ВсОШ 2025, РЭ, 10 класс, №3

Изомеризация алканов

В начале прошлого века в связи с развитием нефтехимии и органической химии исследователи активно определяли термодинамические характеристики простейших органических соединений, главным образом алканов. Немало внимания уделялось реакциям изомеризации, в которых неразветвлённые алканы превращались в разветвлённые изомеры с более высоким октановым числом. Исследования показали, что при низких температурах в смесях преобладают более разветвлённые изомеры.

На схеме представлены термодинамические характеристики взаимопревращений всех изомеров алкана в газовой фазе при ( — в кДж моль, — в Дж моль K).

Полная схема превращений I–XI, величины ΔH и ΔS, все стрелки и переходы ?1 и ?2

Необходимые формулы:

Вопрос 1. Установите молекулярную формулу алкана . Свой ответ обоснуйте.

Формула ; обоснование приведите в полном решении.

Войдите, чтобы проверять ответы

Вопрос 2. Вычислите изменение энтальпии и энтропии в переходах, обозначенных на схеме и .

, кДж·моль.

Войдите, чтобы проверять ответы

, Дж·моль·K.

Войдите, чтобы проверять ответы

, кДж·моль.

Войдите, чтобы проверять ответы

, Дж·моль·K.

Войдите, чтобы проверять ответы

Вопрос 3. Изобразите качественный вид зависимости от температуры для превращений: а) , б) .

Ответ приведите в полном решении в конце задачи.

Вопрос 4. Изобразите качественный вид зависимости константы равновесия от температуры (в удобных для Вас координатах) для превращений: а) , б) .

Ответ приведите в полном решении в конце задачи.

Вопрос 5. Константа равновесия какого из превращений, представленных на схеме, не зависит от температуры? Почему? Чему она равна?

Превращение (запишите, например, I→II); объяснение приведите в полном решении.

Войдите, чтобы проверять ответы

Величина .

Войдите, чтобы проверять ответы

Вопрос 6. Изобразите структурные формулы изомеров –, если известно, что число типов атомов водорода в соединениях , и равно между собой, а число типов атомов углерода в соединениях и также одинаково.

Ответ приведите в полном решении в конце задачи.

Полное решение задачи.

Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.

Фото или PDF, до 20 МБ на файл, до 10 файлов. Ответ проверят вручную.
Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Решение

1. На схеме имеется соединений, поэтому достаточно найти алкан с таким числом изомеров. Это — гептан .

2. Прямой переход эквивалентен переходу , поэтому и перехода могут быть вычислены суммированием функций соответствующих переходов:

Функции перехода могут быть найдены аналогичным образом, а функции обратного перехода имеют противоположный знак. Тогда:

3. Температурная зависимость стандартной энергии Гиббса процесса задаётся уравнением . Зависимость линейная, а наклон графика определяется знаком и величиной . Для превращения , и график будет убывающим; для превращения , и график будет возрастающим:

Зависимости стандартной энергии Гиббса от температуры для VI → VII и X → XI; все оси и подписи

4. Температурная зависимость константы равновесия задаётся уравнением , которое обычно линеаризуют в координатах — : .

Характер изменения константы равновесия с температурой определяется знаком и величиной : при положительных значениях константа равновесия будет расти с температурой, при отрицательных — падать. В координатах — будут наблюдаться линейные убывающая и возрастающая зависимости соответственно:

Зависимости K от T для VI → VII и X → XI; все оси и подписи

Зависимости ln K от 1/T для VI → VII и X → XI; все оси и подписи

5. Константа равновесия не будет зависеть от температуры, если . Такое значение имеет энтальпия реакции . Так как также равна нулю, при любой температуре, что даёт .

6. Для удобства анализа запишем формулы структурных изомеров гептана:

Структурные изомеры гептана 1–11 со стереохимией и исходной нумерацией

Как отмечалось ранее, превращение в характеризуется нулевыми изменениями энтальпии и энтропии. Такое возможно, если исходное и конечное вещество абсолютно идентичны по термодинамическим характеристикам, что наблюдается в случае оптических изомеров (или энантиомеров) — соединений, молекулы которых представляют собой зеркальные отражения друг друга, не совмещаемые в пространстве.

Также отметим, что переходы под номерами и характеризуются идентичными по величине, но разными по знаку функциями. Это говорит о том, что переход в также соответствует превращению одного энантиомера в другой. Таким образом, в правом верхнем углу схемы сосредоточены превращения энантиомеров.

В случае изомеров гептана к образованию энантиомеров способны -метилгексан и -диметилпентан. Чтобы приписать пары , и , -метилгексану и -диметилпентану, проанализируем знаки и величину термодинамических функций. -диметилпентан — более замещённый алкан, который должен обладать большей стабильностью с точки зрения энтальпии. Указание на это есть в первом абзаце условия: если в смесях изомерных алканов при низких температурах преобладают разветвлённые изомеры, значит, их образование более выгодно с точки зрения энтальпии (энтропийный фактор при низких температурах незначителен). Наличие разветвлений делает молекулу более компактной (и часто — более симметричной) и уменьшает её энтропию. Тогда для превращения -метилгексана в -диметилпентан изменение как энтальпии, так и энтропии должно быть отрицательным. Тогда и — и изомеры -метилгексана, а и — и изомеры -диметилпентана. Провести точное соотнесение оптических изомеров по имеющейся информации не представляется возможным.

-метилгексан отличается от изомерного -метилгексана только положением метильной группы, что должно обуславливать небольшое различие в энтальпии образования. Близкими энтальпийными характеристиками также должен обладать -этилпентан. Таким образом, среди оставшихся соединений имеет смысл поискать те, для которых энтальпия перехода в или близка к нулю. Лучше всего этом условию удовлетворяют вещества и :

Чтобы провести соотнесение букв со структурами, обратимся к энтропиям перехода:

Структура -этилпентана более симметрична, поэтому её образование должно сопровождаться убылью энтропии. Тогда — -этилпентан, — -метилгексан.

Наименьшей стабильностью с точки зрения энтальпии среди соединений на схеме обладает вещество , которым может быть н-гептан. Одно разветвление (то есть замена двух вторичных групп третичной и первичной), если судить по переходу в , даёт выигрыш порядка , а энтальпия перехода в приблизительно вдвое больше, что подтверждает гипотезу.

Стоит ожидать, что энтальпия -диметилпентана будет близка к энтальпии уже отгаданного -диметилпентана, поскольку эти вещества различаются только положением метильной группы. Близости в энтальпиях стоит ожидать и для -диметилпентана и -диметилпентана. Больше всего будут выделяться -триметилбутан и уже обнаруженный н-гептан.

Незначительными изменениями энтальпии характеризуются переходы в () и в (). Следовательно, или может быть -диметилпентаном. Однако изменение энтропии в этих переходах не позволяет сделать однозначный выбор. Для установления структур оставшихся соединений найдём число типов атомов водорода в пока не идентифицированных изомерах гептана:

Изомер Типов Типов

Резко выбивается по характеристикам изомер — -диметилпентан. Это вещество . Среди оставшихся изомеров под номером имеет непохожее на другие число типов атомов углерода — это — -диметилпентан. Одинаковые по представленным в таблице характеристикам изомеры и должны соответствовать оставшимся веществам и . Превращение в экзотермично, что возможно в случае разветвления углеродного скелета. Тогда — -диметилпентан, а — -триметилбутан.

Таким образом, зашифрованные молекулы имеют следующие структуры:

Соотнесённые структуры I–XI, включая пары энантиомеров IV–V и III/VI

1

Брутто-формула (без указания на соответствие числа изомеров — б).

1.5
2

Расчёт , , , по балла (неверный знак — баллов).

2
3

Вопрос : верные графические зависимости по баллу.

2
4

Вопрос : верные графические зависимости по баллу.

2
5

Указание на реакцию — балл (без объяснения б). Величина — балл.

2
6

Структурные формулы изомеров – по балла.

5.5
Максимум: 15

Похожие задачи

ВсОШ 2026, региональный этап, 10 класс, задача 5

Властелин колец «Не доверяй своей голове, Сэмуайз, это далеко не лучшее, что у тебя есть!» (с) Гэндальф. Дж. Р. Р. Толкин, «Властелин колец» Вещества I–VI относятся к одному классу соединений, хотя химические свойства некоторых из них заметно отличаются друг от друга. Все они могут быть получены из

ВсОШ 2026, региональный этап, 11 класс, задача 3

Растворимость mathrm{CO2} в воде и в море Растворение углекислого газа в воде играет важную роль не только в пищевой промышленности, но и в формировании всей экосистемы Земли. Изучим этот процесс с точки зрения термодинамики и кинетики. В табл. 1 приведены экспериментальные данные. Таблиц

ВсОШ 2025, РЭ, 10 класс, №5

Изомерные органические соединения mathrm{I-V} представляют собой бесцветные жидкости с различными температурами кипения (см. таблицу ниже) и плотностью паров ниже плотности криптона. Масса воды, образующейся при сжигании любого из этих веществ в кислороде, с высокой точностью равна массе исходной на

ВсОШ 2024, РЭ, 10 класс, №3

Студент второго курса химфака Петя осторожно постучал в дверь кабинета старого и недоброго преподавателя Василия Ивановича. Можно? Заметив нерадивого студента, Василий Иванович тяжело вздохнул: Входи. Покопавшись в ящике стола, он достал несложную задачу по аналитической химии. Петя приходил пересда