Гомология

Предлагаем Вашему вниманию несколько фрагментов из наших
пособий (не самых сложных, и в то же время показывающих, чему Вы
сможете научиться с нашей помощью, разумеется, потрудившись в
достаточной мере).
Раздел <Закономерности протекания химических реакций>
Зависимость скорости химической реакции от концентраций
реагирующих веществ выражает закон действующих масс: скорость
одностадийной реакции или стадии многостадийной реакции прямо
пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ,
находящихся в газообразном состоянии или в жидком растворе, возведенных
в степени, равные коэффициентам в ее стехиометрическом уравнении.
Для гомогенной реакции, протекающей по всему объему системы,
описываемой стехиометрическим уравнением, т. е. уравнением,
показывающим количественные соотношения реагентов и продуктов
реакции, имеющим вид:
nA + mB = pC + qD
кинетическое уравнение, т. е. уравнение, отражающее зависимость
скорости реакции от концентраций реагирующих веществ, чаще всего имеет
вид:
v = k cn(A) cm(B),
где v  скорость химической реакции, k  константа скорости
реакции, равная скорости реакции, если произведение концентраций
реагентов, возведенных в соответствующие степени, равна единице; k
зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но
от концентраций веществ и давления не зависит. с (А), с (В) концентрации
реагирующих веществ, находящихся в газообразном состоянии или
содержащихся в жидком растворе. В кинетическое уравнение не вводятся
концентрации веществ, взятых в большом избытке, как практически
постоянные величины. Показатели степеней n и m  коэффициенты из
стехиометрического уравнения.
Например, для реакции димеризации NO2, протекающей в одну
стадию:
2 NO2 = N2O4;
v = k c2(NO2)
Для реакции бромирования водорода, протекающей в несколько
стадий:
Br2 (г)  2 Br(г);
v1 = k1c(Br2)
H2 (г) + Br (г)  HBr(г) + H(г);
v2 = k2 с(Н2) c(Br)
H (г) + Br2 (г)  HBr(г) + Br(г);
v3 = k3с(Н) c(Br2)
Кинетические уравнения многостадийных реакций пишутся на основе
экспериментальных данных, но не на основе их стехиометрических
уравнений. Например:
H2 (г) + Br2 (г)  2 HBr(г);
v = k с(Н2) c0,5(Br2)
CO (г) + NO2 (г)  CO2(г) + NO(г);
v = k с2(NO2)
2 HI (р-р) + H2O2(р-р)  I2(р-р) + 2 H2О(р-р);
v = k с(НI) c(H2O2)
В ряде случаев возможно совпадение показателей степеней в
кинетических уравнениях с коэффициентами в стехиометрических
уравнениях многостадийных реакций. Но и в этих случаях кинетические
уравнения пишутся на основе экспериментальных данных, а не на основе
стехиометрических уравнений. Например:
2 NO (г) + О2 (г)  2 NO2 (г);
v = kc2(NO) c (O2)
Примечание: в большинстве пособий кинетические уравнения
многостадийных реакций пишутся неверно на основе их стехиометрических
уравнений.
Раздел <Теоретические основы органической химии>
Гомология
Гомология – явление существования веществ со сходным строением и
сходными химическими свойствами, состав которых отличается на одну или
более одинаковых структурных единиц.
Гомологи – вещества, принадлежащие к одному классу соединений,
состав которых отличается на одну или более одинаковые структурные
единицы.
Структурная единица, на которую различается состав гомологов,
называется гомологической разностью. Чаще всего гомологической
разностью считается группа –СН2–.
Например, алкены CnH2n:
СН2=СН2
СН2=СН–СН3
СН2=СН–СН2–CH3
предельные нециклические одноатомные спирты CnH2n+1OH:
СН3–OH
CH3–CH2–OH
CH3–CH2–CH2–OH
предельные нециклические дикарбоновые кислоты CnH2n(COOH)2:
HOOС–COOH
HOOC–CH2–СOOH
HOOC–CH2–СН2–СOOH
Гомологи различаются по физическим свойствам. Многие физические
свойства веществ в гомологических рядах изменяются закономерно. Так, в
большинстве гомологических рядов с увеличением молекулярных масс
веществ происходит увеличение температур плавления и кипения, а также
уменьшается их растворимость в полярных растворителях. Например, в ряду
предельных одноатомных спиртов температура кипения (ºС) изменяется
следующим образом.
CH3OH
C2H5OH
н-C3H7OH
н-C4H9OH
н-C5H11OH
65
78
97
117
138
.
Указанные закономерности характерны не для всех гомологических рядов.
Например, в ряду предельных дикарбоновых кислот CnH2n(COOH)2 при увеличении
молекулярной массы происходит понижение температур плавления (ºС) (для кислот как с
четным, так и с нечетным числом атомов углерода в молекулах):
НООС–СООН
НООС–СН2–СООН
НООС–(СН2)2–СООН
НООС–(СН2)3–
СООН
.
189
135
186
98
НООС–(СН2)4–СООН
НООС–(СН2)5–СООН
153
105
Гомологи имеют сходные химические свойства, т. е. они реагируют с
одними и теми же веществами. Основные различия заключаются в скоростях
реакций при одинаковых условиях.
Например, хлорирование толуола происходит быстрее, чем бензола:
Cl
+ Cl2
to; FeCl3
+ HCl
медленно
CH3
CH3
+ Cl2
to; FeCl3
быстро
CH3
Cl
+ HCl
+
Cl
При общности для членов гомологического ряда химических свойств и
способов получения им иногда присущи различия. Наиболее заметны
отклонения от типичных свойств у первых членов гомологических рядов:
Например, бензол С6Н6 очень устойчив к действию окислителей − его можно
окислить очень сильным окислителем типа О3, а толуол С6Н5–СН3 и другие гомологи
бензола легко окисляются даже нейтральным водным раствором KMnO4. Метанол СН3ОН
при кипячении с кислотой не образует алкен, а его гомологи образуют. Метановая кислота
HCOOH, в отличие от других карбоновых кислот, дает реакцию «серебряного зеркала» и
во много раз превосходит по силе остальные предельные одноосновные карбоновые
кислоты.
Примечание: если изомерии органических соединений в большинстве
пособий уделяется достаточно большое внимание, то гомологии  крайне
недостаточное.
Решение большинства расчетных задач мы рекомендуем осуществлять
с использованием эвристической схемы, которая позволяет наиболее
рациональным способом проанализировать условие и одновременно
спланировать решение.
Эвристическая схема:
1.
Четко уясняем вопрос задачи.
2.
Устанавливаем, что необходимо знать для ответа на вопрос
задачи, используя одну формулу или уравнение.
3.
Устанавливаем, что известно из условия для подстановки в эту
формулу или уравнение и что необходимо найти.
4.
Находим недостающие данные в один этап или в несколько
этапов, разделив задачу на ряд подзадач.
5.
Подставляем все необходимые данные в формулу или уравнение
и получаем ответ на вопрос задачи.
Примечание: психологами установлено, что все учащиеся, которые
решили задачу, после сдачи задания на проверку помнили условие задачи и
особенно то, что было необходимо найти. Большая часть тех учащихся,
которые не решили задачу, не помнили ее условия и не имели хотя бы не
детализированного плана решения. Последовательность действий,
указанные эвристической схемой, подобно нити Ариадны ведет решающего
по этапам решения, что позволяет правильно и быстро осуществить
решение. Эвристическая схема применялась Вами неосознанно при решении
различных задач не только по химии, но и по другим предметам. Теперь Вы
ее осознаете и станете применять более успешно.
Необходимо отметить также и то, что предлагаемая Вам система
задач составлена автором пособий РЗШ и отобрана из большого числа
источников таким образом, что после ее усвоения Вы сможете решать
практически любые расчетные задачи. Необходимо только дополнительно
изучить и запомнить физические и химические свойства веществ. Эти
сведения в пособиях РЗШ изложены также весьма полно и в то же время
компактно и в форме, удобной для усвоения. В процессе обучения Вы
убедитесь в этом сами.
Предлагаем несколько образцов решения задач. Не исключено, что Вы
можете предложить другие, как Вам кажется, более рациональные способы
их решения. Однако для сравнения рациональности способов решения
необходимо усвоить все сравниваемые способы и только после этого делать
окончательный вывод. Предлагаемые нами способы могут в ряде случаев
быть не самыми лучшими для решения отдельных задач, но они
гарантированно являются универсальными для решения подавляющего
большинства задач и включают в себя алгоритмы, при комбинировании
которых с помощью эвристической схемы можно решить самые различные
сложные задачи.
Задача 1. К смеси азота и оксида азота (II) объемом 40 см3 добавили
смесь азота и кислорода объемом 100 см3, в которой объемная доля
кислорода была равна 20%. Объем полученной смеси газов оказался равным
135 см3. Вычислите объемную долю оксида азота (II) в исходной смеси с
азотом.
Решение.
1.
Какова объемная доля NO в исходной смеси?
2.
Чему равен объем NO в исходной смеси?
3.
Какое из исходных веществ прореагировало полностью?
4.
Чему равен объем O2 в смеси с N2?
5(4). V (X) =  (X) V (системы); V(O2) = 0,2  100 cм3 = 20 см3
6(3)
х = 40 см3 20 см3
2 NO + O2  2 NO2
2 см3
1 см3
20 см3 О2 реагирует с 40 см3 чистого NO , а имеется 40 см3 смеси,
содержащей NO, следовательно NO прореагировал полностью, а О2 взят в
избытке.
7(2).
2 NO + O2  2 NO2
2 см3
1 см3
2 см3
3 см3
 V (смеси) = V (смеси) конечный  V (смеси) начальный;
 V ( по уравнению) = 2  3 =  1 см3;
 V (по условию) = 135  (40 + 100) = 5 см3
Если в реакцию вступит 2 см3 NO, то V (смеси) уменьшится на 1 см3
Если в реакцию вступит х см3 NO, то V (смеси) уменьшится на 5 см3
Х = 10 см3
8(1).  (X) = v (Х) / V (смеси);
 (NO) в исходной смеси = 10 см3 / 40 см3 = 0,25.
Ответ: 0,25.
Задача 2. Для реакции с бензолом использовали нитрующую смесь
мас-сой 636 кг, в которой массовая доля азотной кислоты была равна 20 %.
Вычислите массу образовавшегося нитробензола, если в оставшемся кислом
растворе массовая доля азотной кислоты оказалась равной 2 %.
Решение.
1.
Чему равна масса образовавшегося C6H5NO2?
2.
Чему равна масса оставшегося кислого раствора?
3.
Какова масса HNO3 в оставшемся кислом растворе?
4.
Чему равна масса HNO3 в исходной нитрующей смеси?
5.
Каковы массы прореагировавшей HNO3 и образовавшейся Н2О?
6(5)
х кмоль
х кмоль
х кмоль
х кмоль
С6Н6 + HNO3
 C6H5NO2 + H2O
1 кмоль
1 кмоль
1 кмоль
1 кмоль
m (X) = M (X) n (X); m (вступившей в реакцию HNO3) = 63 х кг;
m (образовавшейся Н2O) = 18 х кг;
7(4) m (X) = w (X) m (раствора);
m (исходной HNO3) = 0,2 635 кг = 127 кг.
8(3) m (оставшейся HNO3) =
m (исходной HNO3) 
m
(прореагировавшей HNO3); m (оставшейся HNO3) = (127  63 x)кг.
9(2) Так как образовавшийся C6H5NO2 не смешивается с кислым
раство-ром, то m (оставшегося кислого раствора) = m (исходной нитрующей
смеси)  m (прореагировавшей HNO3) + m (образовавшейся Н2О);
m (оставшегося кислого раствора) = 635  63 х + 18 х = (635  45 х)
кг.
10(1) w (X) = m (X) / m (раствора); 0,02 = (127  63 х) / (635  45 х);
х = 1,84 кмоль; m (X) = M (X) n (X);
m (С6H5NO2) = 123 кг / кмоль  1,84 кмоль =226 кг.
Ответ: 226 кг.
После изучения каждого раздела рекомендуем выполнить задания для
самоконтроля. Их содержание и последовательность расположения помогут
Вам не только определить уровень усвоения соответствующих тем, но и
дополнительно повторить и закрепить изученный материал.
Надеемся, что Вы поступите на химическое отделение РЗШ и с нашей
помощью станете в будущем настоящими профессионалами.