Номер 541, страница 120 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

541. При действии на ароматическое соединение А массой 23,5 г концентрированной азотной кислоты образуется вещество В, содержащее три нитрогруппы. При взаимодействии всего вещества В, образовавшегося в первом опыте, с избытком питьевой соды выделяется углекислый газ в количестве, равном количеству вещества В, и образуется соль С массой 50,2 г. Установите формулу вещества А, если известно, что выход реакции нитрования равен 80 %. Приведите структурные формулы веществ А, В и С. Сравните кислотные свойства веществ А, В и угольной кислоты.

Дано:

Масса ароматического соединения А, $m(\text{А}) = 23,5$ г
Выход реакции нитрования, $\eta = 80 \% = 0,8$
Масса соли С, $m(\text{С}) = 50,2$ г
Вещество В содержит три нитрогруппы.
$n(\text{B}) = n(\text{CO}_2)$ при реакции В с $NaHCO_3$.

Найти:

Формулу вещества А.
Структурные формулы веществ А, В и С.
Сравнить кислотные свойства веществ А, В и угольной кислоты.

Решение:

1. Установление формулы вещества А

Вещество В реагирует с питьевой содой ($NaHCO_3$) с выделением углекислого газа. Это означает, что вещество В является кислотой, более сильной, чем угольная кислота ($H_2CO_3$).

$B + NaHCO_3 \rightarrow C + H_2O + CO_2$

Из условия известно, что количество вещества выделившегося газа равно количеству вещества В: $n(B) = n(CO_2)$. Согласно уравнению реакции, это означает, что вещество В является одноосновной кислотой. Вещество С является натриевой солью кислоты В.

Если обозначить кислоту В как $HAn$, то соль С будет иметь формулу $NaAn$. Молярные массы этих веществ связаны соотношением: $M(C) = M(NaAn) = M(B) - M(H) + M(Na) = M(B) - 1 + 23 = M(B) + 22$ г/моль.

Поскольку в реакцию с содой вступает все вещество В, полученное в первом опыте, и $n(B) = n(C)$, мы можем записать: $\frac{m(B)}{M(B)} = \frac{m(C)}{M(C)} = \frac{50,2}{M(B) + 22}$

Вещество В образуется при нитровании ароматического соединения А, при этом три атома водорода в молекуле А замещаются на три нитрогруппы ($-NO_2$). $A + 3HNO_3 \rightarrow B + 3H_2O$

Следовательно, молярная масса вещества В больше молярной массы вещества А на величину $3 \cdot M(NO_2) - 3 \cdot M(H)$: $M(B) = M(A) + 3 \cdot 46 - 3 \cdot 1 = M(A) + 135$ г/моль.

Количество вещества А, вступившего в реакцию: $n(A) = \frac{m(A)}{M(A)} = \frac{23,5}{M(A)}$ моль. Теоретическое количество вещества В, которое могло бы получиться: $n_{теор}(B) = n(A) = \frac{23,5}{M(A)}$. Практическое количество вещества В, полученное с выходом 80%: $n_{практ}(B) = n_{теор}(B) \cdot \eta = \frac{23,5}{M(A)} \cdot 0,8 = \frac{18,8}{M(A)}$ моль.

Это количество вещества В ($n_{практ}(B)$) и есть $n(B)$, которое реагирует с содой. Количество образовавшейся соли С равно $n(C) = n(B)$. С другой стороны, $n(C) = \frac{m(C)}{M(C)} = \frac{50,2}{M(B)+22}$. Подставим сюда выражение для $M(B)$: $n(C) = \frac{50,2}{ (M(A) + 135) + 22} = \frac{50,2}{M(A) + 157}$

Теперь приравняем два выражения для количества вещества ($n_{практ}(B)$ и $n(C)$, так как они равны): $\frac{18,8}{M(A)} = \frac{50,2}{M(A) + 157}$

Решим уравнение относительно $M(A)$: $18,8 \cdot (M(A) + 157) = 50,2 \cdot M(A)$
$18,8 \cdot M(A) + 2951,6 = 50,2 \cdot M(A)$
$31,4 \cdot M(A) = 2951,6$
$M(A) = \frac{2951,6}{31,4} = 94$ г/моль.

Вещество А является ароматическим. Молярная масса бензольного радикала $C_6H_5-$ равна 77 г/моль. Найдем массу заместителя X в формуле $C_6H_5-X$: $M(X) = 94 - 77 = 17$ г/моль. Такую молярную массу имеет гидроксогруппа $-OH$. Следовательно, вещество А — это фенол.

Ответ: Вещество А — фенол, молекулярная формула $C_6H_6O$.

2. Структурные формулы веществ А, В и С

Исходя из того, что вещество А — фенол, мы можем определить строение веществ В и С.

Вещество А — фенол. Его структурная формула представляет собой бензольное кольцо, с которым связана одна гидроксогруппа ($-OH$). Молекулярная формула: $C_6H_5OH$.

Вещество В — продукт нитрования фенола. Гидроксогруппа является активирующим заместителем и ориентантом первого рода, направляя нитрогруппы в орто- и пара-положения. При действии концентрированной азотной кислоты образуется 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота). Молекулярная формула: $C_6H_2(OH)(NO_2)_3$.

Вещество С — продукт реакции пикриновой кислоты (В) с гидрокарбонатом натрия. Это натриевая соль пикриновой кислоты — пикрат натрия (2,4,6-тринитрофенолят натрия). В его структуре атом водорода гидроксогруппы замещен на атом натрия. Молекулярная формула: $C_6H_2(ONa)(NO_2)_3$.

Ответ:

Структурная формула вещества А (фенол): бензольное кольцо с одной группой $-OH$.
Структурная формула вещества В (2,4,6-тринитрофенол): бензольное кольцо с одной группой $-OH$ и тремя группами $-NO_2$ в положениях 2, 4, 6.
Структурная формула вещества С (пикрат натрия): натриевая соль 2,4,6-тринитрофенола.

3. Сравнение кислотных свойств веществ А, В и угольной кислоты

Кислотные свойства соединений определяются их способностью отдавать протон ($H^+$).

Вещество А (фенол) является очень слабой кислотой ($pKa \approx 10.0$). Его кислотные свойства слабее, чем у угольной кислоты. Фенол не реагирует с гидрокарбонатом натрия.

Угольная кислота ($H_2CO_3$) — слабая кислота ($pKa_1 \approx 6.35$). Она сильнее фенола, но значительно слабее многих органических и неорганических кислот.

Вещество В (2,4,6-тринитрофенол) является сильной кислотой ($pKa \approx 0.4$). Наличие трех сильных электроноакцепторных нитрогрупп в бензольном кольце стягивает электронную плотность, что ослабляет связь $O-H$ и стабилизирует образующийся пикрат-анион за счет делокализации отрицательного заряда. Его способность реагировать с $NaHCO_3$ подтверждает, что он является более сильной кислотой, чем угольная.

Таким образом, по силе кислотных свойств вещества располагаются в следующем порядке: фенол < угольная кислота < пикриновая кислота.

Ответ: Ряд по увеличению кислотных свойств: Вещество А (фенол) < угольная кислота < Вещество В (2,4,6-тринитрофенол).