Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах и улицах «Добрая дорога детства» 2
Скачать 1.27 Mb.
|
| Тема 9. АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ Альдегиды и кетоны (карбонильные соединения) содержат в составе молекул карбонильную группу. В молекулах альдегидов карбонильная группа соединена с углеводородным радикалом и атомом водорода (или с двумя атомами водорода). В молекулах кетонов карбонильная группа соединена с двумя одинаковыми или различными углеводородными радикалами: О | | Ri–C–R2. Гомологические ряды предельных альдегидов и предельных кетонов имеют общую формулу СхН2хО, где х - 1, 2, 3, ... для альдегидов и х=3, 4, 5 ... для кетонов. Некоторые важнейшие представители этих гомологических рядов (в скобках даны тривиальные названия веществ): О О О | | | | | | Н–С–Н СН3–С–Н СН3–СН2–С–Н метаналь этаналь пропаналь (муравьиный (уксусный (пропионовый альдегид) альдегид) альдегид) О О | | | | СН3–СН2–СН2–С–Н СН3–С–СН3 бутаналь (масляный пропанол альдегид) (ацетон) Номенклатура. Названия альдегидов по заместительной номенклатуре ИЮПАК строятся так же, как и алканов, с добавлением окончания -аль. Нумерация атомов углерода начинается от карбонильной группы, например: О СН3 О 4 3 2 1 ∕ ∕ 5 4 3| 2 1 ∕ ∕ СН3–СН2–СН2–С СН3–СН2–С–СН2–С \ | Н СН3 бутаналь 3,3-диметилпенталь О 4 3 2 1 ∕ ∕ СН3–СН–СНCl–С | \ СН3 Н 3-метил-2-хлорбутаналь Названия кетонам даются так же, как и алканам, с добавлением окончания -он. В конце ставится цифра, указывающая местоположение карбонильного кислорода. Нумерацию главной цепи начинают с того конца, к которому ближе расположена карбонильная группа, например: 1 2 3 4 5 1 2 3 4 СН3–С–СН2–СН2–СН3 СН3–С–СН–СН3 | | | | | О О СН3 пентанол-2 3-метилбутанол-2 Получение. Альдегиды и кетоны получают окислением или каталитическим дегидрированием первичных (альдегиды) и вторичных (кетоны) спиртов: О ∕ ∕ СН3–СН2–СН2ОН+[О]→СН3–СН2–С +Н2О пропанол-1 пропаналь \ Н О | | СН3–СНСНОН–СН3+[О]→СН3–С–СН3+Н2О пропанол-2 ацетон О Cu ∕ ∕ СН3–СН2ОН → СН3–С +Н2О этанол этаналь \ Н Альдегиды и кетоны образуются при гидролизе дигалогенпроизводных углеводородов: О ∕ ∕ СН3–СНBr2+Н2О→СН3–С +2НBr \ Н О | | СН3–СCl2–СН3+Н2О→СН3–С–СН3+2НСl Гидратацией ацетилена и его гомологов в присутствии солей ртути (II) можно получить альдегиды и кетоны: О Hg2+ ∕ ∕ СН=СН+Н2О → СН2–С \ Н О Hg2+ | | СН3–С=С–СН3+Н2О → СН3–С–СН2–СН3 Свойства. Химические свойства альдегидов и кетонов обусловлены присутствием реакционноспособной карбонильной группы. 1. Для альдегидов и кетонов характерны реакции присоединения таких веществ, как цианводородная кислота HCN, гидросульфит натрия NaHSO3 и др., например: О ∕ ∕ СН3–С +НСN→СНОН–СN \ Н О SO2Na | | | СН3–С–СН3+NaНSO2→СН3–СОН–СН3 2. Атом водорода, связанный со вторым (от карбонильной группы) углеродным атомом, в альдегидах и кетонах обладает повышенной подвижностью. Поэтому он может быть замещен на галоген, например: О О ∕ ∕ ∕ ∕ СН3–СН2–С +Br2→СН3–СНBr–С +НBr \ \ Н Н О О | | | | СН3–С–СН3+Cl2→CН3–С–СН2Сl+НСl 3. Альдегиды легко окисляются до органических кислот, например, аммиачным раствором оксида серебра (реакция «серебряного зеркала»): О О ∕ ∕ ∕ ∕ СН3–С +Ag2О→СН3–С +2Ag \ \ Н ОН Кетоны окисляются значительно труднее альдегидов и только сильными окислителями. В этом случае происходит деструкция углеродной цепи, образуется смесь продуктов. Кетоны не вступают в реакцию «серебряного зеркала». 4. В присутствии катализаторов (никель, платина) альдегиды и кетоны гидрируются до спиртов (соответственно, первичных и вторичных), например О | | NI СН3–С–СН3+Н2→СН3–СНОН–СН3. Пример: 1.Формалин представляет собой водный раствор формальдегида (массовая доля СН2О 40%). Рассчитайте массу метанола, который необходимо окислить для получения формалина массой 600 г. Дано: m=600 г, w(СН2О)=40% __________________________ m(СН3ОН)=? Решение. 1.1. Вычисляем массу формальдегида, который потребуется для приготовления формалина:  ; 1.2. Количество вещества требуемого формальдегида равно:  1.3. Составляем уравнение реакции окисления метанола: СН3ОН+[О]→СН2О+Н2О. Из уравнения реакции следует, что n(CH3OH)=n(CH2O); n(CH3OH)=8 моль. 1.4. Масса требуемого метанола равна: m(CH3OH)=n(CH3OH) ∙M(CH3OH); m(CH3OH)=8 моль ∙32 г/моль=256 г. Пример: 2. К водному раствору некоторого предельного альдегида массой 10 г (массовая доля альдегида 22%) прилили избыток аммиачного раствора оксида серебра. При этом образовался осадок массой 10,8 г. Определите формулу исходного альдегида. Дано: альдегид СхН2х+1СОН (вещество А), m=10 г; w(А)=22%; m(Ag)=10,8 г ___________________________________________ х=? Решение. 2.1. Вычисляем массу альдегида в растворе:  2.2. Молярную массу альдегида можно представить в следующем виде: М(А)=(х+1)М(С)+(2х+1+1)М(Н)+М(О); М(А)=[(х+1)12+(2х+2)1+16]г/моль=[14х+30]г/моль. 2.3. Количество вещества альдегида равно:  2.4. Рассчитываем количество вещества серебра, которое образовалось в результате реакции:  2.5. Составляем уравнение реакции альдегида с аммиачным раствором оксида серебра: CХН2х+1СОН+Ag2О→СхН2х+1СООН+2Ag. Из уравнения реакции следует, что  т. е. формула альдегида СН3СОН (уксусный альдегид). Задания для самостоятельного выполнения (выполнение в тетради) 178. Назовите по заместительной номенклатуре следующие карбонильные соединения: О О ∕ ∕ ∕ ∕ а) СН3–СН2–СН2–С; б) СН3–СН–СН–СН–С; \ | | | \ Н СН3 СН3 СН3 Н О ∕ ∕ в) СН3–С–СН–СН2–СН3; г) СН3–СН2–СН–СН2–СН2–СН2–С; | | | | \ О СН3 С2Н5 Н СН3 | д) СН3–СН–С–С–СН3. | | | | СН3 О СН3 179. Напишите структурные формулы следующих соединений: а) 2 метилпентаналь; б) 2,3-диметилбута-наль; в) 3,3,4,4-тетраметилгексаналь; г) 4,4-диметил-пентанон-2. 180. Рассчитайте объем формальдегида (нормальные условия), который содержится в его растворе объемом 6 л (плотность 1,06 г/мл, массовая доля СН2О 20%). 181. Рассчитайте объем водорода, затраченный на каталитическое гидрирование ацетона объемом 80 мл (плотность 0,79 г/мл) до пропанола-2. Объем вычислите при нормальных условиях. 182. Напишите уравнения реакций пентаналя со следующими веществами: а) циановодородной кислотой; б) хлором; в) аммиачным раствором оксида серебра; г) гидросульфитом натрия. 183. При окислении смеси пропаналя и 2-метилпро-паналя массой 1,88 г аммиачным раствором оксида серебра образовался металлический осадок массой 6,48 г. Вычислите массовую долю пропаналя в исходной смеси. 184. Составьте уравнения реакций, которые необходимо провести для осуществления следующих превращений: пропин~>-А-> ацетон. Назовите вещество А, укажите условия протекания реакций. 185. Рассчитайте массу ацетальдегида, который получен по методу Кучерова из технического карбида кальция массой 200 г, массовая доля СаС2 в котором равна 88%. 186. Напишите уравнения реакций, которые надо провести для осуществления следующих превращений: уксусный альдегид->этанол->этилен->ацетилен-»-уксусный альдегид. 187. При взаимодействии этанола массой 13,8 г с оксидом меди (II) массой 28 г получен альдегид массой 9,24 г. Определите массовую долю выхода продукта реакции. 188. В промышленности ацетальдегид получают по способу Кучерова. Рассчитайте массу ацетальдегида, который можно получить из технического карбида кальция массой 500 кг, массовая доля примесей в котором составляет 10,4%. Выход ацетальдегида 75%. 189. В четырех склянках без надписей находятся следующие органические соединения: ацетон, уксусный альдегид, этиленгликоль, водный раствор фенола. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно различить названные вещества. 190. Из ацетилена объемом 4,48 л (нормальные условия) получен ацетальдегид, массовая доля выхода которого составила 60%. Рассчитайте массу металла, который может быть получен при добавлении всего синтезированного альдегида к избытку аммиачного раствора оксида серебра. Тема 10. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ Карбоновыми кислотами называют органические вещества, в состав которых входит карбоксильная группа —СООН. Карбоксильная группа состоит из соединенных карбонильной и гидроксильной групп, что определило ее название. В карбоновых кислотах карбоксильная группа может быть соединена с атомом водорода и различными углеводородными радикалами (предельными, непредельными, ароматическими) и содержать различное число карбоксильных групп (одну — одноосновные кислоты, две — двухосновные и т.д.). Гомологический ряд предельных одноосновных карбоновых кислот содержит следующие кислоты (в скобках дано распространенное тривиальное название): метановая (муравьиная) кислота НСООН, этановая (уксусная) кислота СН3СООН, пропановая (пропионовая) кислота С2Н5СООН, бутановая (масляная) кислота С3Н7СООН, пентадекановая (пальмитиновая) кислота C15H31COOH, гептадекановая (стеариновая) кислота С17Н35СООН. Важнейшими представителями других гомологических рядов карбоновых кислот являются (приводятся тривиальные названия): щавелевая кислота НООС—СООН, акриловая кислота СН2=СН—СООН, бензойная кислота  —СООН Карбоновые кислоты с разветвленным углеродным скелетом по заместительной номенклатуре называют так же, как углеводороды: нумеруют основную углеродную цепь, начиная с карбоксильного углерода, и добавляют окончание -овая и слово «кислота», например: СН3 5 4 3 2 1 6 5 4| 3 2 1 СН3–СН–СН2–СН–СООН СН3–СН– С – СН–СН2–СООН | | | | | СН2 СН3 СН3 СН3 СН3 2,4-диметилпентановая 3,4,4,5-тетраметилгексановая кислота кислота Получение. Кислоты получают окислением альдегидов или первичных спиртов, например: О О ∕ ∕ KMnО4 ∕ ∕ СН3–С +[О] → СН2–С \ \ Н ОН О ∕ ∕ СН2–СН2ОН+2[О]→СН3–С +Н2О \ ОН Кислоты образуются при гидролизе их азотсодержащих производных — нитрилов: О Н+ ∕ ∕ СН3–С=N+2Н2О→СН3–С +NН3 \ ОН Кислоты, начиная с пропионовой, могут быть получены по реакции присоединения воды и оксида углерода (II) к алкенам (в присутствии катализаторов): О ∕ ∕ СН3–СН=СН2+СО+Н2О→СН3–СН–С | \ СН3 ОН существуют специальные способы получения некоторых кислот: NaОН+СО→НСООNa; 2НСООNa+H2SO4→2HCOOH+NaSO4; t, р СН3ОН+СО → СН3СООН. Свойства. Карбоновые кислоты проявляют свойства обычных кислот, реагируя с основаниями, основными оксидами, некоторыми металлами. Для них также характерны следующие свойства. 1. Карбоновые кислоты склонны к некоторой диссоциации (являются слабыми электролитами): С  Н3–СООН СН3–СОО–+Н+. 2. Кислоты взаимодействуют со спиртами, образуя сложные эфиры (катализатор — минеральные кислоты): О _____ | | С2Н5–СО|ОН+Н|О–С2Н5→С2Н5–С–СОС2Н5+Н2О этилпропионат 3. С галогенпроизводными соединениями серы (SOC12) и фосфора (РС13, РС15) карбоновые кислоты образуют хлорангидриды: О О ∕ ∕ ∕ ∕ СН3–С +PCl5→СН3–С +POCl3+HCl \ \ ОН Сl а с водоотнимающими веществами (Р2О6) — ангидриды кислот: О О О ∕ ∕ Р2О5 | | | | 2С2Н5–С → С2Н5–С–О–С–С2Н5+Н2О \ ОН Хлорангидриды и ангидриды легко гидролизуются до соответствующих кислот. 4. Как и в карбонильных соединениях, в кислотах атом водорода при втором углеродном атоме замещается на галоген: СН3–СН2–СООН+Cl2→СН3–СНСl–СООН+НСl. 5. Кислоты можно восстановить или подвергнуть каталитическому гидрированию до альдегидов или первичных спиртов: СН3–СООН+Н2→СН3–СОН+Н2О или СН3–СООН+2Н2→СН3–СН2ОН+Н2О. Предельные карбоновые кислоты достаточно устойчивы к окислению. Лишь муравьиная кислота легко окисляется, например, дает реакцию «серебряного зеркала»: НСООН+AgО→СО2+Ag+Н2О. Непредельные и ароматические кислоты проявляют наряду с общими свойствами карбоновых кислот также и свойства, характерные для непредельных и ароматических соединений. Пример: 1.Рассчитайте объем оксида углерода (II), приведенный к нормальным условиям, который потребуется для получения раствора муравьиной кислоты массой 16,1 кг. Массовая доля НСООН в растворе, который требуется получить, равна 40%. Дано: m=16,1 кг; w(НСООН)=40% ______________________________ V(СО)=? Решение. 1.1. Вычисляем массу НСООН, которая содержится в получаемом растворе:  1.2. Количество вещества НСООН равно:  1.3. Муравьиная кислота образуется при взаимодействии оксида углерода (II) с гидроксидом натрия с последующим подкислением реакционной смеси. Составляем уравнения реакций: CO+NaOH→HCOONa, HCOONa+  H2SO4→HCOOH+Na2SO4.Из этих уравнений следует, что n(CO)=n(HCOOH); n(СО)=0,14 кмоль=140 моль. 1.4. Вычисляем объем требуемого оксида углерода (II), приведенный к нормальным условиям: V(CO)=n(CO) ∙Vm; V(CO)=140 моль ∙22,4 л/моль=3136 л. Пример: 2. Рассчитайте объем уксусной эссенции (плотность 1,07 г/мл), которую надо разбавить водой для приготовления столового уксуса объемом 500 мл (плотность 1,007 г/мл). Массовая доля уксусной кислоты в уксусной эссенции равна 80%, а в уксусе — 6%. Дано: w1(СН3СООН)=80%; ρ1=1,07 г/мл; w2(CН3СООН)=6%; ρ2=1,007 г/мл; V2=500 мл; (индексы «1» относятся к уксусной эссенции, «2» - к уксусу) _____________________________________________ V1=? Решение. 2.1. Определяем массу раствора уксуса, который надо приготовить: m2=V2ρ2; m2=500 мл ∙1,007 г/мл=503,5 г. 2.2. Вычисляем массу уксусной кислоты, которая содержится в уксусе:  2.3. Рассчитываем массу уксусной эссенции, которая содержит уксусную кислоту массой 30,21 г:  2.4. Находим объем уксусной эссенции, которую надо разбавить для приготовления уксуса:  Пример: 3.На нейтрализацию предельной одноосновной кислоты массой 7,4 г затрачен раствор с массовой долей гидроксида калия 40% объемом 10 мл и плотностью 1,4 г/мл. Определите формулу кислоты. Дано: кислота СхН2х+1СООН (вещество А); m(А)=7,4 г; w(КОН)=40%; V=10 мл; ρ=1,4 г/мл _______________________________________________ х=? Решение. 3.1. Вычисляем массу раствора гидроксида калия, затраченного на нейтрализацию кислоты: m=Vρ; m=10 г ∙1,4 г/мл = 14г. 3.2. Определяем массу гидроксида калия, содержащегося в растворе:  3.3. Количество вещества КОН составляет:  3.4. Молярную массу кислоты А можно представить в следующем виде: М(А)=(х+1)М(С)+(2х+1+1)М(Н)+2М(О); М(А)=[(х+1)12+(2х+2)1+2 ∙16] г/моль=(14+46) г/моль. 3.5. Рассчитываем количество вещества кислоты, взятой для реакции: n(A)=  3.6. Составляем уравнение реакции нейтрализации кислоты: СхН2х+1СООН+КОН→СхН2х+1СООК+Н2О. Из этого уравнения реакции следует, что n(КОН)=n(А), отсюда 0,1=  Решая это уравнение, находим, что х=2. Таким образом, формула кислоты С2Н5СООН (пропионовая кислота). Пример: 4.Объемная доля метана в природном газе составляет 94,08%. Рассчитайте массу муравьиной кислоты, которую можно получить путем каталитического окисления природного газа объемом 200 л (нормальные условия), если массовая доля выхода кислоты составляет 60%. Дано: φ(СН4)=94,08%; V=200 л; η(НСООН)=60% ___________________________________________ m(НСООН)=? Решение. 4.1. Рассчитываем объем метана, который содержится в природном газе: V(CН4)=  4.2. Количество вещества метана составляет:  4.3. Составляем уравнение реакции получения муравьиной кислоты из метана: СН4+3[О]→НСООН+Н2О. Из этого уравнения следует, что n(HCOOH)=n(CH4); n(НСООН)=8,4 моль. 4.4. Масса муравьиной кислоты, которая могла бы быть получена при количественном выходе, равна: m(HCOOH)=n(HCOOH)∙M(HCOOH); m(HCOOH)=8,4 моль ∙46 г/моль=386,4 г. 4.5. Учитывая массовую долю выхода продукта, рассчитываем массу кислоты, которая будет получена:  Задания для самостоятельного выполнения (выполнение в тетради) 191. Назовите следующие кислоты по заместительной номенклатуре: а) СН3–СН–СН–СН2–СООН; б) НООС–СН2–СН–СН–СН2–СООН; | | | | СН3 СН3 СН3 СН3 в) СН3–СН2–СН2–СН–СН2–СООН. | СН3 192. Напишите структурные формулы следующих кислот: а) З-метил-2-этилгексановая кислота; б) 4,5-ди-метилоктановая кислота; в) 2,2,3,3-тетраметилпентано-вая кислота. 193. Рассчитайте массу бутановой кислоты, которая образуется при окислении бутанола-1 массой 40,7 г. 194. В результате каталитического окисления пропана получена пропионовая кислота массой 55,5 г. Массовая доля выхода продукта равна 60,%. Рассчитайте объем взятого пропана (условия нормальные). 195. Напишите структурные формулы изомерных карбоновых кислот, соответствующих эмпирической формуле C5H10О2. Сколько может быть таких кислот? 196. В четырех пробирках находятся следующие вещества: муравьиная кислота, пропионовая кислота, метанол, уксусный альдегид. При помощи, каких химических реакций можно различить названные вещества? Составьте уравнения этих реакций. 197. С помощью, каких химических реакций можно осуществить следующие превращения: а) СН4→СН3Cl→СН3ОН→НСОН→НСООН→→СО2; б) СН4→С2Н2→СН3→СОН→СН3–СООН→СН2Cl–СООН. Напишите уравнения реакций, укажите условия их протекания. 198. Сколько изомерных одноосновных карбоновых кислот соответствует формуле C6H12O2? Напишите структурные формулы этих кислот и назовите по заместительной номенклатуре. 199. Напишите уравнения реакций между следующими веществами: а) 2-метилпропановой кислотой и хлором; б) уксусной кислотой и пропанолом-2; в) акриловой кислотой и бромной водой; г) 2-метилбутановой кислотой и пентахлоридом фосфора РС15. 200. Имеются растворы, в которых массовая доля уксусной кислоты равна 90 и 10%. Рассчитайте массу каждого раствора, которая потребуется для приготовления 200 г раствора кислоты с массовой долей СН3СООН 40%. 201. Калиевая соль стеариновой кислоты C17H35COOН (стеарат калия) является основным компонентом жидкого мыла. Рассчитайте массу стеариновой кислоты, которую можно получить из мыла, содержащего стеарат калия массой 96,6 г. Выход кислоты составляет 75%. 202. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: О ∕ ∕ С2Н5–С → \ Н О О | | | |  →С2Н5–С–О–С–С2Н5→С2Н5–СООН— →СН3–СН2–СН2ОН→СН3–СН=СН2. Укажите условия протекания реакций. 203. Рассчитайте объем метана (нормальные условия), который можно получить при нагревании уксусной кислоты массой 24 г с избытком гидроксида натрия. Массовая доля выхода метана равна 35%. 204. При окислении муравьиной кислоты получен газ, который пропустили через избыток раствора гидроксида кальция. При этом образовался осадок массой 20 г. Рассчитайте массу муравьиной кислоты. 205. Рассчитайте массу бензойной кислоты, которая может быть получена при окислении толуола массой 7,36 г. Массовая доля выхода кислоты равна 55%. 206. При пропускании хлора в раствор уксусной кислоты (массовая доля СН3СООН равна 75%) получена хлоруксусная кислота. Определите ее массовую долю в растворе, считая, что избыточный хлор и хлороводород удалены из него. 207. В лаборатории имеется раствор уксусной кислоты объемом 240 мл (массовая доля СН3СООН 70%, плотность 1,07 г/мл). Рассчитайте объем воды (плотность 1 г/мл), которую надо прилить к нему для получения раствора с массовой долей СН8СООН 30%. Изменением объема при смешении раствора и воды пренебречь. 208. Уксусную кислоту получают окислением бутана кислородом воздуха в присутствии катализатора. Рассчитайте массу раствора кислоты (массовая доля СНзСООН 80%), который можно получить из бутана объемом 67,2 л (нормальные условия). Массовая доля выхода кислоты равна 75%. 209. Окислением пропанола-1 массой 7,2 г получена пропионовая кислота, на нейтрализацию которой затрачен раствор гидроксида натрия объемом 16,4 мл (массовая доля NaOH 20%, плотность 1,22 г/мл). Определите массовую долю выхода кислоты. 210. Назовите вещества А и Б и составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: а) метан->-А->Б->уксусная кислота; б) метанол---В---формиат натрия. |
