изменение количества веществ в газовой смеси в 0,16 моля (16% исходного) равно количеству образовавшегося CH2Cl2 . На образование 0,16 моля его требуется 0,32 моля Cl2 , и если допустить, что метан реагировал только по этому уравнению, то эта величина и соответствует минимальному содержанию Cl2 в исходной смеси.
Максимальное количество хлора будет истрачено не только при протекании реакции по формальному уравнению процесса
CH4 + 4Cl2 = CCl4 + 4HCl
(изменению объема на 16% при этом соответствует реакции 0,64 моля Cl2 с 0,16 моля CH4), но и при полном превращении остающихся 20% смеси в CH3Cl и HCl по уравнению реакции (1), то есть при реакции 0,1 моля Cl2 с 0,1 моль СH4 ; всего в 1 моль исходной смеси при этом содержится до 0,74 моля, или 74% Сl2 .
Следовательно, уменьшение объема смеси на 16% может произойти при мольном содержании Cl2 от 32 до 74%.
Ответ: 1. 32% < j(Cl2) < 74%.
ЗАДАЧА 3
На нейтрализацию раствора 0,212 г твердой кислоты в 20 мл воды в присутствии фенолфталеина как индикатора израсходовано 100 г 0,16%-ного раствора гидроксида кальция. При этом выпал осадок, растворимый при нагревании в уксусной кислоте. Масса осадка после высушивания при 95-105?С равна 0,37 г, а после прокаливания при 500?С становится равной 0,275 г.
1. Установите формулу исследуемой кислоты.
2. Напишите уравнения описанных превращений и подтвердите их расчетом.
Использованный раствор основания содержит
n = mw / M = 100 " 0,0016/74 = 0,00216 моля Са(ОН)2 (М = 74),
что по уравнению реакции
Ca(OH)2 + 2HX = CaX2 + 2H2O
соответствует 0,00432 моля одноосновной кислоты НХ с молярной массой М (Х) = 0,212/0,00432 = = 49 г/моль. Одноосновных кислот с такой молярной массой не существует. Если неизвестная кислота двухосновна, то нейтрализация протекает по уравнению
Ca(OH)2 + H2Y = CaY + 2H2O,
и ее молярная масса кислоты равна 98 г/моль. Такую молярную массу имеет серная кислота H2SO4 , но она при обычных условиях представляет собой тяжелую жидкость, а образующийся при ее нейтрализации гипс CaSO4 " 2H2O (M = 172) не растворяется в слабой уксусной кислоте. Для серной кислоты не согласуются и количественные данные о массе выпавшего осадка и продукта его прокаливания - масса гипса была бы также равна 0,37 г, но при прокаливании его был бы получен безводный CaSO4 массой 0,294 г или СaO (полное разложение) массой 0,121 г.
Такую же молярную массу имеет трехосновная ортофосфорная кислота H3PO4 , которая в чистом виде при комнатной температуре представляет собой твердое кристаллическое вещество, а при нейтрализации относительно слабым основанием Ca(OH)2 дает осадок преципитата CaHPO4 " 2H2O, который при прокаливании превращается в пирофосфат кальция Ca2P2O7 (M = 214):
Ca(OH)2 + H3PO4 = CaHPO4 " 2H2O,
2CaHPO4 " 2H2O = Ca2P2O7 + 5H2O
Приведенные в условии величины масс осадка до и после прокаливания соответствуют массам 0,00216 моля преципитата (М = 172) и 0,00108 моля пирофосфата (М = 254).
Ответ: 1. H3PO4 .
ЗАДАЧА 4
При взаимодействии двух газообразных соединений в зависимости от условий проведения реакций могут образоваться или два различных неорганических соединения, или два различных органических соединения, одно из которых образуется в процессе жизнедеятельности многих живых организмов.
1. Напишите формулы исходных веществ и конечных продуктов.
2. Укажите условия протекания реакций по каждому из направлений.
При обычных условиях газообразны некоторые простые вещества, оксиды и водородные соединения неметаллов. Если предположить, что одним из неизвестных веществ является аммиак, а вторым - углекислый газ (продукты реакции - неорганические и органические вещества), то возможным решением задачи являются реакции между этими соединениями в водном растворе:
NH3 + CO2 + H2O = NH4HCO3 (при избытке СО2),
2NH3 + CO2 + H2O = (NH4)2CO3 (при избытке NH3)
или при повышенных температурах в газовой фазе
2NH3 + CO2 = (NH2)2CO + H2O
Последняя реакция, аналогичная реакции образования амидов кислот из аммиака и кислот при нагревании или аммиака и ангидридов кислот, протекает через промежуточное присоединение аммиака к диоксиду углерода с последующим образованием соли карбаминовой кислоты - карбамата аммония:
2NH3 + CO2 = H2N-COONH4 ,
который при более высокой температуре отщепляет воду с образованием мочевины (карбамида):
H2N-COONH4 = H2N-CO-NH2 + H2O
Ответ: 1. NH3 и CO2 .
ЗАДАЧА 5
Соединение А образует нерастворимый в воде осадок при действии водно-аммиачного раствора хлорида меди(I), а при действии оксида хрома(VI) в пиридине дает соединение В, содержащее 23,5 мас.% кислорода. При действии избытка бромной воды А превращается в С, содержащее 82,1 мас.% брома.
1. Установите молекулярную формулу А.
2. Предложите возможные структурные формулы А.
3. Предложите химические и физико-химические методы однозначного установления структуры А.
1. Соединение А присоединяет бром, окисляется CrO3 в пиридине и реагирует с Cu(NH3)2Cl. Можно предположить, что А представляет собой ацетиленовый спирт с концевой тройной связью:
R-C╞CH + Cu(NH3)Cl
R-C╞C-Cu+ + NH4Cl + NH3 ,
R-C╞CH +2Br2 R-CBr2-CHBr2
Молярная масса соединения А может быть вычислена из массовой доли брома в тетрабромиде:
М - 320
17,9 - 82,1,
откуда М (А) = 320 " 17,9/82,1 = 69,8 © 70, и при формуле R-C╞CH на долю R приходится 70 - 25 = 45 единиц атомной массы. Молярная масса кислородсодержащего радикала R = CxHyOz равна M (R) = = 12x + y + 16z = 45. Единственное решение этого уравнения: x = 2, y = 5, z = 1. Молекулярная формула вещества A - [C2H5O]C╞CH, или С4Н6О.
2. Если А содержит группу ОН (специфические условия окисления спиртов хромовым ангидридом в пиридине), то эта группировка может быть связана только с радикалом состава С2Н4 по любому из атомов углерода. Тогда соединение A может иметь структуру одного из двух изомерных ацетиленовых спиртов:
HOCH2CH2C╞CH или CH3CH(OH)C╞CH.
3. Для установления точной структуры можно использовать методы инфракрасной спектроскопии (по характерным частотам поглощения, соответствующим наличию групп СН2 в первом изомере и групп СН3 и СН во втором изомере) или спектроскопии протонного магнитного резонанса.
При окислении этих изомеров названным окислителем образуются изомерные карбонильные соединения (вещества B):
HC╞CCH2CH2OH HC╞CCH2CH=O,
HC╞CCH(OH)CH3 HC╞C-CO-CH3 ,
однако различить эти карбонильные соединения с помощью реакции серебряного зеркала будет затруднительно, так как они оба будут выделять осадки серебряных производных по терминальной ацетиленовой группировке. Для различения ацетиленового альдегида и кетона можно воспользоваться другой качественной реакцией на альдегиды - окислением их гликолятными комплексами меди (II) в щелочном растворе с образованием красного осадка Cu2O:
R-CHO Cu2O
Ответ: 1. С4Н6О.
2. HOCH2CH2C╞CH или CH3CH(OH)C╞CH.
ЗАДАЧА 6
На заочном туре одной из олимпиад была предложена следующая задача: "Какое максимальное количество 12%-ного раствора кислоты можно получить, имея по 1 литру 5%-ного, 10%-ного и 15%-ного растворов?"
1. Почему в предложенном виде задача практически никогда не имеет решения ? Ответ мотивируйте.
2. Внесите в текст задачи необходимые уточнения и предложите решение корректно составленной задачи.
1. В условиях задачи использованы массовые доли для обозначения концентрации растворов, а требуется решить задачу на объемное соотношение. Кроме того, термин "количество вещества" в химии строго относится к мольным величинам. Формальное математическое решение задач на вычисление концентрации растворов при смешении растворов различной концентрации или с различными массовыми долями предполагает, что при смешении двух растворов общий объем равен сумме объемов растворов. Однако плотности индивидуальных веществ и их растворов заметно отличаются. Так, для соляной кислоты плотности 5%-ного, 10%-ного, 12%-ного и 15%-ного растворов примерно равны 1,02; 1,05; 1,06 и 1,07 кг/л, и, следовательно, 1 литр этих растворов будет содержать не 50, 100, 120 и 150 г HCl, а 51, 105, 127 и 160 г растворенного HCl соответственно.
2. Для корректного решения задачи необходимо ввести плотности растворов, например: d1 (15%), d2 (10%), d3 (5%). Тогда при смешении более концентрированных растворов массовая доля w1 кислоты в образующемся растворе 1 будет равна w1 = (0,15d1 + + 0,1d2)/(d1+d2) (плотности в кг/л).
Для приготовления 12%-ного раствора надо взять 2 л полученного раствора 1 массой (d1+d2) кг, содержащего (0,15d1 + 0,1d2) кг кислоты, и х л 5%-ного раствора массой хd3 , содержащего 0,05хd3 кг кислоты так, чтобы в полученном растворе 2 массовая доля w2 растворенного вещества была равна
w2 = (0,15d1 + 0,1d2 + 0,05xd3)/(d1 + d2 + хd3) = 0,12,
откуда x = (0,03d1 - 0,02d2)/(0,07d3), и максимальный объем раствора будет равен
V = {2 + [(0,03d1 - 0,02d2)]/(0,07d3)]}/d4 ,
где d4 - плотность раствора искомой 12%-ной концентрации.
Возможно и иное уточнение условий, дающее более простое решение: "Какое максимальное (по массе) количество 12%-ного раствора кислоты можно получить, имея по 1 килограмму 5%-ного, 10%-ного и 15%-ного растворов?"
В этом случае смешение 1 кг 10%-ного и 1 кг 15%-ного растворов даст 2 кг 12,5%-ного раствора, содержащего 0,25 кг растворенного вещества. К этому раствору необходимо добавить х кг 5%-ного раствора, содержащего 0,05х кг растворенного вещества, таким образом, чтобы в результате
w = (0,25 + 0,05х)/(2 + х) = 0,12,
откуда х = 0,143, то есть можно получить 2,143 кг 12%-ного раствора.
Легко убедиться, что при подстановке значений плотности d1 = d2 = d3 = d4 = 1 кг/л в общую формулу, получим объем раствора V = 2,143 л, то есть задача была придумана в предположении, что плотность любого раствора постоянна и равна плотности воды.
ЗАДАЧА 7
В 1801-1807 г. в результате многочисленных исследований количественного состава веществ, полученных разными способами и выделенных из природных объектов, был установлен один из основных законов химии. Мнение выдающегося ученого Б, утверждавшего, что состав индивидуального соединения зависит от соотношения реагирующих веществ, было признано ошибочным. Однако уже в 1818 г. были обнаружены вещества, которые не подчиняются этому "основному закону".
1. Для установления закона было необходимо получить одно и то же вещество разными способами. Предложите 6 реакций, в результате которых можно из различных веществ получить медный купорос. Напишите уравнения этих реакций, укажите способ выделения чистого купороса.
2. Приведите примеры 4-5 классов веществ, для которых может не выполняться закон постоянства состава. Объясните причины отклонений состава этих типов веществ от "основного закона".
3. Назовите фамилию ученого Б; соединение, названное по его фамилии; общее название соединений нестехиометрического состава, предложенное русским ученым Н.С. Курнаковым.
4. Укажите 2-3 области современной техники, в которых используются соединения переменного состава.
1. Медный купорос представляет собой кристаллогидрат сульфата меди CuSO4 " 5H2O и может быть получен кристаллизацией из водных растворов CuSO4 :
CuSO4(раствор) + 5H2O = CuSO4 " 5H2O(тв).
Сульфат меди может быть получен, например, в результате следующих реакций:
Cu + 2H2SO4(конц) CuSO4 + SO2? + 2H2O,
CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O,
Cu(OH)2 + H2SO4 = CuSO4 + 2H2O,
[Cu(OH)]2CO3 + 2H2SO4 = 2CuSO4 + CO2? + 2H2O,
Cu + HgSO4 = CuSO4 + Hg,
(CH3COO)2Cu + H2SO4 = CuSO4 + 2CH3COOH
2. Если под постоянством состава понимать массовое содержание элементов в веществе, то закон постоянства состава не выполняется для изотопно меченых соединений: так, обычный метан содержит 75% углерода по массе, полностью дейтерированный метан CD4 содержит 60% углерода, а содержание углерода в частично дейтерированном метане будет колебаться от 60 до 75% (по массе), хотя все химические реакции будут соответствовать реакциям метана.
Если же под постоянством состава понимать мольные (атомные) отношения между числом атомов элементов, образующих эти соединения, то закон постоянства состава часто не выполняется для твердых тел ионного строения из-за дефектов кристаллической решетки, а для твердых тел молекулярного строения из-за особенностей строения кристаллических структур этих веществ.
Примерами соединений, не подчиняющихся закону постоянства состава, могут быть:
а) изоморфные соли, при построении кристаллических решеток которых может происходить замена части ионов "основного вещества" на ионы примерно такого же размера и такого же заряда;
б) оксиды, сульфиды, нитриды металлов, в кристаллических структурах которых может происходить замена ионом того же металла, но имеющим другой заряд, с общим сохранением электронейтральности вещества;
в) клатраты или соединения включения молекул в пустоты кристаллической решетки (клатратные соединения включения молекул благородных газов в кристаллическую структуру льда, соединения включения молекул иода в спиралевидные структуры молекул крахмала);
г) слоистые соединения включения, образованные, например, за счет внедрения молекул галогенов между слоями структуры графита;
д) интерметаллиды, которые образуются в сплавах металлов при замене части одних атомов в кристаллической структуре атомами других металлов или за счет иных дефектов кристаллической решетки.
3. В годы формирования основных законов химии было признано ошибочным мнение выдающегося французского ученого Бертолле, по имени которого названа бертолетова соль - хлорат калия KClO3 . По предложению академика Н.С. Курнакова для нестехиометрических соединений было предложено общее название бертоллиды.
4. Нестехиометрические соединения имеют большое значение при создании материалов, обладающих высокими магнитными, жаростойкими, сверхтвердыми, полупроводниковыми свойствами. В последние годы бертоллиды изучаются как возможные высокотемпературные сверхпроводники.
ЗАДАЧА 8
Углеводород А содержит 88,9 мас.% углерода и устойчив к действию разбавленного раствора перманганата калия. При облучении А интенсивным источником света с длиной волны 254 нм при комнатной температуре он частично превращается в изомерный углеводород В, изменяющий окраску раствора перманганата калия. Оба соединения А и В при нагревании превращаются в углеводород С, устойчивый к действию бромной воды и разбавленного раствора перманганата калия. Действие брома на углеводород С на свету дает смесь веществ, в которой присутствуют одно моно-, четыре ди- и семь трибромпроизводных углеводорода С.
1. Предложите возможные структуры веществ А, В и С.
2. Напишите уравнения проведенных реакций.
3. Как относятся к бромной воде соединения А и В ? Ответ мотивируйте.
1. Простейшая формула изомерных углеводородов А, В и С, полученная из соотношения
n(С) : n(H) = 88,9/12 : 11,1/1 = 2 : 3,
имеет вид С2Н3 . В молекулах углеводородов должно быть четное число атомов Н. Молекулярные формулы С4Н6 (гомологический ряд CnH2n-2) и С8Н12 (ряд CnH2n-4) соответствуют ненасыщенным соединениям, которые при действии брома образуют соединения, содержащие не менее двух атомов брома. Образование смеси моно-, ди- и трибромпроизводных при реакции брома на свету возможно при свободнорадикальном замещении в насыщенных структурах.
Ни бициклобутан С4Н6 , ни изомерные трициклоалканы даже при формальном замещении (при действии брома будет происходить раскрытие трех- и четырехчленных циклов) не могут образовать указанное число бромпроизводных. Углеводород С12Н18 , принадлежащий к ряду CnH2n-6 , может представлять собой гомолог бензола, который устойчив по отношению к бромной воде, но при действии брома при освещении подвергается замещению по насыщенным углеводородным радикалам. Образование единственного монобромпроизводного свидетельствует о высокой симметрии положения заместителей и существовании единственного типа атомов Н в углеводородных радикалах.
Поэтому углеводород С имеет строение гексаметилбензола С6(СН3)6 . Действительно, при его свободнорадикальном бромировании образуются единственное монобромпроизводное, четыре дибромпроизводных и семь трибромпроизводных:
Углеводороды А и В являются изомерами ароматического (энергетически наиболее выгодного) гексаметилбензола, в который они изомеризуются при нагревании. Соединение А имеет насыщенный, а В - ненасыщенный характер (отношение к раствору перманганата калия). Углеводороду А можно приписать строение гексаметилпризмана (аналог "бензола Ладенбурга"), а изомеру В - строение гексаметилбицикло-[2,2,0]-циклогексадиена-1,4 (аналог "бензола Дьюара"):
3. Трех- и четырехчленные циклы в структуре призмана устойчивы к действию раствора перманганата калия, но могут раскрываться при действии бромной воды:
Двойные связи в структуре непредельного гексаметилбицикло-[2,2,0]-циклогексадиена-1,4 будут разрываться как при действии бромной воды, так и при действии нейтрального водного раствора перманганата калия:
Ответ: 1. A - гексаметилпризман;
B - гексаметилбицикло-[2,2,0]-циклогексадиен-1,4;
C - гексаметилбензол.
ЗАДАЧА 1
По мнению экологической организации "Greenpeace", самое загрязненное место на Земле находится недалеко от города Дзержинска - это озеро, в которое сбрасывает сточные воды АО "Оргстекло". В районе этого озера содержание фенола в почвенных водах превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) в 17 000 000 раз.
Английская фирма "Unicliffe Ltd." выпускает антисептик TCP, предназначенный для полоскания рта, обеззараживания порезов, ссадин и укусов, борьбы с инфекциями и плохим запахом изо рта. Этот антисептик представляет собой водный раствор, содержащий 0,175% фенола и 0,68% галогенированных фенолов.
1. Предложите промышленный способ получения фенола, который, по вашему мнению, может быть использован
на заводе по производству оргстекла.
2. Какую опасность для людей таит в себе фенол, содержащийся в почвенных водах г. Дзержинска и в средстве TCP?
3. Во сколько раз концентрация фенола в почвенных водах г. Дзержинска больше концентрации фенола
в средстве TCP? ПДК для фенола равен 0,001 мг/л.
1. Для производства оргстекла используют ацетон, который образуется одновременно с фенолом в результате кумольного процесса по схеме:
2. Воду, используемую для питья, предварительно хлорируют. Если в эту воду попадет фенол, то в результате его реакции с хлором образуются очень вредные вещества - диоксины.
3. В 1 литре средства TCP содержится 1000 i i 0,00175 = 1,75 г фенола, а в 1 литре почвенных вод содержится 0,001 " 17 000 000 = 17 000 мг = 17 г фенола. Следовательно, в почвенных водах вблизи г. Дзержинска концентрация фенола в 10 раз больше, чем в средстве TCP.
Ответ: 1. Кумольный способ.
3. В 10 раз.
ЗАДАЧА 2
Юный химик проводил опыты. Он смешивал в пробирках растворы разных веществ (см. таблицу).
После некоторых опытов на стенках пробирки остались налеты.
1. Напишите уравнения всех протекающих реакций.
2. На стенках каких пробирок мог остаться налет? Какого он цвета?
3. Какими реактивами можно отмыть эти налеты? Напишите уравнения реакций.
1. 1) NaOH + HCl = NaCl + H2O;
2) AgNO3 + NaCl = AgCl+ + NaNO3 ;
3) 2HCl + Na2S2O3 = 2NaCl + H2O + S+ + SO2?;
4) 3K2SO3 + 2KMnO4 + H2O =
= 3K2SO4 + 2MnO2 + 2KOH;
5) AgNO3 + Fe(NO3)2 = Ag+ + Fe(NO3)3 ;
6) FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3+ + 3NaCl
Фенолфталеин с соляной кислотой не реагирует, однако возможно его выпадение в осадок из спиртового раствора при разбавлении последнего водой или водным раствором кислоты.
2. Налет мог остаться на стенках всех пробирок, кроме первой. Формулы и цвета осадков: 2 - AgCl (белый); 3 - S (белый или желтый); 4 - MnO2 (коричневый); 5 - Ag (серебристый или черный); 6 - Fe(OH)3 (коричневый); 7 - фенолфталеин (белый).
3. AgCl растворяется в водном растворе аммиака:
AgCl + 2NH3 = [Ag(NH3)2]Cl
Серу можно растворить в концентрированной серной кислоте:
S + 2H2SO4(конц) = 3SO2? + 2H2O
MnO2 растворяется в соляной кислоте при нагревании:
MnO2 + 4HCl = Cl2? + MnCl2 + 2H2O
Серебро со стенок можно отмыть разбавленной азотной кислотой:
3Ag + 4HNO3(разб) = 3AgNO3 + NO? + 2H2O
Свежеосажденный Fe(OH)3 растворим в сильных кислотах:
Fe(OH)3 + 3HCl = FeCl3 + 3H2O
Фенолфталеин можно отмыть щелочью, с которой он дает растворимую соль.
ЗАДАЧА 3
Для молекулы озона в разное время были предложены три структурные формулы:
Известно, что молекула озона полярна, то есть обладает дипольным моментом.
1. Какая из трех структур наиболее правильно отражает строение молекулы озона и почему?
2. На каком из атомов кислорода находится частичный положительный заряд?
3. Известно, что два из трех атомов кислорода в молекуле озона одинаковы. Как это согласуется с выбранной вами структурой?
1. Структуры I и II высокосимметричны (в терминах теории групп они имеют симметрию D?h и D3h соответственно), поэтому их дипольный момент равен 0. Структура III наименее симметрична (аналогичную симметрию имеют полярные молекулы H2O и SO2), поэтому она наиболее правильно отражает строение молекулы озона, обладающей дипольным моментом.
2. Поскольку центральный атом кислорода отдает свою пару электронов в общее пользование на образование донорно-акцепторной связи, он приобретает частичный положительный заряд.
3. В структуре III все три атома кислорода разные. Для того чтобы превратить два из них в одинаковые, необходимо учесть еще одну структуру:
Таким образом, молекулу озона можно представить как среднее между двумя структурами (резонансными структурами):
Ответ: 1. Структура III.
2. На центральном.
ЗАДАЧА 4
Ядерный заряд, хранящийся в боевой ракете, содержит два куска 239Pu массой 8,0 и 7,5 кг. Период полураспада этого нуклида - 24 100 лет, критическая масса - 11 кг.
1. Какое время должно пройти, чтобы запуск ракеты не привел к ядерному взрыву?
2. Плутоний-239 накапливают в ядерных реакторах при длительном облучении нейтронами природного урана, содержащего в основном нуклид 238U. Напишите уравнения происходящих при этом ядерных реакций.
1. Для того чтобы при запуске ракеты не произошел ядерный взрыв, суммарная масса кусков плутония-239 должна быть меньше критической массы. Зависимость массы плутония-239 от времени дается уравнением радиоактивного распада:
где m(t) = 11 кг, m0 = 15,5 кг, T1/2 = 24 100 лет, t - искомое время. Это уравнение легко решить без логарифмирования, если заметить, что 15,5/11 = 1,41 © © , откуда
t = T1/2 © 12 000 лет.
Разумеется, в этом решении мы не учитываем чисто технологические проблемы, связанные с хранением ядерных зарядов.
2. При облучении нейтронами уран-238 превращается в уран-239, который подвергается b-распаду с образованием нептуния, а затем плутония:
238U + n 239U,
239U 239Np + b,
239Np 239Pu + b
Период полураспада урана-239 составляет 23,5 мин, а нептуния-239 - 2,4 сут.
Ответ: 1. 12 тыс. лет.
ЗАДАЧА 5
Одним из важнейших способов получения гомологов бензола служит реакция бензола с алкенами в присутствии кислотных катализаторов или с галогенопроизводными в присутствии хлорида алюминия.
1. Напишите уравнения реакций, с помощью которых из бензола можно получить изомерные пропилбензолы.
2. Можно ли такими же методами получить стирол? Ответ мотивируйте.
3. Применимы ли эти методы для синтеза гомологов пиридина? При ответе на этот вопрос обсудите возможность попарного взаимодействия пиридина, пропилхлорида и хлорида алюминия.
1. Изопропилбензол (он же кумол, он же 2-фенилпропан) может быть получен алкилированием бензола с помощью пропена или 2-хлорпропана:
C6H6 + CH3-CH=CH2 C6H5-CH(CH3)2 ,
C6H6 + CH3-CHCl-CH3
C6H5-CH(CH3)2 + HCl
По аналогии с последней реакцией можно предположить, что для получения пропилбензола надо использовать реакцию бензола с 1-хлорпропаном. Однако при проведении этой реакции в присутствии AlCl3 наряду с ожидаемым пропилбензолом преимущественно будет получаться кумол, так как вместо первичного катиона за счет его изомеризации будет образовываться энергетически более выгодный вторичный катион [CH3CH+CH3]:
C6H6 + CH3CH2CH2-Cl
C6H5-CH(CH3)2 + C6H5-CH2CH2CH3
2. Атом хлора при двойной связи в винилхлориде (хлорэтене) малоподвижен, так как свободная пара электронов атома Cl взаимодействует с p-электронами двойной связи. Из-за этого взаимодействия (эффекта сопряжения) связь С-Cl становится более прочной. Получение стирола по схеме
C6H6 + CH2=CHCl C6H5-CH=CH2
осуществить не удается (вместо стирола образуется смесь хлорэтилбензолов C6H5-CHCl-CH3 и C6H5-CH2CH2Cl, то есть винилхлорид присоединяется к бензолу как непредельное соединение).
3. Из-за наличия в ароматической системе пиридина электроотрицательного атома N, находящегося в sp2-гибридном состоянии, электронная плотность в ароматической системе понижена; по своей реакционной способности в реакциях электрофильного замещения пиридин напоминает нитробензол, который неспособен к реакциям алкилирования. Кроме того, реакции пиридина с пропилхлоридом и хлоридом алюминия идут по атому азота:
C5H5N + CH3CH2CH2-Cl
[C5H5N-CH2CH2CH3]+Cl-,
C5H5N + AlCl3 C5H5N-AlCl3
с образованием ковалентных донорно-акцепторных связей. В результате этих попарных взаимодействий исчезают как реагент, так и катализатор, необходимые для реакции замещения. При избытке пропилхлорида и хлорида алюминия и нагревании могут начаться отщепление галогеноводорода и полимеризация промежуточно образующегося пропена:
C3H7-Cl HCl + CH2=CH-CH3
(-CH2-CH(CH3)-)n .
Ответ: 2. Нельзя.
ЗАДАЧА 6
При полном гидролизе пентапептида Met-энкефалина, выделенного из мозга обезьяны, были получены следующие аминокислоты:
При частичном гидролизе этого же пептида были выделены продукты с молекулярными массами 295, 279 и 296.
1. Установите две возможные формулы данного пептида (в сокращенных обозначениях).
2. Как можно химическим способом определить тип N-концевой аминокислоты?
1. Молярные массы аминокислот, составляющих пентапептид, представлены в таблице:
Если продукты гидролиза представляли собой дипептиды, то сумма молярных масс двух аминокислот на 18 г/моль (то есть на один моль воды) больше молярной массы дипептида: 313, 297, 314 г/моль. Таких сочетаний среди перечисленных аминокислот только два: Phe-Met и Met-Phe.
В случае трипептидов сумма молярных масс трех аминокислот на 36 г/моль (то есть на два моля воды) больше молярной массы трипептида: 331, 315, 332 г/моль. Такие молярные массы могут иметь тройки (без учета порядка следования): Gly-Gly-Tyr и Gly-Gly-Phe.
Данные тройки и пары аминокислот могут быть объединены в пентапептид ровно двумя способами:
Met-Phe-Gly-Gly-Tyr и Tyr-Gly-Gly-Phe-Met.
Выбрать какую-либо из этих комбинаций только на основе данных о молярных массах нельзя.
2. Для того чтобы определить, какая из кислот - тирозин или метионин - находится на N-конце пептида, необходимо перед гидролизом пометить этот конец. В биохимии для этого используют, в частности, 2,4-динитрофторбензол. Это вещество реагирует с NH2-группой, образуя динитрофенольное производное желтого цвета:
Образующаяся связь устойчива при кислотном гидролизе пептидных связей. После окончания гидролиза пептида надо определить, какая аминокислота осталась в форме динитрофенольного производного (это можно сделать, например, хроматографическими методами). Эта кислота и была на N-конце пептида. В Met-энкефалине на N-конце находится тирозин:
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met.
Ответ: 1. Met-Phe-Gly-Gly-Tyr
или Tyr-Gly-Gly-Phe-Met.
ЗАДАЧА 7
В черновиках Агаты Кристи описан следующий эпизод: "Некий коммерсант, решив покончить со своими конкурентами, пригласил их в гости и приготовил ядовитую смесь, прокалив сухой остаток бычьей крови с углем. Один из гостей любил сухое вино, а другой предпочитал сладкое. Коммерсант незаметно подмешал яд в вино и, провозгласив тост, стал наблюдать за своими гостями. Допив свой бокал, первый гость схватился за горло, зашатался и упал; его губы посинели, и через несколько минут он скончался. Второй гость почувствовал лишь легкое недомогание и поспешил покинуть "гостеприимный дом", захватив с собой рюмку с остатками вина, чтобы провести его химический анализ. В лаборатории слили вино и выделили 0,500 г вещества, которое обработали соляной кислотой и получили 89,6 мл газа (н.у.), причем в рюмке осталось 0,140 г нерастворившегося черно-серого вещества. При сжигании газа образовалось 44,8 мл (н.у.) углекислого газа и 0,108 г воды."
1. Что было действующим началом применяемого яда? Какое вино пил оставшийся в живых гость?
2. На основании данных химического анализа определите, из чего состояла ядовитая смесь. Напишите уравнение реакции, протекающей при образовании этой смеси, и уравнения реакций компонентов смеси с соляной кислотой.
1. При прокаливании сухого остатка крови с углем происходит пиролиз всех органических веществ, содержащихся в крови, выделяются пары воды, а содержащийся в крови азот переходит в анион CN-, который образует калиевые и натриевые соли (натрий содержится в плазме крови, а калий - в древесном угле). Экстракция этого плава спиртом позволяет получить спиртовой раствор KCN и NaCN.
В сухом вине содержатся этиловый спирт, вода, пахучие вещества, винные кислоты и их соли. Поэтому тот из гостей, который предпочитал сухое вино, с первыми глотками получил смертельную дозу цианида и сразу умер.
Известно, что моносахариды присоединяют HCN в нейтральной среде. Циановодород образуется при действии на цианиды калия и натрия кислот, содержащихся в вине. В сладком вине HCN прореагировал с глюкозой с образованием циангидрина, который не является ядовитым:
Поэтому этот гость остался в живых.
2. Кроме KCN и NaCN в ядовитой смеси находились по крайней мере еще два вещества. Нерастворимое в соляной кислоте вещество, по всей вероятности, представляет собой углерод, а растворимое вещество - карбид.
Определим количества С и Н в продуктах сгорания выделившегося газа:
n(C) = 0,0448/22,4 = 0,002;
n(H) = 0,108 " 2/18 = 0,012;
n(H) : n(C) = 6 : 1.
Максимально возможное для всех углеводородов и кислородсодержащих веществ отношение
n(H) : n(C) = 4.
Следовательно, речь идет о смеси газов, один из которых - водород. Пусть газ состоит из СaНb и Н2 . По данным анализа можно составить систему уравнений:
n(СaНb) + n(Н2) = 0,0896/22,4 = 0,004,
n(СaНb)b + n(Н2) " 2 = 0,012,
n(СaНb)a = 0,002.
Решение этой системы дает b = 2a + 2. Таким образом, смесь газов содержит только предельные углеводороды и водород:
при а = 1 n(СН4) = 0,002 и n(Н2) = 0,002;
при а = 2 n(С2Н6) = 0,001 и n(Н2) = 0,003;
при а = 3 n(С3Н8) = 0,00067 и n(Н2) = 0,00333.
Далее примем, что выделяющийся газ содержит только метан и водород в мольном соотношении 1 : 1, тогда уравнение разложения карбида соляной кислотой в общем виде выглядит следующим образом:
MxCy + xzHCl = xMClz + yCH4 + yH2
По условию можно составить систему уравнений:
(0,5 - 0,14)/(xM + 12y) = 0,0896/(44,8y),
xz = 6y.
Отсюда М = 28z. При z = 2, М = 56, что соответствует молярной массе железа. В карбиде отношение количеств железа и углерода равно 3 (так как 2x = 6y). Тогда уравнение реакции имеет вид
Fe3C + 6HCl = 3FeCl2 + CH4 + H2
Следовательно, при приготовлении ядовитой смеси произошла следующая реакция:
K4[Fe(CN)6] = 4KCN + Fe3C + N2 + C
ЗАДАЧА 8
При бромировании на свету неизвестного углеводорода А, содержащего 84,21% углерода (по массе) может образоваться максимум 21 структурно-изомерное дибромпроизводное, однако основным продуктом реакции является только один дибромид Б. Углеводород А может быть получен гидрированием углеводорода В, который содержит три атома углерода в состоянии sp-гибридизации.
1. Установите структуры веществ А, Б, В.
2. Напишите уравнения реакций, указанных в условии.
3. Напишите уравнения реакций вещества В с бромом и сернокислым раствором перманганата калия.
Углеводород А представляет собой алкан, так как массовая доля водорода больше 1/7. Тогда из уравнения 12n /(14n + 2) = 0,8421 находим, что n = 8. Значит, А - изомер октана С8Н18 . Пусть в молекуле содержится х неэквивалентных атомов углерода. Тогда возможно существование х! /(х - 2)!2! = = х(х - 1)/2 (число сочетаний из х по 2) структурно-изомерных дибромидов с атомами брома при неэквивалентных углеродных атомах. Из уравнения х(х - 1)/2 = 21 получаем х = 7. Семь типов неэквивалентных атомов углерода имеются лишь в трех из 18 структурных изомеров октана:
По условию А может быть получен гидрированием углеводорода В, который содержит три атома углерода в состоянии sp-гибридизации. Вспомним, что sp-гибридные углеродные атомы бывают не только в алкинах, но и в алленах (кумулированных диенах). Нечетное число гибридных атомов свидетельствует о том, что в молекуле В содержатся две кумулированные двойные связи; кроме того, есть одна тройная связь. Поэтому сразу можно исключить углеводород (2), поскольку в такой углеродный скелет все кратные связи не вписываются.
Из оставшихся двух углеводородов условию задачи удовлетворяет только углеводород (3), поскольку он содержит две третичные связи C-Н, которые наиболее активны в реакциях радикального замещения. Это обстоятельство определяет максимальное накопление соответствующего дибромида. В случае (1) явного количественного преобладания одного из дибромидов над другими не будет.
В углеродный скелет (3) поместить две кумулированные двойные связи и одну тройную связь можно единственным образом:
Это вещество называется 3,5-диметилгексадиен-3,4-ин-1.
Уравнения реакций:
В реакции с бромом кумулированные двойные связи ведут себя как изолированные, то есть происходит обычное присоединение брома к углеводороду В:
При окислении вещества В горячим кислым раствором перманганата калия происходят разрыв кратных связей и окисление промежуточно образующихся карбонильных соединений. Конечные продукты окисления - углекислый газ и уксусная кислота:
(5C8H10 + 26KMnO4 + 39H2SO4 = 10CH3COOH +
+ 20CO2 + 13K2SO4 + 26MnSO4 + 44H2O)
Ответ: 1. A - 2,4-диметилгексан;
Б - 2,4-дибром-2,4-диметилгексан;
В - 3,5-диметилгексадиен-3,4-ин-1.
Материалы подготовили В.В. Загорский, В.В. Еремин, Д.М. Жилин, С.С. Чуранов, И.В. Трушков, Ф.Н. Путилин, Н.Ш. Пиркулиев, А.М. Галин.
