Методические рекомендации по выполнению контрольного задания №10



Скачать 163.73 Kb.
Дата31.12.2017
Размер163.73 Kb.
#6578
ТипМетодические рекомендации


Министерство образования Российской Федерации

Алтайский государственный технический университет
Бийский технологический институт

Н.В. Степанова


Х И М И Я



УЧЕБНОМЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКТ

ДЛЯ АБИТУРИЕНТОВ

Методические рекомендации по выполнению

контрольного задания №10


Барнаул 2001

УДК 54(075.4)


Степанова Н.В. Химия: Учебно-методический комплект для абитуриентов. Методические рекомендации по выполнению контрольной работы №10.

Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск.

Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2001. – 16 с.

Настоящие методические рекомендации представляют собой десятую часть единого учебно-методического комплекта по курсу «Химия» для абитуриентов.

Данная часть посвящена теме: «Углеводы и амины. Аминокислоты и пептиды. Азотосодержащие гетероциклические соединения» и включает теоретические вопросы и задачи, отражающие основное содержание темы.

Рекомендуются учащимся школ, гимназий и лицеев, а также абитуриентам химических вузов.


Комплект рассмотрен и утвержден

на заседании кафедры «Общая химия

и экспертиза товаров».

Протокол №194 от 3.06.2001 г.

Рецензент: доцент каф. «Общая химия и экспертиза

товаров» Разгоняева Т.П.

 БТИ АлтГТУ, 2001



Контрольное задание №10

1 Углеводы
Углеводы – это природные органические соединения, имеющие общую формулу Cm(H2O)n (m, n >3). Углеводы делят на три группы: моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Моносахаридами называются такие углеводы, которые не могут гидролизоваться с образованием более простых углеводов. По числу атомов углерода моносахариды делятся на тетрозы (С4Н8O4), пентозы (C5H10O5) и гексозы (С6Н12О6). Важнейшие гексозы – глюкоза и фруктоза.

Дисахариды – это продукты конденсации двух моносахаридов, например сахароза, C12H22O11. Полисахариды (крахмал, целлюлоза) образованы большим числом молекул моносахаридов.

Молекулы всех моносахаридов, а также многих дисахаридов могут существовать в линейной и циклической формах. Моносахариды – бифункциональные соединения, в состав их молекул входят несколько гидроксильных групп, а также карбонильная группа. Моносахариды проявляют свойства многоатомных спиртов и некоторые свойства карбонильных соединений.



Задачи с решениями



Задача 1. С помощью каких реакций можно осуществить следующие превращения: сахароза  глюкоза  глюконовая кислота?

Решение. Сахароза гидролизуется при нагревании в подкисленном растворе:

.

Глюкоза окисляется свежеосажденным гидроксидом меди (II) с образованием глюконовой кислоты (С6Н12О6):

СН2OН–(СНОН)4–СН=O + 2Cu(OH)2

 СН2OН–(СНОН)4–СООН +Cu2O + 2Н2O.



Задача 2. Полученное из глюкозы соединение С3Н6О3 в реакции с натрием образует соединение состава С3Н42O3, с карбонатом кальция – С6Н10СаО6, с этанолом в присутствии серной кислоты – С5Н10О3. Назовите это соединение и напишите уравнения реакций.

Решение. При молочнокислом брожении из глюкозы получается молочная (2-гидроксипропановая) кислота:

C6H12O6  2СН3–СН(ОН)–СООН.

В реакции молочной кислоты с натрием участвуют и гидроксильная, и карбоксильная группы:

СН3–СН(ОН)–СООН + 2Na  СН3–СН(ОNа)–СООNа + H2.

С карбонатом кальция и с этанолом молочная кислота реагирует как обычная карбоновая кислота:

СаСО3 + 2СН3СН(ОН)СООН  (СН3СН(ОН)СОО)2Са +СO2+Н2O.




Задача 3. Рассчитайте, сколько серебра можно получить при взаимодействии 18 г глюкозы с избытком аммиачного раствора оксида серебра. Какой объем (н.у.) газа выделится при спиртовом брожении такого же количества глюкозы, если выход продукта реакции составляет 75%?

Решение. Запишем уравнение реакции с аммиачным раствором оксида серебра в упрощенном виде:

(на самом деле образуется не глюконовая кислота С6Н12О7, а ее аммонийная соль, однако на массу серебра это упрощение не влияет).

(C6H12O6) = 18/180 = 0,1 моль,

(Ag) = 26Н12О6) = 0,2 моль.



m(Ag) = 0,2108 = 21,6 г.

Реакция спиртового брожения глюкозы описывается уравнением:

С6Н12O6  2C2H5OH + 2СO2.

Из 0,1 моль глюкозы теоретически можно получить 0,2 моль СO2, а практически – 0,20,75 = 0,15 моль объемом 0,1522,4 = 3,36 л.



Ответ: 21,6 г серебра, 3,36 л углекислого газа.
Задача 4. Галактоза – это изомер глюкозы, отличающийся от нее положением гидроксильной группы при четвертом атоме углерода. Напишите структурную формулу дисахарида, образованного двумя остатками -галактозы, которые связаны между собой 1-4-гликозидной связью. Напишите структурную формулу продукта взаимодействия этого дисахарида с метиловым спиртом в присутствии хлороводорода. Могут ли эти соединения вступать в реакцию «серебряного зеркала»? Напишите уравнения необходимых реакций.

Решение. Циклические формулы -глюкозы и -галактозы:

Молекулы этого углевода могут образовывать между собой связи с участием первого и четвертого углеродных атомов:



.

Звездочкой обозначен гликозидный гидроксил, который может замещаться на группу –ОСН3 при реакции с метанолом:



.

Благодаря наличию гликозидного гидроксила дисахарид -галактозы может в водном растворе превращаться в линейную форму с альдегидной группой (подобно глюкозе), поэтому он дает реакцию серебряного зеркала (уравнение приведено в упрощенном виде):



Монометиловый эфир дисахарида -галактозы не содержит гликозидного гидроксила, поэтому он не может существовать в линейной форме и не вступает в реакцию серебряного зеркала.


2 Амины

Амины – это производные аммиака, в которых атомы водорода частично или полностью замещены углеводородными радикалами алифатического, алициклического или ароматического ряда.

Амины характеризуются наличием функциональной группы NH2 – аминогруппы. В зависимости от того, сколько атомов водорода в аммиаке замещено радикалами, различают амины первичные RNH2, вторичные R2NH и третичные R3N. Таким образом, в аминах понятия "первичный", "вторичный", "третичный" связаны не с характером углеродного атома, а со степенью замещения водородов при атоме азота аммиака.

Изомерия аминов связана с количеством и строением радикалов у атома азота. Алифатические амины обычно называют так же, как замещенные производные аммиака: к наименованию радикала, входящего в состав амина, добавляется суффикс –амин.

В алифатических аминах связи C–N и N–H достаточно прочные, поэтому амины не проявляют заметных кислотных свойств. Неподеленная пара валентных электронов на атоме азота в аминах может образовывать новую связь. Поэтому амины, как и аммиак, обладают свойствами оснований. Это проявляется, например, в образовании солей при взаимодействии аминов с кислотами и с алкилгалогенидами. Эти соли снова превращаются в амины при действии сильного основания.

Наиболее известным представителем первичных ароматических аминов является анилин. В анилине неподеленная пара электронов атома азота образует с ароматическим кольцом единую -электронную систему. Это приводит к частичному смещению пары электронов азота в сторону кольца и обогащению его электронами. Поэтому анилин обладает меньшей основностью, чем алифатические амины (он реагирует только с сильными кислотами). Однако реакции электрофильного замещения в бензольное кольцо анилина значительно облегчены. Так, анилин в отличие от бензола легко реагирует с бромной водой с образованием 2,4,6-триброманилина.



Задачи с решениями



Задача 1. Напишите структурные формулы всех третичных аминов состава C5H13N и назовите их по рациональной номенклатуре.

Решение. Общая формула третичных аминов:

,

где R, R', R" – предельные углеводородные радикалы. Пять атомов углерода разбить на три радикала можно двумя способами:

1) один радикал СН3 и два радикала C2H5;

2) два радикала СН3 и один радикал С3Н7.

Последнему способу соответствуют два изомера, так как существует два радикала состава С3Н7: –СН2СН2СН3 (пропил) и –СН(СН3)2 (изопропил). Таким образом, всего существует три третичных амина состава C5H13N:

Названия аминов по рациональной номенклатуре строятся путем прибавления названия всех трех радикалов к слову "амин", например: метилдиэтиламин.

Ответ: три изомера.
Задача 2. Каким образом можно осуществить превращения:

нитробензол  анилин  бромид фениламмония?

Приведите уравнения реакций.

Решение. Нитробензол восстанавливается в анилин под действием различных восстановителей, например сульфида аммония (реакция Зинина):

С6Н5–NO2 + 3(NH4)2S  C6H5–NH2 + 3S + 6NН3 + 2Н2O.

Анилин реагирует с сухим бромоводородом с образованием бромида фениламмония:

С6Н5–NН2 + НВr  [С6Н5–NН3]Вr.


Задача 3. Напишите общие уравнения реакций восстановления нитросоединений в амины а) в кислой среде; б) в щелочной среде; в) в газовой фазе.

Решение. а) Восстановление нитросоединений в растворе удобно проводить водородом в момент выделения, который является сильным восстановителем. В кислой среде для этого используют цинк или железо:

RNO2 + 3Zn + 7НСl  RNН3Сl + 3ZnCl2 + 2Н2O.

RNO2 + 7H+ + 6е  RNН3+ + 2Н2O 1

Zn – 2e  Zn2+ 3

Образующийся амин реагирует с избытком соляной кислоты, давая соль аммониевого типа RNН3+Сl.

б) В щелочной среде для получения водорода в момент выделения используют алюминий:

RNO2 + 2Al + 2NaOH + 4Н2O  C6H5NH2 + 2Na[Al(OH)4].

RNO2 + 4Н2O + 6е  RNH2 + 6OН1

Al + 4OН – 3е  [Al(OH)4] 2

в) В газовой фазе восстановление проводят водородом при 250…350°С на никелевом или медном катализаторе:

RNO2 + 3Н2  RNH2 + 2Н2O.

Задача 4. Образец нитробензола массой 85 г, содержащий 7% примесей, восстановили до анилина, выход реакции равен 85%. Вычислите массу образовавшегося анилина.

Решение. Запишем уравнение реакции:

C6H5NO2 + 6[Н]  C6H5NH2 + 2H2O.



m6Н52) = 850,93 = 79 г.

(C6H5NO2) =79/123 = 0,64 моль.

Теоретически из такого количества нитробензола могло получиться 0,64 моль анилина, а практически получилось 0,640,85 = 0,55 моль массой 0,5593 = 51 г.

Ответ: 51 г анилина.

Задача 5. Какой объем хлороводорода (н.у.) может прореагировать с 20,0 г смеси, состоящей из диметиламина и этиламина?

Решение. Амины, содержащиеся в смеси, – (CH3)2NH и C2H5NH2 – являются изомерами (общая формула C2H7N), поэтому количество прореагировавшего хлороводорода определяется только общим количеством аминов и не зависит от содержания каждого из них в смеси. Общее уравнение реакций:

C2H7N + НСl = [C2H7NH]Cl.

общ(аминов) = 20,0/45 = (HCl).

V(HCl) = 0,44422,4 = 9,95 л.

Ответ: 9,95 л НСl.

3 Аминокислоты и пептиды

Аминокислоты – это бифункциональные органические соединения, в молекуле которых имеются аминогруппа и карбоксильная группа. По их взаимному расположению различают -, -, -аминокислоты. Среди них особое место занимают -аминокислоты, поскольку в них имеется по меньшей мере один асимметрический атом углерода:



.

Аминокислоты называют обычно как замещенные производные соответствующих карбоновых кислот, обозначая положение аминогруппы буквами греческого алфавита.

Изомерия аминокислот связана с положением функциональных групп и со строением углеродного скелета.

Функциональные группы в аминокислотах реагируют между собой. Поэтому молекулы аминокислот представляют собой биполярные ионы (внутренние соли), например, H3N+CH2COO.

Аминокислоты – амфотерные соединения, они реагируют с кислотами и основаниями. Им свойственны обычные реакции по карбоксильной группе и аминогруппе. Однако, кислотные и основные свойства выражены очень слабо. В результате межмолекулярного взаимодействия амино– и карбоксильной групп аминокислоты вступают в реакции поликонденсации с образованием пептидов различного строения.

Задачи с решениями



Задача 1. Определите строение сложного эфира -аминокислоты, если известно, что он содержит 15,73% азота по массе.

Решение. Сложные эфиры -аминокислот описываются общей формулой:

,

где R – водород или углеводородный радикал;

R' – углеводородный радикал.

В одном моле этого вещества содержится 1 моль азота массой 14 г, что составляет 15,73% от общей (молярной) массы, следовательно, молярная масса эфира равна:



M(H2N–CH(R)–COOR') = 14/0,1573 = 89 г/моль.

На долю двух радикалов приходится:



M(R+R') = 89 – M(H2N+CH+COO) = 16 г/моль.

Это возможно только в том случае, если R = Н, R' = СН3. Таким образом, искомый эфир – метилглицинат, то есть метиловый эфир аминоуксусной кислоты:

Н2N–СН2–СОО–СН3.

Ответ: метиловый эфир аминоуксусной кислоты.
Задача 2. Какой объем 10%-ного раствора гидроксида натрия (плотность 1,1 г/мл) может прореагировать с глицином, полученным из 32 г карбида кальция?

Решение. Глицин можно получить из карбида кальция по схеме:

СаС2  C2H2  СН3СНО  СН3СООН 

СlCН2СООН  H2NCH2COOH.

В соответствии с этой схемой, число молей глицина равно числу молей карбида кальция: (H2NCH2COOH) = (CaC2) = 32/64 = 0,5 моль. Количество щелочи, необходимой для реакции с глицином по уравнению Н2NСН2СООН + NaOH = H2NCH2COONa + H2O, также равно 0,5 моль.


m(NaOH) = 0,540 = 20 г,

m(p–pa NaOH) = 20/0,1 = 200 г.

V(p–pa NaOH) = 200/1,1 = 182 мл.

Ответ: 182 мл.
Задача 3. Этиловый эфир глицина массой 2,06 г прокипятили с раствором, содержащим 1,50 г гидроксида калия, и полученный раствор выпарили. Рассчитайте массу сухого остатка.

Решение. При кипячении происходит щелочной гидролиз сложного эфира с образованием калиевой соли глицина:

H2NCH2COOC2H5 + КОН  H2NCH2COOK + С2Н5OН.

(H2NCH2COOC2H5) = 2,06/103 = 0,02 моль,

(KOH) = 1,50/56 = 0,0268 моль – избыток.

В результате реакции образуется 0,02 моль глицината калия H2NCH2COOK массой 0,02113 = 2,26 г, и остается неизрасходованным гидроксид калия массой 1,5 – 0,0256 = 0,38 г. Этанол и вода улетучиваются из раствора при выпаривании. Масса сухого остатка равна 2,26 + 0,38 = 2,64 г.

Ответ: 2,64 г.

Задача 4. Напишите структурную формулу одного из природных трипептидов, в молекуле которого на четыре атома кислорода приходится три атома серы.

Решение. Общая формула природных трипептидов:

,

где R, R', R" – остатки -аминокислот. Мы видим, что эти остатки не содержат атомов кислорода, но содержат три атома серы. Среди природных аминокислот нет ни одной, которая бы содержала более одного атома серы, поэтому каждый остаток в данном пептиде содержит ровно один атом серы. Простейший вариант – пептид, образованный тремя остатками серосодержащей аминокислоты цистеина:





Ответ: трипептид, состоящий из трех остатков цистеина.
Задача 5. Определите строение вещества, имеющего состав C6H12O3S2N2, если известно, что из него можно получить соединение состава С3Н9O6S2N.

Решение. Конечное соединение содержит в два раза меньше атомов углерода, чем исходное, поэтому можно предположить, что схема реакций включала гидролиз и что исходное вещество – дипептид. Конечное соединение содержит азот и серу, поэтому вероятно, что это – сернокислая соль аминокислоты. Если из формулы С3Н9O6S2N вычесть H2SO4, то получим C3H7O2SN. Это – молекулярная формула аминокислоты цистеина. Если эту формулу умножить на 2 и вычесть Н2O, то получим С6Н12O3S2N2 – формулу исходного соединения.

Таким образом, исходное соединение С6Н12O3S2N2 – дипептид цистеина, конечное соединение С3Н9O6S2N – сульфат цистеина (НS–СН2–СН(NН3НSO4)–СООН).

Сульфат цистеина можно получить из дипептида цистеина в одну стадию путем гидролиза дипептида при нагревании с избытком серной кислоты:

Процесс можно провести в две стадии, если сначала гидролизовать дипептид в щелочной среде, а затем добавить избыток серной кислоты.



Ответ: С6Н12О3S2N2 – дипептид цистеина.

4 Азотсодержащие гетероциклические соединения

В азотсодержащих гетероциклических соединениях атом азота входит в состав цикла. В зависимости от числа атомов в цикле различают пяти– и шестичленные гетероциклы. Важнейший пятичленный гетероцикл – пиррол, шестичленный – пиридин.

В молекуле пиррола неподеленная пара электронов атома азота входит в состав ароматической -электронной системы, поэтому пиррол лишен основных свойств. Напротив, неподеленная пара электронов атома азота в пиридине свободна, поэтому пиридин проявляет свойства слабого основания.

Нуклеиновые кислоты – это природные высокомолекулярные соединения, полинуклеотиды, которые играют огромную роль в хранении и передаче наследственной информации. Молекулярная масса нуклеиновых кислот может меняться от 100 тыс. до 100 млн. Мономерной единицей нуклеиновых кислот являются нуклеотиды.

В состав нуклеотидов входят остатки азотистых оснований, углеводов (-рибозы или -дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Нуклеиновые кислоты, состоящие из рибонуклеотидов, называются рибонуклеиновые кислоты (РНК). Нуклеиновые кислоты, состоящие из дезоксирибонуклеотидов, называются дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, делят на два класса – пиримидиновые и пуриновые основания. Пиримидиновые основания – это производные пиримидина: урацил, тимин, цитозин. Пуриновые основания – это производные пурина: аденин, гуанин.

В состав РНК входят аденин, гуанин, цитозин и урацил. В состав ДНК входят эти же основания, за исключением урацила, который заменяется тимином.

Задачи с решениями
Задача 1. Напишите уравнения трех реакций, в которые может вступать 4-нитропиридин. Предложите способ обнаружения этого соединения в его водно-спиртовом растворе.

Решение. 1) 4-нитропиридин проявляет основные свойства за счет пиридинового атома азота:

2) Нитрогруппа может быть восстановлена железом в кислой среде, образующаяся при этом аминогруппа и азот в пиридиновом кольце реагируют с соляной кислотой:



.

3) При взаимодействии 4-нитропиридина с водородом происходит восстановление нитрогруппы до аминогруппы и гидрирование пиридинового кольца:



.

Обнаружить 4-нитропиридин в водно-спиртовом растворе можно с помощью лакмуса, поскольку раствор имеет слабощелочную среду.


Задача 2. При сжигании образца азотсодержащего гетероциклического соединения, не содержащего заместителей в кольце, образовалось 1,2 л углекислого газа, 0,8 л паров воды и 0,4 л азота (объемы измерялись при одинаковых условиях). Установите возможную структуру этого соединения.

Решение. Общая формула азотсодержащего гетероциклического соединения, не содержащего заместителей в кольце – CxHyNz. Уравнение сгорания имеет вид:

CxHyNz + (х+у/4)O2хСО2 + у/2Н2O + z/2N2.

По закону Авогадро отношение объемов продуктов реакции равно отношению коэффициентов в уравнении реакции, поэтому:

x:у/2:z/2 = 1,2:0,8:0,4 = 3:2:1.

Минимальные значения х, у, z, удовлетворяющие этому соотношению, равны: х = 3, y = 4, z = 2. Молекулярная формула гетероцикла – С3Н4N2. Его можно рассматривать как производное пиррола (C4H5N), в котором группа СН в кольце замещена на атом азота, например имидазол или пиразол:





Ответ: С3Н4N – имидазол или пиразол.

Степанова Наталья Владимировна



ХИМИЯ
Учебно-методический комплект для абитуриентов

Методические рекомендации по выполнению контрольного

задания №10

Редактор Идт Л.И

Подписано в печать 02.07.2001. Формат 60х84 1/16

Усл. п. л. - 0,86. Уч. изд. л. - 1,0

Печать – ризография, множительно - копировальный

аппарат «RISO TR - 1510»


Тираж 50 экз. Заказ 2001-68

Издательство Алтайского государственного

технического университета

655099, г. Барнаул, пр-т. Ленина, 46

Оригинал-макет подготовлен ИВЦ БТИ АлтГТУ
Отпечатано на ИВЦ БТИ АлтГТУ

659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 29





Каталог: lib -> full text
lib -> Нормы сроков службы стартерных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей автотранспортных средств и автопогрузчиков
lib -> Что дает страхование ответственности перевозчика
lib -> Сообщения информационных агентств
full text -> Контрольное задание №2
full text -> Работа на пк в ms-dos
full text -> Учебно-методическое пособие по неорганической химии Алт гос техн ун-т им. И. И. Ползунова, бти. Бийск
full text -> Свойства детонационных наноалмазов
full text -> Методические указания и контрольное задание №1 по английскому языку для студентов заочной формы обучения
full text -> Защита информации включает в себя комплекс мероприятий, направленных на обеспечение информационной безопасности
full text -> Учебно-методическое пособие по неорганической химии Барнаул 1999 Т. И. Немыкина, Т. П. Разгоняева. Галогены: Учебно-методическое пособие по неорганической химии

Скачать 163.73 Kb.

Поделитесь с Вашими друзьями:




База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2022
обратиться к администрации

    Главная страница