Денисова В.Г. Решение заданий зачетного занятия

Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
Решение заданий зачета
1. Массовая доля кислорода в моноаминомонокарбоновой кислоте 35,95%.
Определите ее молекулярную формулу. (3 балла)
Решение:
Составим формулу моноаминомонокарбоновой
кислоты в общем виде:
СnH2n+1O2N
Выразим молярную массу кислоты: М=14n+47
Рассчитаем молярную массу кислоты по массовой доле атомов кислорода:
32/0,3595=89
Приравняем молярные массы, найдем n:
14n+47=89
n=3 С3H7O2N – это может быть аланин или 3-аминопропановая
кислота
2. На полный гидролиз 1,85 г сложного эфира потребовалось 10 г 10 %
раствора гидроксида натрия. Определите молекулярную формулу эфира. (3
балла)
Решение:
Пусть спирт был одноатомный, а кислота одноосновная, тогда на 1 моль эфира
потребуется 1 моль гидроксида натрия.
n (NаОН)= 10∙0,1/40=0,025 моль
n (СnH2nO2)=0,025 моль, М (СnH2nO2)=1,85/0,025=74 г/моль
Выразим молярную массу эфира: М=14n+32
Приравняем молярные массы, найдем n:
14n+32=74 n=3 С3H6O2
Варианты сложного эфира:
метилацетат
Этилформиат
3. При сгорании 2,06 г органического вещества получено 1,62 г воды, 0,224л
азота и 1,792 л углекислого газа. Определите его молекулярную формулу. (3
балла)
Решение: Найдем количества вещества продуктов горения, по ним определим
массы атомов углерода, водорода и азота:
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
υ (С) = υ (СО2) =1,792/22,4 = 0,08
m(С) =0,96г
υ (Н) = 2υ (Н2О) =2∙1,62/18 = 0,18
m(Н) =0,18 г
υ (N) = 2υ (N2) =2∙0,224/22,4 = 0,02
m(N)=0,28 г
Определим наличие кислорода в исходном веществе:
2,06-(0,96+1,18+0,28)=0,64 г приходится на кислород
υ (О)=0,64/16=0,04 моль
определим формулу вещества:
υ (С) : υ (Н) : υ (N) : υ (О) = 0,08 : 0,18 : 0,02 : 0,04 = 4:9:1:2
С4Н9 NО2
4. При окислении смеси двух изомерных ароматических углеводородов кислым
раствором перманганата калия образовалось 17,1 л углекислого газа (25оС, 1 атм),
24,4 г бензойной кислоты, 49,8 г фталевой кислоты. Установите строение
исходных углеводородов. (МГУ - 2000) (5 баллов)
Решение: 1) При окислении аренов углекислый газ образуется из метильных
радикалов, соединенных с первым от бензольного кольца углеродом. Рассчитаем
количество углекислого газа по уравнению Менделеева-Клапейрона:
υ = PV/PT = 101325 Па∙ 0,0171 м3/8,314 ∙298К = 0,7 моль
2) Рассчитаем количества бензойной (24,4/122 = 0,2 моль) и фталевой (49,8/166 =
0,3 моль) кислот
3) Наличие в продуктах окисления бензойной кислоты говорит о том, что один из
исходных углеводородов имел одну боковую цепь, наличие фталевой кислоты – о
том, что второй углеводород содержал две боковые цепи. Отсутствие в продуктах
других органических продуктов говорит о том, что в боковых цепях с первым от
кольца углеродом были соединены только метильные радикалы.
4) Сопоставляя количество углекислого газа и карбоновых кислот, можно прийти
к выводу, что арен с одной боковой цепью количеством 0,2 моль дал 0,4 моль СО2
(значит, в боковой цепи было два метильных радикала), а арен с двумя боковыми
цепями – 0,3 моль СО2 (значит, в его боковой цепи был один метильный радикал),
всего 0,7 моль СО2.
Ответ: изопропилбензол (кумол) и орто-метилэтилбензол
Ошибки, допущенные при решении этой задачи: 1) в качестве ответа дается
пропилбензол – его окисление приведет к образованию уксусной и бензойной
кислот; 2) фталевая кислота содержит карбоксильные группы на 1 и 2 местах,
некоторые в ответах приводили расположение радикалов на 1 и 4 , 1 и 3 местах –
это соответствует тере – и изо- фталевым кислотам.
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
5. Для полного гидролиза 0,563 г сложного эфира монокарбоновой кислоты
(вещество А) потребовалось 75 мл 0,1М раствора гидроксида натрия. Для полного
гидролиза такого же количества изомерного ему сложного эфира Б потребовалось
вдвое меньшее количество щелочи. Установите строение А и Б, если известно,
что они не дают реакции серебряного зеркала, а эфир А легко нитруется с
образованием двух изомерных мононитропроизводных. (МГУ - 1997) (5 баллов)
Решение:
Щелочной гидролиз сложных эфиров, образованных спиртами, происходит в
соответствии с уравнением:
R-CO-O-R1 + NaOH → RCOONa + R1OH
«Б»
Если для реакции гидролиза требуется вдвое большее количество щелочи, то это
значит, что R1OH реагирует со щелочью, т.е. R1OH – фенол:
R2-CO-O-С6Н4-R3 + 2NaOH → R2COONa + NaO-С6Н4-R3 + H2O
«А»
Следовательно, вещество «Б» - сложный эфир спирта, а вещество «А» - сложный
эфир фенола.
Найдем молярную массу сложного эфира «А» из второго уравнения:
ν(NaOH) = CV = 0,075 л ∙0,1 М = 0,075 моль
ν(R2-CO-O-С6Н4-R3) = ν(NaOH)/2 = 0,00375 моль
M(R2-CO-O-С6Н4-R3) = m/ ν = 0,563/0,00375 = 150 г/моль
M(R2+R3)= 150 – M(-CO-O-С6Н4-) = 30 г/моль
Возможны три варианта распределения 30 г/моль между радикалами R2 и R3:
1) R2 = Н, R3 = С2Н5 – этот вариант не подходит, т.к. эфир не даёт реакции
серебряного зеркала и, следовательно, не является эфиром муравьиной кислоты.
2) R2 = СН3, R3 = СН3 – в этом варианте оба заместителя в бензольном кольце СН3-СО-О- и СН3- -орто-пара-ориентанты. По условию задачи известно, что эфир
«А» легко нитруется с образованием двух изомерных мононитропроизводных ,
значит, условию задачи удовлетворяет сложный эфир уксусной кислоты и параметилфенола: СН3-CO-O-С6Н4-СН3
3) R2 = С2Н5, R3 = Н – в этом варианте вещество «А» – сложный эфир
пропионовой кислоты и фенола: С2Н5СООС6Н5; при нитровании этого эфира
преимущественно образуются только два мононитропроизводных, в которых
нитрогруппы находятся в в орто- и пара- положениях по отношению к группе
С2Н5СОО-.
В сложном эфире «Б» бензольное кольцо находится со стороны кислоты, поэтому
эфир может быть образован бензойной кислотой и этанолом: С6Н5-СО-О-С2Н5 или
о-, м-, п- метилбензойной кислотой и метанолом СН3- С6Н4- СО-О-СН3,
бензиловым спиртом и уксусной кислотой. С6Н5-СН2-О-CO-СН3
При решении этой задачи некоторые не учли правила ориентации в бензольном
кольце, а некоторые просто обсчитались – за вещество Б приняли пропилбензоат,
в котором не 9, а 10 атомов углерода.
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
6. При полном гидролизе смеси дипептидов в растворе обнаружены аланин,
лизин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Образец одного из дипептидов
разделили на 3 равные по массе части. Одну часть обработали избытком
гидрокарбоната калия, при этом выделилось 6,72 л газа (н.у.). Вторая часть
вступила в реакцию солеобразования с 200 мл 3М раствора бромоводородной
кислоты. При полном гидролизе третьей части масса продуктов оказалась на 5,4 г
больше массы дипептида. Установите формулу дипептида. (МГУ - 2000) (5
баллов)
Решение:
1) Определим количество вещества дипептида, которое равно количеству воды
ν(дипептида) = ν(H2O) = 5,4 г/18г/моль = 0,3 моль;
2) Определим количество карбоксильных групп, которое равно количеству
углекислого газа: ν(-COOH) = n(CO2) = 6,72 л /22,4 л/моль = 0,3 моль;
3) Определим количество аминогрупп, которое равно количеству бромоводорода:
ν(-NH2) = n(HBr) = 200∙3/1000 = 0,6 моль.
Из расчетов видно, что аминогрупп в два раза больше , чем карбоксильных групп
в дипептиде.
Таким образом, дипептид имеет 1 свободную карбоксильную группу в молекуле и
две аминогруппы => дипептид состоит из остатка аланина и лизина (Ala-Lys или
Lys-Ala).
При решении этой задачи были допущены следующие ошибки: для расчетов
использованы уравнения гидролиза, хотя в условии говорится о солеобразовании
без гидролиза; при правильных расчетах сделаны неправильные логические
выводы; в ответах появились аминокислоты, которых не было в условии –
лейцин, глицин, серин.
7. При реакции образца углевода с избытком уксусного ангидрида в пиридине
образовалось 7,38 г сложного эфира и 5,4 г уксусной кислоты. Такой же образец
углевода при нагревании с избытком аммиачного раствора оксида серебра дает
6,48 г осадка. Установите формулу углевода. (МГУ - 1999) (5 баллов)
Решение:
1) Из реакции с аммиачным раствором оксида серебра:
CxHyOz + 2[Ag(NH3)2]ОН → CxHy-1Oz+1NH4 + 2Ag + 2H2O+ 3NH3
следует, что углевод является альдозой и что его количество равно:
ν(CxHyOz) = ν(Ag)/2 = (6,48/108)/2 = 0,03 моль.
2) Реакция этерификации проходит с участием всех гидроксильных групп
углевода по уравнению:
CxHyOz + m (CH3CO)2O → CxHyOz(C2H2O)m + m CH3COOH
Количество вещества уксусной кислоты равно: ν(CH3COOH) = 5,40/60 = 0,09
моль.
Поскольку количество вещества исходного углевода равно 0,03 моль, число
гидроксильных групп в молекуле углевода равно 0,09/0,03 = 3.
Денисова В.Г.
Мастер-класс «Решение задач на вывод формул веществ»
3) Молярная масса сложного эфира равна: M(CxHyOz(C2H2O)m) = 7,38 г/0,03 моль
= 246 г/моль,
M(CxHyOz) = 246– 3M(C2H2O) = 120 г/моль.
Этой молярной массе соответствует углевод – C4H8O4 – альдотетроза
При решении этой задачи некоторые использовали массу углевода, не
соответствующую условию: 7,8 и 7,9, хотя в условии 7,38 г. Это привело к
неправильным расчетам и неверным выводам, в частности, в некоторых работах
ответом является дезоксипентоза.