Дидактический материал по органической химии
advertisement
Аннотация к методическому пособию В пособии представлен собственный многолетний опыт педагога по подготовке учащихся профильных химико-биологических классов к ЕГЭ. Учтены последние аналитические оценки заданий ЕГЭ по органической химии и результаты экзаменов. Пособие позволяет гарантировано улучшить качество знаний учащихся. Оно размещено на сайте «Сеть творческих учителей» и пользуется большой популярностью как у школьников, так и у коллег. Отличается от подобных пособий лаконичностью, системностью информации, охватывает только трудные для понимания учащихся темы курса органической химии. Пособие может быть использовано любым учителем химии для повышения уровня собственной теоретической подготовки. Методическое пособие по органической химии. Подготовка к ЕГЭ. Содержание Введение стр. 1. Изомерия и номенклатура органических соединений…………………………….......2 2. Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений……………...…..9 3. Функциональный анализ органических соединений……………………………..….12 4. Механизмы органических реакций………………………………………….…….…..14 5. Окислительно-восстановительные реакции с участием органических веществ…………………………………………………………..……………...17 6. Осуществление превращений по схеме…………………………………………..…...23 7. Решение задач на вывод формул органических соединений…………………........ ..28 8. Список источников и литературы…………………………………………………......31 Введение Говоря о перспективах повышения эффективности подготовки к ЕГЭ, следует учитывать, что единый государственный экзамен является итогом всего школьного курса химии, поэтому подготовка к нему должна вестись системно, на протяжении всего процесса обучения химии в школе. Идеи такой системы были выработаны на семинарах по ЕГЭ, в которых приняли участие наиболее опытные учителя химии Оренбургской области. Структура курса химии в старшем звене средней школы авторами разных учебников видится по-разному. Авторы многих УМК для средней школы (Гузей Л.С., Кузнецова Л.М., Иванова Р.Г., Новошинский И.И.) предлагают курс химии 10 класса посвятить углубленному изучению неорганической и общей химии, оставив курс органической химии на 11 класс. В других УМК (Габриелян О.С., Рудзитис Г.Е., Кузнецова Н.Е.) предусмотрено изучение органической химии в 10 м классе, а в 11-м изучается курс общей химии. Нам представляется, что второй подход более целесообразен, в том числе и в плане подготовки к ЕГЭ по химии. В пользу такого выбора можно привести следующие доводы: Изучение курса «Органической химии» в 10-м классе может базироваться на тех пусть небольших знаниях, которые ученики получили при изучении темы «Органические вещества» в 9-м классе. Если эти знания останутся не востребованы в течение еще одного учебного года, они будут полностью утеряны; Изучение объемного и во многом специфичного материала «Органической химии» будет проходить эффективней в 10-м классе, чем 11-м, поскольку последний загружен подготовкой школьников к итоговой аттестации по различным предметам, психологически и эмоционально более напряжен; 1 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. При изучении «Органической химии» в 11-м классе практически не остается возможности для повторения и обобщения всего школьного курса химии, что важно для успешной итоговой аттестации по предмету. Таким образом, даже если выбранный УМК предусматривает изучение «Органической химии» в 11-м классе, рекомендуется изменить программу и по учебникам 11 класса работать в 10-м. Такой выбор предоставляет учителю, в частности, УМК Кузнецовой Л.М. Основной учебной целью предлагаемого пособия является формирование прочных знаний курса органической химии. Одновременно продолжается развитие умений самостоятельно работать с литературой, систематически заниматься решением задач, работать с тестами различных типов. Лекционные, объяснительно-иллюстративные методы проведения занятий по подготовке к ЕГЭ обычно малоэффективны. Знания лучше усваиваются человеком, когда он осознал их необходимость. Поэтому занятия можно начинать с решения кратких тестов в парной или групповой работе в сотрудничестве с учителем. Ошибки, допущенные при выполнении этих тестов, служат основой для кратких разъяснений с опорой на теоретический материал, сделанных учителем или наиболее сильными учениками. Полученные знания закрепляются новой серией упражнений, задач, тестов. Тесты и задания, выполненные в ходе самостоятельной работы, вопросы, возникшие при этом, также обсуждаются на занятиях, в том числе и при работе в парах сменного состава. Учитель при этом выступает консультантам по самым сложным вопросам. При групповой работе учащиеся получают тест, самостоятельно распределяют вопросы теста между членами группы, каждый ученик самостоятельно готовит ответы на свои вопросы теста. Сильные ученики, справившись со своими вопросами, помогают более слабым товарищам найти нужный ответ и его аргументировать. Затем все вопросы теста обсуждается в группе с тем, чтобы каждый ученик мог аргументировать ответ на любой вопрос. Для успешной работы на ЕГЭ и на других видах контроля в аналогичном формате, ученики должны знать основные виды заданий, ориентироваться в их структуре, понимать, в какой форме нужно давать ответ. Большую помощь в подготовке к экзамену ученикам и педагогам окажет предлагаемое пособие. Раздел 1. Изомерия и номенклатура органических соединений. Изомерия – явление существования соединений, одинаковых по составу, но разных по строению и свойствам. Различают структурную и пространственную изомерию. Причиной структурной изомерии является различный порядок соединения атомов в молекулах. Она включает: ~ изомерию, определяемую характером углеродного скелета СН3 – СН2 – СН2 – СН3 СН3 – СН – СН3 | н-бутан СН3 2-метилпропан ~ изомерию, определяемую положением кратных связей СН2 = СН – СН2 – СН3 СН3 – СН = СН2– СН3 бутен-1 бутен-2 ~ изомерию, определяемую положением функциональных групп СН3 – СН2 – СН2 –ОН СН3 – СН – СН3 | 2 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. пропанол-1 ОН пропанол-2 ~ изомерию, определяемую принадлежностью веществ к разным классам СН2 = СН – СН2 – СН3 СН2 – СН2 | | СН2 – СН2 бутен-1 циклобутан СН3 – СН2 – СН2 –ОН СН3 – СН2 – О – СН3 пропанол-1 метоксиэтан (метилэтиловый эфир) ~ изомерию взаимного расположения заместителей СН3 СH3 СН3 СН3 СН3 о-ксилол м-ксилол CH3 п-ксилол ~ метамерию СН3 – СН2 – СН2 – СОО– СН3 СН3 – СН2 – СОО – СН2 – СН3 метилбутаноат этилпропаноат СН3 – СН2 – СН2 –NН2 СН3 – СН2 – NH – СН3 пропиламин метилэтиламин ~ таутомерию СН3 – С – СН3 ↔ || О пропанон-2 СН3 – С = СН2 | ОН пропенон-2 Пространственная изомерия является следствием различий во взаимном расположении отдельных фрагментов молекул, имеющих одинаковое химическое строение. Она делится на два вида: геометрическую и оптическую. Геометрическая изомерия определяется различным положением групп атомов относительно кратной связи или цикла. В молекулах цис-изомеров группировки атомов расположены по одну сторону двойной связи или цикла, а в транс-изомерах – по разные. Н3С СН3 Н3С Н \ / \ / С=С С=С / \ / \ Н Н Н СН3 цис-Бутен-2 транс-Бутен-2 В оптической изомерии различные фрагменты молекул располагаются по-разному относительно некоторого атома. Такое расположение называется конфигурацией. СООН СООН | | С–Н H–С 3 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. /\ /\ Н3С NH2 Н2N CH3 Данные молекулы относятся друг к другу как две руки – левая и правая, то есть являются антиподами. Условием существования антиподов является наличие в молекуле асимметрического атома углерода (хирального центра). Номенклатура – совокупность правил составления названий химических веществ, классов, групп и др. Главное место в органической химии занимает международная систематическая номенклатура, разрабатываемая комиссией Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК). Название органического соединения отражает особенности его строения. У соединений жирного ряда корень слова обозначает число углеродных атомов главной цепи. Главной считают самую длинную и непрерывную цепь атомов углерода, имеющую наибольшее число заместителей или связанную со старшей функциональной группой: С -мет С–С -эт С–С–С -проп С–С–С–С -бут С–С–С–С–С -пент и далее корни греческих числительных. Обозначения боковых заместителей вводят в виде приставок в алфавитном порядке. В названиях радикалов к обозначению числа углеродных атомов добавляют суффикс –ил (метил-, этил-). Отсутствие или наличие двойной, тройной связи обозначают суффиксами –ан, ен, ин. При наличии повторяющихся заместителей используют умножающие приставки ди, три, тетра, пента и т. д. Местоположение заместителей указывают с помощью локантов – цифр или букв, разделенных запятыми. При этом сумма локантов должна быть наименьшей. Старшую функциональную группу обозначают в последнем суффиксе. В таблице 1 представлены классы органических соединений и названия функциональных групп. Таблица 1. Название Класс Формула в префиксе в суффиксе Карбоновые кислоты -СООН карбокси Сульфокислоты Нитрилы Альдегиды -SO3H -CN -СНО cульфо циано оксо Кетоны Спирты и фенолы -СО -ОН оксо гидрокси Амины Простые эфиры Алкилгалогениды -NH2 -OR F, Cl, Br, I Нитросоединения -NO2 амино алкокси фтор, хлор, бром, иод нитро овая кислота сульфокислота нитрил аль он ол амин фторид, хлорид, бромид, иодид - Группа, стоящая выше, считается старшей. 4 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. При составлении названия 1. определяют функциональные группы и с помощью таблицы – их старшинство; 2. старшая функциональная группа обозначается в суффиксе, все остальные в префиксе; 3. определяют родоначальную структуру соединения (в ациклических соединениях – это главная углеродная цепь, в карбоциклических – цикл; 4. главная углеродная цепь должна содержать максимальное число атомов углерода, заместителей, кратных связей; 5. нумеруют атомы родоначальной структуры так, чтобы старшая группа получила по возможности меньший номер. (При отсутствии функциональной группы предпочтение при нумерации отдают положениям кратных связей, а при их отсутствии заместителям); 6. составляют название, соблюдая такую последовательность: ~ указывают в алфавитном порядке функциональные группы, кроме старшей, и углеводородные радикалы; ~ приводят название родоначальной структуры; ~ указывают положение кратных связей и старшей функциональной группы. Пример: CH3 3 |2 1 СН2 – С – СН2 | | | NH2 CH3 OH Решение: 1. Старшая функциональная группа: гидроксильная – суффикс «ол» 2. Аминогруппа рассматривается как заместитель 3. Главная цепь – три атома углерода – корень «пропан» 4. Нумерация атомов углерода главной цепи со стороны старшей функциональной группы ОН 5. Заместители: аминогруппа у 3 атома углерода и два метильных радикала у 2 атома углерода 6. Сначала называют заместители, начиная с аминогруппы с указанием локанта (3), два метильных радикала обозначают множительной приставкой «ди», а локант 2 повторяют дважды: 3-амино-2,2-диметил; затем – корень и суффикс с указанием места положения старшей группы: пропанол-1 Название: 3 - амино - 2,2 – диметилпропанол – 1 Задача 1.1 Назовите по систематической номенклатуре следующее соединение: СН3 – СН – СН2 – СН – СН = СН2 | | СН3 ОН Решение: 1. Функциональная группа: гидроксильная – суффикс «ол». 2. Главная цепь: шесть атомов углерода – корень «гекс». 3. Степень насыщенности: двойная связь «ен». 4. Заместитель: «метил». 5. Нумерация со стороны функциональной группы. 6. Название: 5-метилгексен-1-ол-3 Задача 1.2 Напишите структурные формулы изомерных соединений состава С 4Н9Вr. Назовите их по систематической номенклатуре. 5 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. Решение: 1. В состав соединения входят углерод, водород и бром. Следовательно, вещество относится к классу галогенопроизводных. Соотношение атомов отвечает общей формуле СnH2n+1Hal, значит это производное предельного углеводорода. 2. Возможна изомерия углеродного скелета и положения функциональной группы. 3. Записываем схемы возможных углеродных скелетов и для каждого варьируем положение атома брома. 4. Вr С–С–С–С С–С–С–С С–С–С | | | | | С–С–С Вr Вr Вr С | С 5. Расставляем атомы водорода и даем названия. СН2 – СН2 – СН2 – СН3 СН3 – СН – СН2 – СН3 | | Вr Вr 1-бромбутан 2-бромбутан СН2 – СН – СН3 Вr | | | Вr СН3 СН3 – С – СН3 1-бром-2-метилпропан | СН3 2-бром-2-метилпропан Одинаковых названий нет. Число структурных изомеров равно 4. Задачи для самостоятельного решения 1. Напишите структурные формулы всех изомеров состава С6Н14. Назовите их по систематической номенклатуре. 2. Напишите структурные формулы 2-бром-5-метилгексена-1 и трех его изомеров различных видов. 3. Напишите структурные формулы всех изомеров состава С5Н10О2 Назовите их по систематической номенклатуре. 4. Напишите структурные формулы всех возможных изомерных радикалов: С3Н7, С4Н9, С5Н11. Назовите их. 5. Дайте название по систематической номенклатуре трет-бутиловому спирту. 6. Исправьте ошибки в следующих названиях: а) 2-этилгексан; г) 2-метил-3-изопропилпентан; б) 2,4,5-триметилгексан; д) 3,3-хлор-1-метилциклогексан; в) 2-пропилпентан; е) 2-метилбутен-3. 7. Напишите формулы геометрических изомеров следующих углеводородов: пентена-2; 2,5-диметилгксена-3; 3-метилпентена-2; гексадиена-2,4. 8. Напишите структурные формулы всех изомеров состава С7Н12, главная цепь которых состоит из пяти углеродных атомов и назовите их. 9. Напишите структурные формулы вторичных и третичных спиртов состава С 6Н14О и назовите их. 10. Напишите структурные формулы всех изомеров состава С5Н10О. 11. Напишите структурные формулы всех возможных аминов с общей формулой С4Н11N. Назовите их и укажите какие из них являются первичными, вторичными, третичными по замещению у атома азота. 6 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 12. Напишите структурные формулы аминокислот состава С4Н9О2N и назовите соединения, содержащие а) первичную аминогруппу; б) вторичную аминогруппу. 13. Напишите структурные формулы всех изомеров метилэтилбензола. Назовите их. 14. Сколько изомерных соединений может дать каждый из ксилолов при введении в ядро третьего заместителя хлора? Назовите их. 15. Напишите структурные формулы оптических изомеров фруктозы. Отметьте асимметрические атомы углерода. Готовимся к ЕГЭ: Задания с выбором ответа. 1. Изомеры различаются 2) качественным составом 3) значением молярных масс 4) химическим строением 5) количественным составом 2. Количество различных циклоалканов, соответствующих формуле С5Н10 1) 2; 2) 3; 3) 4; 4) 5 3. Структурным изомером нормального гексана является 1) 3-этилпентан 2) 2-метилпропан 3) 2,2-диметилпропан 4) 2,2-диметилбутан 4. Изомером бутановой кислоты является 1) бутанол 2) пентановая кислота 3) бутаналь 4) 2-метилпропановая кислота 5. Транс-бутен-2 и цис-бутен-2 являются 1) гомологами 2) структурными изомерами 3) геометрическими изомерами 4) одним и тем же веществом 6. Гомологом уксусной кислоты является 1) хлоруксусная 2) олеиновая 3) стеариновая 4) бензойная 7. Метаналь и формальдегид являются 1) гомологами 2) структурными изомерами 3) геометрическими изомерами 4) одним и тем же веществом 8. Не имеет оптических изомеров 1) глюкоза 2) глицин 3) аланин 4) лизин Задания на установление соответствия 1. Установите соответствие между формулой вещества и его названием. ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА 7 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. А) СН3СН2СНО Б) ClСН2СООН В) СН3СООСН2СН3 Г) СН3СН2СН2ОСН3 1) этилацетат 2) метилпропиловый эфир 3) пропаналь 4) хлоруксусная кислота 5) пропанол-1 А Б В Г 2. Установите соответствие между названием вещества и классом органических соединений, к которому оно принадлежит. НАЗВАНИЕ ВЕЩЕСТВА КЛАСС ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ А) толуол Б) 2-метилбутанол-1 В) изопропилэтаноат Г) ацетон 1) спирт 2) простой эфир 3) кетон 4) сложный эфир 5) арен А Б В Г 3. Установите соответствие между составом вещества и числом его структурных изомеров СОСТАВ ВЕЩЕСТВА ЧИСЛО СТРУКТУРНЫХ ИЗОМЕРОВ А) С5Н12 1) два Б) С3Н6 2) три В) С4Н10О 3) четыре Г) С4Н6 4) пять 5) шесть А Б В Г 4. Установите соответствие между названием органического соединения и классом, к которому оно принадлежит. НАЗВАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ А) А) диметилбензол Б) Б) гексанол-3 В) В) метилформиат Г) Г) стирол А КЛАСС ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 1) 1) сложные эфиры 2) 2) углеводороды 3) 3) спирты 4) 4) карбоновые кислоты 5) 5) аминокислоты 6) 6) простые эфиры Б В Г Раздел 2. Взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений. 8 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. Теория электронных смещений. Реакционная способность органических соединений определяется – смещением электронной плотности в простых связях; – смещением электронной плотности в кратных связях. Электронные эффекты Индуктивный эффект ( I ) : смещение электронной плотности в молекуле по системе σ-связей положительный отрицательный +I -I Мезомерный эффект (М) : смещение электронной плотности в молекуле по системе π-связей отрицательный положительный +М -М Заместители А, вызывающие отрицательный индуктивный эффект, являются электроноакцепторами: -NO2, -CN, -COOH, -F, - Cl, -Br, -I, -COOR, -COR, -OR, -OH, -NH2, -Ar Заместители B, вызывающие положительный индуктивный эффект, являются электронодонорами: - CR3, -CHR2, -CH2R, -CH3 1. Индуктивный эффект проявляется всегда при наличии в молекуле атомов с различной электроотрицательностью. 2. Индуктивный эффект распространяется только через σ-связи и всегда в одном направлении. 3. Индуктивный эффект затухает в цепи через 3 – 4 σ-связи. Мезомерный эффект действует в сопряженных системах. Сопряженная система состоит из чередующихся простых и кратных связей. В сопряжение также может вступать атом с неподеленной парой р-электронов или атом с вакантной р-орбиталью. Мезомерный эффект проявляется лишь в том случае, когда заместитель включен в сопряженную систему молекулы. Заместители А, вызывающие отрицательный мезомерный эффект: -NO2, -CN, -COOH, -COOR, - CONH2. Например, СН2 = СН – А Заместители В, вызывающие положительный мезомерный эффект: -NH2, -OH, -F, -Cl, -Br. Например, СН2 = СН – В: Задача 2.1 Сравните кислотные свойства следующих соединений: этанол, 1-хлорэтанол, вода, фенол, этиламин, азотная кислота. Решение: Кислотные свойства проявляются в легкости отщепления протона. Выделим реакционные центры, по которым возможно отщепление протона: а) связь О – Н 9 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. б) связь N – H Рассмотрим электроотрицательность элементов: χ(О)=3,5; χ(N)=3,0 Так как электроотрицательность кислорода выше чем у азота, то связь О – Н является более полярной, поэтому протон у всех гидроксильных соединений будет отщепляться легче. Следовательно, этиламин обладает самыми низкими кислотными свойствами. Все гидроксильные соединения можно рассматривать как производные воды, в которой один из атомов водорода замещен на какую-либо группировку: Н – О – Х . В азотной кислоте нитрогруппа NO2, обладающая отрицательным индуктивным и отрицательным мезомерным эффектом, оттягивает электронную плотность на себя, увеличивая полярность связи О – Н и усиливая кислотные свойства. Н → О → NO2 Таким образом, азотная кислота обладает сильными кислотными свойствами. Алкильные радикалы обладают положительным индуктивным эффектом и уменьшают полярность связи О – Н по сравнению с водой. R→O→H В молекуле 1-хлорэтанола атом хлора увеличивает полярность связи О – Н за счет отрицательного индуктивного эффекта галогена, следовательно у 1хлорэтанола кислотные свойства выражены ярче, чем у этанола. В молекуле фенола группа О –Н обладает отрицательным индуктивным и положительным мезомерным эффектом. Неподеленная электронная пара атома кислорода вступает в сопряжение с π-электронной системой бензольного кольца, что приводит к большей поляризации связи О – Н, чем в молекулах спиртов. Расположим вещества в порядке уменьшения кислотных свойств: HONO2 > HOH > C6H5OH > CH3CHClOH > C2H5OH > C2H5NH2 Задача 2.2 Расположите предложенные ниже соединения в ряд по уменьшению основных свойств: аммиак, вода, этанол, диэтиловый эфир, этиламин, диэтиламин, анилин. Решение: 1. Основные свойства проявляются тем больше, чем легче происходит присоединение протона. Протонирование осуществляется по неподеленной электронной паре атомов азота или кислорода. Чем доступнее электронная пара для атаки протоном, тем выше основные свойства. Чем выше электронная плотность на атоме, тем больше основные свойства. 2. Известно, что в периоде основные свойства водородных соединений уменьшаются с увеличением электроотрицательности атомов элементов. Следовательно, азотсодержащие соединения обладают большими основными свойствами, чем кислородсодержащие. 3. Среди азотсодержащих соединений можно выделить 3 класса: а) аммиак – неорганическое соединение; б) производные аммиака – алифатические амины; в) производные аммиака – ароматические амины. В алифатических аминах – этиламине и диметиламине алкильные группы обладают положительным индуктивным эффектом и увеличивают электронную плотность на атоме азота и тем самым повышают основные свойства. Действие двух метильных групп в диметиламине сказываются сильнее, чем одной в этиламине, поэтому диэтиламин обладает большими основными свойствами. Ароматические амины обладают очень низкими основными свойствами из-за сопряжения неподеленной электронной пары атома азота с π-электронной системой бензольного кольца. 10 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. Таким образом, рассмотренные азотсодержащие соединения можно расположить в следующий ряд по уменьшению основных свойств: диэтиламин, этиламин, аммиак, анилин 4. Все приведенные в условии задачи кислородсодержащие соединения можно рассматривать как производные воды. Основные свойства этанола и диэтилового эфира будут выражены сильнее чем у воды благодаря положительному индуктивному эффекту этильных групп, увеличивающих электронную плотность на атоме кислорода. Влияние двух этильных групп в диэтиловом эфире скажутся сильнее, чем в этаноле. Таким образом, рассмотренные кислородсодержащие соединения можно расположить в следующий ряд по уменьшению основных свойств: диэтиловый эфир, этанол, вода. Ответ: диэтиламин>этиламин> аммиак > анилин>диэтиловый эфир>этанол >вода Задачи для самостоятельного решения. a. Сравните кислотные свойства фенола и 2,4,6-тринитрофенола. b. Расположите в порядке возрастания кислотных свойств следующие кислоты: уксусная , аминоуксусная , муравьиная, масляная, хлоруксусная. c. Расположите в порядке возрастания основных свойств следующие соединения: метиламин, диметиламин, дифениламин, фениламин, карбамид. d. Расположите в порядке возрастания кислотных свойств следующие кислоты: бензойная, п-нитробензойная, п-сульфобензойная, о-хлорбензойная. e. Расположите следующие кислоты в порядке увеличения их силы: а) СН3СООН, ClСН2СООН, BrСН2СООН, IСН2СООН б) СН3СООН, CF3COOH, HOCOOH, CCl3COOH, HOCH2COOH Готовимся к ЕГЭ: Задания с выбором ответа. 1.Кислотные свойства наиболее выражены у 1) метанола 3) фенола 2) этанола 4) глицерина 2. Основные свойства наименее выражены у 1) аммиака 3) метиламина 2) анилина 4) трифениламина 3. С натрием и гидроксидом натрия реагирует 1) метанол 3) этанол 2) фенол 4) метаналь 4. Амфотерными свойствами обладает 1) уксусная кислота 3) аминоуксусная кислота 2) хлоруксусная кислота 4) пикриновая кислота 5. Самой сильной кислотой является 1) муравьиная 3) уксусная 2) хлоруксусная 4) бромуксусная 6. С хлороводородной кислотой и гидроксидом калия реагирует 1) фенол 3) бензол 2) глицин 4) анилин 7. В реакцию с бромной водой не вступает 1) фенол 3) бензол 2) анилин 4) стирол 11 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 8. В молекуле фенола гидроксильная группа обладает 1)положительным мезомерным и положительным индуктивным эффектом 2) отрицательным мезомерным и положительным индуктивным эффектом 3) положительным мезомерным и отрицательным индуктивным эффектом 4) отрицательным мезомерным и отрицательным индуктивным эффектом 9. Сопряженной системой является молекула 1) бутана 3) ацетилена 2) бензола 4) этанола 10. При бромировании нитробензола преимущественно образуются 1) 2-бромнитробензол 3) 4-бромнитробензол 2) 3-бромнитробензол 4) 2-бромнитробензол и 4-бромнитробензол Раздел 3.Функциональный анализ органических соединений. Функциональный анализ проводят с целью определения принадлежности неизвестного вещества к тому или иному классу соединений. Для анализа отбирают такие реакции, в результате проведения которых происходит изменение окраски, выпадение осадка или выделение газа. Такие реакции называются качественными. С их использованием проводят идентификацию веществ. Знание качественных реакций позволит найти существенные различия между предлагаемыми веществами. 1. Реакции на кратные связи. Обесцвечивание бромной воды. Обесцвечивание водного раствора перманганата калия с появлением бурого осадка диоксида марганца. Если тройная связь находится у концевого углеродного атома, то ее можно распознать аммиачным раствором оксида серебра(I) или хлорида меди(I). В результате реакций образуются осадки. 2. Реакция на арены. При добавлении к ароматическому углеводороду формалина и концентрированной серной кислоты появляется красный осадок. Гомологи бензола окисляются подкисленным раствором перманганата калия при нагревании, фиолетовая окраска при этом исчезает. 3. Реакции на спирты. Окисление одноатомных спиртов хромовой смесью приводит к изменению цвета с оранжевого в зеленый. Реакция многоатомных спиртов со свежеприготовленным гидроксидом меди(II), в результате которой происходит растворение осадка и окрашивание раствора в ярко-синий цвет. 4. Реакции на фенол. Взаимодействие фенола с бромной водой приводит к образованию осадка белого цвета. В результате реакции фенола с водным раствором хлорида железа (III) образуется комплекс фиолетового цвета. 5. Реакции на альдегидную группу. Реакция альдегида со свежеосажденным гидроксидом меди(II) при нагревании с образованием красного осадка оксида меди (I). Реакция “серебряного зеркала” – взаимодействие альдегида с аммиачным раствором оксида серебра(I). 12 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. Действие фуксинсернистой кислоты (реактив Шиффа) на альдегиды дает розовое окрашивание. С помощью данной реакции можно отличить альдегиды от моносахаридов, содержащих альдегидную группу. 6. Реакции на карбоновые кислоты. Низшие кислоты изменяют окраску индикаторов. Взаимодействие растворимых кислот с гидрокарбонатом натрия приводит к выделению углекислого газа. Муравьиная кислота дает реакцию “серебряного зеркала” и окисляется раствором перманганата калия с выделением углекислого газа. 7. Реакция на анилин. Взаимодействие водного раствора анилина с насыщенным раствором хлорной извести дает сине-фиолетовое окрашивание. 8. Реакции на белки. Ксантопротеиновая: образование желтого осадка при взаимодействии белка с концентрированной азотной кислотой. Биуретовая: взаимодействии белка с раствором медного купороса и избытком щелочи дает красно-фиолетовое окрашивание. Задача 3.1 Даны: ацетальдегид, гексан, водные растворы глюкозы и сорбита. Как с помощью одного реактива распознать эти вещества? Решение: Решение задачи необходимо начать с выявления функциональных групп и уточнения характерных реакций. Ацетальдегид – состоит из метильного радикала, соединенного с альдегидной группой. Характерной реакцией на альдегидную группу является способность окисляться при нагревании свежеосажденным гидроксидом меди(II) с образованием красного осадка оксида меди (I). Сорбит – многоатомный спирт. Многоатомные спирты также реагируют со свежеосажденным гидроксидом меди(II) с образованием комплекса ярко-синего цвета. Реакция протекает без нагревания. Глюкоза – альдогексоза, в молекуле которой содержится альдегидная и пять гидроксильных групп. Глюкоза взаимодействует со свежеосажденным гидроксидом меди(II) как многоатомный спирт без нагревания, а как альдегид при нагревании. Гексан – предельный углеводород, не реагирующий со свежеосажденным гидроксидом меди(II) ни при каких условиях. Следовательно, данные вещества можно распознать с помощью одного реактива: свежеосажденного гидроксида меди(II). Задачи для самостоятельного решения 1. Вещество состоит из двух элементов: углерода и водорода. Определите, является ли данное вещество предельным, непредельным или ароматическим углеводородом. 2. Вещество содержит элементы: углерод, водород и кислород. Определите, является ли оно спиртом, кислотой, альдегидом, кетоном, фенолом или углеводом. 3. Вещество содержит элементы: углерод, водород и азот. Определите , является ли оно ароматическим амином, белком или нитросоединением. 4. Вещество содержит одну или несколько гидроксильных групп. Определите, будет ли это одноатомный спирт, двух- или трехатомный спирт, фенолы или моносахарид. 5. Вещество содержит альдегидную группу. Определите, будет ли это предельный альдегид или моносахарид. 6. Можно ли с помощью химических реакций отличить машинное масло от растительного? Как это сделать? 13 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 7. Как, используя наименьшее число реагентов, распознать формалин, этиловый спирт, уксусную и муравьиную кислоты? 8. Составьте план идентификации циклогексана, бензола и толуола. Готовимся к ЕГЭ Задания с выбором ответа: 1. Глицерин в водном растворе можно обнаружить с помощью 1) хлорной извести 3) гидроксида меди(II) 2) хлорида железа (III) 4) гидроксида натрия 2. Свежеосажденный гидроксид меди(II) растворится, если к нему добавить 1) пропанол-1 3) пропанол-2 2) прпандиол-1,2 4) пропен 3. Характерной реакцией для альдегидов является взаимодействие с 1) хлоридом железа (III) 3) аммиачным раствором оксида серебра(I) 2) хлорной известью 4) раствором карбоната натрия 4. Бутен-1 можно отличить от бутана по реакции с 1) водородом 3) кислородом 2) хлором 4) раствором KMnO4 5. Глюкоза в отличии от формальдегида не реагирует с 1) гидроксидом меди(II) 3) аммиачным раствором оксида серебра(I) 2) фуксинсернистой кислотой 4) водородом 6. С помощью какого реактива можно распознать глицерин, глюкозу и формальдегид: 1) раствор KMnO4 3) Cu(OH)2 2) раствор FeCl3 4) Ag2O (NH3∙Н2О) 7. Метаналь взаимодействует с: А) водой Б) этанолом В) натрием Г) гидроксидом натрия Д) гидроксидом меди(II) Е) фенолом Ж) бензолом Раздел 4.Механизмы органических реакций Механизм реакции – это последовательность элементарных стадий, через которые проходят реагенты, превращаясь в продукты реакции. Реагент 1 + Реагент 2 → Продукты или ↕ ↕ Субстрат + Атакующий реагент → Продукты Типы механизмов в зависимости от способа разрыва связей: 1) Свободнорадикальный механизм соответствует гомолитическому разрыву связей, при котором образуются свободные радикалы R | | ─C : C─ | | → | | ─C ∙ + ∙ C─ | | свободные радикалы Свободные радикалы – атомы или группы атомов с неспаренными электронами. 14 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. Пример: СН3СН2СН3 → СН3СН2 ∙ + ∙ СН3 пропан этил метил 2) Ионный механизм соответствует гетеролитическому разрыву связей, при котором образуются карбкатионы и карбанионы. | | ─C : C─ N |E | | | ─C+ + : C- ─ | | карбкатион карбанион Карбкатионы – органические катионы, содержащие положительно заряженный атом углерода. Карбанионы – органические анионы, содержащие отрицательно заряженный атом углерода (имеет неподеленную пару электронов). Пример 1 (СН3)3С – Сl → (СН3)3С+ + Clэлектрофил Пример 2 (С6Н5)3С : Li → (С6Н5)3С- + Li+ N нуклеофил Нуклеофильными называют реагенты, которые отдают электронную пару при образовании химической связи с субстратом. E Электрофильными называют реагенты, принимающие электронную пару от субстрата. → N E Нуклеофильные реагенты – молекулы с неподеленной парой электронов, анионы и соединения, содержащие структурные фрагменты с повышенной электронной плотностью. .. .. .. 1. NH3, H2O:, R – O – R ˙˙ 2. OH-, CN-, NH2-, RCOO-, Cl-, Br-, J-, HSO3-. 3. Соединения, содержащие структурные фрагменты С=С Электрофильные реагенты – молекулы, имеющие вакантную орбиталь, катионы и соединения, имеющие центры с пониженной электронной плотностью. 1. SO3, кислоты Льюиса – AlCl3, FeBr3, SnCl4, BF3. 2. H+, ионы металлов Men+, арилдиазоний-ионы (Ar-N2+), протонированный триоксид серы +) (HSO3 ). 3. Молекулы, содержащие центры с пониженной электронной плотностью. –С≡С– Типы органических реакций 15 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. Реакции присоединения A=B+X–Y→A–B | | X Y A Пример. СН2 = СН2 + Br2 → СН2 – СН2 | | Br Br Обозначения. Электрофильное присоединение – АЕ. Нуклеофильное присоединение – АN. Свободнорадикальное присоединение – АR. Реакции замещения S A–B +X–Y→A–X+B–Y Пример. С2Н5Cl + NaOH → С2Н5OH + NaCl Обозначения. Электрофильное замещение – SЕ. Нуклеофильное замещение – SN. Свободнорадикальное замещение – SR. Реакции отщепления (элиминирования) A – B → A = B + XY | X Y Е | Пример. С2H5OH → С2Н4 + H2O Перегруппировки A– B →A–B | | X X Пример. СH3 – CH – CH = CH2 → СH3 – CH = CH – CH2Cl | Cl Реакции окисления и восстановления сопровождаются изменением степени окисления атома углерода, являющегося реакционным центром. Пример 1. O [O] СН3 – C O СН3 – C 16 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. Н окисление ОН Пример 2. O Н [H] СН3 – C СН3 – CH2 – OH восстановление Раздел 5. Окислительно-восстановительные реакции с участием органических веществ В окислительно-восстановительных реакциях органические вещества чаще проявляют свойства восстановителей, а сами окисляются. Легкость окисления органических соединений зависит от доступности электронов при взаимодействии с окислителем. Все известные факторы, вызывающие увеличение электронной плотности в молекулах органических соединений (например, положительные индуктивный и мезомерные эффекты), будут повышать их способность к окислению и наоборот. Рассмотрим окислительно-восстановительные реакции представителей важнейших классов органических веществ с некоторыми неорганическими окислителями. Алкены. При мягком окислении алкены превращаются в гликоли (двухатомные спирты). Атомы-восстановители в этих реакциях – атомы углерода, связанные двойной связью. Реакция с раствором перманганата калия протекает в нейтральной или слабо щелочной среде следующим образом: C2H4 + 2KMnO4 + 2H2O CH2OH–CH2OH + 2MnO2 + 2KOH В более жестких условиях окисление приводит к разрыву углеродной цепи по двойной связи и образованию двух кислот (в сильно щелочной среде – двух солей) или кислоты и диоксида углерода (в сильно щелочной среде – соли и карбоната): 1) 5CH3CH=CHCH2CH3 + 8KMnO4 + 12H2SO4 4K2SO4 + 17H2O 2) 5CH3CH=CH2 + 10KMnO4 + 15H2SO4 5CH3COOH + 5CO2 + 10MnSO4 + 5K2SO4 + 20H2O 3) CH3CH=CHCH2CH3 + 6KMnO4 + 10KOH 4) CH3CH=CH2 + 10KMnO4 + 13KOH 5CH3COOH + 5C2H5COOH + 8MnSO4 + CH3COOK + C2H5COOK + 6H2O + 6K2MnO4 CH3COOK + K2CO3 + 8H2O + 10K2MnO4 Дихромат калия в сернокислотной среде окисляет алкены аналогично реакциям 1 и 2. Алкины. Алкины окисляются в несколько более жестких условиях, чем алкены, поэтому они обычно окисляются с разрывом углеродной цепи по тройной связи. Как и в случае алкенов, атомы-восстановители здесь – атомы углерода, связанные кратной связью. В результате реакций образуются кислоты и диоксид углерода. Окисление может быть проведено перманганатом или дихроматом калия в кислотной среде, например: 5CH3C CH + 8KMnO4 + 12H2SO4 5CH3COOH + 5CO2 + 8MnSO4 + 4K2SO4 + 12H2O Ацетилен может быть окислен перманганатом калия в нейтральной среде до оксалата калия: 17 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 3CH≡CH +8KMnO4→3KOOC – COOK +8MnO2 +2КОН +2Н2О В кислотной среде окисление идет до щавелевой кислоты или углекислого газа: 5CH≡CH +8KMnO4 +12H2SO4 →5HOOC – COOH +8MnSO4 +4К2SO4 +12Н2О CH≡CH + 2KMnO4 +3H2SO4 =2CO2 + 2MnSO4 + 4H2O + K2SO4 Гомологи бензола. Гомологи бензола могут быть окислены раствором перманганата калия в нейтральной среде до бензоата калия: C6H5CH3 +2KMnO4 = C6H5COOK + 2MnO2 + KOH + H2O C6H5CH2CH3 + 4KMnO4 = C6H5COOK + K2CO3 + 2H2O + 4MnO2 + KOH Окисление этих веществ дихроматом или перманганатом калия в кислотной среде приводит к образованию бензойной кислоты. 5С6Н5СН3+6КMnO4-+9 H2SO4→5С6Н5СООН+6MnSO4 +3K2SO4 + 14H2O Спирты. Непосредственным продуктом окисления первичных спиртов являются альдегиды, а вторичных – кетоны. Образующиеся при окислении спиртов альдегиды легко окисляются до кислот, поэтому альдегиды из первичных спиртов получают окислением дихроматом калия в кислотной среде при температуре кипения альдегида. Испаряясь, альдегиды не успевают окислиться. 3C2H5OH + K2Cr2O7 + 4H2SO4 = 3CH3CHO + K2SO4 + Cr2(SO4)3 + 7H2O С избытком окислителя (KMnO4, K2Cr2O7) в любой среде первичные спирты окисляются до карбоновых кислот или их солей, а вторичные – до кетонов. Третичные спирты в этих условиях не окисляются, а метиловый спирт окисляется до углекислого газа. Двухатомный спирт, этиленгликоль HOCH2–CH2OH, при нагревании в кислой среде с раствором KMnO4 или K2Cr2O7 легко окисляется до щавелевой кислоты, а в нейтральной – до оксалата калия. 5СН2(ОН) – СН2(ОН) + 8КMnO4-+12H2SO4→5HOOC – COOH +8MnSO4 +4К2SO4 +22Н2О 3СН2(ОН) – СН2(ОН) + 8КMnO4→3KOOC – COOK +8MnO2 +2КОН +8Н2О Альдегиды. Альдегиды – довольно сильные восстановители, и поэтому легко окисляются различными окислителями, например: KMnO4, K2Cr2O7, [Ag(NH3)2]OH, Cu(OH)2. Все реакции идут при нагревании: 3CH3CH=O + 2KMnO4 = CH3COOH + 2CH3COOK + 2MnO2 + H2O 3CH3CH=O + K2Cr2O7 + 4H2SO4 = 3CH3COOH + Cr2(SO4)3 + 7H2O CH3CH=O + 2[Ag(NH3)2]OH = CH3COONH4 + 2Ag + H2O + 3NH3 CH3–CH=O + 2Cu(OH)2 CH3COOH + Cu2O + 2H2O Муравьиный альдегид окисляется хромовой смесью до углекислого газа: 3СН2О + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 = 3CO2 +2K2SO4 + 2Cr2(SO4)3 + 11H2O Карбоновые кислоты. Среди кислот сильными восстановительными свойствами обладают муравьиная и щавелевая, которые окисляются до углекислого газа. НСООН + HgCl2 =CO2 + Hg + 2HCl HCOOH+ Cl2 = CO2 +2HCl HOOC-COOH+ Cl2 =2CO2 +2HCl Способы расстановки коэффициентов в ОВР с участием органических вешеств. Для расстановки коэффициентов обычно используют метод электронного баланса, что требует знания степени окисления атома углерода, которая может принимать значения от -4 до +4 и зависит от относительных электроотрицательностей атомов его непосредственного окружения. 18 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. Степень окисления атомов углерода определяется числом электронных пар, смещенных к атому углерода, если его электроотрицательность выше, чем у соседнего атома, или смещенных от атома углерода, если его электроотрицательность ниже. Например, степень окисления атома углерода в метильном радикале молекулы толуола равна «минус 3», т.к. электронная плотность смещается от трех атомов водорода к более электроотрицательному атому углерода по трем σ-связям. В карбоксильной группе молекулы бензойной кислоты степень окисления атома углерода равна «плюс 3», т.к. электронная плотность смещается от атома углерода к атомам кислорода по двум σ- и одной π-связи (всего по трем связям): +6 KMnO4 +9 H2SO4 →5 5 + 3 K2SO4 +6 MnSO4 + 14H2O О Н→C-3←Н ↑ H толуол С+3 ОН бензойная кислота Подбираем коэффициенты методом электронного баланса: С-3 – 6е- → С+3 5 Mn+7 + 5е- →Mn+2 6 Коэффициенты можно подобрать также методом электронно-ионного баланса (методом полуреакций). Толуол С6Н5СН3 окисляется до бензойной кислоты С6Н5СООН, перманганат-ион MnO4восстанавливается до катиона марганца Mn+2. С6Н5СН3 + KMnO4 + H2SO4 → С6Н5СООН+ K2SO4 +MnSO4 +H2O С6Н5СН3+2H2O– 6е- → С6Н5СООН+6Н 5 MnO4- +8Н++ 5е- →Mn2++4 H2O 6 5С6Н5СН3+10H2O+6MnO4-+48Н+→5С6Н5СООН+30Н++ 6Mn+2+24H2O 6 К+ 18Н+ 6SO42- 14H2O 9SO426 К+ + 3SO425С6Н5СН3+6КMnO4 +9 H2SO4→5С6Н5СООН+6MnSO4 +3K2SO4 + 14H2O В большинстве случаев окислительно-восстановительные реакции органических соединений сопровождаются отщеплением или присоединением атомов водорода и кислорода. При окислении: введение в молекулу органического соединения атома кислорода эквивалентно потере двух электронов, а отщепление атома водорода – потере одного электрона. При восстановлении: отщепление атома кислорода – приобретение двух электронов, присоединение атома водорода – приобретение одного электрона. На этом принципе основан способ расстановки коэффициентов, не требующий определения степени окисления углерода. Определим число атомов водорода, потерянных толуолом, и число атомов кислорода, введенных в молекулу. Потеряно два атома водорода (-2e¯), введено два атома кислорода (-4e¯). Всего отдано 6e¯. 19 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. Рассмотрим применение различных способов расстановки коэффициентов на примере реакции между n-метилкумолом и перманганатом калия в кислой среде. 1.Окисление любых алкильных заместителей у производных бензола происходит до карбоксильных групп: СН3 – СН – СН3 + KMnO4 + H2SO4 → CH3 СООН → + K2SO4 + MnSO4 + H2O + CO2 COOH Два атома углерода изопропильного радикала окисляются до углекислого газа. 2. Составим схему электронного баланса без определения степеней окисления атомов углерода. Определим число атомов водорода, потерянных n-метилкумолом, и число атомов кислорода,введенных в молекулу. Потеряно восемь атомов водорода (-8e¯), введено четыре атома кислорода (-8e¯). Кроме того, четыре атома кислорода вошли в состав углекислого газа (-8e¯). Всего отдано 24e¯. Марганец со степенью окисления +7 восстановился до +2, тогда схему электронного баланса можно записать: СН3 – СН – СН3 СOOH – 24e¯ → – 24e¯ 5 120 СOOH CH3 Mn+7 +5 e¯ → Mn+2 +5 e¯ 24 4. Составим схему электронного баланса, определив степени окисления атомов углерода. Степень окисления атомов углерода в метильных радикалах СН3 равна «плюс 3», в метиновой группе СН – «плюс 1», в карбоксильных группах – «минус 3». Обратите внимание, что только α-углеродные атомы (непосредственно связанные с бензольным кольцом) окисляются до карбоксильных групп, остальные атомы углерода – до углекислого газа. С-1 – 4е- →С+3 20 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. С-3 – 6е- →С+3 2 С-3 – 14е- →2С+4 Mn+7 + 5е- →Mn+2 - 24е- 5 +5е- 24 СН3 – СН – СН3 + 24 KMnO4 + 36 H2SO4 → 5 CH3 СOOH 5 + 12 K2SO4 + 24 MnSO4 + 56 H2O + 10 CO2 COOH 5. Подберем коэффициенты методом электронно-ионного баланса. В этом случае нет необходимости изображать структурные формулы органических веществ, поэтому формулы n-метилкумола и терефталевой кислоты запишем в молекулярном виде: С10Н14 +8H2O – 24е-→ С8Н6О4+2CO2+24Н+ 5 MnO4- +8Н++ 5е- →Mn2++4H2O 24 5С9Н18 +40H2O+ 24MnO- 4 +192Н+→5С7Н6О2+10CO2+120Н++24Мn2++96H2O 5С9Н18 +24MnO- 4 +72Н+→5С7Н6О2+10CO2+24Мn2++56H2O 24К+ 36SO4224SO4224К+ + 12SO425С10Н14 +24KMnO4 + 36H2SO4 →5С7Н6О2+10CO2+12K2SO4 + 24MnSO4 + 56 H2O Задачи для самостоятельного решения. 1. Напишите уравнение реакции между пропиленом и перманганатом калия в нейтральной среде. 2. Напишите уравнение реакции между бутеном-2 и перманганатом калия в кислой среде. 3. Сравните отношение к окислителям всех изомерных спиртов состава С 4Н10О. Для бутанола-1 и бутанола-2 напишите уравнения реакций с раствором дихромата калия в кислой среде. 4. Напишите уравнение реакции между этиловым спиртом раствором дихромата калия в кислой среде. 5. Напишите уравнение реакции между этилбензолом и перманганатом калия в кислой среде. 21 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 6. Напишите уравнение реакции между стиролом и перманганатом калия в нейтральной и кислой среде. 7. Напишите уравнение реакции восстановления 1,3-диметилнитробензола сульфидом аммония в нейтральной среде (реакция Зинина). 8. При окислении глюкозы бромной водой образуетя глюконовая кислота, а при окислении концентрированной азотной кислотой – глюкаровая. Запишите уравнения соответствующих реакций. 9. Приведите уравнения реакций взаимодействия ацетилена с перманганатом калия в кислой и нейтральной среде с образованием щавелевой кислоты и оксалата калия соответственно. 10. Запишите уравнение реакции окисления формальдегида при нагревании с гидроксидом меди (II). 11. Напишите уравнение реакции между бутандиолом-1,4 и перманганатом калия в кислой среде с образованием двухосновной карбоновой кислоты. Задания с выбором ответа: 1. Взаимодействие метана с хлором является реакцией 1) соединения 2) замещения 3) отщепления 4) обмена 2. Пропанол-2 можно получить из пропена реакцией 1) гидрирования 2) гидролиза 3) гидратации 4) галогенирования 3. Взаимодействие спиртового раствора щелочи с 2-хлорбутаном является реакцией 1) соединения 3) отщепления 2) замещения 4) обмена 4. 3,3-диметилбутаналь образуется при окислении 1) (СН3)3С – СН2 – СН2ОН 2) СН3СН2С(СН3) – СН2ОН 3) СН3СН(СН3)СН(СН3) – СН2ОН 4) СН3СН2 СН(СН3) – СН2ОН 5. По ионному механизму протекает реакция 1) С2Н6 +Cl2 →C2H5Cl + HCl 2) C3H6 + H2→C3H8 3) C3H6 + HCl→C3H7Cl 4) nCH2=CH2→( –CH2 –CH2– )n 22 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 6. Осуществление превращений по схеме Одним из распространенных видов заданий по органической химии являются те, в которых требуется осуществить превращения по предлагаемой схеме. При этом в одних случаях необходимо указать конкретные реагенты и условия протекания реакций, приводящих к веществам, составляющим цепочку превращений. В других наоборот, необходимо определить, какие вещества образуются при действии указанных реагентов на исходные соединения. Обычно в подобных случаях не требуется указания тонких технических деталей синтеза, точной концентрации реагентов, конкретных растворителей, методов очистки и выделения и т.д. однако обязательно следует указывать примерные условия проведения реакций. Чаще всего сущность задания заключается в последовательном решении следующих задач: построение (удлинение или укорачивание) углеродного скелета; введение функциональных групп в алифатические и ароматические соединения; замещение одной функциональной группы на другую; удаление функциональных групп; изменение природы функциональных групп. Последовательность операций может быть различной, в зависимости от строения и природы исходных и получаемых соединений. Представьте факты и их взаимосвязи в наглядном виде. Запишите, по возможности наиболее подробно, суть задачи в виде схемы. Посмотрите на проблему как можно шире, примите во внимание даже варианты решения, которые кажутся немыслимыми. В конце концов, именно они могут оказаться правильными и привести Вас к верному решению. Используйте метод проб и ошибок. Если имеется ограниченный набор возможностей, перепробуйте их все. Чтобы найти правильное решение необходимо также знать: Именные реакции: Вюрца С 2Н 5Cl +2 Na +C 3H 7Cl→ C5 H 12+2 NaCl 2 CH3 –CH2 –CH (CH 3)Br-CH 3+2Na→CH 3- CH 2- C( CH3)2 -C(CH 3)2 -CH 2- CH 3 + 2NaCl Вагнера 3 CH2 =CH 2+ 2KMnO 4 +4H 2O→CH 2( OH)-CH2 (OH)+2KOH+2MnO 2 Марковникова СН 2=СН-СН 3+НCl→CH 3- CH(Cl)-CH 3 Зайцева СН 3- СН(Вr)CH 2 –CH 3+NaOH(спирт)→СH 3-CH=CH-CH 3+NaBr+ H 2O Кучерова C 2H 2+H2 O→CH 3-CОН Зинина C 6H5 – NO2 +6H→ C 6H 5–NH2 +2H 2O Густавсона ClCH 2–CH 2– CH 2-CH 2- Cl+Zn→ C4 H8 +ZnCl 2 Дюма CH 3-COONa+Na OH→CH 4+Na2 CO 3 Кольбе 2CH 3-COONa+2H 2O→ C 2H 6 + 2 CO 2↑+H 2↑+ 2NaOН Изменение длины углеродной цепи: 1. Реактив Гриньяра СН3 -Mg –Cl+C 2H5 -Cl→ C3H8 +MgCl2 23 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. CO2 + CH3-Mg-Cl→ CH3-COOMgCl→ CH3 –COOH +MgCl2 2. Реакция алкилирования С6 H6 +СН3 –Сl→ C6 Н5 –СН3 +HCl 3. Реакция декарбоксилирования С6 H5 -COOH→ C6H6 +CO2 ↑ CH3 – CH2 -COONa +NaOH→ C2H6 + Na2CO3 4.Димеризация 2 С2Н2 → винилацетилен 5. Полимеризация СН2 =СН- СОО –СН3 → Поливинилацетат Качественные реакции 1. С2 Н2 + 2 [Ag(NH3 )2] OH→ C2 Ag 2↓+4 NH3 ↑ + 2Н2 О 2. СH3 COH+2[ Ag(NH3 ) 2 ]OH → CH3 COOH+2Ag ↓ +4NH 3 ↑+H 2O 3. C H3 COH + 2 [Ag(NH3 ) 2]OH → CH 3C00NH4 +2Ag↓ +3 NH3 ↑+ H2 O 4. CH 3COH +Ag 2O +NH 3 → CH 3COONH 4+2Ag↓ 5. CH3 COH+ 2Cu(OH) 2→ CH3 COOH +Cu 2O↓+ 2H 2O 6. C6 H 12O6 + 2Сu( OH) 2 → CH2 OH-(CHOH) 4-COOH +Cu 2O↓+ 2 H 2O 7. C6 H12 O6 +2[Ag(NH3 ) 2] OH → CH 2OH –(CHOH) 4-COOH+2Ag↓ + 2 H 2O 8. 2 C3 H8 O3 + Cu(OH) 2→ Глицерат меди II+ 2H 2O 9. HCOOH+ 2 [Ag(N H3 ) 2]OH → CO 2+2Ag+ 4NH3 + 2H 2O Рассмотрим несколько примеров решения цепочек превращений: Задача 6.1. С помощью каких реакций можно осуществить превращения по схеме: СН4 → СН3Br → С2Н6 → С2Н5Cl → С2Н5ОН → → СН3 СОН → СН3СООН → СН3СООС2Н5 Решение. 1. Для введения атома галогена в молекулу углеводорода можно воспользоваться реакцией радикального хлорирования: hv СН4 + Br2 → CH3Br + HBr 2. Один из вариантов, приводящих от галогенпроизводного к предельному углеводороду с большим числом углеродных атомов, реакция с металлическим натрием (реакия Вюрца): 2 CH3Br + 2 Na → H3C – CH3 + 2 NaBr свет 3. C2H6 + Br2 → CH3CH2Br + HBr 24 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 4. Для превращения галогенпроизводного в спирт необходимо заменить атом галогена в молекуле на гидроксильную группу, что можно сделать, осуществив реакцию нуклеофильного замещения (гидролиз в щелочной среде): H2O С2Н5Cl + KOH → C2H5OH + KCl 5. Для того чтобы превратить спирт в альдегид (см. свойства спиртов или получение карбонильных соединений), нужно увеличить степень окисления атома углерода при функциональной группе, т.е. подействовать мягким (не разрушающих молекулу) окислителем: t C2H5OH + CuO → CH3 – CHO + Cu + H2O 6. Дальнейшее окисление (см. свойства карбонильных соединений или способы получения карбоновых кислот) приведет к преобразованию альдегидной группы в карбоксильную: t CH3 – CHO +2Cu(OН)2 → CH3 – COOH + Cu2O+2H2O 7. Реакции карбоновых кислот со спиртами приводят к образованию сложных эфиров: H+ CH3 – COOH + HO – CH2 – CH3 → CH3 – COO – CH2 – CH3 + H2O Задача 6.2. С помощью каких реакций можно осуществить превращения по схеме: СН3СООNa→CH3 – CH3→CH2=CH2→ CH2Br– CH2Br → CH≡CH→KOOC – COOK Решение. 1. Для получения этана из ацетата натрия воспользуемся синтезом Кольбе: электролизом водного раствора соли карбоновой кислоты (см. способы получения алканов): эл-з 2СН3СООNa + 2Н2О → CH3 – CH3+Н2 +2NaHCO3 2. Для превращения этана в этен осуществим реакцию дегидрирования: t,Ni CH3 – CH3 → CH2=CH2 + Н2 3. Для получения дигалогеналкана из алкена воспользуемся реакцией бромирования: CH2=CH2 +Br2→ CH2Br– CH2Br 4. Для получения этина из дибромэтана необходимо осуществить дегидрогалогенирования, для этого используют спиртовый раствор КОН: реакцию CH2Br– CH2Br +2 КОНспирт. р-р→ CH≡CH +2 КВr +2Н2О 5. Этин обесцвечивает водный раствор KMnO4: 3CH≡CH +8KMnO4→3KOOC – COOK +8MnO2 +2КОН +2Н2О Введение в молекулу четырех атомов кислорода соответствует потере 8 электронов, поэтому перед MnO2 cтавим коэффициент 8. Mn меняет степень окисления от +7 до +4, что соответствует приобретению 3- х электронов, поэтому перед органическим веществом ставим коэффициент 3. Обратите внимание на уравнения реакций 1 и 5: синтез Кольбе и окисление алкинов водным раствором перманганата калия. Примечание: В кислой среде перманганат-ион восстанавливается до Mn2+, а этин окисляется до щавелевой кислоты: 25 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 5CH≡CH +8KMnO4 +12H2SO4 →5HOOC – COOH +8MnSO4 +4К2SO4 +12Н2О Задачи для самостоятельного решения Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: t0, Сакт. CH3 Cl, AlCl3 Сl2, УФ КОН водн.,t0 1. Этин → Х1 → толуол → Х2 → Х3 → С6Н5-СН2-СООН H2 SO4 разб. H2 SO4 конц. t0 Br2 KOH, H2 O, t0 2. Калий → этилат калия → Х1 → СН2 = СН2 → Х2 → Х3 Н2 О 1200 t0, кат. СН3 Cl, AlCl3 Cl2 ,УФ 3. Карбид алюминия → Х1 → Х2 → бензол → Х3 → Х4 KMnO4, H+ CaCO3 t0 4. CaC2 → этин → этаналь → Х1 → Х2 → Х3 СН3 Cl, AlCl3 СН3 ОН, Н+ 5. Метан → Х1 → бензол → Х2 → бензойная кислота → Х3 Br2, свет КОН(спирт.) HBr Na 6. СН3-СН2-СН(СН3)-СН3 → Х1 → Х2 → Х1 → Х3 → СО2 NaMnO4, NaOH электролиз Cl2, свет KOH, H2 O H2 SO4, t0 7. СН3СНО → Х1 → С2Н6 → Х2 → Х3 → (С2Н5)2О H2 O, Hg2+ KMnO4, H+ NaOH CH3 I H2 O, H+ 8. С2Н2 → Х1 → СН3СООН → Х2 → Х3 → уксусная кислота Н2, кат. Na HCl KMnO4, H2 SO4 9. СН4 → НСНО→ Х1 → Х2 → Х1 → Х3 Сакт., t Br2 ,hν KOH(спирт.) KMnO4, H2 O 10. С2Н2 → Х1 → С6Н5С2Н5 → Х2 → Х3 → Х4 [Ag(NH3)2]OH Cl2,hν NaOH(спирт.) СН3ОН, Н+ 11. СН3-СН2-СНО → Х1 → Х2 → H2SO4, 2000 кат., t [ Ag(NH3)2]OH HCl 12. Этанол → Х1 → Х2 → Ag2C2→ Х3 → полимеризация Х4 → Х5 KMnO4, H2O Х2 → Х3 Cакт., t Cl2, FeCl3, t, KMnO4 13. С2Н2 → Х1 → Х2 → С6Н5СН3 → СН3-С6Н4-NO2 → Х3 электролиз Cl2, hν NaOH,H2O H2SO4 (конц), t ‹ 140 14. СН3СООН→ Х1 → С2Н6 → Х2 → Х3 → Х4 Н2, Ni, t HBr [Ag(NH3)2]OH 15. СН3СНО → Х1 → Х2 → этилен → СН3СНО → Х3 16. С6Н12О6→С2Н5ОН→ CH3 – CHO→ CH3 – COOH→ClCH2 – COOH→ →Н2N–CH2 – COOH Br2, свет КОН Na 26 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 17. СН3 – СН2 – СН(СН3) – СН3 → СО2 Cu(OH)2 18.СН3 – СН2 – СОН X5 H2SO4 +Cl2, hν Х1 Х1 20.пропилацетат СН4 Br2 Х1 21.CH3COOH C, 400oC 22. C2H2 Х1 Х2 NaOH Х2 Х1 Cl2, кат Х2 С2Н6 Х3→ полимеризация Х4 CH3OH, H+ Х3 [Ag(NH3)]OH HCl Х2 Ag2C2 Х1 19.этанол Х1 Х2 KOHcпирт. X2 Х2 KMnO4, H2O X3 винилацетилен X3 H2O Х3 Х4 CO2 + H2O Br2 + H2O C6H5OK X3 X4 23.этан→бромэтан→этилен→этиленгликоль→щавелевая кислота→оксалат калия 7.Решение задач на вывод формул органических соединений Задания высокого уровня сложности, задачи на вывод формул. Задачи на вывод формул соединений – это задания С5 из 3 части экзаменационной работы ЕГЭ. При выводе формул нужно различать простейшую и истинную формулы. Простейшая формула показывает соотношение числа атомов каждого элемента. Истинная формула показывает точный количественный состав. Например, простейшая формула бензола СН, она показывает, что на один атом углерода в молекуле бензола приходится один атом водорода. Истинная формула бензола, показывающая точный количественный состав молекулы – С6Н6. Чтобы установить истинную формулу, нужно знать истинную молекулярную (молярную) массу, она в целое число раз больше массы, найденной по простейшей формуле. На это число нужно умножить индексы в простейшей формуле, чтобы получить истинную формулу. Если в условии задачи нет данных для нахождения истинной молярной массы, а найденная простейшая формула явно не соответствует истинной, то полученные индексы нужно увеличить в два раза. Например, получилась простейшая формула С3Н7, значит, истинная будет С6Н14 При всём многообразии задач на вывод формул можно выделить несколько основных типов. Рассмотрим алгоритмы решений этих задач наиболее простыми способами. I. Вывод формул веществ по массовым долям элементов. 1. 2. Написать формулу вещества, обозначив индексы через x, y, z. Если неизвестна массовая доля одного из элементов, то её находят, отняв от 100 % известные массовые доли. 3. Найти соотношение индексов, для этого массовую долю каждого элемента (лучше в %) разделить на его атомную массу (округлить до тысячных долей) x : y: z = ω1 / Ar1 : ω2 / Ar2 : ω3 / Ar3 27 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 4. Полученные числа привести к целым. Для этого разделить их на наименьшее из полученных чисел. При необходимости (если опять получилось дробное число) после этого домножить до целого числа на 2, 3, 4 … . 5. Получится простейшая формула. Для большинства неорганических веществ она совпадает с истинной, для органических, наоборот, не совпадает. Задача № 1. Массовая доля азота в оксиде азота равна 36,84 % . Найти формулу данного оксида. Дано: ω(N) = 36,84 % Решение: 1. Напишем формулу: NxOy М.Ф. = ? 2. Найдём массовую долю кислорода: ω(О) = 100 % - 36,84 % = 61,16 % 3. Найдём соотношение индексов: x : y = 36,84 / 14 : 61,16 / 16 = 2,631: 3,948 = 2,631 / 2,631: 3,948 / 2,631 = 1: 1,5 = = 1 ∙ 2 : 1,5 ∙ 2 = 2 : 3 N2O3 Ответ: N2O3. Задача № 2. Установите формулу неорганического соединения, содержащего 20 % магния, 53,33 % кислорода и 26,67 % некоторого элемента. Дано: ω(Mg) = 20 % ω(O) = 53,33 % ω(э) = 26,67 % М.Ф. = ? Решение: 1. Напишем формулу: Mgx Эy Оz. 2. Найдём соотношение индексов магния и кислорода: х : у = 20 / 24 : 53,33 / 16 = 0,83 : 3,33 = 1 : 4. 3. Найдём молекулярную массу вещества, исходя из значения массовой доли магния: ω(Mg) = Ar(Mg) ∙ индекс / Mr Mr = Ar(Mg) ∙ индекс / ω = 24 ∙ 1 / 0,2 = 120. 4. Найдём атомную массу неизвестного элемента: ω(Э) = Ar(Э) ∙ индекс / Mr Ar(Э) ∙ индекс = = ω(Э) ∙ Мr = 0,2667 ∙ 120 = 32 элемент – сера. Ответ: MgSO4. Задача № 3. Массовая доля углерода в углеводороде равна 83,72 %. Найти молекулярную формулу углеводорода. Дано: Решение: ω(С) = 83,72 % 1. Напишем формулу - СхНу 2. Найдём массовую долю водорода: М.Ф. = ? ω(Н) = 100 % - 83,72 % = 16,28 % 3. Найдём соотношение индексов: х : у = 83,72 / 12 : 16,28 / 1 = 6,977 : 16,28 = 1 : 2,333 = 3 : 7 4. Простейшая формула – С3Н7, но она не соответствует истинной. Выход – увеличить индексы в 2 раза С6Н14. Ответ: С6Н14. Задача № 4. Массовая доля фосфора в его оксиде равна 43,66 %. Какова формула оксида? Ответ: Р2О5. 28 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. Задача № 5. Определить формулу вторичного амина, массовые доли углерода, водорода и азота, в котором составляют 61; 15,3 и 23,7 % соответственно. Ответ: CH3 – NH – C2H5. Задача № 6. Массовая доля углерода в диеновом углеводороде составляет 88,89 %. Найти молекулярную формулу диена. Ответ: С4Н6. II. Вывод формул веществ по массовым долям элементов и данным для нахождения истинной молярной массы (плотности, массе и объёму газа или относительной плотности). Найти истинную молярную массу: 1. если известна плотность: = m / V = M / Vm M = ∙ Vm = г/л ∙ 22,4 л/моль если известна масса и объём газа, молярную массу можно найти двумя способами: - через плотность = m / V, M = ∙ Vm; - через количество вещества: = V / Vm, M = m / . если известна относительная плотность первого газа по другому: D21 = M1 / M2 M1 = D2 ∙ M2 M = DH2 ∙ 2 M = DO2 ∙ 32 M = Dвозд. ∙ 29 M = DN2 ∙ 28 и т.д. 2. Найти простейшую формулу вещества (см. предыдущий алгоритм) и его молярную массу. 3. Сравнить истинную молярную массу вещества с простейшей и увеличить индексы в нужное число раз. Задача № 1. Найти формулу углеводорода, в котором содержится 14,29 % водорода, а его относительная плотность по азоту равна 2. Дано: ω(Н) = 14,29 % D(N2) = 2 М.Ф. = ? Решение: 1. Найдём истинную молярную массу СхНу : М = DN2 ∙ 28 = 2 ∙ 28 = 56 г/моль. 2. Найдём массовую долю углерода: ω(С) = 100 % - 14,29 % = 85,71 %. 3. Найдём простейшую формулу вещества и его молярную массу: х : у = 85,7 / 12 : 14,29 / 1 = 7,142 : 14,29 = 1 : 2 СН2 М(СН2) = 12 + 1 ∙ 2 = 14 г/моль 4. Сравним молярные массы: М(СхНу) / М(СН2) = 56 / 14 = 4 истинная формула – С4Н8. Ответ: С4Н8. Задача № 2. Массовая доля углерода в углеводороде – 87,5 %, а относительная плотность углеводорода по воздуху равна 3,31. Определить формулу вещества. Ответ: C7H12. 29 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. Задача № 3. Определить молекулярную формулу амина, массовые доли углерода, азота и водорода в котором составляют 38,7; 45,15 и 16,15 % соответственно. Относительная плотность его паров по воздуху равна 1,069. Ответ: CH3NH2. Задача № 4. Определите формулу углеводорода, массовая доля водорода в котором составляет 14,3 %. Относительная плотность этого вещества по водороду равна 21. Ответ: С3Н6. Задача № 5. Относительная плотность паров углеводорода по воздуху равна 3,31, а массовая доля водорода в нём равна 12,5 %. Определите молекулярную формулу углеводорода. Ответ: С7Н12. III. Вывод формул веществ по продуктам сгорания. 1. Проанализировать состав продуктов сгорания и сделать вывод о качественном составе сгоревшего вещества: Н2О Н, СО2 С, SO2 S, P2O5 P, Na2CO3 Na, C; HCl H, Cl Наличие кислорода в веществе требует проверки. Обозначить индексы в формуле через x, y, z. Например: Сх Ну Оz (?). 2. Найти количества веществ продуктов сгорания по формулам: =m/M и = V / Vm 3. Найти количества элементов, содержавшихся в сгоревшем веществе. Например: (С) = (СО2), (Н) = 2 ∙ (Н2О), (Na) = 2 ∙ (Na2CO3), (C) = (Na2CO3) и т.д. 4. Если сгорело вещество неизвестного состава, то обязательно нужно проверить, содержался ли в нём кислород. Например: Cx, Hy, Oz (?), m(O) = m в – ва – (m(C) + m(H) Предварительно нужно найти: m(C) = (C) ∙ 12 г / моль, m(H) = (H) ∙ 1 г / моль Если кислород содержался, найти его количество: (О) = m(O) / 16 г / моль 5. Найти соотношения индексов по соотношению количеств элементов. Например: x : y : z = (С) : (Н) : (О) Числа привести к целым, разделив их наименьшее. 6. Если известны данные для нахождения истинной молярной массы вещества, найти её по формулам: M = ∙ Vm, M1 = D2 ∙ M2 30 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 7. Написать простейшую формулу и найти её молярную массу. Сравнить истинную молярную массу с простейшей и увеличить индексы в нужное число раз. Задача № 1.При сгорании 7,2 г вещества образовалось 9,9 г углекислого газа и 8,1 г воды. Плотность паров этого вещества по водороду равна 16. Определите молекулярную формулу вещества. Дано: Решение: m в – ва = 7,2 г 1. Напишем формулу Cx Hy Oz (?). m (CO2) = 9,9 г 2. Найдём количества веществ: m (H2O) = 8,1 г (СО2) = m / М = 9,9 г / 44г/моль = 0,225моль DH2 = 16 (Н2О) = m / M = 8,1 г / 18г/моль = 0.45моль М.Ф. = ? 3. Найдём количества элементов: (С) = (СО2) = 0,225моль (Н) = 2 ∙ (Н2О) = 2 ∙ 0,45 = 0,9моль 4. Найдём массы: m(C) = 12г/моль ∙ 0,225моль = 2,7 г m(H) = 1г/моль ∙ 0,9моль = 0,9 г m(O) = 7,2 г – (2,7 + 0,9) = 3,6 г Найдём количество элемента кислорода: (О) = 3,6 г / 16г/моль = 0,225моль 5. Найдём соотношение индексов: x : y : z = 0,225 : 0,9 : 0,225 = 1 : 4 : 1 Простейшая формула - СН3ОН: М(СН3ОН) = 32г/моль 6. Найдём истинную молярную массу: Мист. = DH2 ∙ 2 = 16 ∙ 2 = 32г/моль 7. Сравним: Мист. / Мпрост. = 32г/моль / 32г/моль = 1 Молекулярная формула – СН3ОН. Ответ: СН3ОН. Задача № 2. При сгорании газа, не содержащего кислород, выделилось 2,24 л углекислого газа, 1,8 г воды и 3,65 г хлороводорода. Определить формулу сгоревшего вещества. Дано: V(CO2) = 2,24 л Решение: m(H2O) = 1,8 г 1. Написать формулу сгоревшего вещества: CxHyClz. 31 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. m(HCl) = 3,65 2. Найти количества веществ: (CO2) = V / Vm = 2,24л / 22,4л/моль = 0,1моль (Н2О) = m / M = 1,8г / 18г/моль = 0,1моль (HCl) = m / M = 3,65г / 36,5г/моль = 0.1моль 3. Найти количества элементов: (С) = (СО2) = 0,1моль (Н) = 2 ∙ (Н2О) + (НСl) = 2 ∙ 0,1 + 0,1 = 0,3 моль (Сl) = (HCl) = 0,1моль 4. Найти соотношение индексов: х : y : z = 0,1 : 0,3 : 0,1 = 1 : 3 : 1 5. Простейшая формула: CH3Cl. Ответ: CH3Cl. М.Ф. = ? Задача № 3. При сгорании вторичного амина симметричного строения выделилось 0,896 л (н.у.) углекислого газа, 0,99 г воды и 0,112 л (н.у.) азота. Установите молекулярную формулу этого амина. Ответ: (C2H5)2NH. Задача № 4. При полном сгорании органического вещества, не содержащего кислород, выделилось 4,48 л (н.у.) углекислого газа, 1.8 г воды и 4 г фтороводорода. Установите молекулярную формулу сгоревшего соединения. Ответ: C2H4F2. Задача № 5. При сгорании 0,62 г газообразного органического вещества выделилось 0,448 л углекислого газа, 0,9 г воды и 0.224 л азота (объёмы газов измерены при н. у.). Плотность вещества по водороду 15,50. Установите его молекулярную формулу. Ответ: СН3NH2. IV. Вывод формул органических веществ по общим формулам. Органические вещества образуют гомологические ряды, которые имеют общие формулы. Это позволяет: выражать молярную массу через число n M(CnH2n + 2) = 12 ∙ n + 1 ∙ (2n +2) = 14n + 2; приравнивать молярную массу, выраженную через n, к истинной молярной массе и находить n. составлять уравнения реакций в общем виде и производить по ним вычисления. При решении таких задач нужно знать и использовать общие формулы гомологических рядов: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. алканы – СnH2n + 2 алкены и циклоалканы – CnH2n алкины и алкадиены – CnH2n – 2 арены – CnH2n – 6 моногалогеналканы – CnH2n + 1Г дигалогеналканы – CnH2nГ2 фенолы – CnH2n – 7OH предельные одноатомные спирты – CnH2n + 1OH, R – COH 32 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 9. 10. 11. 12. альдегиды – CnH2n + 1 COH, R – COH предельные карбоновые кислоты – CnH2n + 1COOH, R – COOH сложные эфиры – R1 – COOR2 первичные амины – CnH2n + 1NH2, R – NH2 вторичные амины – R1 – NH – R2 третичные амины – R1 – N – R2 R3 14. аминокислоты – CnH2n(NH2)COOH Рассмотрим возможные варианты задач на вывод формул органических веществ по общим формулам. 1. Вывод формул по известной массовой доле элемента в веществе. Порядок решения: 1. Написать общую формулу и выразить молекулярную массу вещества через число n; 2. Подставить данные в формулу ω(Эл) = Аr (Эл) ∙ индекс / Мr; 3. Решить уравнение с одним неизвестным, найти число n. Задача № 1. Определить формулу аминокислоты, если известно, что она содержит 15,73 % азота. Дано: Решение: ω(N) = 15,73 % 1. Oбщая формула аминокислот: CnH2n(NH2)COOH М.Ф. = ? 2. Выразим через n молекулярную массу: Мr(CnH2n(NH2)COOH) = 12n + 2n + 16 + 45 = 14n + 61. 3. Подставим данные в формулу: 0,1573 = 14 ∙ 1 / 14n + 61. 2,2022n + 9,5953 = 14. 2,2022n = 4,4047 n=2 Ответ: C2H4(NH2)COOH. Задача № 2. Массовая доля водорода в алкане составляет 0,1579. Найти формулу алкана. Ответ: С8Н18. Задача № 3. Массовая доля углерода в алкине 87,8 %. Определить формулу алкина. Ответ: С6Н10. Задача № 4. Массовая доля кислорода в аминокислоте равна 35,95 %. Найти молекулярную формулу аминокислот. Ответ: C2H4(NH2)COOH. Задача № 5. Массовая доля хлора в монохлоралкане равна 55,04 %. Найти формулу моно хлоралкана. Ответ: C2H5Cl. 33 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 2. Вывод формул по известным данным для нахождения истинной молярной массы (плотности, относительной плотности, массе и объёму). Найти истинную молярную массу по формулам: = m / V М = ∙ Vm М = D2 ∙ M2 2. Выразить молярную массу через n и приравнять её к истинной. 3. Решить уравнение с одним неизвестным, найти число n. 1. Задача № 1. Пары одного из монобромалканов в 68,5 раз тяжелее водорода. Найти формулу монобромалкана. Дано: DH2 = 68,5 Решение: 1. Общая формула монобромалканов – CnH2n+1Br; М.Ф. = ? 2. Найдём истинную молярную массу: M = DH2 ∙ 2 = 68,5 ∙ 2 = 137 (г/моль); 3. Выразим М через n: M(CnH2n + 1Br) = 12n + 2n + 1 + 80 = 14n + 81 Приравняем: 14n + 81 = 137 14n = 56 n=4 Ответ: С4H9Br. Задача № 2. Плотность газообразного алкина равна 2,41 г/л. Найти его молекулярную формулу. Ответ: С7Н12. Задача № 3. Относительная плотность паров альдегида по воздуху равна 1,517. Найти его молекулярную формулу. Ответ: СН3СОН. Задача № 4. Относительная плотность паров первичного амина по кислороду – 2,719. Определить его молекулярную формулу. Ответ: C5H11NH2. Задача № 5. Найти молекулярную формулу алкина, если 5,6 л его имеют массу 10 г. Ответ: С3Н4. 3. Вывод формул по уравнениям реакций в общем виде, если известны данные для двух веществ. Порядок решения: 1. Составить уравнение реакции в общем виде. 2. Выразить молярные массы неизвестных веществ через число n. 3. Найти количества двух веществ по формулам: = m /M = V / Vm 4. Составить уравнение, приравняв найденные количества веществ с учётом соотношения числа моль этих веществ по уравнению (определяют по коэффициентам). 34 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 5. Решить уравнение с одним неизвестным, найти число n и записать формулу. Задача № 1. При взаимодействии предельного одноатомного спирта массой 3 г с избытком натрия было получено 0,56 л водорода. Определить формулу спирта. Дано: m спирта = 3г Решение: V(H2) = 0,56л 1. Напишем уравнение реакции в общем виде: 2CnH2n + 1 OH + 2Na H2 + 2CnH2nONa 2 моль 1 моль М.Ф. = ? 2. Выразим молярную массу спирта через число n: M(CnH2n + 1OH) = 12n + 2n + 1 + 16 + 1 = 14n + 18(г/моль). 3. Найдём количества веществ: (СnH2n + 1OH) = m / M = 3г / 14n + 18г/моль = = 3 / 14n + 18 моль (Н2) = V / Vm = 0,56л / 22,4г/моль = 0,025 моль. 4. Из уравнения реакции видно, что (СnH2n + 1OH) = 2 ∙ (H2) 5. Cоставим уравнение: 3 / 14n + 18 = 2 ∙ 0,025 n=3 Ответ: С3Н7ОН. Задача № 2. При сгорании 13,2г алкана образовалось 20,16л углекислого газа. Найти формулу алкана. Дано: m алкана = 13,2г Решение: V(CO2) = 20,16л 1. Напишем уравнение реакции горения в общем виде: CnH2n + 2 + (3n + 1 / 2)O2 nCO2 + (n + 1)H2O 1 моль n моль М.Ф. = ? 2. Выразим молярную массу алкана через n: M(CnH2n + 2) = 12n + 2n + 2 = 14n + 2г/моль 3. Найдём количества веществ: (CnH2n + 2) = m /M = 13,2г / (14n + 2)г/моль = = 13,2 / 14n + 2 моль (CO2) = V / Vm = 20,16 / 22,4г/моль = 0,9 моль 4. Из уравнения реакции видно, что: n ∙ (CnH2n + 2) = (CO2) 5. Составим уравнение: n ∙ 13,2 / 14n + 2 = 0,9 n=3 Ответ: С3Н8. Задача № 3. При взаимодействии 2,9г неизвестного альдегида с аммиачным раствором оксида серебра получается 10,8г металла. Определить формулу альдегида. Ответ: С3Н6О. Задача № 4. 35 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. В результате реакции предельного одноатомного спирта с 18,25г хлороводорода получили органический продукт массой 46,25г и воду. Определить молекулярную формулу спирта. Ответ: С4Н9ОН. Задача № 5. Для сжигания 5,8г алкана потребовалось 14,56л (н.у.) кислорода. Определить формулу алкана. Ответ: С4Н10. Задача № 6. К 10,5г алкена присоединяют 5,6л бромоводорода (н.у.). Найти формулу алкена. Ответ: С3Н6. 4. Вывод формул по уравнениям реакций в общем виде с применением закона сохранения массы веществ. Если известны массы всех реагентов и продуктов реакции, кроме одного вещества, то можно найти его массу на основании закона сохранения массы веществ. Рассмотрим этот случай на конкретном примере. Задача № 1. Некоторый сложный эфир массой 7,4г подвергнут щелочному гидролизу. При этом получено 9,8г калиевой соли предельной одноосновной кислоты и 3.2г спирта. Установите формулу этого эфира. Дано: m(эфира) = 7,4г m(соли) = 9,8г m(спирта) = 3,2г Решение: 1. Составим уравнение гидролиза эфира в общем виде: R1COOR2 + KOH R1COOK + R2OH 1 моль 1 моль 1 моль 1 моль М.Ф.(эфира) = ? 2. По закону сохранения массы веществ: m(R1COOR2) + m(KOH) = m(R1COOK) + m(R2OH) Найдём массу и количество гидроксида калия: m(KOH) = m(R1COOK) + m(R2OH) – m(R1COOR2) = = 9,8 + 3,2 – 7,4 = 5,6г (КОН) = 5,6г / 56г/моль = 0,1 моль 3. Найдём молярную массу соли и её формулу: (R1COOK) = (KOH) = 0,1 моль M = m / = 9,8г / 0,1моль = 98 г/моль M(R1) = 98 – M(COOK) = 98 – 83 = = 15г/моль СH3СOOK 4. Найдём молярную массу спирта и его формулу: (R2OH) = (KOH) = 0,1 моль M(R2OH) = m / = 3,2г / 0,1г/моль = 32 г/моль M(R2) = 32 – M(OH) = 32 – 17 = 15г/моль СH3OH 5. Следовательно, формула эфира – СН3СООСН3. Ответ: СН3СООСН3. Задача № 2. 36 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. При щелочном гидролизе 37г некоторого сложного эфира получено 49г калиевой соли предельной одноосновной кислоты и 16г спирта. Установить формулу сложного эфира. Ответ: СН3СООСН3. Задача № 3. Некоторая предельная одноосновная кислота массой 6г прореагировала с 6г спирта, при этом получилось 10,2г сложного эфира. Определить формулу кислоты. Ответ: СН3СООН. Примеры решения задач из вариантов ЕГЭ 2009 – 2012 г.г. Задача 7.1. Установите молекулярную формулу монохлоралкана, содержащего 38,38% хлора. Решение: 1. Общая формула алканов CnH2n+2, общая формула монохлоралканов CnH2n+1Cl 2. Cоставим выражение для расчета массовой доли хлора: М(Cl) 35,5 ω( Сl) =-------------------=-------------=0,3838 , откуда n=4 М(CnH2n+1Cl) 14n+36,5 Формула монохлоралкана С4Н9Сl Задача 7.2. Установите молекулярную формулу алкена и продукта взаимодействия его с 1 моль бромоводорода, если это монобромпроизводное имеет относительную плотность по воздуху 4,24. Укажите название исходного алкена и одного его изомера. Решение: 1. Общая формула монобромлканов CnH2n+1Br. Молярная масса монобромлкана М= 12n+2n+1+80=14n+81 2. Зная относительную плотность вещества по воздуху, находим молярную массу: М=29∙4,24=123г/моль Из выражения 14n+81=123 n=3 3. Формула бромалкана С3Н7Br, исходного алкана С3Н6 – пропен. Изомер – циклопропан. Задача 7.3. Установите молекулярную формулу алкена, гидратацией которого получается спирт, пары которого в 2,07 раза тяжелее воздуха. Решение: 1. Общая формула спиртов CnH2n+1ОН. Молярная масса спирта М= 12n+2n+1+16+1=14n+18 2. Зная относительную плотность вещества по воздуху, находим молярную массу: М=29∙2,07=60г/моль 14n+18=60 n=3 3. Формула алкена С3Н6 Задача 7.4. Установите молекулярную формулу алкена, если одно и то же количество его, взаимодействуя с различными галогеноводородами, образует, соответственно, 5,23 г хлорпроизводного или 8,2 г бромпроизводного. Решение: 1. Уравнения реакций: CnH2n + Н Сl = CnH2n+1Cl CnH2n + Н Br = CnH2n+1Br 2. Так как количество вещества алкена одно и то же в обеих реакциях, то количества веществ галогеналканов равны: n(CnH2n+1Cl) = n(CnH2n+1Br) 37 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 3. Из выражения 5,23/14n+36,5=8,2/14n+81 n=3 Формула алкена С3Н6 Задача 7.5. Установите молекулярную формулу алкена, если известно, что 1,012 л (н.у.) его при взаимодействии с хлором образует 5,09 г дихлорпроизводного. Решение: 1. Находим количество вещества алкена: n(CnH2n) = 1,012/22,4 = 0,045 моль 2. По уравнению реакции CnH2n +Сl2 = CnH2nCl2 n(CnH2nCl2)= n(CnH2n) =0,045 моль 3. М(CnH2nCl2)=m/n=5,09/0,045=113г/моль 12n +2n+71=113 n=3 Формула алкена С3Н6 Задача 7.6. При взаимодействии 22 г предельной одноосновной карбоновой кислоты с избытком раствора гидрокарбоната натрия выделилось 5,6 л (н.у.) газа. Определите молекулярную формулу кислоты. Решение: 1. Составим уравнение реакции и вычислим количество вещества газа: CnH2n+1СООН+ NаНСО3 = CnH2n+1СООNа +Н2О + СО2 n(CО2) =5,6/22,4=0,25 моль По уравнению реакции n (CnH2n+1СООН)= n(CО2)=0,25 моль 2. Находим молярную массу кислоты: М(CnH2n+1СООН)=22/0,25=88г/моль 3. Из выражения 12n+2n+1+12+16+16+1=88 n=3 Молекулярная формула кислоты C3H7СООН Задача 7.7. Сложный эфир массой 30 г подвергли щелочному гидролизу. При этом получено 34 г натриевой соли предельной одноосновной кислоты и 16 г спирта. Установите формулу сложного эфира. Решение: 1. Уравнение реакции гидролиза эфира в общем виде: RCOOR1+NaOH = RCOONa +R1OH Находим массу и количество вещества гидроксида натрия: m(NaOH)=(34+16) – 30 = 20 г n(NaOH)=20/40=0,5 моль 2. Из уравнения реакции видно, что n(RCOOR1)= n(NaOH)=0,5 моль М(RCOOR1)=30/0,5=60г/моль 3. Определяем молярные массы радикалов: М(R + R1) = 60 – 12 – 32 =16г/моль, следовательно, радикалами могут быть только атом Н и метил СН3. Формула эфира НСООСН3 Задача 7. 8. При сгорании 9 г первичного амина выделилось 2,24 л азота (н.у.). Определите молекулярную формулу амина и назовите его. Решение: 1. Стехиометрическая схема реакции горения амина: 2RNH2 →N2 2. Определяем количество вещества амина и его молярную массу: n(RNH2)=1/2n(N2)=2,24/22,4*2=0,05моль М(RNH2)=9/0,05=45г/моль 3. Находим молярную массу радикала: М(R)+14+2=45 М(R)=29г/моль Формула амина С2Н5NH2 38 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. Задача7.9. Установите молекулярную формулу предельного двухатомного спирта, содержащего 57,69% углерода. Решение: 1. Общая формула предельного двухатомного спирта CnH2n(OH)2 2. ω(С)=12n/12n+2n+34=0,5769 n=5 C5H10(OH)2 Задача 7.10. При сгорании органического бескислородного соединения выделилось 4,48 л (н.у.) углекислого газа, 3,6 г воды и 2 г фтороводорода. Установите молекулярную формулу органического соединения. Решение: 1. n(CO2) =4,48/22,4=0,2 n(H2O) =3,6/18=0,2 n(HF) =2/20=0,1 2. n(C):n(H):n(F)=0,2:(0,1+0,2*2):0,1=2:5:1 C2H5F Задачи для самостоятельного решения 1. При полном сгорании 3,9 г углеводорода образовалось 13,2 г углекислого газа и 2,7 г воды. Плотность паров вещества 3,482г/л. Выведите молекулярную формулу. 2. При взаимодействии 1,74 г алкана с бромом образовалось 4,11 г монобромпроизводного. Определите молекулярную формулу алкана. Запишите структурные формулы и названия возможных изомеров. 3. При полном сгорании 4,4 г алкана образовалось 6,72 л углекислого газа. Выведите молекулярную формулу алкана. 4. Установите молекулярную формулу предельного двухатомного спирта, содержащего 30,77% кислорода. 5. Установите молекулярную формулу предельного двухатомного спирта, содержащего 11,54% водорода. 6. Установите молекулярную формулу предельной одноосновной карбоновой кислоты, содержащей 36,36% кислорода. 7. При сгорании органического бескислородного соединения выделилось 6,72 л (н.у.) углекислого газа, 5,4 г воды и 3,65 г хлороводорода. Установите молекулярную формулу органического соединения. 8. Масса неизвестного объема воздуха равна 0,123 г, а масса такого же объема газообразного алкана 0,246 г (при одинаковых условиях). Определите молекулярную формулу алкана. 9. Органическое вещество массой 1,875 г занимает объем 1 л (н.у.). При сжигании 4,2 г этого вещества образуется 13,2 г СО2 и 5,4 г воды. Определите молекулярную формулу вещества. 10. Установите молекулярную формулу предельного третичного амина, содержащего 23,73% азота по массе. 11. Предельную одноосновную карбоновую кислоту массой 11 г растворили в воде. Для нейтрализации полученного раствора потребовалось 25 мл раствора гидроксида натрия, молярная концентрация которого 5 моль/л. Определите формулу кислоты. 12. Установите молекулярную формулу дибромалкана, содержащего 85,11% брома. 13. Установите молекулярную формулу алкена, если известно, что одно и то же количество его, взаимодействуя с галогенами, образует, соответственно, или 56,5 г дихлорпроизводного или 101 г дибромпроизводного. 14. При сгорании 9 г предельного вторичного амина выделилось 2,24 л азота и 8,96 л (н.у.) углекислого газа. Определите молекулярную формулу амина. 15. При взаимодействии 0,672 л алкена (н.у.) с хлором образуется 3,39 г его дихлорпроизводного. Определите молекулярную формулу алкена, запишите его структурную формулу и название. 39 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии. 16. При полном сжигании вещества, не содержащего кислорода, образуется азот и вода. Относительная плотность паров этого вещества по водороду равна 16. Объем необходимого на сжигание кислорода равен объему выделившегося азота. Определите молекулярную формулу соединения. 17. При взаимодействии 11,6 г предельного альдегида с избытком гидроксида меди (II) при нагревании образовался осадок массой 28,8 г. Выведите молекулярную формулу альдегида. 18. При взаимодействии одного и того же количества алкена с различными галогеноводородами образуется, соответственно, 7,85 г хлорпроизводного или 12,3 г бромпроизводного. Определите молекулярную формулу алкена. 19. При взаимодействии 1,74 г алкана с бромом образовалось 4,11 г монобромпроизводного. Определите молекулярную формулу алкана. 20. При сгорании 9 г первичного амина выделилось 2,24 л азота (н.у.). Определите молекулярную формулу амина, приведите его название. 21. На полное сгорание 0,2 моль алкена израсходовано 26,88 л кислорода (н.у.). Установите название, молекулярную и структурную формулы алкена. 22. При взаимодействии 25,5 г предельной одноосновной кислоты с избытком раствора гидрокарбоната натрия выделилось 5,6 л (н.у.) газа. Определите молекулярную формулу кислоты. 23. Массовая доля кислорода в предельной одноосновной кислоте составляет 43,24 %. Определите молекулярную формулу этой кислоты. Список источников и литературы 1. Ахлебинин А.К., Нифантьев Э.Е., Анфилов К.Л. Органическая химия. Решение качественных задач. – М.: Айрис-пресс, 2006 2. Габриелян О.С. Химия: пособие для школьников старших классов и поступающих в вузы. – М.: Дрофа, 2006 3. Слета Л.А. Химия: Справочник. – Харьков: Фолио; М.: ООО «Издательство АСТ», 2000 4.http://www1.ege.edu.ru/ 5. http://www.it-n.ru (сообщества «Химоза» и «Подготовка к ЕГЭ по химии») 40 Кочулева Людмила Рамановна. МОБУ «СОШ №73» г. Оренбурга. Методическое пособие по органической химии.
