Московский государственный технический университет

имени Н.Э.Баумана

Методические указания

РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ ПО ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ СОЕДИНЕНИЙ

для студентов специальностей

«Безопасность жизнедеятельности в техносфере» и «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

(кафедра Э-9)

Составители:

М. Б. Степанов

Л. А. Хмарцева

Е. А. Якушева

Е.В. Быстрицкая

А.М. Голубев

Москва

Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана

2012

Предисловие

Методические указания к решению задач по органической химии содержат их основные типы по различным классам органических соединений в соответствии с утвержденной в МГТУ им. Н.Э. Баумана программой для студентов специальности «Экология и промышленная безопасность» (кафедра Э-9).

В указаниях подробно рассмотрены примеры решения различных типов задач по органической химии, предлагаемых на кафедре химии при защите лабораторных работ, выполнении домашнего задания.

Учащимся необходимо показать знание химии в различных областях практической деятельности: в профессиональной, бытовой, при решении экологических проблем. Задачи содержат информацию о свойствах веществ, явлениях и процессах, реально проявляющихся в окружающей человека среде.

Задачи для самостоятельной работы могут быть различной сложности, что способствует повышению познавательной активности студентов.

Приведенный список литературы поможет при решении задач и усвоении теоретического материала.

В курсе органической химии рассматривают задачи следующих типов:

1. нахождение плотности паров органических веществ и относительной плотности одного вещества по другому и обратные;

2. вычисление массовых долей и (или) массового отношения элементов в органическом веществе и обратные – вывод формул по массовому отношению или массовым долям элементов в веществе, если дана молярная плотность паров или относительная плотность паров вещества по некоторому газу;

3. вывод формулы органического вещества по массам, количествам или объемам продуктов сгорания или иной реакции;

4. вывод формулы органического соединения с последующим написанием его изомеров и гомологов;

5. вывод массового или объемного состава газовой смеси по известным значениям (количеству, массе, объему) продуктов горения или иной реакции;

6. вывод состава газовой смеси по изменению давления в реакционном сосуде или изменению средней молярной массы смеси;

7. расчет равновесных концентраций газов, исходя из исходных концентраций и константы равновесия, и обратная задача;

8. расчет массы, количества или объема одного из продуктов реакции, если одно из исходных веществ дано в избытке и указан объемный или массовый выход продукта, и обратные задачи;

9. вычисление степени полимеризации, исходя из массы мономера и выхода реакции, и обратная задача – вычисление числа макромолекул по степени полимеризации и выходу реакции.

Задачи подразделяются по основным классам органических соединений.

Предельные углеводороды. Алканы

Общая формула C_nH_2n+2

Номенклатура представляет собой систему правил, позволяющих дать однозначное название каждому индивидуальному соединению. В настоящее время общепринятой является систематическая номенклатура ИЮПАК (IUPAC - Международный союз теоретической и прикладной химии). Первые четыре представителя углеводородов имеют названия: метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пентана названия углеводородов образуют от греческих числительных^* с добавлением суффикса – ан: пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декен и т.д.

^*Греческие числительные (до десяти): 1 – моно, 2 – ди, 3 – три, 4 – тетра, 5 – пента, 6 – гекса, 7 – гепта, 8 – окта, 9 – нона, 10 – дека.

Если, например, необходимо назвать соединение, поступают следующим образом:

1. выбираем главную цепь (самую длинную и разветвленную).

2. нумеруем атомы углерода С с того конца, где больше заместителей, чтобы радикалы получили наименьшие номера. (Сумма цифр заместителей – локантов – должна быть наименьшая).

3. заместители называем по старшинству или в алфавитном порядке.

4. затем даем название углеводорода по главной цепи.

Пример:

2,5 – диметил – 3 – этилгексан

Изомерия. Основной вид – структурная изомерия углеродного скелета.

Строение. Все атомы углерода - в sp³ гибридном состоянии, угол связи между атомами С составляет - 109,5⁰. В молекулах имеются только δ связи, которые достаточно прочные.

Физические свойства. При содержании в молекуле числа атомов углерода 1…4 – углеводороды находятся в газообразном состоянии, 5…17 - (нормального, т.е. неразветвленного строения) – жидком, равном или более 18 – твердом. Разветвленные углеводороды имеют более низкие температуры кипения.

В воде алканы нерастворимы. Однако они хорошо растворяются в органических растворителях и друг в друге.

Газообразные алканы не имеют запаха и цвета, легче воды.

Основные способы получения алканов.

1. Из природных источников (угля, нефти, газа).

2. Каталитическим гидрированием органических соединений (циклоалканов, алкенов, алкинов, диенов, аренов):

3. По реакция Вюрца:

4. Из галогенопроизводных при замещении галогена водородом:

5. По реакция Гриньяра:

6. Декарбоксилированием солей органических кислот (реакция Дюма):

7. Из синтез-газа:

Химические свойства.

Алканы - малоактивные соединения, реагируют в жестких условиях (при нагревании или при освещении УФ – светом (hν), а также в присутствии катализаторов). Возможными для них являются реакции замещения, в которых участвуют, обладающие высокой энергией весьма реакционноспособные радикальные частицы (реакции радикального замещения - S_R).

1. Замещение

2. Термическое разложение алканов – крекинг

3. Гетерогенно-каталитическое дегидрирование. Катализаторы Pt, алюмосиликаты.

C₂ - C₅ → алкены (смесь),

C₆ - C₈ → ароматические углеводороды.

4. Изомеризация в присутствии катализаторов (AlCl₃; AlBr₃) для углеводородов с числом атомов С ≥ 4

5. Горение

6. Газофазное каталитическое окисление

Задачи

1. Для производства румян используют вазелиновое масло, состоящее, в основном, из смеси алканов С₂₀Н₄₂ и С₂₂Н₄₆. Определите процентный состав этой смеси, если при сгорании массы 155,35 г образуется 185,17 л углекислого газа (н.у), объемный выход по реакции горения 75 %. (Тип № 5).

Решение:

В результате реакций сгорания алканов образуются углекислый газ и вода:

Найдем число молей углекислого газа (СО₂) по формуле:

; где V_m = 22,4 л/моль (молярный объем газа при нормальных условиях: Т = 273 К, р = 1 атм (760 мм. рт. ст. )).

Тогда количество вещества углекислого газа составит:

n(CO₂)_{реальное} = 185,17/22,4 = 8,267 моль.

С учетом 75% - ного выхода n(CO₂)_{теоретическое} = 8,267/0,75 = 11,022 моля

Пусть число молей С₂₀Н₄₂ будет - х, а число молей С₂₂Н₄₆ = y, следовательно, первое уравнение имеет вид:

20 х + 22 у = 11,022 (1)

Молярные массы алканов: М(С₂₀Н₄₂) = 282 г/моль; М(С₂₂Н₄₆) = 310 г/моль. Так как , то тогда, второе уравнение имеет вид:

282 х + 310 у = 155,35 (2)

Решаем систему из двух уравнений. Из уравнения (1) найдем значение х:

х = 0,551 – 1,1 у (3)

Подставляем это выражение в уравнение (2) и находим значение у:

155,41 – 0,2 у = 155,35

Отсюда у = 0,3 моль. Из уравнения (3) х = 0,22 моль.

Найдем массу С₂₀Н₄₂: г; тогда по формуле определим процентный состав С₂₀Н₄₂: . Следовательно W(С₂₂Н₄₆) = 60,06 %

Замечание: при расчетах следует брать значения чисел с точностью до третьего знака после запятой, что связано с большими коэффициентами в стехиометрических уравнениях.

2. Перед городским праздником на нефтеперегонном заводе решили заполнить шарики различными предельными углеводородами, полученными при перегонке нефти, чтобы поднять их в воздух. Шарики, заполненные какими углеводородами, могут подняться в воздух? Молярная масса воздуха 29 г/моль. Тип № 1.

Решение:

Запишем первые два члена гомологического ряда алканов и их молярные массы. Определим плотности алканов по воздуху:

М(СН₄) = 16 г/моль; М(С₂Н₆) = 30 г/моль;

Относительная плотность первого газа по второму обозначается D и представляет собой отношение массы определенного объема одного газа к массе такого же объема другого газа (взятого при тех же условиях): , где М₂ – молярная масса воздуха. Часто плотность газа определяют по отношению к воздуху. Хотя воздух является смесью газов, все же говорят о его средней молярной массе. Она рана 29 г/моль.

Тогда: D_возд = 16/29 = 0,55 < 1 – шар полетит;

D_возд = 30/29 = 1,1 > 1 – шар не полетит, поэтому проверять остальные алканы бесполезно.

Ответ: Метан. Не следует забывать о его горючести, поэтому надежнее пользоваться гелием.

3. Выведите формулу углеводорода – основного компонента газовой смеси, используемой для ремонты дорог, если его относительная плотность по кислороду и он является алканом. (Тип № 1, обратная задача).

Решение: Относительная плотность вещества рассчитывается по формуле: , где М₁ – молярная масса неизвестного углеводорода, М₂ – молярная масса кислорода (32 г/моль). Отсюда:

М₁ = ∙ 32 = 1,375 ∙ 32 = 44 г/моль;

Так как неизвестное вещество относится к алканам, их общая формула C_2nH_2n+2, то, таким образом, М(C_2nH_2n+2) = 12n + 2n + 2 = 14n + 2 = 44

Из уравнения n = 3, т.е. искомое вещество – пропан.

Ответ: С₃Н₈.

3. Синтез этилена чаще всего проводится крекингом этана. Этилен, как известно, является мономером в реакции полимеризации для получения полиэтилена. При крекинге этана происходит следующая обратимая реакция:

Пусть равновесные концентрации участников реакции составляют

[C₂H₆] = 6 моль/л; [C₂H₄] = 4 моль/л.

Определить константу равновесия К_с дегидрирования этана и его начальную концентрацию. Начальные концентрации продуктов раны нулю. (Тип № 7).

Решение: Выражение константы равновесия для реакции имеет вид:

В условии задачи не дана равновесная концентрация водорода, однако из стехиометрического уравнения реакции очевидно, что [H₂] = [C₂H₄] = 4 моль/л.

Тогда найдем выражение К_С из уравнения:

Исходная концентрация этана составит: С₀(С₂Н₆) = [C₂H₆]_равн + С_{прорег.}

С учетом стехиометрического уравнения, этана прореагировало 4 моль/л. Таким образом: С₀(С₂Н₆) = 6 + 4 = 10 моль/л.

Ответ: К_С = 2, 667; С₀(С₂Н₆) = 10 моль/л.

3. В каком массовом соотношении используют смесь пропана и бутана для заправки садовых газовых баллонов вместимостью 5 кг, если при использовании газа из одного такого баллона образуется 7,653 м³ углекислого газа (н.у)?

Решение: Найдем количество вещества углекислого газа (СО₂) по формуле:

; где V_m = 22,4 л/моль (молярный объем газа при нормальных условиях: Т = 273 К, р = 1 атм (760 мм. рт. ст. )).

Отсюда: n(CO₂) = 7653/22,4 = 341,65 моль.

Уравнения сгорания углеводородов:

Пусть масса пропана будет х г, тогда масса бутана - (5000 – х) г.

Молярные массы алканов равны:

M(C₃H₈) = 36 + 8 = 44 г/моль; М(С₄Н₁₀) = 58 г/моль.

Рассчитаем число моль веществ по формуле , тогда:

n(C₃H₈) = x/44; n(C₄H₁₀) = (5000 – x)/58

Найдем общее количество углекислого газа, выделившегося в результате реакций горения алканов:

Видно, что х = 4000 г (масса пропана), следовательно, m(C₄H₁₀) = 1000 г.

Ответ: массовое соотношение газов 4 : 1.

3. Выведите формулу добавки к моторному топливу и укажите меры предосторожности при работе с ним, если в этом веществе 64,09 % по массе занимает четырехвалентный элемент, порядковый номер которого численно равен молярной массе диена с плотностью паров 3,661 г/л. Добавка включает предельный углеводородный радикал с долей водорода 17,24 %. (Тип № 2).

Решение: Определим четырехвалентный элемент.

Общая формула алкадиенов - C_nH_2n-2. Рассчитаем молярную массу диенов по формуле: , где ρ – плотность паров (г/л), V = 22,4 л/моль (н.у).

Тогда М(C_nH_2n-2) = 3,661 г/л ∙ 22,4 л/моль = 82 г/моль.

Элемент имеет порядковый номер 82. Это свинец – Pb, находится в IV А подгруппе. Далее определим массу предельного радикала C_nH_2n+1. Составим пропорцию:

14n + 1 - 100 %

2n + 1 - 17,24 %

Из этой пропорции находим n = 2, т.е. R = С₂Н₅ – этил.

Добавка – тетраэтилсвинец (С₂Н₅)₄Pb.

Ответ: (С₂Н₅)₄Pb.

Свинец и его соединения - ядовитые вещества. Желательно избегать попадания бензина на кожу и уж ни в коем случае не переливать его из бака автомобиля шлангом.