Упражнения

21.1 Углеводороды

1. Напишите химическую формулу и структуру Льюиса для каждого из следующих соединений, в каждом из которых пять атомов углерода: (a) алкан; (b) алкен; © алкин.

2. В чём заключается различие в гибридизации валентных орбиталей атомов углерода в насыщенных и ненасыщенных углеводородах?

3. Чем на микроскопическом уровне отличается реакция брома с насыщенным углеводородом от его реакции с ненасыщенным углеводородом? В чём эти реакции сходны?

4. Чем на микроскопическом уровне отличается реакция брома с алкеном от его реакции с алкином? В чём эти реакции сходны?

5. Объясните, почему неразветвлённые алкены могут существовать в виде геометрических изомеров, а неразветвлённые алканы — нет. Относится ли это объяснение к макроскопической или к микроскопической области?

6. Объясните, почему две приведённые ниже молекулы не являются изомерами. Первая структура — \(\ce{CH3-CH2-C#C-CH2-CH3}\) (3-гексин, \(\ce{C6H10}\)); вторая структура — неразветвлённый \(\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3}\) (\(\ce{C6H14}\)).

7. Объясните, почему две приведённые ниже молекулы не являются изомерами. Первая структура — неразветвлённый \(\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3}\) (\(\ce{C6H14}\)); вторая структура — разветвлённый \(\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH(CH3)-CH3}\) (2-метилгексан, \(\ce{C7H16}\)).

8. Как меняется гибридизация атомов углерода при получении полиэтилена из этилена?

9. Запишите структуру Льюиса и молекулярную формулу для каждого из следующих углеводородов: (a) гексан; (b) 3-метилпентан; © цис-3-гексен; (d) 4-метил-1-пентен; (e) 3-гексин; (f) 4-метил-2-пентин.

10. Запишите химическую формулу, сокращённую формулу и структуру Льюиса для каждого из следующих углеводородов: (a) гептан; (b) 3-метилгексан; © транс-3-гептен; (d) 4-метил-1-гексен; (e) 2-гептин; (f) 3,4-диметил-1-пентин.

11. Назовите по номенклатуре ИЮПАК каждое из следующих соединений: (a) \(\ce{CH3CH2CBr2CH3}\); (b) \(\ce{(CH3)3CCl}\); © \(\ce{CH3CH(CH3)CH2CH3}\) (2-метилбутан); (d) \(\ce{CH3CH2C#CH}\) (1-бутин); (e) \(\ce{CH3CFCl-CH2CH2CH(C#CCH3)CH2CH3}\) (соединение с заместителями \(\ce{Cl}\) и \(\ce{F}\) при втором атоме углерода и бут-2-ин-1-ильным фрагментом); (f) цис-изомер \(\ce{ClCH2-C(CH3)=CH-CH3}\) (1-хлор-2-метил-2-бутен); (g) \(\ce{(CH3)2CHCH2CH=CH2}\) (4-метил-1-пентен).

12. Назовите по номенклатуре ИЮПАК каждое из следующих соединений: (a) \(\ce{(CH3)2CHF}\); (b) \(\ce{CH3CHClCHClCH3}\); © \(\ce{CH3CH(CH3)CH(CH2CH3)CH3}\) (3-метилпентан); (d) \(\ce{CH3CH2CH=CHCH3}\) (2-пентен); (e) \(\ce{CH3CH2CH2CHBr-CH2CH(CH=CH2)CH3}\) (4-бром-7-метилнон-1-ен или близкое разветвлённое строение по скану); (f) \(\ce{(CH3)3CCH2C#CH}\) (4,4-диметил-1-пентин).

13. Бутан используется как топливо в одноразовых зажигалках. Запишите структуру Льюиса для каждого изомера бутана.

14. Запишите структуры Льюиса и назовите пять структурных изомеров гексана.

15. Запишите структуры Льюиса для цис- и транс-изомеров \(\ce{CH3CH=CHCl}\).

16. Запишите структуры трёх изомеров ароматического углеводорода ксилола, \(\ce{C6H4(CH3)2}\).

17. Изооктан — это распространённое название изомера \(\ce{C8H18}\), принятого за эталон со значением октанового числа \(100\) при оценке бензина. Структура соединения — \(\ce{(CH3)3C-CH2-CH(CH3)-CH3}\) (2,2,4-триметилпентан). (a) Каково название этого соединения по номенклатуре ИЮПАК? (b) Назовите остальные изомеры, содержащие пятиуглеродную цепь с тремя метильными заместителями.

18. Запишите структуры Льюиса и названия по ИЮПАК для алкиновых изомеров \(\ce{C4H6}\).

19. Запишите структуры Льюиса и названия по ИЮПАК для всех изомеров \(\ce{C4H9Cl}\).

20. Назовите и запишите структуры всех изомеров пропильной и бутильной алкильных групп.

21. Запишите структуры для всех изомеров алкильной группы \(\ce{-C5H11}\).

22. Запишите структуры Льюиса и опишите молекулярную геометрию при каждом атоме углерода в следующих соединениях: (a) цис-3-гексен; (b) цис-1-хлор-2-бромэтен; © 2-пентин; (d) транс-6-этил-7-метил-2-октен.

23. Бензол — одно из соединений, применяемых для повышения октанового числа неэтилированного бензина. Его получают каталитическим превращением ацетилена в бензол: $$ \ce{3C2H2 -> C6H6} $$ Нарисуйте структуры Льюиса для этих соединений (с резонансными структурами там, где это уместно) и определите гибридизацию атомов углерода в каждом из них.

24. Тефлон получают полимеризацией тетрафторэтилена. Запишите уравнение, описывающее эту полимеризацию, с использованием структур Льюиса.

25. Запишите два полных уравненных уравнения для каждой из следующих реакций — одно с использованием сокращённых формул, другое с использованием структур Льюиса. (a) \(1\) моль 1-бутина реагирует с \(2\) моль иода. (b) Пентан сгорает в воздухе.

26. Запишите два полных уравненных уравнения для каждой из следующих реакций — одно с использованием сокращённых формул, другое с использованием структур Льюиса. (a) 2-бутен реагирует с хлором. (b) Бензол сгорает в воздухе.

27. Какую массу 2-бромпропана можно получить из \(25{,}5\ \text{г}\) пропена? Считайте, что выход продукта составляет \(100\,\%\).

28. Ацетилен — очень слабая кислота, однако он реагирует с влажным оксидом серебра(I) с образованием воды и соединения, состоящего из серебра и углерода. Прибавление раствора \(\ce{HCl}\) к образцу этого соединения серебра и углерода массой \(0{,}2352\ \text{г}\) привело к образованию ацетилена и \(0{,}2822\ \text{г}\) \(\ce{AgCl}\). (a) Какова эмпирическая формула этого соединения серебра и углерода? (b) Образование ацетилена при действии \(\ce{HCl}\) на это соединение указывает на то, что углерод присутствует в виде ацетиленид-иона \(\ce{C2^2-}\). Запишите формулу соединения, явно показывающую ацетиленид-ион.

29. Этилен можно получить пиролизом этана: $$ \ce{C2H6 -> C2H4 + H2} $$ Сколько килограммов этилена получится при пиролизе \(1{,}000 \times 10^3\ \text{кг}\) этана при \(100{,}0\,\%\)-м выходе?

21.2 Спирты и простые эфиры

1. Почему соединения гексан, гексанол и гексен имеют такие похожие названия?

2. Запишите сокращённые формулы и приведите названия по ИЮПАК для следующих соединений: (a) этиловый спирт (содержится в спиртных напитках); (b) метиловый спирт (используется как растворитель, например в шеллаке); © этиленгликоль (антифриз); (d) изопропиловый спирт (входит в состав медицинского спирта); (e) глицерин.

3. Назовите по номенклатуре ИЮПАК каждое из следующих соединений: (a) \(\ce{CH3-CH(OH)-CH2-CH3}\) (2-бутанол); (b) \(\ce{CH3-C(OH)(CH3)-CH2-CH3}\) (2-метил-2-бутанол); © \(\ce{CH3-CH(OH)-CH(CH3)-CH2-CH(CH3)-CH3}\) (3,5-диметил-2-гексанол).

4. Назовите по ИЮПАК и приведите распространённое (тривиальное) название для каждого из следующих соединений: (a) \(\ce{CH3-CH2-O-CH2-CH2-CH2-CH3}\) (этилбутиловый эфир); (b) \(\ce{CH3-CH2-O-CH2-CH2-CH3}\) (этилпропиловый эфир); © \(\ce{CH3-O-CH2-CH2-CH3}\) (метилпропиловый эфир).

5. Запишите сокращённые структурные формулы обоих изомеров с формулой \(\ce{C2H6O}\). Укажите функциональную группу каждого изомера.

6. Запишите сокращённые структурные формулы всех изомеров с формулой \(\ce{C2H6O2}\). Укажите функциональную группу (или группы) каждого изомера.

7. Изобразите сокращённые формулы для каждого из следующих соединений: (a) дипропиловый эфир; (b) 2,2-диметил-3-гексанол; © 2-этоксибутан.

8. MTBE (метил-трет-бутиловый эфир, \(\ce{CH3OC(CH3)3}\)) используется как источник кислорода в оксигенированных сортах бензина. MTBE получают, проводя реакцию между 2-метилпропеном и метанолом. (a) Запишите химическое уравнение этой реакции с использованием структур Льюиса. (b) Какой объём метанола (плотность \(0{,}7915\ \text{г/мл}\)) необходим для получения ровно \(1000\ \text{кг}\) MTBE при \(100\,\%\)-м выходе?

9. Запишите два полных уравненных уравнения для каждой из следующих реакций — одно с использованием сокращённых формул, другое с использованием структур Льюиса. (a) Пропанол превращается в дипропиловый эфир. (b) Пропен обрабатывают водой в разбавленной кислоте.

10. Запишите два полных уравненных уравнения для каждой из следующих реакций — одно с использованием сокращённых формул, другое с использованием структур Льюиса. (a) 2-бутен обрабатывают водой в разбавленной кислоте. (b) Этанол дегидратируют с образованием этилена.

21.3 Альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и сложные эфиры

1. Расположите следующие молекулы в порядке возрастания степени окисления отмеченного атома углерода: (a) \(\ce{(CH3)2CH-OH}\) (2-пропанол; отмечен центральный \(\ce{C}\)); (b) \(\ce{CH3-CH2-CH3}\) (пропан; отмечен центральный \(\ce{C}\)); © \(\ce{CH3-CO-CH3}\) (ацетон; отмечен карбонильный \(\ce{C}\)).

2. Предскажите продукты окисления молекул, приведённых в этом задании. В каждом случае укажите продукт, получающийся при минимальном увеличении степени окисления выделенного атома углерода: (a) \(\ce{(CH3)2CH-OH}\) (2-пропанол) \(\xrightarrow{[\text{O}]}\) ? (b) \(\ce{CH3-CH2-CH2-OH}\) (1-пропанол) \(\xrightarrow{[\text{O}]}\) ? © \(\ce{CH3-CH(CH3)-CH2-OH}\) (2-метил-1-пропанол) \(\xrightarrow{[\text{O}]}\) ?

3. Предскажите продукты восстановления следующих молекул. В каждом случае укажите продукт, получающийся при минимальном уменьшении степени окисления выделенного атома углерода: (a) \(\ce{CH3-CHO}\) (ацетальдегид) \(\xrightarrow{[\text{H}]}\) ? (b) \(\ce{CH3-CO-CH3}\) (ацетон) \(\xrightarrow{[\text{H}]}\) ? © \(\ce{CH3-COOH}\) (уксусная кислота) \(\xrightarrow{[\text{H}]}\) ?

4. Объясните, почему невозможно получить кетон, содержащий только два атома углерода.

5. Как изменяется гибридизация замещённого атома углерода при превращении спирта в альдегид? Альдегида в карбоновую кислоту?

6. Жирные кислоты — это карбоновые кислоты, к карбоксильной группе которых присоединены длинные углеводородные цепи. Чем насыщенная жирная кислота отличается от ненасыщенной? В чём они сходны?

7. Запишите сокращённую структурную формулу (например, \(\ce{CH3CH3}\)) и опишите молекулярную геометрию при каждом атоме углерода: (a) пропен; (b) 1-бутанол; © этилпропиловый эфир; (d) цис-4-бром-2-гептен; (e) 2,2,3-триметилгексан; (f) формальдегид.

8. Запишите сокращённую структурную формулу (например, \(\ce{CH3CH3}\)) и опишите молекулярную геометрию при каждом атоме углерода: (a) 2-пропанол; (b) ацетон; © диметиловый эфир; (d) уксусная кислота; (e) 3-метил-1-гексен.

9. Неприятный запах прогорклого сливочного масла обусловлен масляной кислотой \(\ce{CH3CH2CH2CO2H}\). (a) Нарисуйте структуру Льюиса и определите степень окисления и гибридизацию для каждого атома углерода в молекуле. (b) Сложные эфиры масляной кислоты — приятно пахнущие соединения, содержащиеся в плодах и применяемые в парфюмерии. Нарисуйте структуру Льюиса для сложного эфира, образующегося при реакции масляной кислоты с 2-пропанолом.

10. Запишите две резонансные структуры для ацетат-иона.

11. Запишите два полных уравненных уравнения для каждой из следующих реакций — одно с использованием сокращённых формул, другое с использованием структур Льюиса: (a) этанол реагирует с пропионовой кислотой; (b) бензойную кислоту \(\ce{C6H5CO2H}\) добавляют к раствору гидроксида натрия.

12. Запишите два полных уравненных уравнения для каждой из следующих реакций — одно с использованием сокращённых формул, другое с использованием структур Льюиса. (a) 1-бутанол реагирует с уксусной кислотой. (b) Пропионовую кислоту льют на твёрдый карбонат кальция.

13. Выход в реакциях органической химии иногда невелик. Каков процентный выход процесса, в котором из \(10{,}0\ \text{г}\) \(\ce{CH3CO2H}\) получается \(13{,}0\ \text{г}\) этилацетата?

14. Спирты A, B и C имеют один и тот же состав \(\ce{C4H10O}\). Молекулы спирта A содержат разветвлённую углеродную цепь и могут окисляться до альдегида; молекулы спирта B содержат линейную углеродную цепь и могут окисляться до кетона; молекулы спирта C не могут быть окислены ни до альдегида, ни до кетона. Запишите структуры Льюиса этих молекул.

21.4 Амины и амиды

1. Запишите структуры Льюиса обоих изомеров с формулой \(\ce{C2H7N}\).

2. Какова молекулярная геометрия атома азота в триметиламине и в триметиламмоний-ионе \(\ce{(CH3)3NH+}\)? Какова гибридизация атома азота в триметиламине и в триметиламмоний-ионе?

3. Запишите две резонансные структуры для пиридиний-иона \(\ce{C5H5NH+}\).

4. Нарисуйте структуры Льюиса для пиридина и его сопряжённой кислоты — пиридиний-иона \(\ce{C5H5NH+}\). Каковы гибридизации, геометрия электронных доменов и молекулярная геометрия относительно атомов азота в пиридине и в пиридиний-ионе?

5. Запишите структуры Льюиса всех изомеров с формулой \(\ce{C3H7ON}\), которые содержат амидную связь.

6. Запишите два полных уравненных уравнения для следующей реакции — одно с использованием сокращённых формул, другое с использованием структур Льюиса. Метиламин прибавляют к раствору \(\ce{HCl}\).

7. Запишите два полных уравненных уравнения для каждой из следующих реакций — одно с использованием сокращённых формул, другое с использованием структур Льюиса. Хлорид этиламмония прибавляют к раствору гидроксида натрия.

8. Укажите атомы углерода, которые меняют гибридизацию, и характер этого изменения в реакциях, описанных в упражнении 21.26.

9. Укажите атомы углерода, которые меняют гибридизацию, и характер этого изменения в реакциях, описанных в упражнении 21.39.

10. Укажите атомы углерода, которые меняют гибридизацию, и характер этого изменения в реакциях, описанных в упражнении 21.51.