Решение задач с-5 ЕГЭ олимпиадные задания по химии (11 класс) по теме
Задача 1. Предложите формулу спирта, молярная масса которого в 2 раза превышает молярную массу самого лёгкого углеводорода (1 балл).
Самый лёгкий углеводород – метан, его М = 16 г/моль, значит, М(спирта) = 32 г/моль. Это метанол СН 3 OН
Задача 2. Предложите формулы двух неорганических веществ, плотность которых равна плотности пропана (1 балл).
Если равны плотности, то равны и молярные массы веществ. Причем, вещества эти должны быть газообразными при н.у. М (пропана) = 44 г/моль. Такую же молярную массу имеют углекислый газ СО 2 и веселящий газ N 2 O .
Задача 3. Предложите формулы 4 газообразных веществ, молярная масса которых равна 28 г/моль (2 балла).
Ответ СО, С 2 Н 4 , N 2 , газ – диборан ( B 2 H 6 ). «тяжелый» ацетилен – C 2 D 2 , вместо атомов протия (изотопа водорода с массовым числом 1) в его молекуле присутствуют атомы дейтерия (изотопа водорода с массовым числом 2)
Задача 4. Установите структурную формулу сложного эфира, плотность паров которого по воздуху равна плотности паров по воздуху уксусной кислоты (1 балл).
Равенство плотности паров по воздуху говорит о равенстве молярных масс. Сложный эфир имеет такой же состав, как уксусная кислота – это метилформиат .
Задача 5*. Приведите структурную формулу углеводорода, газообразного при температуре ниже 20 o C, молярная масса которого превышает молярную массу бутана (2 балла).
это неопентан или диметилпропан
Задача 6. Плотность газа при нормальных условиях равна 0,759 г/л. Определите его молярную массу и предложите формулу (1 балл).
М=ρ·Vm; М(газа)= 0,759 г/л ·22,4 л/моль = 17 г/моль; Газ – аммиак NH 3
Задача 7. Определите молярную массу углеводорода и предложите его молекулярную формулу, если известно, что при 100 о С и при давлении 90 кПа его плотность составляет 2,903 г/л (2 балла).
Из уравнения Менделеева – Клапейрона PV = (m/M) RT, выразим М: М = mRT / PV; m/V=ρ, следовательно: М = ρRT / P
Переведем единицы измерения в СИ: T o К = 273 + 100 o C = 373К; Р = 90000 Па; ρ = 2,903 кг/м 3
Подставим данные в формулу М = 2,903∙ 8,314∙ 373/90000 = 0,100 кг/моль = 100 г/моль
Допустим что это предельный углеводород С n H 2n+2
M(С n H 2n+2 ) = 14n+2 =100; n=7. Такому количеству атомов С и молярной массе соответствует С 7 Н 16
Задача 8. Предложите формулы двух органических веществ, относительная плотность которых по воздуху 1,0345 (1 балл).
M(вещества)= D возд · М(возд) = 1,0345·29=30 г/моль, соответствует веществам С 2 Н 6 и НСОН
Задача 9. 1,3 г некоторого углеводорода при 87 о С и давлении 100 кПа занимают объем 0,5 л. Определите молярную массу углеводорода, предложите его молекулярную формулу (2 балла).
Переведем данный объем в объем при н.у. с помощью объединенного газового закона:
P 0 V 0 /T 0 = PV/T; 101,324 ∙V 0 /273 = 100 ∙0,5/360; V 0 = 0,374 л
Полученное значение подставить в формулу: M = m ∙V M /V;
М = 1,3 ∙22,4/0,374 = 78 г/моль; так как по условию известно что это углеводород, количество атомов С найдем 78/12 = 6, соответственно бензол С 6 Н 6
Задача 10. При взаимодействии 2,9 г одноатомного спирта с избытком натрия выделилось 0,56 л водорода (н.у.). Установите молярную массу спирта. Предложите его молекулярную формулу и две структурных (2 балла).
2ROH + 2Na →2RONa + H 2
n(H 2 )=V/Vm = 0,56/22,4=0,025 (моль)
n(ROH)=2n(H 2 )= 2·0,025 = 0,05 (моль)
М(ROH)=m/n = 2,9/0,05 = 58 г/моль
41/12=3, т.о. С 3 Н 5 ОН этой формуле может соответствовать два спирта
СН 2 =СН-СН 2 -ОН и ОН
Задача 11. Установите общую формулу тринитропроизводных бензола с предельными радикалами двумя способами (2 балла).
1 способ : изобразим структурную формулу представителя данного класса:
NO 2 выведем молекулярную формулу: С 7 Н 5 (NO 2 ) 3
Если индекс при С, равный 7, принять за n, то индекс при водороде, равный 5, можно выразить как 2n-9, число нитрогрупп по условию равно 3.
Следовательно, общая формула C n H 2n-9 (NО 2 ) 3
2 способ: из предельной формулы C n H 2n+2 вычитаем 2·7 (из расчета того, что в молекуле 1 цикл, 3 π-связи в бензольном кольце, 3 π-связи в 3-х нитрогруппах) и в молекуле содержится 3 атома азота, на каждый из них прибавляем по 1 атому водорода. Таким образом, получаем C n H 2n+2 -14 +3 (NО 2 ) 3 или C n H 2n-9 (NО 2 ) 3 .
Задача 12. Плотность паров некоторого диаминоалкана по этану равна 2. Определите формулу диаминоалкана (2 балла).
Расчитаем общую формулу диаминоалкана: C n H 2n+2 ,. в молекуле нет циклов и π-связей, но есть два атома азота. На каждый атом азота прибавляем по 1 атому водорода. C n H 2n+2+2 N 2 Получаем C n H 2n+4 N 2
М(диаминоалкана)= D С 2 Н 6 · М(С 2 Н 6 )=2·30 = 60 г/моль
M(C n H 2n+4 N 2 )=14n+ 4+28=14n+32 = 60, отсюда n=2
Формула диаминоалкана С 2 H 8 N 2
Вывод формул на основании мольных и массовых долей химических элементов
Задача 1. Мольные доли элементов в веществе составляют: 7,69% серебра; 23,08% азота; 46,15% водорода; 23,08% кислорода. Установите молекулярную формулу вещества, предположите его строение и дайте название. (2 балла)
Решение: Пусть формула искомого вещества Ag x N y H z О q , тогда
х : y : z : q = χ(Ag) : χ(N) : χ(H) : χ(O) = 7,69 : 23,08 : 46,15 : 23,08 = 1 : 3 : 6 : 3.,
тогда состав AgN 3 H 6 O 3 , соответствует формуле [Ag(NH 3 ) 2 ]NO 3 нитрат диаминсеребра
Задача 2. Определите простейшую формулу соединения, в котором массовые доли углерода, водорода и кислорода равны соответственно: 76,6%, 6,38% и 17,02% (2 балла).
x : y : z = ω(C)/Ar(C) : ω(H)/Ar(H) : ω(O)/Ar(O) = 76,6/12 : 6,38/1 : 17,02/16 = 6,38:6,38:1,06 = 6:6:1
С 6 Н 6 О,что соответствует С 6 Н 5 ОН - фенол
Задача 3. Массовая доля кислорода в предельном трехатомном спирте равна 40%. Установите молекулярную формулу спирта (2 балла).
Решение: Общая формула предельного трехатомного спирта – С n H 2n+2 O 3
Молярная масса кислорода = 16*3=48 г/моль составляет 40%
Молярная масса С n H 2n+2 = 14n+2 г/моль составляет 100-40 = 60%
Из пропорции 40(14n+2) = 2880, n=5, т.о. формула спирта С 5 Н 9 (ОН) 3
Задача 4. Установите молекулярную формулу вещества, если массовые доли в нем углерода, водорода и кислорода равны соответственно: 57,83%; 3,61% и 38,55%. Молярная масса этого вещества в 2,862 раза больше, чем молярной массы бутана. Предложите одну структурную формулу этого соединения (2 балла)
Решение: x : y : z = ω(C)/Ar(C) : ω(H)/Ar(H) : ω(O)/Ar(O) = 57,83/12 : 3,61/1 : 38,55/16 = 4,82:3,61:2,41 = 2:1,5:1 = 4:3:2 т.о. простейшая формула С 4 Н 3 О 2
М(С 4 Н 3 О 2 ) = 83 г/моль М(в-ва)/М(прост. ф-лы)=166/83=2, следовательно простейшую формулу удваиваем : С 8 Н 6 О 4 Такому составу удовлетворяет структурная ф-ла бензолдикарбоновой кислоты – фталевой, изофталевой или терефталевой
Задача 5. Напишите структурные формулы трёх углеводородов, имеющих разную молярную массу, но одинаковую массовую долю углерода, равную 90% (3 балла).
Решение: Пусть масса углеводорода 100 г, тогда m(C)=90 г, m(H)=10 г, тогда n(C)=m/M=90/12=7,5 моль, n(Н)=m/M=10/1=10 моль. n(C): n(Н = 7,5:10=15:20 =3:4, т.о. условию задачи будут удовлетворять формула углеводорода С 3 Н 4 , С 6 Н 8 , С 9 Н 12 и т.д. С 3 Н 7
Задача 6. Некоторый углеводород при действии избытка бромной воды образует тетерабромпроизводное, содержащее 75,8% брома по массе. При кипячении этого углеводорода с подкисленным серной кислотой раствором перманганата калия образуется только одна одноосновная карбоновая кислота. Определите структурную формулу исходного углеводорода (4 балла).
Решение: Т .к. получается тетрабромпроизводное в молекуле углеводорода имелось две π- связи, формула тетрабромпроизводного C x H y Br 4
0,758 =80·4/ Mr (в-ва), отсюда
Mr ( C x H y Br 4 )=422, тогда М( C x H y )=422-320=102 г/моль. Прикинем число атомов углерода 102 : 12 = 8,5. Следовательно атомов углерода не более 8. 8х12=96, тогда атомов водорода = 102-96=6, такое малое количество водородов, а также тот факт, что при кипячении этого углеводорода с подкисленным серной кислотой раствором перманганата калия образуется только одна одноосновная карбоновая кислота может говорить о том, что это ароматический углеводород, с непредельным радикалом в котором две π- связи. Этому удовлетворяет формула С 6 Н 5 - С≡CH
5С 6 Н 5 - С≡CH + 8KMnO 4 + 12H 2 SO 4 →5C 6 H 5 COOH + 5CO 2 + 4K 2 SO 4 + 8 MnSO 4 + 12H 2 O
Задача 7. В результате обработки алкена водным раствором перманганата калия получено соединение, в котором массовая доля углерода на 47% меньше, чем исходном алкене. Установите формулу алкена и полученного из него соединения (4 балла).
Решение: формула алкена С n H 2n . В любом алкене ω(С) = 12n/14n = 6/7 = 85,7%, тогда в продукте ω(С) = 85,7 – 47 = 38,7%. Продуктом окисления алкена водным раствором перманганата калия является двухатомный спирт общая формула которого С n H 2n+2 O 2
M(С n )=12n соответствует 38,7%
М(H 2n+2 O 2 )=2n+2+32=2n+34 соответствует 100 – 38,7=61,3%
Из пропорции 12n·61,3=38,7·(2n+34), n= 2, т.о. формула алкена С 2 Н 4 – этилен, продукт СН 2 (ОН)-СН 2 (ОН)-этиленгликоль
Можно было выразить массовые доли углерода в алкене (12n/14n) и гликоле (12n/(14n + 34)), их разность равна 0,47: (12n/14n) – (12n/(14n + 34)) = 0,47, n = 2.
Задача 8. При нагревании природного дипептида с концентрированной соляной кислотой образовалось два продукта, массовая доля хлора в одном из них составила 28,29%. При реакции этого же пептида с разбавленной соляной кислотой образовался один продукт с массовой долей хлора 16,71%. Определите аминокислотный состав дипептида и напишите две возможные структурные формулы (4 балла).
Решение: При нагревании природного дипептида с концентрированной соляной кислотой образуются соли аминокислот
NH 2 -CHR / -CO-NH-CHR // -COOH +2HCl →2[NH 3 -CH(R)-COOH]Cl
В одной из этих солей по условию массовая доля хлора 28,29%. Составим пропорцию:
100% - М(соли), отсюда М(соли)=125,5 г/моль, тогда М(R / )=125,5-35,5-17-13-45=15г/моль, следовательно, радикал в аминокислоте СН 3 , а кислота СН 3 -CH(NH 2 )-COOH – аланин
При реакции этого же пептида с разбавленной соляной кислотой образовался один продукт – соль дипептида
NH 2 -CHR / -CO-NH-CHR // -COOH +HCl → Cl[NH 3 -CHR / -CO-NH-CHR // -COOH]
100% - M(соли дипептида), отсюда M(соли дипептида)=212,5 г/моль, тогда М(R // )= M(соли дипептида)-35,5-М(NH 3 -CHR / -CO-NH-CH-СООН)=212,5-146-35,5=31 г/моль это радикал –CH 2 –OH, а кислота СН 2 ОН-CH(NH 2 ) –COOH – серин
Т.о. возможные формулы дипептида ала-сер, или сер-ала
NH 2 -CH(СН 3 )-CO-NH-CH(СН 2 ОН)-COOH и NH 2 -CH(СН 2 ОН)-CO-NH-CH(СН 3 )-COOH
Задача 9. Фуллерен С 60 за счет внедрения калия в его кристаллическую решетку образует соединение (интеркалят) с массовой долей калия 14%. При соиспарении фуллерена с цезием и рубидием получается аналогичное соединение, содержащее 67,2% (по массе) углерода. Установите формулы интеркалятов. (4 балла).
Решение: К х С 60 формула интеркалята, ω(К)=Ar(K)·n/Mr, 0,14=39x/39x+720, x=3 , т.о. К 3 С 60
Cs x Rb y C 60 ω(C)=Ar(C)·n/Mr 0,672=12·60/133x+85y+720, отсюда 133х+85y=351
если х=1, то у=2,569 – не целое число не м.б.
если х=2, у=1 – удовлетворяет решению, т.о. формула интеркалята - Cs 2 RbC 60
Задача 10. Массовая доля углерода в углеводороде равна массовой доле водорода. Установите формулу углеводорода (2 балла).
Решение: Самая большая (из всех органических веществ) массовая доля водорода - в метане, но она равна 25%. Это наводит на мысль, что речь идет о тяжелых изотопах водорода. Но даже в метане с дейтерием массовая доля водорода меньше 50%. Если предположить, что в состав метана входит изотоп водорода тритий СТ 4 , то массовая доля углерода становится 50%.
Вывод формул органических веществ по продуктам их сгорания или окисления.
Задача 1. Решите задачу двумя способами: При сгорании 0,62 г органического вещества получено 0,448 л углекислого газа, 0,224 л азота и 0,9 г воды. Определите формулу вещества, если его относительная плотность по водороду 15,5 (4 балла).
1) Найдем М (вещества) = 15,5 ∙ 2 = 31 г/моль
2) Найдем υ(С). υ(С) = υ(СО 2 ) = 0,448/22,4 = 0,02 моль
Найдем массу углерода m(C) = υ(С) ∙ М(С) = 0,02 ∙ 12 = 0,24 г
3) Найдем υ(Н). υ(Н) = 2υ(Н 2 О) = 2∙0,9/18 = 0,1 моль
Найдем массу водорода m(Н) = υ(Н) ∙ М(Н) = 0,1 ∙ 1 = 0,1 г
4) Найдем υ(N). υ(N) = 2υ(N 2 ) = 2∙0,224/22,4 = 0,02 моль
Найдем массу азота m(N) = υ(N) ∙ М(N) = 0,02 ∙ 14 = 0,28 г
5) Проверим, был ли в исходном веществе кислород:
m(O) = m(вещества) – m (C) – m (H) – m (N) = 0,62-0,24-0,1 – 0,28 = 0 г;
кислорода в веществе нет.
6) х : y : z = υ(C) : υ(H) :: υ(N) = 0,02 : 0,1 : 0,02 = 1:5:1 СН 5 N
7) Проверим М(СН 5 N) = 31 /моль, значит, эта формула истинная.
1) Найдем количества всех веществ:
υ(вещества) = 0,62/31 = 0,02 моль (М (вещества) = 15,5 ∙ 2 = 31 г/моль)
υ(СО 2 ) = 0,448/22,4 = 0,02 моль
υ(Н 2 О) = 0,9/18 = 0,05 моль
υ(N 2 ) = 0,224/22,4 = 0,01 моль
2) Составим уравнение реакции в общем виде, расставим коэффициенты перед исходным веществом и продуктами реакции:
2С x Н y О z N q + (4х+у-2z)/2О 2 = 2хСО 2 + у Н 2 О + qN 2
3) Подпишем количества веществ по условию задачи над формулами, количества по уравнению - под формулами:
0,02 0,02 0,05 0,01
2С x Н y О z N q +(4х+у-2z)/2 О 2 = 2хСО 2 + у Н 2 О + qN 2
Из пропорций: 0,02/2 = 0,02/2х; х = 1
0,02/2 = 0,05/у; у = 5
0,02/2 = 0,01/q; q = 1
4) Получилась формула СН 5 N, ее М = 31 г/моль. Значит, кислорода в веществе нет.
Искомая формула СН 5 N или СН 3 NH 2.
Задача 2. При сгорании 2,1 г вещества получено 2,24 л углекислого газа, 0,9 г воды и 0,56 л сернистого газа. Определите молекулярную формулу вещества, предложите его структурную формулу, если известно, что вещество имеет циклическое строение (решите задачу через количества элементов) (3 балла).
1) Найдем υ(С). υ(С) = υ(СО 2 ) = 2,24/22,4 = 0,1 моль
Найдем массу углерода m(C) = υ(С) ∙ М(С) = 0,1 ∙ 12 = 1,2 г
2) Найдем υ(Н). υ(Н) = 2υ(Н 2 О) = 2∙0,9/18 = 0,1 моль
Найдем массу водорода m(Н) = υ(Н) ∙ М(Н) = 0,1 ∙ 1 = 0,1 г
3) Найдем υ(S). υ(S) = υ(SO 2 ) = 0.56/22,4 = 0,025 моль
Найдем массу cеры m(S) = υ(S) ∙ М(S) = 0,025 ∙ 32 = 0, 8 г
4) Проверим, был ли в исходном веществе кислород:
m(O) = m(вещества) – m (C) – m (H) – m (S) = 2,1-1,2-0,1-0,8 = 0 г;
Значит, кислорода в веществе нет.
5) х : y : z = υ(C) : υ(H) : υ(S) : = 0,1 : 0,1 : 0,025 = 4:4:1 С 4 Н 4 S
Задача 3. При окислении 3,84 г органического вещества получено 2,24 л углекислого газа, 1,8 г воды, 2,12 г карбоната натрия. Определите молекулярную формулу вещества, постройте одну соответствующую структурную формулу (3 балла).
1) Найдем υ 1 (С). υ(С) = υ(СО 2 ) = 2,24/22,4 = 0,1 моль
Найдем υ 2 (С). υ(С) = υ(Na 2 СО 3 ) = 2.12/106 = 0,02 моль
υ(С) = 0,02 + 0, 1 = 0,12 моль
Найдем массу углерода m(C) = υ(С) ∙ М(С) = 0,12 ∙ 12 = 1.44 г
2) Найдем υ(Н). υ(Н) = 2υ(Н 2 О) = 2∙1.8/18 = 0,2 моль
Найдем массу водорода m(Н) = υ(Н) ∙ М(Н) = 0,2 ∙ 1 = 0,2г
3) Найдем υ(Nа). υ(Nа) = 2υ(Nа 2 СО 3 ) = 2∙2.12/106 = 0,04моль
Найдем массу натрия m(Nа) = υ(Nа) ∙ М(Nа) = 0,04 ∙ 23 = 0,92 г
4) Проверим, был ли в исходном веществе кислород:
m(O) = m(вещества) – m (C) – m (H) – m (Nа) = 3.84 – 1.44 – 0,2 – 0,92 = 1.28 г;
найдем υ(О) = m/M = 1.28/16 = 0,08 моль
5) х : y : z : q = υ(C) : υ(H) : υ(O) : υ(Nа) = 0,12 : 0,2 : 0,08 : 0,04 = 3:5:2:1 С 3 Н 5 О 2 Nа
Задача 4. При сгорании 12,9 г органического вещества получено 8,96 л углекислого газа, 7,2 г воды и 4,48 л хлороводорода. Определите молекулярную формулу органического вещества (3 балла).
1) Найдем υ(С). υ(С) = υ(СО 2 ) = 8,96/22,4 = 0,4 моль
Найдем массу углерода m(C) = υ(С) ∙ М(С) = 0,4 ∙ 12 = 4,8 г
2) Найдем υ(Н). υ(Н) = 2υ(Н 2 О) = 2∙7,2/18 = 0,8 моль
υ 1 (Н) = υ(НCl) =4.48/22.4=0.2моль
Найдем массу водорода m(Н) = υ(Н) ∙ М(Н) = 1 ∙ 1 = 1 г
3) Найдем υ(Сl). υ(Cl) = υ(HCl) = 0,2 моль
Найдем массу хлора m(Cl) = υ(Cl) ∙ М(Cl) = 0,2 ∙ 35.5 = 7.1 г
4) Проверим, был ли в исходном веществе кислород:
m(O) = m(вещества) – m (C) – m (H) – m (Cl) = 12.9 – 4.8 – 0,8 – 7.1 = 0 г;
Значит, кислорода в веществе нет.
5) х : y : z = υ(C) : υ(H) : υ(Cl) : = 0,4 : 1 : 0,2 = 2:5:1
Задача 5. При сгорании некоторого объема газообразного углеводорода получено углекислого газа в 3 раза больше (по объему) и затрачено кислорода в 4 раза больше (по объему). Все объемы измерены при одинаковых условиях (3 балла).
Запишем уравнение реакции горения углеводорода в общем виде:
С х Н у + ((2х+0,5у)/2)О 2 → хСО 2 + 0,5уН 2 О
Пусть углеводорода 1V, кислорода – 4 V, углекислого газа – 3V
Напишем эти объемы над формулами веществ, а количества по уравнению реакций – под формулами
С х Н у + ((2х+0,5у)/2)О 2 → хСО 2 + 0,5уН 2 О
Из пропорции найдем х: 1/1 = 3/х; х = 3
Подставим значение х во вторую пропорцию: 1/1 = 4/((2х+0,5у)/2);
Задача 6. Смешали 1 л углеводорода и 7,5 л кислорода (избыток). После сгорания углеводорода и конденсации паров воды объем газов составил 6 л, после пропускания через щелочь осталось 2 л газа. Определите формулу углеводорода (объемы газов измерены при одинаковых условиях)
Запишем уравнение реакции горения углеводорода в общем виде:
С х Н у + ((2х+0,5у)/2)О 2 → хСО 2 + 0,5уН 2 О
Кислород был в избытке, израсходовался не полностью, щелочью не поглотился, следовательно, оставшиеся 2 л газа – непрореагировавший кислород, вступило кислорода в реакцию 7,5-2 = 5,5 л.
Поглотился щелочью углекислый газ, его объём составил 6-2 = 4 л.
Напишем эти объемы над формулами веществ, а количества по уравнению реакций – под формулами
С х Н у + ((2х+0,5у)/2)О 2 → хСО 2 + 0,5уН 2 О
Из пропорции найдем х: 1/1 = 4/х; х = 4
Подставим значение х во вторую пропорцию: 1/1 = 5,5/((2х+0,5у)/2);
Вывод формул органических веществ с помощью уравнений реакций
Задача 1 . . При щелочном гидролизе 2,2 г сложного эфира получено 1,7 г натриевой соли предельной одноосновной кислоты и 1,5 г спирта. Установите формулу сложного эфира (2 балла).
Запишем уравнение щелочного гидролиза сложного эфира в общем виде и определим массу гидроксида натрия, вступившего в реакцию:
RCOOX + NaOH → RCOONa + XOH
2) Найдем количество гидроксида натрия υ(NaОН) = 1/40 = 0,025 моль
Количества сложного эфира, спирта и кислоты такие же, так как в реакции все вещества участвуют в равном количестве.
3) Найдем молярную массу спирта М (ХОН) = 1,5/0,025 = 60 г/моль
М(C n H 2n+1 ОH) = 12∙ n + 2n + 18 = 14n + 18 =60
n=3 – это С 3 Н 7 ОН
4) Найдем молярную массу cоли М(RCOONa) = 1,7/0,025 = 68 г/моль
M(R) = 68-67 = 1 (водород)
Формула сложного эфира НСООС 3 Н 7 .
Задача 2. При окислении оксидом меди (II) 0,92 г спирта получена смесь продуктов массой 2,52 г. Определите формулу спирта (2 балла).
C n H 2n+1 ОH +CuO →Cu + H 2 O + C n H 2n О
υ(CuО) = 1,6/80 = 0,02 моль
По уравнению реакции: υ(C n H 2n+1 ОH) = υ(CuО) = 0,02 моль
М(C n H 2n+1 ОH) = 12∙ n + 2n + 18 = 14n + 18=0,92/0,02 =46г/моль
n=2 – это С 2 Н 5 ОН
Задача 3. 4 г алкина может максимально присоединить 32 г брома. Определите формулу алкина (3 балла).
C n H 2n-2 +2Br 2 → C n H 2n-2 Br 4
υ(Br 2 ) =32/160=0,2моль
по уравнению υ(C n H 2n-2 ) =1/2 υ(Br 2 ) =0,1 моль
М(C n H 2n-2 ) = 12 ∙ n + 2n – 2 = 14n – 2 = 4/0,1 = 40г/моль
n=3 – это С 3 Н 4
Задача 4. При межмолекулярной дегидратации 2,3 г предельного одноатомного спирта получено 1,85 г простого эфира. Определите формулу эфира. Решите задачу двумя способами (5 баллов).
1) Запишем уравнение в общем виде:
2 C n H 2n+1 ОH → C n H 2n+1 –О–C n H 2n+1 + H 2 O
2) по закону сохранения массы: m(H 2 O) = 2,3 – 1,85 = 0,45 г;
υ(Н 2 O) = 0,45/18 = 0,025 моль
3) По уравнению υ(C n H 2n+1 ОH) = υ(H 2 O) = 0,05 моль
4) М (C n H 2n+1 ОH) = 2,3/0,05 = 46 г/моль
5) М(C n H 2n+1 ОH) = 14n +18 =46
n = 2, C 2 H 5 – О - C 2 H 5
1) Запишем уравнение в общем виде:
2 C n H 2n+1 ОH → C n H 2n+1 О C n H 2n+1 +H 2 O
2) По уравнению υ(C n H 2n+1 ОH) = 2υ(C n H 2n+1 О C n H 2n+1 ), выразим их количества через массы и молярные массы
υ(C n H 2n+1 ОH) = 2.3 /(14n +18)
υ(C n H 2n+1 О C n H 2n+1 ) = 1,85 /(28n+18)
3) Приравняем количества углеводородов и решим уравнение:
2,3 /(14n + 18) = 2∙1,85 /(28n+18); n = 2
Ответ: C 2 H 5 – О - C 2 H 5
Задача 5 . Одно и то же количество некоторого алкена при взаимодействии с галогеноводородами образует 16,125 г хлоралкана и 27,25 г бромалкана. Установите формулу алкена. Решите задачу двумя способами (6 баллов).
1) C n H 2n + HСl → C n H 2n+1 Сl
C n H 2n + HBr → C n H 2n+1 Br
2) Δm = 27.25 – 16.125 = 11.125 г
ΔМ = (14n + 81) - (14n + 36.5) = 44.5 г /моль
3) υ(C n H 2n ) = Δm /ΔМ; υ(C n H 2n ) = 11.125/44.5 = 0,25 моль
4) М (C n H 2n+1 Br) = 27.25/0,25 = 109 г/моль
5) М(C n H 2n+1 Br) = 14n +81 =109:
n = 2, С 2 Н 4 - этилен
1) C n H 2n + HСl → C n H 2n+1 Сl
C n H 2n + HBr → C n H 2n+1 Br
2) По условию известно, что количества галогеналканов равны, выразим их количества через массы и молярные массы
υ(C n H 2n+1 Сl) = 16,125 /(14n+36,5)
υ(C n H 2n+1 Br) = 27,25/(14n+81)
3) Приравняем количества галогеналканов и решим уравнение:
16,125 /(14n+36,5) = 27,25/(14n+81) , n = 2
Ответ: С 2 Н 4 - этилен.
Задача 6 . При окислении 0,1 моля органического вещества водным раствором перманганата калия получили 4,6 г карбоната калия, 6,67 г гидрокарбоната калия,11,6 г диоксида марганца и воду. Установите формулу окисленного вещества (6 баллов).
Решение : 1) Найдем количества всех продуктов реакции:
υ(К 2 CO 3 ) = 4,6/138 = 0,033 моль 1
υ(КНCO 3 ) = 6,67/ 100 = 0,0667 моль разделим все на наименьшее 2
υ(Mn O 2 ) = 11,6/ 87 = 0,133 моль или умножим на 30 4
υ (С х Н у О z ) =0,1 моль 3
3 С х Н у О z + 4 KMnO 4 = К 2 CO 3 + 4 MnO 2 + 2 КНCO 3 + q H 2 O
количество атомов углерода справа равно 3, значит х=1
Водород: 3y = 2+2q q=1,5y – 1
Кислород: 3z +16 =3+8+6 +q 3z – 1 = q
Приравняем эти два выражения 1,5y – 1 = 3z – 1
Выразим у: y = 2z
При z = 0 решения нет
При z = 1 y = 2 С Н 2 О метаналь
При z = 2 у = 4 С Н 4 О 2 гидрат метаналя – неустойчивое вещество
Ответ: С Н 2 О метаналь
Задача 7 . При окислении 0,03 моль органического вещества водным раствором перманганата калия получили 7,26 г терефталата калия, 8,28 г карбоната калия, 1,12 г гидроксида калия,17,4 г диоксида марганца и воду. Установите возможные молекулярные формулы окисленного вещества, приведите по одной структурной формуле для каждого случая (10 баллов).
1) Найдем количества всех продуктов реакции:
υ(С 8 Н 4 О 4 К 2 ) = 7,26/242 = 0,03 моль 3
υ(К 2 CO 3 ) = 8,28/ 138 = 0,06 моль умножим на 100 6
υ(КОН) = 1,12/56 =0,02 моль 2
υ(Mn O 2 ) = 17,4/ 87 = 0,2 моль 20
3 С х Н у О z + 20 KMnO 4 = 3 С 8 Н 4 О 4 К 2 + 6 К 2 CO 3 + 2 0MnO 2 + 2 КОН + q H 2 O
сравнивая количество углерода, определяем, что х=10
водород 3y =12+2+2q q=3y–14/2
кислород 3z+80 = 12+18+2+40+q q=3z+8 приравняем
3z+8 =1,5y –7 y = 2z + 10
При z = 0, y = 10 есть решение С 10 Н 10 Например, пара-дивинилбензол CH 2 =CH–C 6 H 4 –CH=CH 2
При z = 1, y = 12 есть решение С 10 Н 12 О Например, CH 2 =CH–C 6 H 4 –CH(OH)–CH 3
При z = 2, y = 14 есть решение С 10 Н 14 О 2 Например, CH 3 –CH(OH)–C 6 H 4 –CH(OH)–CH 3
При z > 2 ароматическая структура получиться не может, решений не будет
Задача 7. Для полного сгорания углеводорода требуется объем кислорода в 6,5 раз больший, чем объём паров углеводорода в тех же условиях. Определите возможные формулы углеводорода (5 баллов)
Запишем уравнение реакции горения углеводорода в общем виде:
С х Н у + ((2х+0,5у)/2)О 2 → хСО 2 + 0,5уН 2 О
V(O 2 ) =6.5 V(С х Н у )
Так как при равных условиях объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов, как небольшие целые числа, то
V( С х Н у ) : V(O2) =1 : ((2х+0,5у)/2)
V( С х Н у ) : 6.5 V(С х Н у ) =1 : ( (2х+0,5у)/2)
Подставляя х, определим у. При х = 1, у = 22 – решения нет;
При х = 2, у = 18 решения нет
При х = 3, у = 14 – решений нет
При х = 4, у = 10 возможный ответ C 4 H 10
При х = 5, у = 6 С 5 Н 6 , возможный ответ
НС ≡ С – НС = СН –СН 3
При х = 6 у = 2, НС ≡ С – С ≡ С – С ≡ СН
Задача 8. При сжигании 9,5 г органического вещества получили 26,4 г углекислого газа, 8,1 г воды, 1,4 г азота. При полном испарении 1,9 г образца этого вещества получен газ объёмом 626 мл при 150 о С и при давлении 112,4 кПа. Определите состав вещества и его возможную структурную формулу (5 баллов).
1) Найдем М (вещества)
М = 1,9∙10 –3 ∙ 8,314∙ 423/112400∙0,626∙10 –3 = 0,09496 кг/моль = 95 г/моль
2) Найдем υ(С). υ(С) = υ(СО 2 ) = 26,4/44 = 0,6 моль
Найдем массу углерода m(C) = υ(С) ∙ М(С) = 0,6 ∙ 12 = 7,2 г
3) Найдем υ(Н). υ(Н) = 2υ(Н 2 О) = 2∙8,1/18 = 0,9 моль
Найдем массу водорода m(Н) = υ(Н) ∙ М(Н) = 0,9 ∙ 1 = 0,9г
4) Найдем υ(N). υ(N) = 2υ(N 2 ) = 2∙1,4/28 = 0,1 моль
Найдем массу азота m(N) = υ(N) ∙ М(N) = 0,1 ∙ 14 = 1,4 г
5) Проверим, был ли в исходном веществе кислород:
m(O) = m(вещества) – m (C) – m (H) – m (N) = 9,5 – 7,2 – 0,9 – 1,4 = 0г;
значит, кислорода в веществе нет.
6) х : y : z = υ(C) : υ(H) : υ(O) = 0,6 : 0,9: 0,1 = 6:9: 1 С 6 Н 9 N
7) Проверим М(С 6 Н 9 N) = 95 /моль, значит, эта формула истинная.
Ответ С 6 Н 9 N
Задача 9. К 300 мл смеси аммиака с углеводородом добавили избыток кислорода и сожгли. После сгорания объем газов составил 1250 мл, после конденсации воды – 550 мл, после пропускания через щелочь – 250 мл, после пропускания над раскаленной медью – 100 мл (все объемы измерены при одинаковых условиях при температуре выше 100 о С). Определите формулу углеводорода (6 баллов).
Смесь, образовавшаяся после полного сгорания газов, содержит:
1250 – 550 = 700 (мл) паров Н 2 О,
с щелочью реагирует только СО 2 , его объем равен 550 – 250 = 300 (мл) СО 2 ,
С медью реагирует кислород, следовательно, остается только азот его объем 100 мл N 2 . Объем не прореагировавшего кислорода равен 250-100 =150 мл.
По уравнению υ(NH 3 )= 2 υ(N 2 ) значит V(NH 3 ) =2∙100= 200 мл, тогда
Горение происходит в соответствии с уравнениями:
х = 200 мл 100 мл у = 300 мл
4NH 3 + 3O 2 → 2N 2 + 6H 2 O
4 моль 2 моль 6 моль
V(CxHy) = 300 – 200 = 100 мл
100 300 700 - 300 = 400
С х Н у + ((2х+0,5у)/2) О 2 → х СО 2 + 0,5уН 2 О
Из пропорции найдем х: 100/1 = 300/х; х = 3
100/1 = 400/ 0,5у ; у = 8.
Задачи на вывод формул органических веществ
повышенного уровня сложности
Задача 1. Вещество содержит 67,74 % углерода (по массе), 6,45% водорода и кислород. Установите строение вещества, если 3,1 г его может прореагировать с 100 мл 0,5 М раствора гидроксида натрия или с 800 г 1,5% раствора брома в воде. (2008)
1) Обозначим вещество С х Н у О z и определим соотношение индексов в его молекуле
ω(С) ω(Н) ω(О) 67,74 6,45 25,81
Ar(С) Ar(Н) Ar(О) 12 1 16
= 5,645 : 6,45 : 1,613 = 3,5 : 4 : 1 = 7 : 8 : 2 Простейшая формула С 7 Н 8 О 2
2) n (NaOH)= 0,1 ·0,5=0,05 моль
n(Br)= 800·0,015/160= 0,075 моль
3) Предположим, что формула С 7 Н 8 О 2 истинная, тогда n(С 7 Н 8 О 2 )=3,1/124 = 0,025 моль
4) По соотношению атомов углерода и водорода можно предположить ароматическое строение вещества.
n (NaOH): n(С 7 Н 8 О 2 )= 0,05: 0,025=2:1, такое соотношение говорит о том, что в составе две группы, имеющие кислотные свойства, так как атомов кислорода всего 2, то это гидроксильные группы. Это заместители первого рода и ориентируют атомы брома при замещении в орто и пара-положения. Кроме этого есть метильный радикал. С учетом того, что замещается три атома брома, искомое вещество 3,5-дигидрокситолуол. Группы ОН и СН 3 согласованно ориентируют бром в о,п-положения по отношению к себе.
Задача 2. При обработке алкена подкисленным раствором перманганата калия при нагревании образовалось только одно органическое вещество, причем массовые доли углерода в нем и в исходном алкене различаются на 23,64%. Определите структурные формулы двух продуктов, удовлетворяющих условию и принадлежащих к разным классам органических веществ, двух исходных алкенов.
Решение: В кислой среде при нагревании окисление алкенов идет деструктивно, с разрывом двойной связи. Так как органический продукт образуется только один, алкен имеет симметричное строение. При окислении алкена могут образоваться кислоты или кетоны. В кетонах и кислотах массовая доля углерода меньше, чем в алкенах, так как определенная масса приходится на кислород. В алкенах массовая доля углерода 12n/14n = 0,857 или 85,7%. Следовательно, в кислоте или кетоне она будет 85,7 – 23,64= 62,06%.
Общая формула кетона C n H 2n O. 0,6206 = 12n/(14n+16), откуда n = 3 – пропанон/2,3-диметилбутен-2. Исходным алкеном мог быть метилпропен , при его окислении образуется ацетон и углекислый газ.
Общая формула кислоты C n H 2n O 2 . 0,6206 = 12n/(14n+32), откуда n = 6 – гексановая кислота/додецен-6 . Исходным алкеном мог быть гептен-1 , при его оксилении образуется углекислый газ и гексановая кислота. Это может быть любая изомерная гексановой кислота и соответствующий алкен.
Задача 3 . При сплавлении 5,25 г соли карбоновой кислоты с избытком щелочи выделилось 2,24 л газа (н.у.), который в 15,25 раза тяжелее водорода. После пропускания газа через соляную кислоту его объем уменьшился в 2 раза, а плотность по неону составила 1,5. Определите строение исходной соли.
Решение : При сплавлении солей карбоновых кислот с щелочами образуются углеводороды, они соляной кислотой не поглощаются. В нашем случае образовалось два газа, второй газ вытесняется из соли щелочью и поглощается соляной кислотой – аммиак или амин. То есть исходная соль – соль аммония или алкиламмония.
- n(газов) = 2,24/22,4 = 0,1 моль
- М (СхНу) = 1,5 ∙ 20 = 30 г/моль – этан.
- М (смеси газов)= 15,25 ∙ 2 = 30,5 г/моль
- М (второго газа). Так как газы выделялись в соотношении 1:1, то 30,5 – среднее арифметическое молярных масс этана и второго газа.
(30 + Х)/2 = 30,5, Х = 31 г/моль – это метиламин
- Проверим наше предположение
С 2 Н 5 СОО – СН 3 NH 3 + + 2NaOH = C 2 H 6 + СН 3 NH 2 + H 2 O + Na 2 CO 3
Количество соли 0,1/2 = 0,05 моль Молярная масса соли 5,25/0,05 = 105 г/моль
М (С 2 Н 5 СОО – СН 3 NH 3 + ) = 105 г/моль
Ответ : пропионат метиламмония
Задача 4. Для полного гидролиза 14,75 г сложного эфира потребовалось 56 г 25% раствора гидроксида калия. Смесь после гидролиза нагрели с избытком подкисленного раствора перманганата калия, при этом выделилось 11,2 л углекислого газа. Установите строение сложного эфира.
Решение : 1) Определим количество щелочи 56 ∙ 0,25 / 56 = 0,25 моль
2) Определим количество углекислого газа 11,2/22,4 = 0,5 моль
3) Если гидролиз шел в соотношении 1:1, то количество эфира равно 0,25 моль, его молярная масса 14,75/0,25 = 59 г/моль. Пусть формула эфира RCOOX, тогда на RX приходится 59 – 44 = 15 г/моль, такой молярной массе соответствует радикал метил, и не достаточно атомов для другого радикала, следовательно, такого эфира не существует.
4) Если гидролиз идет в соотношении 1:2 (эфир двухатомного спирта или двухосновной кислоты), то количество эфира 0,25/2 = 0,125 моль, его молярная масса 14,75/0,125 = 118 г/моль. Вычитаем из этой массы массы двух эфирных группировок 118 – 88 = 30 г/моль. Предположим, что эфир образован метиловым спиртом и двухосновной кислотой, тогда 30 – 15 – 15 = 0 г/моль – углеводородная часть кислоты. СН 3 –ООС–СОО–СН 3
СН 3 –ООС–СОО–СН 3 + 2NaOH → 2 СН 3 –ОН + NaООС–СООNa
NaООС––СООNa в кислой среде деструктивно окисляется с образованием 2 молей СО 2 .
Таким образом, углекислого газа при окислении продуктов гидролиза должно по количеству получиться в 4 раза больше исходного эфира (каждый моль метилового спирта дает 1 моль углекислого газа, каждый моль кислоты – 2 моль СО 2 ). Проверим, 0,125∙ 4 = 0, 5 моль. Что соответствует условию.
Ответ : диметилоксалат СН 3 –ООС–СОО–СН 3
Предположим, что это был эфир двухатомного спирта этиленгликоля: RCOO-CH 2 -CH 2 -OOCR, тогда R=H
НCOO-CH 2 -CH 2 -OOCН + 2NaOH → НO-CH 2 -CH 2 -OН + 2НСООNa
НO-CH 2 -CH 2 -OН в избытке окислителя в кислой среде окисляется до 2 моль СО 2
Следовательно, ответом может быть диформиат этиленгликоля.
Задача 5. К одноосновной карбоновой кислоте массой 96 г добавили водный раствор гидроксида бария. Раствор упарили, остаток прокалили при 380 о С. В результате прокаливания выделилась смесь газов с плотностью 0,56 г/л и осталось 236,4 г твердого вещества. При добавлении к этому твердому веществу избытка соляной кислоты выделилось 29,04 л газа с плотностью 1,82 г/л при 22 о С. Определите состав исходной кислоты. (все измерения проводились при давлении 1 атм)
1) Проанализируем химизм процесса. Кислота нейтрализуется щелочью, полученная соль прокаливается. Прокаливание солей двухвалентных металлов приводит к образованию кетонов:
(RCOO) 2 Вa → ВaCO 3 + R – (C=O) – R
В условии сказано, что получена смесь газов. Это говорит о том, что щелочь была в избытке и прошла реакция Дюма: (RCOO) 2 Вa + Вa(OH) 2 → 2ВaCO 3 + 2RH
Значит, смесь газов состоит из углеводорода и кетона.
2) Используя уравнение Менделеева-Клапейрона, определим молярную массу смеси газов
М = m RT/P V ; M = ρ RT/P; M = 0,56 ∙ 8,314 ∙ (380 + 273)/ 101325 = 0,03 кг/моль = 30 г/моль
Такое значение молярной массы показывает, что один газ имеет молярную массу больше 30 (кетон), а другой – меньше 30 (метан, этан имеет массу 30).
Отсюда мы делаем вывод, что R = CH 3 , кетон – это ацетон, а исходная кислота – уксусная.
3) Проверим наше предположение.
Определим, в каком соотношении образовались метан (х моль) и ацетон (у моль)
16х +58у = 30 х = 0,667 моль
х + у = 1 моль у = 0,333 моль
Определим молярную массу газа, выделившегося при обработке твердого остатка соляной кислотой
M = ρRT/P; M = 1,82 ∙ 8,314 ∙ (22+273)/ 101325 = 0,044 кг/моль = 44 г/моль Это углекислый газ
Его масса = 1,82 ∙ 29,04 = 52,8528 г, его количество 52,8528 : 44 = 1,2012 моль
Это количество равно количеству карбоната бария 236,4/197 = 1,2 моль
Количество карбоната, в свою очередь, равно количеству метана (0,667 ∙ 1,2 = 0,8 моль) и ацетона (0,333 ∙ 1,2 = 0,3996 моль)
0,3996 0,3996 0,3996
(RCOO) 2 Вa → ВaCO 3 + R – (C=O) – R
(RCOO) 2 Вa + Вa(OH) 2 → 2ВaCO 3 + 2RH
Общее количество соли 0,7996 моль, следовательно, кислоты в 2 раза больше:
2RCOOН + Вa(OH) 2 → (RCOO) 2 Вa + 2Н 2 О
Найдем молярную массу кислоты 96/1,5992= 60 г/моль. Соответствует расчету.
Ответ: уксусная кислота
Задача 6. Смесь газов, полученная при сжигании 1,8 г образца вещества Х, была пропущена через трубку с пентаоксидом фосфора (ее масса возросла на 2,16 г), потом через склянку с гидроксидом кальция (в ней образовалось 6 г осадка), объем непоглощенного газа У при 35 о С и 101,3 Па составил 758 мл. При добавлении к такому же образцу Х избытка азотистой кислоты образуется соединение Z и выделяется вдвое больший объем У, чем при сгорании. Установите строение Х и Z.
Решение : 1) пентаоксид фосфора поглощает воду, ее масса 2,16 г;
Найдем υ(Н). υ(Н) = 2υ(Н 2 О) = 2 ∙ 2,16/18 = 0,24 моль
Найдем массу водорода m(Н) = υ(Н) ∙ М(Н) = 0,24 ∙ 1 = 0,24 г
2) Углекислый газ поглощается известковой водой с образованием карбоната кальция.
Найдем υ(С). υ(С) = υ(СаСО 3 ) = 6/100 = 0,06 моль
Найдем массу углерода m(C) = υ(С) ∙ М(С) = 0,06 ∙ 12 = 0,72 г
3) Остался азот. Найдем его количество υ(N 2 ) = PV/RT; υ(N 2 ) = 101300 ∙ 0,000758/8,314 ∙ 308=0,03 моль
Найдем υ(N). υ(N) = 2υ(N 2 ) = 2∙0,03 = 0,06 моль
Найдем массу азота m(N) = υ(N) ∙ М(N) = 0,06 ∙ 14 = 0,84 г
4) Проверим, был ли в исходном веществе кислород: m(O) = m(вещества) – m (C) – m (H) – m (N) = 1,8 – 0,24– 0,72 – 0,84 = 0; кислорода нет
5) х : y : z = υ(C) : υ(H) : υ(N) = 0,06 : 0,24 : 0,06 = 1 : 4 : 1 СН 4 N – не м.б., удвоим С 2 Н 8 N 2
Судя по формуле, это предельный диамин.
Так как он реагирует с азотистой кислотой с образованием азота, то это первичный амин.
1,2 – диаминоэтан (Х) + 2HNO 2 → 2N 2 + 2H 2 O + этиленгликоль (Z)
1,1 – диаминоэтан (Х) + 2HNO 2 → 2N 2 + 3H 2 O + уксусный альдегид (Z)
Задача 7. Навеску органической соли, состоящей из углерода, кислорода, азота и водорода, массой 10,7 г сожгли в 11,2 л кислорода. Полученная смесь газов была пропущена последовательно через трубку с безводным хлоридом кальция (ее масса увеличилась на 8,1 г), склянку с баритовой водой (выпало 59,1 г осадка) и раскаленную железную трубку (масса увеличилась на 4 г). При этом остался непоглощенным газ с плотностью 1,25 г/л (н.у.). Установите формулу соли.
1) безводный хлорид кальция поглощает воду, ее масса 8,1 г;
υ(Н) = 2υ(Н 2 О) = 2∙8,1/18 = 0,9 моль m(Н) = υ(Н) ∙ М(Н) = 0,9 ∙ 1 = 0,9 г
υ(О) = υ(Н 2 О) = 8,1/18 = 0,45 моль
2) Углекислый газ поглощается баритовой водой с образованием карбоната бария.
υ(С) = υ(ВаСО 3 ) = 59,1/197 = 0,3 моль m(C) = υ(С) ∙ М(С) = 0,3 ∙ 12 = 3,6 г
υ(О) = 2υ(СО 2 ) = 2∙ 0,3 = 0,6 моль
3) Масса раскаленной железной трубки увеличилась за счет окисления свободным кислородом, не вступившим в реакцию,
υ(О) = 2υ(О 2 ) = 4/16 = 0, 25 моль
4) Остался азот, что определяется по плотности М=1,25·22,4=28 г/моль.
5) По закону сохранения, количество атомов кислорода до и после реакции равны
Вступило в реакцию υ(О) = 2υ(О 2 ) = 2∙11,2/22,4 = 1 моль
До реакции было (1 + z) моль (О)
После реакции стало 0,45 + 0,6 + 0, 25 = 1,3 моль (О)
z = 0,3 моль было кислорода в исходном веществе
m = 0,3 ∙ 16 = 4,8 г (О)
5) Найдем массу азота 10,7 – 0,9 – 3,6 – 4,8 = 1,4; υ(N) = 1,4 : 14 = 0,1 моль
6) х : y : z : q = υ(C) : υ(H) : υ(O) : υ(N) = 0,3 : 0,9 : 0,3 : 0,1 = 3 : 9 : 3 : 1 С 3 Н 9 О 3 N
Ответ: CH 3 –CH (ОН)–COONH 4 или CH 2 (ОН)–CH 2 –COONH 4
подходит также (НО-СН 2 -СОО – СН 3 NН 3 + ) – соль гликолевой кислоты – гидроксиацетат метиламмония; возможны и другие варианты.
Задачи на вывод формул биоорганических молекул
Задача 1. При полном гидролизе образца природного жира массой 32 г образовалась смесь четырех продуктов реакции общей массой 34,16 г. Такой же образец жира при полном гидрировании превращается в другой жир, полный гидролиз которого дает всего два продукта. Установите структуру исходного жира. (1999 г)
Решение : При гидролизе жира получается смесь трех кислот и глицерин – это четыре продукта. Разница масс продуктов и исходного жира приходится на воду.
1) Найдем массу воды и ее количество: m = 34,16 – 32= 2,16 г; υ = 2,16 /18 = 0,12 моль
2) Количество жира (в соответствии с уравнением) в 3 раза меньше, чем воды, и равно 0,04 моль
3) Молярная масса жира 32/0,04 = 800 г/моль
4) Определим молярную массу, приходящуюся на три радикала 800 – (44∙3+41) = 627 г/моль
5) Так как после гидрирования жира получается предельный жир, дающий при гидролизе только 2 продукта, в составе кислотных остатков, входивших в первый жир, было одинаковое число атомов углерода.
Для определения числа атомов углерода в радикалах трех кислот разделим 627 на 14 (М группы СН 2 )
627:14 = 44,79. Разделим на 3 ≈ 15
Рассчитаем число атомов водорода в трех радикалах: 627 – 15∙3∙12 = 87
Ответ: исходный жир содержал остатки кислот: С 15 Н 31 СООН, С 15 Н 29 СООН и С 15 Н 27 СООН кислот.
Задача 2. При нагревании 18 г кислородсодержащего природного вещества Х с избытком аммиачного раствора оксида серебра, получено 32,4 г осадка. При сжигании некоторого количества Х потребовался объем кислорода, равный объему выделившегося при этом углекислого газа. Определите молекулярную формулу Х, приведите структурную формулу, удовлетворяющую условию.
1) Найдем n(Ag) =32,4/108 =0,3 моль. Вещество Х содержало одну альдегидную группу:
RCHO +2[Ag(NH 3 ) 2 ]OH → RCOОNH 4 + H 2 O + 2Ag + 3NH 3
n(X) = 1/2n(Ag) = 0,15моль.
2)M(Х) =18/0,15 = 120 г/моль
3) Запишем уравнение реакции горения Х, выразив его формулу как С х Н у О z
С х Н у О z + ((2х+0,5у-z)/2) О 2 → хСО 2 + 0,5уН 2 О
4) По условию(2х+0,5у-z)/2 = х
Выразим из этого уравнения у: у = 2z
5) Выразим молярную массу Х: 12х + у + 16z = 120, отсюда у = 120 – 12х – 16z
6) Приравняем у: 2z = 120 – 12х – 16z и выразим х через z:
z=0, x=10,y=0 – нет решения
z=1, x=8, 5– нет решения
z=2, x=7,y=4 – С 7 Н 4 О 2 не хватает водорода
z=3, x=5,5 – нет решения
z=4, x=4,y=8 – С 4 Н 8 О 4 искомая формула
Так как вещество содержит альдегидную группу и имеет природное происхождение, это углевод– альдотетроза, например, эритроза:
Задача 3. Установите строение природной аминокислоты, если известно, что в результате реакции этой кислоты с этиловым спиртом образуется соединение, молярная масса которого на 18,54% больше молярной массы исходной аминокислоты.(2011 г)
- Запишем уравнение реакции в общем виде:
NH 2 -(CHR)-COOH + C 2 H 5 OH → NH 2 -(CHR)-COOC 2 H 5 + H 2 O
- Выразим молярные массы аминокислоты и сложного эфира (102 + R)
М(аминокислоты) = (74 + R)
М (сложного эфира) = (102 + R)
- Исходя из условия, что молярная масса сложного эфира на 18,54% больше молярной массы исходной аминокислоты, можно составить пропорцию
(102 + R) - (74 + R) – 18,54%
(74 + R) ∙ 18,54 = (102 + R -74- R) ∙100
1371,96 +18,54R = 2800
R= 77 Это радикал фенил.
Такой аминокислоты в составе белков нет (фенилглицин), она используется в синтезе красителя индиго.
Если при решении правильно определена молярная масса радикала, то задача засчитывалась полностью. Многие пытались подобрать самую близкую по молярной массе аминокислоту (молярная масса аминокислоты равна 74+77=151), что близко к метионину. Это ответ также зачитывался как правильный.
Задача 4. Установите строение трипептида, если известно, что число атомов углерода в нем в 2,8 раза больше числа атомов азота и в 3,5 раза больше числа атомов кислорода, при его частичном гидролизе образуются два изомерных дипептида, а для полного гидролиза 1 моль этого трипептида требуется 3 моль гидроксида калия.(2011 г)
Запишем формулу трипептида, исходя из того, что при его гидролизе образуются 2 изомерных дипептида (концевые аминокислоты одинаковые):
NH 2 -(CH R 1 )-CO NH-(CH R 2 )-CO NH-(CH R 1 )-COOH
На гидролиз 1 моль трипептида затрачивается 2 моль щелочи + 1 моль – на нейтрализацию концевой карбоксильной группы, итого 3 моль. Следовательно, дополнительно карбоксильных групп или фенольной гидроксильной группы в трипептиде не содержалось.
Предположим, что атомов азота в трипептиде было 3, тогда атомов углерода 3∙2,8 = 8,4, а это не соответствует условию, т.к. число не является целым.
Предположим, что атомов азота в трипептиде было 4 (в одной аминокислоте была вторая аминогруппа), тогда атомов углерода 4∙2,8 = 11,2, а это не соответствует условию, т.к. число не является целым.
Предположим, что атомов азота в трипептиде было 5, тогда атомов углерода 5∙2,8 = 14, а атомов кислорода 14 : 3,5 = 4
В известной части трипептида (см. общую формулу) содержится 6 атомов углерода и 4 атома кислорода, следовательно, в искомых аминокислотах в радикалах должно оказаться 8 атомов углерода и 2 атома азота. Пользуясь таблицей аминокислот, определим R 1 – он может содержать аминогруппу, это может быть лизин. При этом радикал аминокислоты лизин содержит 4 углерода. Если трипептид содержит 2 остатка лизина, то на среднюю амнокислоту углеродов не остается, следовательно, это глицин.
Ответ: лизилглициллизин или Lys–Gly–Lys
NH 2 -CH-CO-NH-СН 2 -CO -NH- CH - COOH
(СН 2 ) 4 NH 2 (СН 2 ) 4 NH 2
Задача 5. При частичном гидролизе пептида «А», имеющего молярную массу 369 г/моль и содержащего 11,4% азота по массе, получено два пептида «В» и «С». Образец пептида «В» массой 0,624 г может при нагревании вступить в реакцию с 9,43 мл 2,33% раствора гидроксида калия с плотностью 1,02 г/мл. Образец пептида «С» массой 0,888 г полностью реагирует при нагревании с 17,2 мл 0,465 М раствора соляной кислоты. Установите структуру пептида «А».
Решение: 1) Определим число атомов азота в пептиде «А». 14n = 369 ∙ 0,114; n = 3. Следовательно, А – трипептид, а В и С – дипептиды
2) Определим количество KOH; υ = ρVω /M= 1,02٠9,43٠0,0233/56 = 0,004 моль
На гидролиз дипептида затрачивается 2 моль щелочи, следовательно, количество дипептида В 0,002 моль, а его молярная масса 0,624:0,002 = 312 г/моль
3) Определим количество НCl; υ =VC = 0,0172 ∙0,465 = 0,008 моль
На гидролиз дипептида затрачивается 2 моль кислоты, следовательно, количество дипептида С 0,04 моль, а его молярная масса 0,888:0,004 = 222 г/моль
4) Добавляя молярную массу воды к молярным массам пептидов, получим суммы молярных масс аминокислот Х, У и Z, входивших в пептиды.
M(X+Y+Z) = 369 + 36 = 405;
M(X+Y) = 312 +18 = 330;
M(Y+Z) = 222 + 18 = 240; выразим X и Z из 2-го и 3-го уравнений и подставим в первое. У = 165 – это фенилаланин, тогда Х = 330 – 165 = 165, тоже фенилаланин, Z = 240 – 165 = 75 – глицин
Ответ: фен-фен-гли или гли-фен-фен
Задача 6 . При обработке продуктов гидролиза 3,63 г нуклеотида, содержащего 19,28% азота по массе, избытком известковой воды, выпало 1,55 г осадка. Установите структурную формулу нуклеотида.(2006 г)
Решение : 1) При гидролизе нуклеотида образуется углевод, азотистое основание и фосфорная кислота, которая и дает осадок с избытком известковой воды:
3Ca(OH) 2 + 2H 3 PO 4 = Ca 3 (PO 4 ) 2 + 6H 2 O
Определим количество фосфата кальция: 1,55 : 310 = 0,005 моль
Количество кислоты в 2 раза больше – 0,01 моль
2) Количество нуклеотида 0,01моль, тогда его молярная масса 3,63 : 0,01 = 363 г/моль
3) Определим число атомов азота в нуклеотиде 14 n = 363 ∙ 0,1928 = 5. 5 атомов азота содержится в аденине и гуанине.
4) Подберем формулу нуклеотида.
М(нуклеотида) = М(H 3 PO 4 ) + М(углевода) + М(азотистого основания) – 2М (Н 2 О)
Предположим, азотистое основание – аденин:
363 = 98 + 135 + М(углевода) – 36
М(углевода) = 166 г/моль – решения нет
Предположим, азотистое основание – гуанин:
363 = 98 + 151 + М(углевода) – 36
М(углевода) = 150 г/моль – это рибоза
Решение заданий зачета
- Массовая доля кислорода в моноаминомонокарбоновой кислоте 35,95%. Определите ее молекулярную формулу. (3 балла)
Составим формулу моноаминомонокарбоновой кислоты в общем виде: С n H 2n+1 O 2 N
Выразим молярную массу кислоты: М=14n+47
Рассчитаем молярную массу кислоты по массовой доле атомов кислорода:
Приравняем молярные массы, найдем n:
14n+47=89 n=3 С 3 H 7 O 2 N – это может быть аланин или 3-аминопропановая кислота
- На полный гидролиз 1,85 г сложного эфира потребовалось 10 г 10 % раствора гидроксида натрия. Определите молекулярную формулу эфира. (3 балла)
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 (С n H 2n O 2 )=0,025 моль, М (С n H 2n O 2 )=1,85/0,025=74 г/моль
Выразим молярную массу эфира: М=14n+32
Приравняем молярные массы, найдем n:
14n+32=74 n=3 С 3 H 6 O 2
Варианты сложного эфира:
- 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:
υ (С) = υ (СО 2 ) =1,792/22,4 = 0,08 m(С) =0,96г
υ (Н) = 2υ (Н 2 О) =2∙1,62/18 = 0,18 m(Н) =0,18 г
υ (N) = 2υ (N 2 ) =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
- При окислении смеси двух изомерных ароматических углеводородов кислым раствором перманганата калия образовалось 17,1 л углекислого газа (25 о С, 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 СО 2 (значит, в боковой цепи было два метильных радикала), а арен с двумя боковыми цепями – 0,3 моль СО 2 (значит, в его боковой цепи был один метильный радикал), всего 0,7 моль СО 2 .
Ответ: изопропилбензол (кумол) и орто-метилэтилбензол
- 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)
Щелочной гидролиз сложных эфиров, образованных спиртами, происходит в соответствии с уравнением:
R-CO-O-R 1 + NaOH → RCOONa + R 1 OH
Если для реакции гидролиза требуется вдвое большее количество щелочи, то это значит, что R 1 OH реагирует со щелочью, т.е. R 1 OH – фенол:
R 2 -CO-O-С 6 Н 4 -R 3 + 2NaOH → R 2 COONa + NaO-С 6 Н 4 -R 3 + H 2 O
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(R 2 -CO-O-С 6 Н 4 -R 3 ) = ν(NaOH)/2 = 0,00375 моль
M(R 2 -CO-O-С 6 Н 4 -R 3 ) = m/ ν = 0,563/0,00375 = 150 г/моль
M(R 2 +R 3 )= 150 – M(-CO-O-С 6 Н 4 -) = 30 г/моль
Возможны три варианта распределения 30 г/моль между радикалами R 2 и R 3 :
1) R 2 = Н , R 3 = С 2 Н 5 – этот вариант не подходит, т.к. эфир не даёт реакции серебряного зеркала и, следовательно, не является эфиром муравьиной кислоты.
2) R 2 = СН 3 , R 3 = СН 3 – в этом варианте оба заместителя в бензольном кольце -СН 3 -СО-О- и СН 3 - -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 пара-метилфенола : СН 3 -CO-O-С 6 Н 4 -СН 3
3) R 2 = С 2 Н 5 , R 3 = Н – в этом варианте вещество « А » – сложный эфир пропионовой кислоты и фенола: С 2 Н 5 СООС 6 Н 5 ; при нитровании этого эфира преимущественно образуются только два мононитропроизводных, в которых нитрогруппы находятся в в орто- и пара- положениях по отношению к группе С 2 Н 5 СОО-.
В сложном эфире « Б » бензольное кольцо находится со стороны кислоты, поэтому эфир может быть образован бензойной кислотой и этанолом: С 6 Н 5 -СО-О-С 2 Н 5 или о-, м-, п- метилбензойной кислотой и метанолом СН 3 - С 6 Н 4 - СО-О-СН 3 ,
бензиловым спиртом и уксусной кислотой. С 6 Н 5 -СН 2 -О-CO-СН 3
- 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)
1) Определим количество вещества дипептида, которое равно количеству воды
ν(дипептида) = ν(H 2 O) = 5,4 г/18г/моль = 0,3 моль;
2) Определим количество карбоксильных групп, которое равно количеству углекислого газа: ν(-COOH) = n(CO 2 ) = 6,72 л /22,4 л/моль = 0,3 моль;
3) Определим количество аминогрупп, которое равно количеству бромоводорода: ν(-NH 2 ) = 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 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)
1) Из реакции с аммиачным раствором оксида серебра:
C x H y O z + 2[Ag(NH 3 ) 2 ]ОН → C x H y-1 O z+1 NH 4 + 2Ag + 2H 2 O+ 3NH 3
следует, что углевод является альдозой и что его количество равно:
ν(C x H y O z ) = ν(Ag)/2 = (6,48/108)/2 = 0,03 моль.
2) Реакция этерификации проходит с участием всех гидроксильных групп углевода по уравнению:
C x H y O z + m (CH 3 CO) 2 O → C x H y O z (C 2 H 2 O) m + m CH 3 COOH
Количество вещества уксусной кислоты равно: ν(CH 3 COOH) = 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.
3) Молярная масса сложного эфира равна: M(C x H y O z (C 2 H 2 O) m ) = 7,38 г/0,03 моль = 246 г/моль,