Номер 728, страница 164 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

728. В результате химического анализа было установлено, что вещество А имеет состав $C_{18}H_{18}O_4$ и содержит два бензольных кольца. В присутствии серной кислоты А подвергается гидролизу, образуя соединения Б и В. Соединение Б при взаимодействии со свежеосажденным гидроксидом меди(II) образует комплексное соединение, и раствор приобретает васильково-синий цвет. Соединение Б может быть получено при взаимодействии гомолога этилена с раствором перманганата калия на холоде. Вещество В — ароматическое соединение. При взаимодействии 18,3 г В с избытком питьевой соды выделяется 3,36 $дм^3$ (н. у.) газа. Установите возможные формулы веществ А—В. Напишите уравнения реакций.

Дано:

Состав вещества А: $C_{18}H_{18}O_4$

Масса вещества В: $m(В) = 18,3 \text{ г}$

Объем выделившегося газа (н. у.): $V(газа) = 3,36 \text{ дм}^3$

Найти:

Структурные формулы веществ А, Б, В - ?

Уравнения реакций - ?

Решение:

1. Установление строения вещества В

По условию, вещество В является ароматическим соединением и реагирует с питьевой содой ($NaHCO_3$) с выделением газа. Реакция с гидрокарбонатом натрия, сопровождающаяся выделением газа ($CO_2$), является качественной реакцией на карбоксильную группу ($–COOH$). Следовательно, В — это ароматическая карбоновая кислота.

Уравнение реакции в общем виде для одноосновной кислоты:

$R-COOH + NaHCO_3 \rightarrow R-COONa + H_2O + CO_2\uparrow$

Рассчитаем количество вещества выделившегося углекислого газа, используя молярный объем газов при нормальных условиях ($V_m = 22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}$):

$\nu(CO_2) = \frac{V}{V_m} = \frac{3,36 \text{ дм}^3}{22,4 \text{ дм}^3/\text{моль}} = 0,15 \text{ моль}$

Из уравнения реакции следует, что количество вещества кислоты В (при условии, что она одноосновная) равно количеству вещества $CO_2$:

$\nu(В) = \nu(CO_2) = 0,15 \text{ моль}$

Теперь можем найти молярную массу вещества В:

$M(В) = \frac{m(В)}{\nu(В)} = \frac{18,3 \text{ г}}{0,15 \text{ моль}} = 122 \text{ г/моль}$

Простейшая ароматическая карбоновая кислота — это бензойная кислота, $C_6H_5COOH$. Рассчитаем ее молярную массу:

$M(C_7H_6O_2) = 7 \cdot M(C) + 6 \cdot M(H) + 2 \cdot M(O) = 7 \cdot 12 + 6 \cdot 1 + 2 \cdot 16 = 122 \text{ г/моль}$

Рассчитанная молярная масса совпадает с молярной массой бензойной кислоты. Таким образом, вещество В — это бензойная кислота.

2. Установление строений веществ А и Б

Вещество А ($C_{18}H_{18}O_4$) содержит два бензольных кольца и при гидролизе образует бензойную кислоту (В) и вещество Б. Наличие четырех атомов кислорода в А и продукты гидролиза указывают на то, что А, скорее всего, является сложным диэфиром.

Поскольку вещество В (бензойная кислота) содержит одно бензольное кольцо, а вещество А — два, можно предположить, что А образовано двумя молекулами бензойной кислоты и одной молекулой двухатомного спирта (диола) Б. Тогда уравнение гидролиза будет выглядеть так:

$А + 2H_2O \xrightarrow{H^+} Б + 2В$

На основе этого уравнения и закона сохранения масс определим брутто-формулу вещества Б:

Б = А + 2$H_2O$ - 2В

Б = $C_{18}H_{18}O_4 + 2(H_2O) - 2(C_7H_6O_2) = C_{18}H_{18}O_4 + H_4O_2 - C_{14}H_{12}O_4 = C_4H_{10}O_2$

Итак, вещество Б имеет формулу $C_4H_{10}O_2$.

По условию, Б реагирует со свежеосажденным $Cu(OH)_2$ с образованием раствора васильково-синего цвета. Это качественная реакция на многоатомные спирты, у которых гидроксильные группы расположены у соседних атомов углерода (вицинальные диолы).

Также сказано, что Б можно получить мягким окислением (реакция Вагнера) гомолога этилена (то есть алкена) холодным раствором перманганата калия. Прекурсором для диола $C_4H_{10}O_2$ является алкен $C_4H_8$ (бутен или его изомеры), который является гомологом этилена. Это подтверждает, что Б — вицинальный диол.

Возможные структуры для вещества Б ($C_4H_{10}O_2$):

1. Бутан-1,2-диол: $CH_2(OH)-CH(OH)-CH_2-CH_3$

2. Бутан-2,3-диол: $CH_3-CH(OH)-CH(OH)-CH_3$

3. 2-метилпропан-1,2-диол: $CH_2(OH)-C(OH)(CH_3)-CH_3$

Соответственно, вещество А — это сложный эфир (дибензоат) одного из этих диолов. Возможные структуры для А ($C_{18}H_{18}O_4$):

1. Бутан-1,2-диилдибензоат: $C_6H_5COO-CH_2-CH(OCOC_6H_5)-CH_2-CH_3$

2. Бутан-2,3-диилдибензоат: $CH_3-CH(OCOC_6H_5)-CH(OCOC_6H_5)-CH_3$

3. 2-метилпропан-1,2-диилдибензоат: $C_6H_5COO-CH_2-C(OCOC_6H_5)(CH_3)-CH_3$

3. Уравнения реакций

Запишем уравнения упомянутых реакций, используя в качестве примера бутан-1,2-диол (Б), бутан-1,2-диилдибензоат (А) и бутен-1.

1) Кислотный гидролиз вещества А:

$C_6H_5COO-CH_2-CH(OCOC_6H_5)-CH_2-CH_3 + 2H_2O \xrightarrow{H_2SO_4, t} CH_2(OH)-CH(OH)-CH_2-CH_3 + 2C_6H_5COOH$

2) Взаимодействие вещества Б с гидроксидом меди(II):

$2CH_2(OH)-CH(OH)-CH_2-CH_3 + Cu(OH)_2 \rightarrow \text{растворимый комплекс меди(II) васильково-синего цвета} + 2H_2O$

3) Получение вещества Б окислением гомолога этилена (бутена-1):

$3CH_2=CH-CH_2-CH_3 + 2KMnO_4 + 4H_2O \xrightarrow{0-5^\circ C} 3CH_2(OH)-CH(OH)-CH_2-CH_3 + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$

4) Взаимодействие вещества В с питьевой содой:

$C_6H_5COOH + NaHCO_3 \rightarrow C_6H_5COONa + H_2O + CO_2\uparrow$

Ответ:

Возможные структурные формулы веществ:

Вещество А ($C_{18}H_{18}O_4$):

Бутан-1,2-диилдибензоат: $C_6H_5COO-CH_2-CH(OCOC_6H_5)-CH_2-CH_3$

Бутан-2,3-диилдибензоат: $CH_3-CH(OCOC_6H_5)-CH(OCOC_6H_5)-CH_3$

2-метилпропан-1,2-диилдибензоат: $C_6H_5COO-CH_2-C(OCOC_6H_5)(CH_3)-CH_3$

Вещество Б ($C_4H_{10}O_2$):

Бутан-1,2-диол: $CH_2(OH)-CH(OH)-CH_2-CH_3$

Бутан-2,3-диол: $CH_3-CH(OH)-CH(OH)-CH_3$

2-метилпропан-1,2-диол: $CH_2(OH)-C(OH)(CH_3)-CH_3$

Вещество В:

Бензойная кислота: $C_6H_5COOH$

Уравнения реакций приведены в ходе решения.