§ 14.1. Задачи с решениями

Задача 148. При сгорании некоторой массы неизвестного углеводорода образовалось 7,7 г углекислого газа и 3,6 г воды. Определите молекулярную формулу углеводорода и его массу.

Решение. Общая формула углеводородов C_xH_y. Запишем общее уравнение полного сгорания всех углеводородов:

C_xH_y + (x + y/4)O₂ = xCO₂ + y/2H₂O.

Найдем количества углерода и водорода. (C) = (CO₂) = 7,7/44 = 0,175 моль, (H) = 2(H₂O) = 23,6/18 = 0,4 моль. Отсюда

x : y = (C) : (H) = 0,175 : 0,4 = 7 : 16.

Простейшая формула углеводорода — C₇H₁₆. Она отвечает классу предельных углеводородов (C_nH_2n+2) и поэтому совпадает с истинной формулой. Искомый углеводород — гептан. Массу сгоревшего гептана определяем по уравнению реакции. (C₇H₁₆) = (CO₂) / 7= 0,025 моль. m (C₇H₁₆) = 0,025100 = 2,5 г.

Ответ. 2,5 г C₇H₁₆.

Задача 149. Сколько химических связей содержится в молекуле гептана?

Решение. Можно нарисовать структурную формулу гептана и посчитать все черточки, обозначающие связи, в этой формуле. Однако существует более красивый способ подсчета.

Рассмотрим молекулу углеводорода общей формулы C_xH_y. Каждый атом углерода имеет 4 валентных электрона, которые участвуют в образовании химических связей с другими атомами. Каждый атом водорода имеет один валентный электрон. Общее число валентных электронов в молекуле C_xH_y равно (4x + y).

Теперь заметим, что каждая связь образована ровно двумя валентными электронами. Поэтому общее число химических связей в молекуле равно (4x + y) / 2. Для молекулы гептана x = 7, y = 16. Число связей равно (47+16) / 2 = 22.

Легко догадаться, что 16 связей из 22 — это связи CH, остальные шесть — связи CC.

Ответ. 22 связи.

Задача 150. Приведите структурную формулу углеводорода, в молекуле которого имеются 5 -связей и 4 -связи.

Решение. Начнем с -связей. Двойная связь C=C включает одну -связь, тройная связь CC — две -связи. Таким образом, 4 -связи могут входить в состав четырех двойных связей, двух тройных или одной тройной и двух двойных связей. Однако, судя по количеству -связей, в молекуле мало атомов углерода, поэтому рассмотрим вариант с двумя тройными связями.

Простейший углеводород, содержащий две тройные связи, — бутадиин-1,3:

HCCCCH.

Он содержит ровно пять -связей (две связи CH и три связи CC).

Ответ. Бутадиин-1,3.

Задача 151. Приведите примеры хлорпроизводных этана, которые а) имеют изомеры; б) не имеют изомеров.

Решение. В молекуле этана на хлор могут замещаться от одного до шести атомов водорода. Если заместить один атом, то получится хлорэтан C₂H₅Cl. В этой молекуле атом хлора может быть соединен с любым из двух атомов углерода. Структуры

ClCH₂CH₃ и CH₃CH₂Cl

представляют одно и то же соединение (одна молекула получается из другой поворотом на 180^о). Таким образом, хлорэтан не имеет изомеров.

Если же на хлор заместить два атома водорода, то появляются две возможности: два атома хлора могут находиться у одного атома углерода и у разных атомов углерода:

Cl₂CHCH₃ и ClCH₂CH₂Cl

1,1-дихлорэтан 1,2-дихлорэтан

Эти две молекулы никаким способом нельзя совместить друг с другом, поэтому они представляют собой разные вещества. Следовательно, дихлорэтан C₂H₄Cl₂ имеет изомеры.

Ответ. а) C₂H₄Cl₂; б) C₂H₅Cl.

Задача 152. Даны вещества: циклобутан, ацетилен, гептан, бутен-1, бутин-2, циклогексан, 2,2,3-триметилбутан, бутадиен. Выберите среди них а) три пары изомеров, б) две пары гомологов.

Решение. а) Циклобутан и бутен-1 —формула C₄H₈:

Гептан и 2,2,3-триметилбутан — формула C₇H₁₆:

Бутин-1 и бутадиен — формула C₄H₆:

б) Циклобутан и циклогексан принадлежат к гомологическому ряду циклоалканов:

Ацетилен и бутин-1 принадлежат к гомологическому ряду алкинов:

Задача 153. Напишите структурную формулу 2,2,5,5-тетраметилгексана. Напишите формулу его изомера, имеющего в качестве заместителей при основной цепи только этильные радикалы.

Решение. Структурная формула 2,2,5,5-тетраметилгексана:

В качестве изомера с этильными радикалами можно взять углеводород, имеющий 6 атомов углерода в главной цепи и два этильных заместителя в положениях 3 и 4, т.е. 3,4-диэтилгексан:

Обратите внимание на то, что этильные группы нельзя помещать вблизи конца цепи (у второго и пятого атомов углерода), т.к. в этом случае они войдут в состав основной цепи, а заместителями будут метильные радикалы, что противоречит условию задачи. Например, углеводород

называется 3-метил-5-этилгептан и не удовлетворяет условию задачи, т.к. левый этильный радикал входит в состав основной цепи.

Задача 154. Напишите общую молекулярную формулу гомологического ряда нитрофенола. Приведите структурную формулу одного из членов ряда, содержащего 11 атомов водорода в молекуле.

Решение. Молекулярная формула нитрофенола C₆H₅NO₃ (C₆H₄(OH)NO₂). Гомологи нитрофенола отличаются от него на n групп CH₂ и имеют общую формулу C_n+6H_2n+5NO₃. 11 атомов водорода (n =3) имеет, например, 2-пропил-4-нитрофенол:

Задача 155. Определите общую формулу гомологического ряда углеводородов, имеющих одну двойную связь, две тройные связи и три цикла. Сколько химических связей содержит молекула этого ряда, в состав которой входят n атомов углерода?

Решение. Каждая двойная связь уменьшает число атомов водорода на 2 по сравнению с предельным алифатическим углеводородом, тройная — на 4 и предельный цикл — на 2. Таким образом, общая формула данного класса углеводородов имеет вид: C_nH_{2n+2–(2+24+32)} = C_nH_2n–14. Каждый атом углерода может образовать 4 связи (всего — 4n), а атом водорода — одну (всего — 2n–14). Если учесть, что в образовании каждой связи участвуют два атома, то общее число связей равно (4n+2n–14) / 2 = 3n–7.

Ответ. C_nH_2n–14, 3n–7 связей.

Задача 156. Напишите структурную формулу простейшего алифатического одноатомного спирта, который может существовать в виде двух оптических изомеров. Назовите это соединение.

Решение. Общая формула алифатических одноатомных спиртов:

где R, R', R'' — предельные алифатические радикалы или атомы водорода. Для того, чтобы спирт мог существовать в виде двух оптических изомеров, необходимо и достаточно, чтобы R, R', R'' были разными. В простейшем случае это H, CH₃, C₂H₅:

Это вещество называется бутанол-2. Его оптические изомеры:

Ответ. Бутанол-2.

Задача 157. Предложите возможную структурную формулу вещества, о котором известно, что оно: а) реагирует с щелочным раствором гидроксида меди (II); б) реагирует с бромоводородной кислотой; в) не реагирует с аммиаком; г) содержит 3 атома углерода; д) оптически активно. Напишите схемы соответствующих реакций и укажите асимметрический атом углерода.

Решение. Из а) и б) следует, что вещество может представлять собой двухатомный спирт. Из в) следует, что оно не содержит атомов галогенов и карбоксильной группы. Наконец, один из трех атомов углерода должен иметь 4 разных заместителя (асимметрический атом углерода, обеспечивающий оптическую активность, т.е. существование оптических изомеров). Возможная формула вещества:

Звездочкой обозначен асимметрический атом углерода. Уравнения реакций:

HOCH₂CH(OH)CH₃ + HBr  BrCH₂CH(OH)CH₃ + H₂O.

Ответ. пропандиол-1,2.