Решебник по химии 10 класс Габриелян §14

Альдегиды и кетоны

Стр. 70

Вопрос

1. В 1835 г. немецкий химик Юстус Либих выделил из смеси продуктов окисления этилового спирта неизвестное вещество. По сравнению с исходным этанолом (C₂H₆O) это соединение содержало на два атома водорода меньше (C₂H₄O). Учёный дал веществу латинское название Alkohol dehydrogenatus, или сокращённо альдегид. Попробуйте перевести на русский приведённое выше название. Какую функциональную группу содержат альдегиды и какие характерные свойства этого класса соединений она определяет?

Название Alkohol dehydrogenatus можно перевести с латинского как «обезвоженный (или дегидрированный) спирт». Это означает, что из молекулы спирта были удалены два атома водорода — один от гидроксильной группы (–OH), а другой от атома углерода, к которому она была присоединена. В результате образуется альдегид.

Альдегиды содержат функциональную группу –CHO, называемую альдегидной. Эта группа включает двойную связь углерода с кислородом (=O) и одинарную связь углерода с водородом (–H).

Функциональная альдегидная группа определяет химические свойства соединений этого класса:

• высокая реакционная способность;

• способность к окислению (до карбоновых кислот);

• восстановительные свойства;

• участие в реакциях присоединения (в частности, с водородом, спиртами, аммиаком и др.).

Альдегиды обладают также характерным запахом и применяются, например, в парфюмерии и органическом синтезе.

Стр. 72

Вопрос

1. Общие способы получения альдегидов вам знакомы по материалам предыдущих параграфов. Какие это способы?

Существует несколько общих способов получения альдегидов:

1. Окисление одноатомных спиртов — это основной способ получения альдегидов в лаборатории и промышленности. Например, при мягком окислении метанола образуется формальдегид, а при окислении этанола — ацетальдегид:

(2CH₃OH + O₂ → 2HCHO + 2H₂O)

(C₂H₅OH + O₂ → CH₃CHO + H₂O)

2. Каталитическое окисление алканов — например, формальдегид можно получить при окислении метана в присутствии катализатора:

(CH₄ + O₂ → HCHO + H₂O)

3. Окисление алкенов — в промышленности этаналь получают окислением этилена в присутствии катализатора (например, хлорида палладия(II)):

(CH₂=CH₂ + O₂ → CH₃CHO)

Эти способы позволяют получать как низшие альдегиды (например, формальдегид), так и более сложные представители этого класса органических веществ.

Стр. 73

Лабораторный эксперимент

1. В тщательно вымытую пробирку налейте 1 мл аммиачного раствора оксида серебра и добавьте по стенке 5—6 капель формалина. Поместите пробирку в стакан с горячей водой. Что наблюдаете?

При нагревании пробирки с аммиачным раствором оксида серебра и формалином на её внутренней поверхности образуется блестящее серебристое покрытие — зеркальный налёт. Это результат реакции "серебряного зеркала", которая служит качественной реакцией на альдегиды. В ходе реакции формальдегид восстанавливает ионы серебра до металлического серебра, которое оседает на стенках пробирки. Реакция:

(HCHO + 2[Ag(NH₃)₂]OH → HCOONH₄ + 2Ag↓ + 3NH₃ + H₂O)

Таким образом, наблюдается образование зеркального слоя металлического серебра — характерный результат положительной реакции на альдегидную группу.

2. Налейте в пробирку 2 мл 5–10%-ного раствора щёлочи и добавьте 2—3 капли раствора сульфата меди(II). К образовавшемуся осадку прилейте 1 мл разбавленного водой (1:1) формалина и нагрейте содержимое пробирки. Что наблюдаете?

При добавлении раствора формалина к образовавшемуся осадку гидроксида меди(II) (Cu(OH)₂) и нагревании происходит восстановление ионов меди(II) до закисной меди (Cu₂O). В пробирке наблюдается изменение цвета осадка: голубой осадок Cu(OH)₂ превращается в кирпично-красный осадок оксида меди(I) — Cu₂O. Это характерная реакция на альдегидную группу, которая позволяет отличить альдегиды от других органических веществ. Реакция:

(HCHO + 2Cu(OH)₂ → HCOOH + Cu₂O↓ + 2H₂O)

Таким образом, наблюдается образование красного осадка, свидетельствующего о присутствии альдегида (в данном случае формальдегида).

Стр. 76

Проверьте свои знания

1. Какие вещества называют альдегидами? Приведите формулы и названия трёх первых представителей этого гомологического ряда.

Альдегидами называют органические вещества, в молекулах которых содержится альдегидная группа —CHO, связанная с углеродным радикалом или атомом водорода. Эта группа состоит из атома углерода, соединённого двойной связью с атомом кислорода и одинарной — с атомом водорода. Альдегидная группа определяет химические свойства этих соединений и принадлежность к классу альдегидов.

Три первых представителя гомологического ряда альдегидов:

1. Формальдегид (метаналь): молекулярная формула (CH₂O), структурная формула — H–CHO

2. Ацетальдегид (этаналь): молекулярная формула (C₂H₄O), структурная формула — CH₃–CHO

3. Пропионовый альдегид (пропаналь): молекулярная формула (C₃H₆O), структурная формула — CH₃–CH₂–CHO

2. Даны молекулярные формулы веществ: C₂H₄O, C₃H₆O, CH₂O, C₂H₆O₂, C₃H₈O, C₂H₄O₂. Какие из этих формул могут отражать состав альдегидов? Напишите соответствующие структурные формулы.

Из предложенных веществ формулы CH₂O, C₂H₄O, C₃H₆O соответствуют составу альдегидов. Ниже — их структурные формулы:

1. CH₂O — формальдегид: H–C(=O)–H

2. C₂H₄O — ацетальдегид (этаналь): CH₃–C(=O)–H

3. C₃H₆O — пропионовый альдегид (пропаналь): CH₃–CH₂–C(=O)–H

Остальные вещества не являются альдегидами:

• C₂H₆O₂ — этиленгликоль (многоатомный спирт),

• C₃H₈O — спирт (пропанол-1 или пропанол-2),

• C₂H₄O₂ — уксусная кислота (карбоновая кислота).

Стр. 76

Примените свои знания

3. Формальдегид объёмом 44,8 л (н. у.) растворили в 240 г воды. Рассчитайте массовую долю альдегида в растворе.

1 моль газа (н. у.) занимает 22,4 л.

Значит, количество вещества формальдегида:

n = 44,8 л / 22,4 л/моль = 2 моль

Молярная масса HCHO = 12 + 1 + 16 = 29 г/моль

Масса формальдегида:

m = 2 моль × 30 г/моль = 60 г

Масса раствора = 240 г (вода) + 60 г (формальдегид) = 300 г

Массовая доля:

w = (60 г / 300 г) × 100% = 20%

Ответ: массовая доля альдегида в растворе равна 20%.

4. При сжигании 0,22 г органического вещества, плотность паров которого по воздуху равна 1,517, образовалось 224 мл оксида углерода(IV) (н. у.) и 0,18 г воды. Определите молекулярную формулу вещества.

Найдём число молей CO₂:

V = 224 мл = 0,224 л

n(CO₂) = 0,224 / 22,4 = 0,01 моль → C = 0,01 моль

Найдём число молей H₂O:

m(H₂O) = 0,18 г

n(H₂O) = 0,18 / 18 = 0,01 моль → H = 0,02 моль

Масса C = 0,01 × 12 = 0,12 г

Масса H = 0,02 × 1 = 0,02 г

Масса O = 0,22 − (0,12 + 0,02) = 0,08 г → n(O) = 0,08 / 16 = 0,005 моль

Отношения:

C : H : O = 0,01 : 0,02 : 0,005 = 2 : 4 : 1 → эмпирическая формула: C₂H₄O

Найдём молярную массу по плотности:

Плотность по воздуху: D = M / 29 → M = 1,517 × 29 ≈ 44 г/моль

Эмпирическая формула C₂H₄O (Mr = 44) → Совпадает

Ответ: молекулярная формула вещества — C₂H₄O

5. В чём различие реакций полимеризации и поликонденсации? Ответ проиллюстрируйте уравнениями реакций полимеризации этилена и поликонденсации фенола с формальдегидом.

Реакции полимеризации — это реакции соединения мономеров с кратной связью (например, алкенов) без отщепления побочных продуктов.

Пример: (nCH₂=CH₂ → (–CH₂–CH₂–)ₙ)

Реакции поликонденсации — это реакции соединения мономеров с отщеплением низкомолекулярных веществ (например, воды).

Пример: взаимодействие фенола с формальдегидом:

(nC₆H₅OH + nCH₂O → [–C₆H₄–CH₂–]ₙ + nH₂O)

Вывод: полимеризация происходит без побочных продуктов, поликонденсация сопровождается выделением воды или других низкомолекулярных соединений.

6. В двух пробирках без этикеток находятся растворы этиленгликоля и уксусного альдегида. Как при помощи растворов сульфата меди(II) и гидроксида натрия распознать предложенные вещества? Укажите признаки реакций.

Для распознавания используют качественные реакции на альдегиды и многоатомные спирты.

1. К этиленгликолю при добавлении CuSO₄ и NaOH образуется ярко-синий раствор — комплекс меди с многоатомным спиртом. Признак реакции: раствор становится ярко-синим.

2. К уксусному альдегиду при добавлении CuSO₄ и NaOH и нагревании — реакция серебряного зеркала или реакция с медью:

Альдегид восстанавливает Cu²⁺ до Cu₂O — на дне пробирки выпадает красно-оранжевый осадок оксида меди(I).

Таким образом:

— Синий раствор указывает на этиленгликоль,

— Красно-оранжевый осадок — на уксусный альдегид.

7. Какая масса серебра образуется на стенках пробирки при взаимодействии 15 г 2%-ного раствора формальдегида с избытком аммиачного раствора оксида серебра?

Масса формальдегида в растворе:

m(HCHO) = 2% от 15 г = 0,02 × 15 = 0,3 г

Mr(HCHO) = 30 г/моль

n(HCHO) = 0,3 / 30 = 0,01 моль

Реакция:

HCHO + 2[Ag(NH₃)₂]OH → HCOONH₄ + 2Ag↓ + 3NH₃ + H₂O

По уравнению: 1 моль HCHO → 2 моль Ag

n(Ag) = 0,01 × 2 = 0,02 моль

m(Ag) = 0,02 × 108 = 2,16 г

Ответ: масса серебра — 2,16 г.

Стр. 76

Используйте дополнительную информацию

8. В 1860 г. французский химик М. Бертло провёл реакцию ацетилена с водой и был уверен, что получил непредельный спирт:

HC≡CH + H₂O → CH₂=CH–OH

В 1877 г. аналогичную реакцию осуществил русский химик Александр Павлович Эльтеков. Учёный пришёл к выводу, что получил уксусный альдегид:

HC≡CH + H₂O → CH₃CHO

Кто из учёных оказался прав?

Прав оказался Александр Павлович Эльтеков. Реакция гидратации ацетилена (HC≡CH) происходит по механизму присоединения воды с образованием уксусного альдегида (CH₃CHO). Это реакция проходит в присутствии солей ртути (Hg²⁺) как катализатора и называется реакцией Кучерова.

Получение непредельного спирта (винилового спирта, CH₂=CH–OH), о котором говорил Бертло, невозможно, потому что этот спирт неустойчив и таутомеризуется в альдегидную форму (CH₃CHO).

Таким образом, продуктом реакции действительно является уксусный альдегид, а не спирт, и прав оказался русский химик А. П. Эльтеков.