Задачи на вывод формул органических веществ

Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
Задачи на вывод формул органических веществ
повышенного уровня сложности
Задача 1. При сплавлении 5,25 г соли карбоновой кислоты с избытком щелочи выделилось 2,24 л
газа (н.у.), который в 15,25 раза тяжелее водорода. После пропускания газа через соляную кислоту
его объем уменьшился в 2 раза, а плотность по неону составила 1,5. Определите строение исходной
соли.
Решение: При сплавлении солей карбоновых кислот с щелочами образуются углеводороды,
они соляной кислотой не поглощаются. В нашем случае образовалось два газа, второй газ
вытесняется из соли щелочью и поглощается соляной кислотой – аммиак или амин. То есть исходная
соль – соль аммония или алкиламмония.
1)
n(газов) = 2,24/22,4 = 0,1 моль
2)
М (СхНу) = 1,5 ∙ 20 = 30 г/моль – этан.
3)
М (смеси газов)= 15,25 ∙ 2 = 30,5 г/моль
4)
М (второго газа). Так как газы выделялись в соотношении 1:1, то 30,5 – среднее
арифметическое молярных масс этана и второго газа.
(30 + Х)/2 = 30,5, Х = 31 г/моль – это метиламин
5)
Проверим наше предположение
С2Н5СОО– СН3NH3+ + 2NaOH = C2H6 + СН3NH2 + H2O + Na2CO3
Количество соли 0,1/2 = 0,05 моль Молярная масса соли 5,25/0,05 = 105 г/моль
М (С2Н5СОО– СН3NH3+) = 105 г/моль
Ответ: пропионат метиламмония
Задача 2. Для полного гидролиза 14,75 г сложного эфира потребовалось 56 г 25% раствора
гидроксида калия. Смесь после гидролиза нагрели с избытком подкисленного раствора перманганата
калия, при этом выделилось 11,2 л углекислого газа. Установите строение сложного эфира.
Решение: 1) Определим количество щелочи 56 ∙ 0,25 / 56 = 0,25 моль
2) Определим количество углекислого газа 11,2/22,4 = 0,5 моль
3) Если гидролиз шел в соотношении 1:1, то количество эфира равно 0,25 моль, его молярная масса
14,75/0,25 = 59 г/моль. Пусть формула эфира RCOOX, тогда на RX приходится 59 – 44 = 15 г/моль,
такой молярной массе соответствует радикал метил, и не достаточно атомов для другого радикала,
следовательно, такого эфира не существует.
4) Если гидролиз идет в соотношении 1:2 (эфир двухатомного спирта или двухосновной кислоты), то
количество эфира 0,25/2 = 0,125 моль, его молярная масса 14,75/0,125 = 118 г/моль. Вычитаем из
этой массы массы двух эфирных группировок 118 – 88 = 30 г/моль. Предположим, что эфир
образован метиловым спиртом и двухосновной кислотой, тогда 30 – 15 – 15 = 0 г/моль –
углеводородная часть кислоты. СН3–ООС–СОО–СН3
СН3–ООС–СОО–СН3+ 2NaOH → 2 СН3–ОН + NaООС–СООNa
NaООС––СООNa в кислой среде деструктивно окисляется с образованием 2 молей СО2.
Таким образом, углекислого газа при окислении продуктов гидролиза должно по количеству
получиться в 4 раза больше исходного эфира (каждый моль метилового спирта дает 1 моль
углекислого газа, каждый моль кислоты – 2 моль СО2). Проверим, 0,125∙ 4 = 0, 5 моль. Что
соответствует условию.
Ответ: диметилоксалат СН3–ООС–СОО–СН3
Предположим, что это был эфир двухатомного спирта этиленгликоля: RCOO-CH2-CH2-OOCR, тогда
R=H
НCOO-CH2-CH2-OOCН + 2NaOH → НO-CH2-CH2-OН + 2НСООNa
НO-CH2-CH2-OН в избытке окислителя в кислой среде окисляется до 2 моль СО2
Следовательно, ответом может быть диформиат этиленгликоля.
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
Задача 3. К одноосновной карбоновой кислоте массой 96 г добавили водный раствор
гидроксида бария. Раствор упарили, остаток прокалили при 380оС. В результате прокаливания
выделилась смесь газов с плотностью 0,56 г/л и осталось 236,4 г твердого вещества. При добавлении
к этому твердому веществу избытка соляной кислоты выделилось 29,04 л газа с плотностью 1,82 г/л
при 22оС. Определите состав исходной кислоты. (все измерения проводились при давлении 1 атм)
Решение.
1) Проанализируем химизм процесса. Кислота нейтрализуется щелочью, полученная соль
прокаливается. Прокаливание солей двухвалентных металлов приводит к образованию кетонов:
(RCOO)2Вa → ВaCO3 + R – (C=O) – R
В условии сказано, что получена смесь газов. Это говорит о том, что щелочь была в избытке и
прошла реакция Дюма: (RCOO)2Вa + Вa(OH)2 → 2ВaCO3 + 2RH
Значит, смесь газов состоит из углеводорода и кетона.
2) Используя уравнение Менделеева-Клапейрона, определим молярную массу смеси газов
М = mRT/PV; M = ρRT/P; M = 0,56 ∙ 8,314 ∙ (380 + 273)/ 101325 = 0,03 кг/моль = 30 г/моль
Такое значение молярной массы показывает, что один газ имеет молярную массу больше 30 (кетон),
а другой – меньше 30 (метан, этан имеет массу 30).
Отсюда мы делаем вывод, что R = CH3, кетон – это ацетон, а исходная кислота – уксусная.
3) Проверим наше предположение.
Определим, в каком соотношении образовались метан (х моль) и ацетон (у моль)
16х +58у = 30
х = 0,667 моль
х + у = 1 моль
у = 0,333 моль
Определим молярную массу газа, выделившегося при обработке твердого остатка соляной кислотой
M = ρRT/P; M = 1,82 ∙ 8,314 ∙ (22+273)/ 101325 = 0,044 кг/моль = 44 г/моль Это углекислый газ
Его масса = 1,82 ∙ 29,04 = 52,8528 г, его количество 52,8528 : 44 = 1,2012 моль
Это количество равно количеству карбоната бария 236,4/197 = 1,2 моль
Количество карбоната, в свою очередь, равно количеству метана (0,667 ∙ 1,2 = 0,8 моль) и ацетона
(0,333 ∙ 1,2 = 0,3996 моль)
0,3996
0,3996
0,3996
(RCOO)2Вa → ВaCO3 + R – (C=O) – R
0,4
0,8
0,8
(RCOO)2Вa + Вa(OH)2 → 2ВaCO3 + 2RH
Общее количество соли 0,7996 моль, следовательно, кислоты в 2 раза больше:
1,5992
0,7996
2RCOOН + Вa(OH)2 → (RCOO)2Вa + 2Н2О
Найдем молярную массу кислоты 96/1,5992= 60 г/моль. Соответствует расчету.
Ответ: уксусная кислота
Задача 4. Смесь газов, полученная при сжигании 1,8 г образца вещества Х, была пропущена
через трубку с пентаоксидом фосфора (ее масса возросла на 2,16 г), потом через склянку с
гидроксидом кальция (в ней образовалось 6 г осадка), объем непоглощенного газа У при 35 оС и 101,3
Па составил 758 мл. При добавлении к такому же образцу Х избытка азотистой кислоты образуется
соединение Z и выделяется вдвое больший объем У, чем при сгорании. Установите строение Х и Z.
Решение: 1) пентаоксид фосфора поглощает воду, ее масса 2,16 г;
Найдем υ(Н). υ(Н) = 2υ(Н2О) = 2∙2,16/18 = 0,24 моль
Найдем массу водорода m(Н) = υ(Н) ∙ М(Н) = 0,24 ∙ 1 = 0,24 г
2) Углекислый газ поглощается известковой водой с образованием карбоната кальция.
Найдем υ(С). υ(С) = υ(СаСО3) = 6/100 = 0,06 моль
Найдем массу углерода m(C) = υ(С) ∙ М(С) = 0,06 ∙ 12 = 0,72 г
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
3) Остался азот. Найдем его количество υ(N2) = PV/RT; υ(N2) = 101300 ∙ 0,000758/8,314 ∙ 308=0,03
моль
Найдем υ(N). υ(N) = 2υ(N2) = 2∙0,03 = 0,06 моль
Найдем массу азота m(N) = υ(N) ∙ М(N) = 0,06 ∙ 14 = 0,84 г
4) Проверим, был ли в исходном веществе кислород: m(O) = m(вещества) – m (C) – m (H) – m (N) =
1,8 – 0,24– 0,72 – 0,84 = 0; кислорода нет
5) х : y : z = υ(C) : υ(H) : υ(N) = 0,06 : 0,24 : 0,06 = 1 : 4 : 1 СН4N – не м.б., удвоим С2Н8N2
Судя по формуле, это предельный диамин.
Так как он реагирует с азотистой кислотой с образованием азота, то это первичный амин.
1,2 – диаминоэтан (Х) + 2HNO2 → 2N2 + 2H2O + этиленгликоль (Z)
1,1 – диаминоэтан (Х) + 2HNO2 → 2N2 + 3H2O + уксусный альдегид (Z).
Задача 5. Навеску органической соли, состоящей из углерода, кислорода, азота и водорода,
массой 10,7 г сожгли в 11,2 л кислорода. Полученная смесь газов была пропущена последовательно
через трубку с безводным хлоридом кальция (ее масса увеличилась на 8,1 г), склянку с баритовой
водой (выпало 59,1 г осадка) и раскаленную железную трубку (масса увеличилась на 4 г). При этом
остался непоглощенным газ с плотностью 1,25 г/л (н.у.). Установите формулу соли.
Решение:
1) безводный хлорид кальция поглощает воду, ее масса 8,1 г;
υ(Н) = 2υ(Н2О) = 2∙8,1/18 = 0,9 моль
m(Н) = υ(Н) ∙ М(Н) = 0,9 ∙ 1 = 0,9 г
υ(О) = υ(Н2О) = 8,1/18 = 0,45 моль
2) Углекислый газ поглощается баритовой водой с образованием карбоната бария.
υ(С) = υ(ВаСО3) = 59,1/197 = 0,3 моль
m(C) = υ(С) ∙ М(С) = 0,3 ∙ 12 = 3,6 г
υ(О) = 2υ(СО2) = 2∙ 0,3 = 0,6 моль
3) Масса раскаленной железной трубки увеличилась за счет окисления свободным кислородом, не
вступившим в реакцию,
υ(О) = 2υ(О2) = 4/16 = 0, 25 моль
4) Остался азот, что определяется по плотности М=1,25·22,4=28 г/моль.
5) По закону сохранения, количество атомов кислорода до и после реакции равны
Вступило в реакцию υ(О) = 2υ(О2) = 2∙11,2/22,4 = 1 моль
До реакции было (1 + z) моль (О)
После реакции стало 0,45 + 0,6 + 0, 25 = 1,3 моль (О)
(1 + z) = 1,3
z = 0,3 моль было кислорода в исходном веществе
m = 0,3 ∙ 16 = 4,8 г (О)
5) Найдем массу азота 10,7 – 0,9 – 3,6 – 4,8 = 1,4; υ(N) = 1,4 : 14 = 0,1 моль
6) х : y : z : q = υ(C) : υ(H) : υ(O) : υ(N) = 0,3 : 0,9 : 0,3 : 0,1 = 3 : 9 : 3 : 1 С3Н9О3N
Ответ: CH3–CH (ОН)–COONH4 или CH2(ОН)–CH2–COONH4
подходит также (НО-СН2-СОО– СН3 NН3+) – соль гликолевой кислоты – гидроксиацетат
метиламмония; возможны и другие варианты.
Задача 6. Одно и то же количество некоторого алкена при взаимодействии с галогеноводородами
образует 16,125 г хлоралкана и 27,25 г бромалкана. Установите формулу алкена. Решите задачу
двумя способами (6 баллов).
СПОСОБ 1. Решение: 1) CnH2n + HСl → CnH2n+1Сl
CnH2n + HBr → CnH2n+1Br
2) Δm = 27.25 – 16.125 = 11.125 г
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
ΔМ = (14n + 81) - (14n + 36.5) = 44.5 г /моль
3) υ(CnH2n) = Δm /ΔМ; υ(CnH2n) = 11.125/44.5 = 0,25 моль
4) М (CnH2n+1Br) = 27.25/0,25 = 109 г/моль
5) М(CnH2n+1 Br) = 14n +81 =109:
n = 2, С2Н4 - этилен
СПОСОБ 2. 1) CnH2n + HСl → CnH2n+1Сl
CnH2n + HBr → CnH2n+1Br
2) По условию известно, что количества галогеналканов равны, выразим их количества через
массы и молярные массы
υ(CnH2n+1Сl) = 16,125 /(14n+36,5)
υ(CnH2n+1Br) = 27,25/(14n+81)
3) Приравняем количества галогеналканов и решим уравнение:
16,125 /(14n+36,5) = 27,25/(14n+81) , n = 2
Ответ: С2Н4 - этилен.
Задача 7. При окислении 0,1 моля органического вещества водным раствором перманганата калия
получили 4,6 г карбоната калия, 6,67 г гидрокарбоната калия,11,6 г диоксида марганца и воду.
Установите формулу окисленного вещества (6 баллов).
Решение: 1) Найдем количества всех продуктов реакции:
υ(К2CO3) = 4,6/138 = 0,033 моль
1
υ(КНCO3) = 6,67/ 100 = 0,0667 моль
разделим все на наименьшее
2
υ(Mn O2) = 11,6/ 87 = 0,133 моль
или умножим на 30
4
υ (СхНуОz) =0,1 моль
3
3СхНуОz + 4 KMnO4 = К2CO3 + 4MnO2 +2 КНCO3 + q H2O
количество атомов углерода справа равно 3, значит х=1
Водород: 3y = 2+2q q=1,5y – 1
Кислород: 3z +16 =3+8+6 +q 3z – 1 = q
Приравняем эти два выражения 1,5y – 1 = 3z – 1
Выразим у: y = 2z
При z = 0 решения нет
При z = 1 y = 2 С Н2О метаналь
При z = 2 у = 4 С Н4О2 гидрат метаналя – неустойчивое вещество
Ответ: С Н2О метаналь
Задача 8. При окислении 0,03 моль органического вещества водным раствором перманганата калия
получили 7,26 г терефталата калия, 8,28 г карбоната калия, 1,12 г гидроксида калия,17,4 г диоксида
марганца и воду. Установите возможные молекулярные формулы окисленного вещества, приведите
по одной структурной формуле для каждого случая (10 баллов).
Решение: 1) Найдем количества всех продуктов реакции:
υ(С8Н4О4К2) = 7,26/242 = 0,03 моль
3
υ(К2CO3) = 8,28/ 138 = 0,06 моль
умножим на 100
6
υ(КОН) = 1,12/56 =0,02 моль
2
υ(Mn O2) = 17,4/ 87 = 0,2 моль
20
3СхНуОz + 20KMnO4 = 3 С8Н4О4К2 + 6 К2CO3 + 20MnO2 + 2КОН + q H2O
сравнивая количество углерода, определяем, что х=10
водород 3y =12+2+2q
q=3y–14/2
кислород 3z+80 = 12+18+2+40+q
q=3z+8 приравняем
3z+8 =1,5y –7
y = 2z + 10
При z = 0, y = 10 есть решение С10Н10 Например, пара-дивинилбензол CH2=CH–C6H4–CH=CH2
При z = 1, y = 12 есть решение С10Н12О Например, CH2=CH–C6H4–CH(OH)–CH3
При z = 2, y = 14 есть решение С10Н14О2 Например, CH3–CH(OH)–C6H4–CH(OH)–CH3
При z > 2 ароматическая структура получиться не может, решений не будет