IChO 1974 · Theory problem 1
From electrolytic hydrogen to methyl orange
By electrochemical decomposition of water, there are in an electric circuit a voltmeter, platinum electrodes and a battery containing ten galvanic cells connected in series, each of it having the voltage of 1.5 V and internal resistance of 0.4 Ω. The resistance of the voltmeter is 0.5 Ω and the polarisation voltage of the battery is 1.5 V. Electric current flows for 8 hours, 56 minutes and 7 seconds through the electrolyte. Hydrogen obtained in this way was used for a synthesis with another substance, thus forming a gaseous substance A which can be converted by oxidation with oxygen via oxide to substance B.
By means of substance B it is possible to prepare substance C from which after reduction by hydrogen substance D can be obtained. Substance D reacts at 180 °C with a concentration solution of sulphuric acid to produce sulphanilic acid. By diazotization and successive copulation with p-N,N-dimethylaniline, an azo dye, methyl orange is formed.
Problems:
- Write chemical equations for all the above mentioned reactions.
- Calculate the mass of product D.
- Give the exact chemical name for the indicator methyl orange. Show by means of structural formulas what changes take place in dependence on concentration of \(\ce{H3O+}\) ions in the solution.
Relative atomic masses: \(A_\mathrm{r}(\ce{N}) = 14;\quad A_\mathrm{r}(\ce{O}) = 16;\quad A_\mathrm{r}(\ce{C}) = 12;\quad A_\mathrm{r}(\ce{H}) = 1.\)
Official English text of the problem.
Answers
- The substances are:
| Label | Identity | SMILES |
|---|---|---|
| A | Ammonia, \(\ce{NH3}\) | N |
| B | Nitric acid, \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| C | Nitrobenzene, \(\ce{C6H5NO2}\) | O=[N+]([O-])c1ccccc1 |
| D | Aniline, \(\ce{C6H5NH2}\) | Nc1ccccc1 |
Aniline is sulfonated to sulfanilic acid, which is diazotized and coupled with N,N-dimethylaniline to give methyl orange. All balanced equations appear in Solution 1.
-
\(\boxed{m(\mathbf D)\approx31\ \mathrm{g}}\), assuming quantitative conversion and an additional hydrogen supply for the reduction of C.
-
Methyl orange is sodium 4-{[4-(dimethylamino)phenyl]diazenyl}benzenesulfonate, also called sodium 4-[(4-dimethylaminophenyl)azo]benzenesulfonate. Its usual \(E\) form has SMILES
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+].
Its azo anion is yellow; increasing the hydronium concentration produces the red protonated form, whose resonance contributors are shown in Solution 3.
Solution
1. Identification and balanced reaction equations
Working backwards, sulfanilic acid is an aniline derivative with a sulfonic acid group para to the amino group. Therefore D is aniline. Hydrogenation of nitrobenzene gives aniline, identifying C. Nitrobenzene can be prepared by nitrating benzene with nitric acid, identifying B. Finally, ammonia is synthesized from hydrogen and nitrogen and can be oxidized through nitrogen oxides to nitric acid, identifying A.
Electrolysis of water. Water (O) produces hydrogen ([H][H]) and oxygen (O=O). Using the conventional aqueous proton notation, \(\ce{H+}\) ([H+]), the electrode reactions are
\[ \begin{aligned} \text{Cathode:}\qquad &\ce{2H+ + 2e- -> H2},\\ \text{Anode:}\qquad &\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \end{aligned} \]
Thus,
\[ \boxed{\ce{2H2O -> 2H2 + O2}}. \]
The proton notation suppresses its hydration in water.
Synthesis of ammonia, A. Hydrogen reacts with nitrogen (N#N), using an iron catalyst at elevated temperature and pressure:
\[ \boxed{\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}}. \]
Conversion of A into nitric acid, B. Catalytic oxidation first gives nitrogen monoxide ([N]=O), which is oxidized further to nitrogen dioxide (O=[N+][O-]):
\[ \ce{4NH3 + 5O2 ->[Pt] 4NO + 6H2O}, \]
\[ \ce{2NO + O2 -> 2NO2}. \]
Absorption in water gives nitric acid and regenerates nitrogen monoxide:
\[ \ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}. \]
The regenerated nitrogen monoxide is reoxidized. Consequently, absorption with sufficient oxygen has the overall equation
\[ \ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}. \]
The net conversion of ammonia into nitric acid is therefore
\[ \boxed{\ce{NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}}. \]
Preparation of nitrobenzene, C. Benzene (c1ccccc1) is nitrated with nitric acid in the presence of concentrated sulfuric acid (OS(=O)(=O)O):
\[ \boxed{\ce{C6H6 + HNO3 ->[H2SO4] C6H5NO2 + H2O}}. \]
Reduction to aniline, D. Catalytic hydrogenation, for example over nickel, gives
\[ \boxed{\ce{C6H5NO2 + 3H2 ->[Ni] C6H5NH2 + 2H2O}}. \]
Sulfonation of aniline. Heating with concentrated sulfuric acid at \(180\,^\circ\mathrm C\) produces sulfanilic acid, or 4-aminobenzenesulfonic acid: Nc1ccc(S(=O)(=O)O)cc1.
\[ \boxed{\ce{C6H5NH2 + H2SO4 -> H2N-C6H4-SO3H + H2O}}. \]
The amino and sulfonic acid groups occupy positions 1 and 4. Sulfanilic acid commonly exists as the zwitterion [NH3+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1; the equation above uses its neutral structural representation.
Diazotization. Nitrous acid (O=NO) converts the amino group into a diazonium group in acidic solution at approximately \(0\text{–}5\,^\circ\mathrm C\). The product is 4-diazoniobenzenesulfonate, an inner salt: N#[N+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1.
Its balanced net formation is
\[ \boxed{ \ce{H2N-C6H4-SO3H + HNO2 -> ^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + 2H2O} }. \]
The diazonium and sulfonate groups remain para to each other.
Azo coupling and formation of methyl orange. N,N-Dimethylaniline (CN(C)c1ccccc1) couples at the carbon para to its dimethylamino group. Coupling followed by neutralization with sodium hydroxide ([Na+].[OH-]) has the combined equation
\[ \boxed{ \begin{aligned} &\ce{^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + C6H5-N(CH3)2 + NaOH}\\ &\qquad\ce{-> NaO3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2 + H2O}. \end{aligned} } \]
Both benzene rings in the product are para-disubstituted. The product is the sodium salt methyl orange identified in Answer 3.
2. Mass of aniline
Treating the stated resistances as series resistances, the total electromotive force and resistance are
\[ \mathcal E=10(1.5\ \mathrm V)=15\ \mathrm V, \]
\[ R=10(0.4\ \Omega)+0.5\ \Omega=4.5\ \Omega. \]
The polarization voltage opposes the applied electromotive force. Hence
\[ I=\frac{\mathcal E-E_{\mathrm{pol}}}{R} =\frac{15-1.5}{4.5} =3.0\ \mathrm A. \]
The electrolysis time is
\[ t=8(3600)+56(60)+7=32167\ \mathrm s. \]
Therefore the charge passed is
\[ Q=It=(3.0\ \mathrm A)(32167\ \mathrm s) =96501\ \mathrm C. \]
Using the standard Faraday constant \(F\approx96500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\), and assuming complete current efficiency, two moles of electrons produce one mole of hydrogen:
\[ n(\ce{H2})=\frac{Q}{2F} =\frac{96501}{2(96500)} \approx0.500\ \mathrm{mol}. \]
Ammonia synthesis gives
\[ n(\ce{NH3})=\frac23n(\ce{H2}) \approx\frac13\ \mathrm{mol}. \]
The subsequent stoichiometric relationships are
\[ n(\ce{NH3}) =n(\ce{HNO3}) =n(\ce{C6H5NO2}) =n(\ce{C6H5NH2}), \]
assuming quantitative conversion, adequate other reagents, and additional hydrogen for the nitrobenzene reduction.
Aniline has molecular formula \(\ce{C6H7N}\), so
\[ M(\ce{C6H7N}) =6(12)+7(1)+14 =93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Thus,
\[ \boxed{ m(\mathbf D) =\left(\frac13\ \mathrm{mol}\right) \left(93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) \approx31\ \mathrm g }. \]
3. Methyl orange: name, structures and indicator equilibrium
The exact chemical name is sodium 4-{[4-(dimethylamino)phenyl]diazenyl}benzenesulfonate, with the usual \(E\) azo configuration:
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+].
The sodium ion, \(\ce{Na+}\) ([Na+]), is a spectator. Omitting it, the yellow methyl-orange anion is
\[ \boxed{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}} \]
with SMILES CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.
Hydronium, \(\ce{H3O+}\) ([OH3+]), protonates the azo nitrogen attached to the sulfonated ring:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{yellow}} +\ce{H3O+}\\ &\qquad\rightleftharpoons \underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{red protonated form}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
This protonated methyl-orange zwitterion has the azo-form SMILES
CN(C)c1ccc(/N=[NH+]/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.
Its positive charge is delocalized. An important alternative resonance contributor is the para-quinoid form:
\[ \ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2} \;\longleftrightarrow\; \ce{^{-}O3S-C6H4-NH-N=C6H4=N^{+}(CH3)2}. \]
The para-quinoid resonance contributor of protonated methyl orange has SMILES
C[N+](C)=C1C=CC(=NNc2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)C=C1.
To draw this contributor precisely, keep the sulfonated ring aromatic. In the other ring, place the azo-derived nitrogen at carbon 1 and the dimethylamino nitrogen at carbon 4. Draw exocyclic double bonds from these two carbons to their respective nitrogens, and internal ring double bonds between carbons 2–3 and 5–6. The dimethylamino nitrogen carries the positive charge; the proton remains on the nitrogen attached to the sulfonated ring.
These are resonance contributors of the same protonated species. SMILES records each contributor separately; it does not itself show the delocalization of electrons between them.
Consequently:
- Increasing \([\ce{H3O+}]\) favors the protonated form and gives a red solution.
- Decreasing \([\ce{H3O+}]\) favors the azo anion and gives a yellow solution.
- Intermediate proportions produce the orange transition color.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1974 · Theorieaufgabe 1
Vom elektrolytisch gewonnenen Wasserstoff zum Methylorange
Bei der elektrochemischen Zersetzung von Wasser befinden sich in einem Stromkreis ein Voltmeter, Platinelektroden und eine Batterie aus zehn in Reihe geschalteten galvanischen Zellen, von denen jede eine Spannung von 1.5 V und einen Innenwiderstand von 0.4 Ω aufweist. Der Widerstand des Voltmeters beträgt 0.5 Ω und die Polarisationsspannung der Batterie 1.5 V. Durch den Elektrolyten fließt 8 Stunden, 56 Minuten und 7 Sekunden lang elektrischer Strom. Der auf diese Weise gewonnene Wasserstoff wurde für eine Synthese mit einem anderen Stoff verwendet, wobei ein gasförmiger Stoff A entstand, der durch Oxidation mit Sauerstoff über ein Oxid in den Stoff B überführt werden kann.
Mithilfe des Stoffes B lässt sich der Stoff C herstellen, aus dem durch Reduktion mit Wasserstoff der Stoff D gewonnen werden kann. Der Stoff D reagiert bei 180 °C mit konzentrierter Schwefelsäurelösung zu Sulfanilsäure. Durch Diazotierung und anschließende Kupplung mit p-N,N-Dimethylanilin entsteht der Azofarbstoff Methylorange.
Aufgaben:
- Stellen Sie die chemischen Gleichungen für alle oben genannten Reaktionen auf.
- Berechnen Sie die Masse des Produkts D.
- Geben Sie den genauen chemischen Namen des Indikators Methylorange an. Zeigen Sie anhand von Strukturformeln, welche Veränderungen in Abhängigkeit von der Konzentration der \(\ce{H3O+}\)-Ionen in der Lösung stattfinden.
Relative Atommassen: \(A_\mathrm{r}(\ce{N}) = 14;\quad A_\mathrm{r}(\ce{O}) = 16;\quad A_\mathrm{r}(\ce{C}) = 12;\quad A_\mathrm{r}(\ce{H}) = 1.\)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- Die Stoffe sind:
| Bezeichnung | Stoff | SMILES |
|---|---|---|
| A | Ammoniak, \(\ce{NH3}\) | N |
| B | Salpetersäure, \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| C | Nitrobenzol, \(\ce{C6H5NO2}\) | O=[N+]([O-])c1ccccc1 |
| D | Anilin, \(\ce{C6H5NH2}\) | Nc1ccccc1 |
Anilin wird zu Sulfanilsäure sulfoniert, die diazotiert und mit N,N-Dimethylanilin zu Methylorange gekuppelt wird. Alle ausgeglichenen Gleichungen stehen in Lösung 1.
-
\(\boxed{m(\mathbf D)\approx31\ \mathrm{g}}\), unter der Annahme eines quantitativen Umsatzes und einer zusätzlichen Wasserstoffzufuhr für die Reduktion von C.
-
Methylorange ist Natrium-4-{[4-(dimethylamino)phenyl]diazenyl}benzolsulfonat, auch Natrium-4-[(4-dimethylaminophenyl)azo]benzolsulfonat genannt. Seine übliche \(E\)-Form hat den SMILES-Code
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+].
Sein Azo-Anion ist gelb; eine Erhöhung der Oxoniumionenkonzentration führt zur roten protonierten Form, deren mesomere Grenzstrukturen in Lösung 3 dargestellt sind.
Lösung
1. Identifizierung und ausgeglichene Reaktionsgleichungen
Ausgehend vom Ende der Reaktionsfolge ist Sulfanilsäure ein Anilinderivat mit einer Sulfonsäuregruppe in para-Stellung zur Aminogruppe. Daher ist D Anilin. Die Hydrierung von Nitrobenzol ergibt Anilin, womit C identifiziert ist. Nitrobenzol lässt sich durch Nitrierung von Benzol mit Salpetersäure herstellen, womit B identifiziert ist. Schließlich wird Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff synthetisiert und kann über Stickstoffoxide zu Salpetersäure oxidiert werden, womit A identifiziert ist.
Elektrolyse von Wasser. Aus Wasser (O) entstehen Wasserstoff ([H][H]) und Sauerstoff (O=O). Unter Verwendung der üblichen Schreibweise für Protonen in wässriger Lösung, \(\ce{H+}\) ([H+]), lauten die Elektrodenreaktionen
\[ \begin{aligned} \text{Kathode:}\qquad &\ce{2H+ + 2e- -> H2},\\ \text{Anode:}\qquad &\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \end{aligned} \]
Damit gilt:
\[ \boxed{\ce{2H2O -> 2H2 + O2}}. \]
Bei dieser Schreibweise für das Proton wird seine Hydratation in Wasser nicht dargestellt.
Synthese von Ammoniak, A. Wasserstoff reagiert mit Stickstoff (N#N) an einem Eisenkatalysator bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck:
\[ \boxed{\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}}. \]
Umwandlung von A in Salpetersäure, B. Bei der katalytischen Oxidation entsteht zunächst Stickstoffmonoxid ([N]=O), das weiter zu Stickstoffdioxid (O=[N+][O-]) oxidiert wird:
\[ \ce{4NH3 + 5O2 ->[Pt] 4NO + 6H2O}, \]
\[ \ce{2NO + O2 -> 2NO2}. \]
Bei der Absorption in Wasser entsteht Salpetersäure, und Stickstoffmonoxid wird zurückgebildet:
\[ \ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}. \]
Das zurückgebildete Stickstoffmonoxid wird erneut oxidiert. Folglich lautet die Gesamtgleichung der Absorption bei ausreichender Sauerstoffzufuhr
\[ \ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}. \]
Die Nettoumsetzung von Ammoniak zu Salpetersäure lautet daher
\[ \boxed{\ce{NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}}. \]
Herstellung von Nitrobenzol, C. Benzol (c1ccccc1) wird mit Salpetersäure in Gegenwart konzentrierter Schwefelsäure (OS(=O)(=O)O) nitriert:
\[ \boxed{\ce{C6H6 + HNO3 ->[H2SO4] C6H5NO2 + H2O}}. \]
Reduktion zu Anilin, D. Die katalytische Hydrierung, beispielsweise an Nickel, ergibt
\[ \boxed{\ce{C6H5NO2 + 3H2 ->[Ni] C6H5NH2 + 2H2O}}. \]
Sulfonierung von Anilin. Beim Erhitzen mit konzentrierter Schwefelsäure auf \(180\,^\circ\mathrm C\) entsteht Sulfanilsäure, auch 4-Aminobenzolsulfonsäure genannt: Nc1ccc(S(=O)(=O)O)cc1.
\[ \boxed{\ce{C6H5NH2 + H2SO4 -> H2N-C6H4-SO3H + H2O}}. \]
Die Amino- und die Sulfonsäuregruppe besetzen die Positionen 1 und 4. Sulfanilsäure liegt gewöhnlich als Zwitterion [NH3+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1 vor; in der obigen Gleichung wird ihre neutrale Strukturformel verwendet.
Diazotierung. Salpetrige Säure (O=NO) wandelt die Aminogruppe in saurer Lösung bei etwa \(0\text{–}5\,^\circ\mathrm C\) in eine Diazoniumgruppe um. Das Produkt ist 4-Diazoniobenzolsulfonat, ein inneres Salz: N#[N+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1.
Die ausgeglichene Nettogleichung seiner Bildung lautet
\[ \boxed{ \ce{H2N-C6H4-SO3H + HNO2 -> ^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + 2H2O} }. \]
Die Diazonium- und die Sulfonatgruppe bleiben in para-Stellung zueinander.
Azokupplung und Bildung von Methylorange. N,N-Dimethylanilin (CN(C)c1ccccc1) kuppelt am Kohlenstoffatom in para-Stellung zu seiner Dimethylaminogruppe. Für die Kupplung mit anschließender Neutralisation durch Natriumhydroxid ([Na+].[OH-]) gilt die zusammengefasste Gleichung
\[ \boxed{ \begin{aligned} &\ce{^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + C6H5-N(CH3)2 + NaOH}\\ &\qquad\ce{-> NaO3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2 + H2O}. \end{aligned} } \]
Beide Benzolringe im Produkt sind para-disubstituiert. Das Produkt ist das in Antwort 3 identifizierte Natriumsalz Methylorange.
2. Masse des Anilins
Werden die angegebenen Widerstände als in Reihe geschaltete Widerstände behandelt, so betragen die gesamte elektromotorische Kraft und der Gesamtwiderstand
\[ \mathcal E=10(1.5\ \mathrm V)=15\ \mathrm V, \]
\[ R=10(0.4\ \Omega)+0.5\ \Omega=4.5\ \Omega. \]
Die Polarisationsspannung wirkt der angelegten elektromotorischen Kraft entgegen. Daher gilt
\[ I=\frac{\mathcal E-E_{\mathrm{pol}}}{R} =\frac{15-1.5}{4.5} =3.0\ \mathrm A. \]
Die Elektrolysedauer beträgt
\[ t=8(3600)+56(60)+7=32167\ \mathrm s. \]
Die geflossene Ladung beträgt somit
\[ Q=It=(3.0\ \mathrm A)(32167\ \mathrm s) =96501\ \mathrm C. \]
Unter Verwendung des üblichen Wertes der Faraday-Konstante \(F\approx96500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\) und unter Annahme einer vollständigen Stromausbeute erzeugen zwei Mol Elektronen ein Mol Wasserstoff:
\[ n(\ce{H2})=\frac{Q}{2F} =\frac{96501}{2(96500)} \approx0.500\ \mathrm{mol}. \]
Die Ammoniaksynthese ergibt
\[ n(\ce{NH3})=\frac23n(\ce{H2}) \approx\frac13\ \mathrm{mol}. \]
Für die anschließenden Schritte gelten die stöchiometrischen Beziehungen
\[ n(\ce{NH3}) =n(\ce{HNO3}) =n(\ce{C6H5NO2}) =n(\ce{C6H5NH2}), \]
unter der Annahme eines quantitativen Umsatzes, ausreichender Mengen der übrigen Reagenzien und zusätzlichen Wasserstoffs für die Reduktion des Nitrobenzols.
Anilin hat die Summenformel \(\ce{C6H7N}\), daher gilt
\[ M(\ce{C6H7N}) =6(12)+7(1)+14 =93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Somit gilt:
\[ \boxed{ m(\mathbf D) =\left(\frac13\ \mathrm{mol}\right) \left(93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) \approx31\ \mathrm g }. \]
3. Methylorange: Name, Strukturen und Indikatorgleichgewicht
Der genaue chemische Name lautet Natrium-4-{[4-(dimethylamino)phenyl]diazenyl}benzolsulfonat, mit der üblichen \(E\)-Konfiguration der Azogruppe:
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+].
Das Natriumion, \(\ce{Na+}\) ([Na+]), ist ein Zuschauerion. Lässt man es weg, so lautet die Strukturformel des gelben Methylorange-Anions
\[ \boxed{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}} \]
mit dem SMILES-Code CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.
Das Oxoniumion, \(\ce{H3O+}\) ([OH3+]), protoniert das an den sulfonierten Ring gebundene Stickstoffatom der Azogruppe:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{gelb}} +\ce{H3O+}\\ &\qquad\rightleftharpoons \underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{rote protonierte Form}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
Dieses protonierte Methylorange-Zwitterion hat in der Azoform den SMILES-Code
CN(C)c1ccc(/N=[NH+]/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.
Seine positive Ladung ist delokalisiert. Eine wichtige alternative mesomere Grenzstruktur ist die para-chinoide Form:
\[ \ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2} \;\longleftrightarrow\; \ce{^{-}O3S-C6H4-NH-N=C6H4=N^{+}(CH3)2}. \]
Die para-chinoide mesomere Grenzstruktur des protonierten Methylorange hat den SMILES-Code
C[N+](C)=C1C=CC(=NNc2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)C=C1.
Um diese Grenzstruktur genau zu zeichnen, belassen Sie den sulfonierten Ring in aromatischer Form. Ordnen Sie im anderen Ring das aus der Azogruppe stammende Stickstoffatom am Kohlenstoffatom 1 und das Stickstoffatom der Dimethylaminogruppe am Kohlenstoffatom 4 an. Zeichnen Sie exocyclische Doppelbindungen von diesen beiden Kohlenstoffatomen zu den jeweiligen Stickstoffatomen sowie Doppelbindungen innerhalb des Rings zwischen den Kohlenstoffatomen 2–3 und 5–6. Das Stickstoffatom der Dimethylaminogruppe trägt die positive Ladung; das Proton verbleibt am Stickstoffatom, das an den sulfonierten Ring gebunden ist.
Dies sind mesomere Grenzstrukturen derselben protonierten Spezies. SMILES erfasst jede Grenzstruktur einzeln; die Delokalisierung der Elektronen zwischen ihnen wird dadurch selbst nicht dargestellt.
Daraus folgt:
- Eine Erhöhung von \([\ce{H3O+}]\) begünstigt die protonierte Form und ergibt eine rote Lösung.
- Eine Verringerung von \([\ce{H3O+}]\) begünstigt das Azo-Anion und ergibt eine gelbe Lösung.
- Bei mittleren Anteilen entsteht die orange Umschlagsfarbe.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1974 · Teori sorusu 1
Elektrolizle elde edilen hidrojenden metil oranja
Suyun elektrokimyasal olarak ayrıştırıldığı bir elektrik devresinde bir voltmetre, platin elektrotlar ve her biri 1.5 V gerilime ve 0.4 Ω iç dirence sahip, seri bağlanmış on galvanik hücreden oluşan bir batarya bulunmaktadır. Voltmetrenin direnci 0.5 Ω ve bataryanın polarizasyon gerilimi 1.5 V'tur. Elektrolitten 8 saat, 56 dakika ve 7 saniye boyunca elektrik akımı geçer. Bu yolla elde edilen hidrojen, başka bir maddeyle bir sentez tepkimesinde kullanılarak gaz hâlindeki A maddesi oluşturulur; bu madde, oksijenle yükseltgenerek oksit üzerinden B maddesine dönüştürülebilir.
B maddesi kullanılarak C maddesi hazırlanabilir ve bu maddenin hidrojenle indirgenmesiyle D maddesi elde edilebilir. D maddesi, 180 °C'de derişik sülfürik asit çözeltisiyle tepkimeye girerek sülfanilik asit oluşturur. Diazolama ve ardından p-N,N-dimetilanilin ile kenetlenme sonucunda bir azo boyası olan metil oranj oluşur.
Sorular:
- Yukarıda sözü edilen tüm tepkimelerin kimyasal denklemlerini yazınız.
- D ürününün kütlesini hesaplayınız.
- Metil oranj indikatörünün tam kimyasal adını veriniz. Çözeltideki \(\ce{H3O+}\) iyonlarının derişimine bağlı olarak hangi değişikliklerin gerçekleştiğini yapı formülleriyle gösteriniz.
Bağıl atom kütleleri: \(A_\mathrm{r}(\ce{N}) = 14;\quad A_\mathrm{r}(\ce{O}) = 16;\quad A_\mathrm{r}(\ce{C}) = 12;\quad A_\mathrm{r}(\ce{H}) = 1.\)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- Maddeler şunlardır:
| Etiket | Madde | SMILES |
|---|---|---|
| A | Amonyak, \(\ce{NH3}\) | N |
| B | Nitrik asit, \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| C | Nitrobenzen, \(\ce{C6H5NO2}\) | O=[N+]([O-])c1ccccc1 |
| D | Anilin, \(\ce{C6H5NH2}\) | Nc1ccccc1 |
Anilin sülfolanarak sülfanilik aside dönüştürülür; bu asit diazolanır ve N,N-dimetilanilin ile kenetlenerek metil oranjı verir. Tüm denkleştirilmiş denklemler Çözüm 1'de yer almaktadır.
-
Dönüşümün nicel olduğu ve C'nin indirgenmesi için ek hidrojen sağlandığı varsayımıyla, \(\boxed{m(\mathbf D)\approx31\ \mathrm{g}}\).
-
Metil oranj, sodyum 4-{[4-(dimetilamino)fenil]diazenil}benzensülfonat olup sodyum 4-[(4-dimetilaminofenil)azo]benzensülfonat olarak da adlandırılır. Yaygın \(E\) biçiminin SMILES gösterimi şöyledir:
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+].
Azo anyonu sarıdır; hidronyum derişiminin artması, rezonans katkı yapıları Çözüm 3'te gösterilen kırmızı protonlanmış biçimi oluşturur.
Çözüm
1. Maddelerin belirlenmesi ve denkleştirilmiş tepkime denklemleri
Sondan başa doğru gidildiğinde, sülfanilik asit, amino grubuna göre para konumunda bir sülfonik asit grubu taşıyan bir anilin türevidir. Dolayısıyla D, anilindir. Nitrobenzenin hidrojenlenmesi anilin verir; böylece C belirlenir. Nitrobenzen, benzenin nitrik asitle nitrolanmasıyla hazırlanabilir; böylece B belirlenir. Son olarak amonyak, hidrojen ve azottan sentezlenir ve azot oksitleri üzerinden nitrik aside yükseltgenebilir; böylece A belirlenir.
Suyun elektrolizi. Su (O), hidrojen ([H][H]) ve oksijen (O=O) oluşturur. Sulu çözeltide proton için kullanılan geleneksel \(\ce{H+}\) ([H+]) gösterimiyle elektrot tepkimeleri şöyledir:
\[ \begin{aligned} \text{Katot:}\qquad &\ce{2H+ + 2e- -> H2},\\ \text{Anot:}\qquad &\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \end{aligned} \]
Böylece,
\[ \boxed{\ce{2H2O -> 2H2 + O2}}. \]
Bu proton gösteriminde protonun sudaki hidratasyonu belirtilmez.
Amonyak, A'nın sentezi. Hidrojen, yüksek sıcaklık ve basınçta demir katalizör kullanılarak azotla (N#N) tepkimeye girer:
\[ \boxed{\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}}. \]
A'nın nitrik asit, B'ye dönüştürülmesi. Katalitik yükseltgenme önce azot monoksit ([N]=O) verir; bu da daha ileri yükseltgenerek azot dioksite (O=[N+][O-]) dönüşür:
\[ \ce{4NH3 + 5O2 ->[Pt] 4NO + 6H2O}, \]
\[ \ce{2NO + O2 -> 2NO2}. \]
Suda soğurulma, nitrik asit oluşturur ve azot monoksiti yeniden meydana getirir:
\[ \ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}. \]
Yeniden oluşan azot monoksit tekrar yükseltgenir. Dolayısıyla yeterli oksijen varlığında soğurulmanın toplam denklemi şöyledir:
\[ \ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}. \]
Buna göre amonyağın nitrik aside net dönüşümü şöyledir:
\[ \boxed{\ce{NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}}. \]
Nitrobenzen, C'nin hazırlanması. Benzen (c1ccccc1), derişik sülfürik asit (OS(=O)(=O)O) varlığında nitrik asitle nitrolanır:
\[ \boxed{\ce{C6H6 + HNO3 ->[H2SO4] C6H5NO2 + H2O}}. \]
Anilin, D'ye indirgenme. Örneğin nikel üzerinde gerçekleştirilen katalitik hidrojenleme şu tepkimeyi verir:
\[ \boxed{\ce{C6H5NO2 + 3H2 ->[Ni] C6H5NH2 + 2H2O}}. \]
Anilinin sülfolanması. Derişik sülfürik asitle \(180\,^\circ\mathrm C\)'de ısıtma, sülfanilik asit, diğer adıyla 4-aminobenzensülfonik asit oluşturur: Nc1ccc(S(=O)(=O)O)cc1.
\[ \boxed{\ce{C6H5NH2 + H2SO4 -> H2N-C6H4-SO3H + H2O}}. \]
Amino ve sülfonik asit grupları 1 ve 4 konumlarında bulunur. Sülfanilik asit genellikle [NH3+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1 zwitteriyonu hâlinde bulunur; yukarıdaki denklemde nötr yapı gösterimi kullanılmıştır.
Diazolama. Nitröz asit (O=NO), yaklaşık \(0\text{–}5\,^\circ\mathrm C\)'de asidik çözeltide amino grubunu bir diazonyum grubuna dönüştürür. Ürün, bir iç tuz olan 4-diazonyobenzensülfonattır: N#[N+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1.
Denkleştirilmiş net oluşum tepkimesi şöyledir:
\[ \boxed{ \ce{H2N-C6H4-SO3H + HNO2 -> ^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + 2H2O} }. \]
Diazonyum ve sülfonat grupları birbirlerine göre para konumunda kalır.
Azo kenetlenmesi ve metil oranj oluşumu. N,N-Dimetilanilin (CN(C)c1ccccc1), dimetilamino grubuna göre para konumundaki karbon atomundan kenetlenir. Kenetlenme ve ardından sodyum hidroksitle ([Na+].[OH-]) nötralleşmenin birleşik denklemi şöyledir:
\[ \boxed{ \begin{aligned} &\ce{^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + C6H5-N(CH3)2 + NaOH}\\ &\qquad\ce{-> NaO3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2 + H2O}. \end{aligned} } \]
Üründeki her iki benzen halkası da para-disübstitüedir. Ürün, Cevap 3'te tanımlanan sodyum tuzu metil oranjdır.
2. Anilinin kütlesi
Verilen dirençler seri bağlı dirençler olarak ele alındığında, toplam elektromotor kuvvet ve direnç şöyledir:
\[ \mathcal E=10(1.5\ \mathrm V)=15\ \mathrm V, \]
\[ R=10(0.4\ \Omega)+0.5\ \Omega=4.5\ \Omega. \]
Polarizasyon gerilimi, uygulanan elektromotor kuvvete karşı koyar. Dolayısıyla
\[ I=\frac{\mathcal E-E_{\mathrm{pol}}}{R} =\frac{15-1.5}{4.5} =3.0\ \mathrm A. \]
Elektroliz süresi şöyledir:
\[ t=8(3600)+56(60)+7=32167\ \mathrm s. \]
Dolayısıyla geçen yük şöyledir:
\[ Q=It=(3.0\ \mathrm A)(32167\ \mathrm s) =96501\ \mathrm C. \]
Standart Faraday sabiti \(F\approx96500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\) kullanılarak ve akım veriminin tam olduğu varsayılarak, iki mol elektronun bir mol hidrojen oluşturduğu bulunur:
\[ n(\ce{H2})=\frac{Q}{2F} =\frac{96501}{2(96500)} \approx0.500\ \mathrm{mol}. \]
Amonyak sentezinden şu sonuç elde edilir:
\[ n(\ce{NH3})=\frac23n(\ce{H2}) \approx\frac13\ \mathrm{mol}. \]
Sonraki stokiyometrik ilişkiler şöyledir:
\[ n(\ce{NH3}) =n(\ce{HNO3}) =n(\ce{C6H5NO2}) =n(\ce{C6H5NH2}), \]
burada dönüşümün nicel olduğu, diğer reaktiflerin yeterli miktarda bulunduğu ve nitrobenzenin indirgenmesi için ek hidrojen sağlandığı varsayılmıştır.
Anilinin molekül formülü \(\ce{C6H7N}\) olduğundan,
\[ M(\ce{C6H7N}) =6(12)+7(1)+14 =93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Böylece,
\[ \boxed{ m(\mathbf D) =\left(\frac13\ \mathrm{mol}\right) \left(93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) \approx31\ \mathrm g }. \]
3. Metil oranj: adı, yapıları ve indikatör dengesi
Tam kimyasal adı sodyum 4-{[4-(dimetilamino)fenil]diazenil}benzensülfonat olup yaygın \(E\) azo konfigürasyonuna sahiptir:
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+].
Sodyum iyonu, \(\ce{Na+}\) ([Na+]), seyirci iyondur. Bu iyon gösterilmediğinde, sarı metil oranj anyonu şöyledir:
\[ \boxed{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}} \]
SMILES gösterimi CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1 şeklindedir.
Hidronyum, \(\ce{H3O+}\) ([OH3+]), sülfolanmış halkaya bağlı azo azotunu protonlar:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{sarı}} +\ce{H3O+}\\ &\qquad\rightleftharpoons \underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{kırmızı protonlanmış biçim}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
Bu protonlanmış metil oranj zwitteriyonunun azo biçiminin SMILES gösterimi şöyledir:
CN(C)c1ccc(/N=[NH+]/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.
Pozitif yükü delokalizedir. Önemli bir alternatif rezonans katkı yapısı, para-kinoid biçimdir:
\[ \ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2} \;\longleftrightarrow\; \ce{^{-}O3S-C6H4-NH-N=C6H4=N^{+}(CH3)2}. \]
Protonlanmış metil oranjın para-kinoid rezonans katkı yapısının SMILES gösterimi şöyledir:
C[N+](C)=C1C=CC(=NNc2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)C=C1.
Bu katkı yapısını doğru biçimde çizmek için sülfolanmış halkayı aromatik olarak koruyunuz. Diğer halkada, azo grubundan gelen azotu 1 numaralı karbona, dimetilamino azotunu ise 4 numaralı karbona yerleştiriniz. Bu iki karbondan kendilerine bağlı azotlara halka dışı çift bağlar ve 2–3 ile 5–6 numaralı karbonlar arasına halka içi çift bağlar çiziniz. Pozitif yükü dimetilamino azotu taşır; proton, sülfolanmış halkaya bağlı azot üzerinde kalır.
Bunlar, aynı protonlanmış türün rezonans katkı yapılarıdır. SMILES, her katkı yapısını ayrı ayrı kaydeder; elektronların bu yapılar arasındaki delokalizasyonunu kendi başına göstermez.
Sonuç olarak:
- \([\ce{H3O+}]\) derişiminin artması protonlanmış biçimi destekler ve kırmızı bir çözelti verir.
- \([\ce{H3O+}]\) derişiminin azalması azo anyonunu destekler ve sarı bir çözelti verir.
- Ara oranlar turuncu geçiş rengini oluşturur.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1974 · Problema teórico 1
Del hidrógeno electrolítico al naranja de metilo
Para la descomposición electroquímica del agua, se dispone de un circuito eléctrico con un voltímetro, electrodos de platino y una batería que contiene diez pilas galvánicas conectadas en serie, cada una de ellas con una tensión de 1.5 V y una resistencia interna de 0.4 Ω. La resistencia del voltímetro es de 0.5 Ω y la tensión de polarización de la batería es de 1.5 V. La corriente eléctrica circula a través del electrolito durante 8 horas, 56 minutos y 7 segundos. El hidrógeno obtenido de este modo se utilizó en una síntesis con otra sustancia, formando así una sustancia gaseosa A que puede convertirse, por oxidación con oxígeno pasando por un óxido, en la sustancia B.
Mediante la sustancia B es posible preparar la sustancia C, de la que se puede obtener la sustancia D tras su reducción con hidrógeno. La sustancia D reacciona a 180 °C con una disolución concentrada de ácido sulfúrico para producir ácido sulfanílico. Mediante diazotación y posterior copulación con p-N,N-dimetilanilina, se forma un colorante azoico, el naranja de metilo.
Cuestiones:
- Escriba las ecuaciones químicas de todas las reacciones mencionadas anteriormente.
- Calcule la masa del producto D.
- Indique el nombre químico exacto del indicador naranja de metilo. Muestre mediante fórmulas estructurales qué cambios se producen en función de la concentración de iones \(\ce{H3O+}\) en la disolución.
Masas atómicas relativas: \(A_\mathrm{r}(\ce{N}) = 14;\quad A_\mathrm{r}(\ce{O}) = 16;\quad A_\mathrm{r}(\ce{C}) = 12;\quad A_\mathrm{r}(\ce{H}) = 1.\)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- Las sustancias son:
| Etiqueta | Identidad | SMILES |
|---|---|---|
| A | Amoníaco, \(\ce{NH3}\) | N |
| B | Ácido nítrico, \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| C | Nitrobenceno, \(\ce{C6H5NO2}\) | O=[N+]([O-])c1ccccc1 |
| D | Anilina, \(\ce{C6H5NH2}\) | Nc1ccccc1 |
La anilina se sulfona para dar ácido sulfanílico, que se diazota y se copula con N,N-dimetilanilina para dar naranja de metilo. Todas las ecuaciones ajustadas aparecen en la Solución 1.
-
\(\boxed{m(\mathbf D)\approx31\ \mathrm{g}}\), suponiendo una conversión cuantitativa y un suministro adicional de hidrógeno para la reducción de C.
-
El naranja de metilo es 4-{[4-(dimetilamino)fenil]diazenil}bencenosulfonato de sodio, también llamado 4-[(4-dimetilaminofenil)azo]bencenosulfonato de sodio. Su forma \(E\) habitual tiene el SMILES
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+].
Su anión azoico es amarillo; al aumentar la concentración de hidronio se produce la forma protonada roja, cuyas estructuras contribuyentes de resonancia se muestran en la Solución 3.
Solución
1. Identificación y ecuaciones de reacción ajustadas
Razonando en sentido inverso, el ácido sulfanílico es un derivado de la anilina con un grupo ácido sulfónico en posición para respecto al grupo amino. Por tanto, D es anilina. La hidrogenación del nitrobenceno da anilina, lo que permite identificar C. El nitrobenceno puede prepararse por nitración del benceno con ácido nítrico, lo que permite identificar B. Por último, el amoníaco se sintetiza a partir de hidrógeno y nitrógeno y puede oxidarse, pasando por óxidos de nitrógeno, hasta ácido nítrico, lo que permite identificar A.
Electrólisis del agua. El agua (O) produce hidrógeno ([H][H]) y oxígeno (O=O). Utilizando la notación convencional del protón en medio acuoso, \(\ce{H+}\) ([H+]), las reacciones en los electrodos son
\[ \begin{aligned} \text{Cátodo:}\qquad &\ce{2H+ + 2e- -> H2},\\ \text{Ánodo:}\qquad &\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \end{aligned} \]
Así,
\[ \boxed{\ce{2H2O -> 2H2 + O2}}. \]
La notación del protón omite su hidratación en agua.
Síntesis de amoníaco, A. El hidrógeno reacciona con nitrógeno (N#N), utilizando un catalizador de hierro a temperatura y presión elevadas:
\[ \boxed{\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}}. \]
Conversión de A en ácido nítrico, B. La oxidación catalítica da primero monóxido de nitrógeno ([N]=O), que se oxida posteriormente a dióxido de nitrógeno (O=[N+][O-]):
\[ \ce{4NH3 + 5O2 ->[Pt] 4NO + 6H2O}, \]
\[ \ce{2NO + O2 -> 2NO2}. \]
La absorción en agua da ácido nítrico y regenera monóxido de nitrógeno:
\[ \ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}. \]
El monóxido de nitrógeno regenerado se vuelve a oxidar. En consecuencia, la absorción con suficiente oxígeno tiene la ecuación global
\[ \ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}. \]
La conversión neta de amoníaco en ácido nítrico es, por tanto,
\[ \boxed{\ce{NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}}. \]
Preparación de nitrobenceno, C. El benceno (c1ccccc1) se nitra con ácido nítrico en presencia de ácido sulfúrico concentrado (OS(=O)(=O)O):
\[ \boxed{\ce{C6H6 + HNO3 ->[H2SO4] C6H5NO2 + H2O}}. \]
Reducción a anilina, D. La hidrogenación catalítica, por ejemplo sobre níquel, da
\[ \boxed{\ce{C6H5NO2 + 3H2 ->[Ni] C6H5NH2 + 2H2O}}. \]
Sulfonación de la anilina. El calentamiento con ácido sulfúrico concentrado a \(180\,^\circ\mathrm C\) produce ácido sulfanílico, o ácido 4-aminobencenosulfónico: Nc1ccc(S(=O)(=O)O)cc1.
\[ \boxed{\ce{C6H5NH2 + H2SO4 -> H2N-C6H4-SO3H + H2O}}. \]
Los grupos amino y ácido sulfónico ocupan las posiciones 1 y 4. El ácido sulfanílico suele existir como el zwitterión [NH3+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1; la ecuación anterior utiliza su representación estructural neutra.
Diazotación. El ácido nitroso (O=NO) convierte el grupo amino en un grupo diazonio en disolución ácida a aproximadamente \(0\text{–}5\,^\circ\mathrm C\). El producto es 4-diazoniobencenosulfonato, una sal interna: N#[N+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1.
Su ecuación neta de formación ajustada es
\[ \boxed{ \ce{H2N-C6H4-SO3H + HNO2 -> ^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + 2H2O} }. \]
Los grupos diazonio y sulfonato permanecen en posición para entre sí.
Copulación azoica y formación de naranja de metilo. La N,N-dimetilanilina (CN(C)c1ccccc1) se copula en el carbono situado en posición para respecto a su grupo dimetilamino. La copulación seguida de neutralización con hidróxido de sodio ([Na+].[OH-]) tiene la ecuación conjunta
\[ \boxed{ \begin{aligned} &\ce{^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + C6H5-N(CH3)2 + NaOH}\\ &\qquad\ce{-> NaO3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2 + H2O}. \end{aligned} } \]
Ambos anillos bencénicos del producto están disustituidos en posición para. El producto es la sal sódica naranja de metilo identificada en la Respuesta 3.
2. Masa de anilina
Considerando las resistencias indicadas como resistencias en serie, la fuerza electromotriz y la resistencia totales son
\[ \mathcal E=10(1.5\ \mathrm V)=15\ \mathrm V, \]
\[ R=10(0.4\ \Omega)+0.5\ \Omega=4.5\ \Omega. \]
La tensión de polarización se opone a la fuerza electromotriz aplicada. Por tanto,
\[ I=\frac{\mathcal E-E_{\mathrm{pol}}}{R} =\frac{15-1.5}{4.5} =3.0\ \mathrm A. \]
El tiempo de electrólisis es
\[ t=8(3600)+56(60)+7=32167\ \mathrm s. \]
Por tanto, la carga que ha circulado es
\[ Q=It=(3.0\ \mathrm A)(32167\ \mathrm s) =96501\ \mathrm C. \]
Utilizando la constante de Faraday estándar \(F\approx96500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\), y suponiendo un rendimiento de corriente del 100 %, dos moles de electrones producen un mol de hidrógeno:
\[ n(\ce{H2})=\frac{Q}{2F} =\frac{96501}{2(96500)} \approx0.500\ \mathrm{mol}. \]
La síntesis de amoníaco da
\[ n(\ce{NH3})=\frac23n(\ce{H2}) \approx\frac13\ \mathrm{mol}. \]
Las relaciones estequiométricas posteriores son
\[ n(\ce{NH3}) =n(\ce{HNO3}) =n(\ce{C6H5NO2}) =n(\ce{C6H5NH2}), \]
suponiendo una conversión cuantitativa, cantidades suficientes de los demás reactivos e hidrógeno adicional para la reducción del nitrobenceno.
La anilina tiene la fórmula molecular \(\ce{C6H7N}\), por lo que
\[ M(\ce{C6H7N}) =6(12)+7(1)+14 =93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Así,
\[ \boxed{ m(\mathbf D) =\left(\frac13\ \mathrm{mol}\right) \left(93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) \approx31\ \mathrm g }. \]
3. Naranja de metilo: nombre, estructuras y equilibrio del indicador
El nombre químico exacto es 4-{[4-(dimetilamino)fenil]diazenil}bencenosulfonato de sodio, con la configuración azoica \(E\) habitual:
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+].
El ion sodio, \(\ce{Na+}\) ([Na+]), es un ion espectador. Si se omite, el anión amarillo del naranja de metilo es
\[ \boxed{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}} \]
con el SMILES CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.
El hidronio, \(\ce{H3O+}\) ([OH3+]), protona el nitrógeno azoico unido al anillo sulfonado:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{amarillo}} +\ce{H3O+}\\ &\qquad\rightleftharpoons \underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{forma protonada roja}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
Este zwitterión del naranja de metilo protonado tiene, en su forma azoica, el SMILES
CN(C)c1ccc(/N=[NH+]/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.
Su carga positiva está deslocalizada. Una estructura contribuyente de resonancia alternativa importante es la forma para-quinoide:
\[ \ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2} \;\longleftrightarrow\; \ce{^{-}O3S-C6H4-NH-N=C6H4=N^{+}(CH3)2}. \]
La estructura contribuyente de resonancia para-quinoide del naranja de metilo protonado tiene el SMILES
C[N+](C)=C1C=CC(=NNc2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)C=C1.
Para dibujar esta estructura contribuyente con precisión, mantenga aromático el anillo sulfonado. En el otro anillo, sitúe el nitrógeno procedente del grupo azo en el carbono 1 y el nitrógeno dimetilamínico en el carbono 4. Dibuje enlaces dobles exocíclicos desde estos dos carbonos hasta sus respectivos nitrógenos, y enlaces dobles internos del anillo entre los carbonos 2–3 y 5–6. El nitrógeno dimetilamínico lleva la carga positiva; el protón permanece en el nitrógeno unido al anillo sulfonado.
Estas son estructuras contribuyentes de resonancia de la misma especie protonada. SMILES representa cada estructura contribuyente por separado; por sí mismo no muestra la deslocalización de los electrones entre ellas.
En consecuencia:
- El aumento de \([\ce{H3O+}]\) favorece la forma protonada y da una disolución roja.
- La disminución de \([\ce{H3O+}]\) favorece el anión azoico y da una disolución amarilla.
- Las proporciones intermedias producen el color naranja de transición.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1974 · 理论题 1
从电解制氢到甲基橙
用电化学方法分解水时,电路中接有一个电压表、铂电极和一个由十个原电池串联组成的电池组,每个原电池的电压为 1.5 V,内阻为 0.4 Ω。电压表的电阻为 0.5 Ω,电池组的极化电压为 1.5 V。电流通过电解液的时间为 8 小时 56 分 7 秒。用这种方法得到的氢气与另一种物质进行合成反应,生成气态物质 A;A 可被氧气氧化,经氧化物转化为物质 B。
利用物质 B 可以制备物质 C,后者经氢气还原可得到物质 D。物质 D 在 180 °C 下与浓硫酸溶液反应,生成对氨基苯磺酸。经重氮化后,再与 p-N,N-二甲基苯胺偶合,生成偶氮染料甲基橙。
问题:
- 写出上述所有反应的化学方程式。
- 计算产物 D 的质量。
- 给出指示剂甲基橙的确切化学名称。用结构式表示溶液中 \(\ce{H3O+}\) 离子浓度变化时发生的变化。
相对原子质量:\(A_\mathrm{r}(\ce{N}) = 14;\quad A_\mathrm{r}(\ce{O}) = 16;\quad A_\mathrm{r}(\ce{C}) = 12;\quad A_\mathrm{r}(\ce{H}) = 1.\)
题目译自官方英文原文。
答案
- 各物质为:
| 标号 | 物质 | SMILES |
|---|---|---|
| A | 氨,\(\ce{NH3}\) | N |
| B | 硝酸,\(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| C | 硝基苯,\(\ce{C6H5NO2}\) | O=[N+]([O-])c1ccccc1 |
| D | 苯胺,\(\ce{C6H5NH2}\) | Nc1ccccc1 |
苯胺经磺化生成对氨基苯磺酸,后者经重氮化后与 N,N-二甲基苯胺偶合,生成甲基橙。所有配平的方程式见解答 1。
-
\(\boxed{m(\mathbf D)\approx31\ \mathrm{g}}\),假设各步转化均为定量转化,且还原 C 所需的氢气另行提供。
-
甲基橙的化学名称为 4-{[4-(二甲氨基)苯基]二氮烯基}苯磺酸钠,也称 4-[(4-二甲氨基苯基)偶氮]苯磺酸钠。其常见的 \(E\) 型的 SMILES 为
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+]。
其偶氮阴离子呈黄色;增大水合氢离子浓度会生成红色的质子化形式,其共振极限式见解答 3。
解答
1. 物质的确定与配平的反应方程式
从后往前推断,对氨基苯磺酸是一种苯胺衍生物,其磺酸基位于氨基的对位。因此,D 是苯胺。硝基苯经加氢可得到苯胺,由此确定 C。硝基苯可由苯与硝酸发生硝化反应制得,由此确定 B。最后,氢气与氮气可合成氨,氨经氧化可通过氮的氧化物转化为硝酸,由此确定 A。
水的电解。 水(O)生成氢气([H][H])和氧气(O=O)。采用水溶液中质子的常用表示法 \(\ce{H+}\)([H+]),电极反应为
\[ \begin{aligned} \text{阴极:}\qquad &\ce{2H+ + 2e- -> H2},\\ \text{阳极:}\qquad &\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \end{aligned} \]
因此,
\[ \boxed{\ce{2H2O -> 2H2 + O2}}. \]
这种质子表示法省略了质子在水中的水合状态。
氨 A 的合成。 在高温高压下,以铁为催化剂,氢气与氮气(N#N)反应:
\[ \boxed{\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}}. \]
将 A 转化为硝酸 B。 催化氧化首先生成一氧化氮([N]=O),一氧化氮进一步氧化为二氧化氮(O=[N+][O-]):
\[ \ce{4NH3 + 5O2 ->[Pt] 4NO + 6H2O}, \]
\[ \ce{2NO + O2 -> 2NO2}. \]
用水吸收可得到硝酸,同时再生成一氧化氮:
\[ \ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}. \]
再生的一氧化氮被再次氧化。因此,在氧气充足的条件下,吸收过程的总反应方程式为
\[ \ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}. \]
所以,氨转化为硝酸的净反应为
\[ \boxed{\ce{NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}}. \]
硝基苯 C 的制备。 在浓硫酸(OS(=O)(=O)O)存在下,苯(c1ccccc1)与硝酸发生硝化反应:
\[ \boxed{\ce{C6H6 + HNO3 ->[H2SO4] C6H5NO2 + H2O}}. \]
还原为苯胺 D。 通过催化加氢,例如使用镍催化剂,可得
\[ \boxed{\ce{C6H5NO2 + 3H2 ->[Ni] C6H5NH2 + 2H2O}}. \]
苯胺的磺化。 与浓硫酸一起加热至 \(180\,^\circ\mathrm C\),生成对氨基苯磺酸,即 4-氨基苯磺酸:Nc1ccc(S(=O)(=O)O)cc1。
\[ \boxed{\ce{C6H5NH2 + H2SO4 -> H2N-C6H4-SO3H + H2O}}. \]
氨基与磺酸基分别位于 1 位和 4 位。对氨基苯磺酸通常以两性离子 [NH3+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1 的形式存在;上述方程式采用其中性结构表示法。
重氮化。 在约 \(0\text{–}5\,^\circ\mathrm C\) 的酸性溶液中,亚硝酸(O=NO)将氨基转化为重氮基。产物为 4-重氮苯磺酸内盐:N#[N+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1。
其生成反应的配平净反应方程式为
\[ \boxed{ \ce{H2N-C6H4-SO3H + HNO2 -> ^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + 2H2O} }. \]
重氮基与磺酸根基团仍互处对位。
偶氮偶合与甲基橙的生成。 N,N-二甲基苯胺(CN(C)c1ccccc1)在其二甲氨基对位的碳原子处发生偶合。偶合后用氢氧化钠([Na+].[OH-])中和,两步合并的反应方程式为
\[ \boxed{ \begin{aligned} &\ce{^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + C6H5-N(CH3)2 + NaOH}\\ &\qquad\ce{-> NaO3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2 + H2O}. \end{aligned} } \]
产物中的两个苯环均为对位二取代苯环。该产物就是答案 3 中确定的钠盐——甲基橙。
2. 苯胺的质量
将题给各电阻视为串联电阻,则总电动势和总电阻为
\[ \mathcal E=10(1.5\ \mathrm V)=15\ \mathrm V, \]
\[ R=10(0.4\ \Omega)+0.5\ \Omega=4.5\ \Omega. \]
极化电压与外加电动势方向相反。因此
\[ I=\frac{\mathcal E-E_{\mathrm{pol}}}{R} =\frac{15-1.5}{4.5} =3.0\ \mathrm A. \]
电解时间为
\[ t=8(3600)+56(60)+7=32167\ \mathrm s. \]
因此,通过的电荷量为
\[ Q=It=(3.0\ \mathrm A)(32167\ \mathrm s) =96501\ \mathrm C. \]
采用标准法拉第常量 \(F\approx96500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\),并假设电流效率为百分之百,则每两摩尔电子生成一摩尔氢气:
\[ n(\ce{H2})=\frac{Q}{2F} =\frac{96501}{2(96500)} \approx0.500\ \mathrm{mol}. \]
由氨的合成反应可得
\[ n(\ce{NH3})=\frac23n(\ce{H2}) \approx\frac13\ \mathrm{mol}. \]
后续各步的化学计量关系为
\[ n(\ce{NH3}) =n(\ce{HNO3}) =n(\ce{C6H5NO2}) =n(\ce{C6H5NH2}), \]
这里假设各步转化均为定量转化,其他试剂充足,且还原硝基苯所需的氢气另行提供。
苯胺的分子式为 \(\ce{C6H7N}\),因此
\[ M(\ce{C6H7N}) =6(12)+7(1)+14 =93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
于是,
\[ \boxed{ m(\mathbf D) =\left(\frac13\ \mathrm{mol}\right) \left(93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) \approx31\ \mathrm g }. \]
3. 甲基橙:名称、结构与指示剂平衡
其确切化学名称为 4-{[4-(二甲氨基)苯基]二氮烯基}苯磺酸钠,通常具有 \(E\) 型偶氮构型:
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+]。
钠离子 \(\ce{Na+}\)([Na+])是旁观离子。省略钠离子后,黄色的甲基橙阴离子为
\[ \boxed{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}} \]
其 SMILES 为 CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1。
水合氢离子 \(\ce{H3O+}\)([OH3+])使与带磺酸根基团的苯环相连的偶氮氮原子质子化:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{黄色}} +\ce{H3O+}\\ &\qquad\rightleftharpoons \underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{红色的质子化形式}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
这种质子化的甲基橙两性离子的偶氮形式具有如下 SMILES:
CN(C)c1ccc(/N=[NH+]/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1。
其正电荷是离域的。另一个重要的共振极限式为对醌式结构:
\[ \ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2} \;\longleftrightarrow\; \ce{^{-}O3S-C6H4-NH-N=C6H4=N^{+}(CH3)2}. \]
质子化甲基橙的对醌式共振极限式具有如下 SMILES:
C[N+](C)=C1C=CC(=NNc2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)C=C1。
要准确画出这一极限式,应保留带磺酸根基团的苯环的芳香性。在另一个环上,将源于偶氮基的氮原子置于 1 号碳原子处,将二甲氨基的氮原子置于 4 号碳原子处。在这两个碳原子与各自相连的氮原子之间画出环外双键,并在环内的 2–3 号碳原子之间和 5–6 号碳原子之间画出双键。二甲氨基的氮原子带正电荷;质子仍位于与带磺酸根基团的苯环相连的氮原子上。
这些是同一种质子化物种的共振极限式。SMILES 分别记录各个极限式;它本身并不表示这些极限式之间的电子离域。
因此:
- 增大 \([\ce{H3O+}]\) 有利于质子化形式,溶液呈红色。
- 减小 \([\ce{H3O+}]\) 有利于偶氮阴离子,溶液呈黄色。
- 两种形式的比例处于中间状态时,呈现橙色的过渡色。
解答已与官方解答核对。
IChO 1974 · Теоретическая задача 1
От электролитического водорода к метиловому оранжевому
При электрохимическом разложении воды в электрическую цепь включены вольтметр, платиновые электроды и батарея из десяти последовательно соединённых гальванических элементов, каждый из которых имеет напряжение 1.5 В и внутреннее сопротивление 0.4 Ом. Сопротивление вольтметра составляет 0.5 Ом, а напряжение поляризации батареи — 1.5 В. Электрический ток проходит через электролит в течение 8 часов, 56 минут и 7 секунд. Полученный таким способом водород использовали для синтеза с другим веществом, в результате чего образовалось газообразное вещество A, которое окислением кислородом через оксид можно превратить в вещество B.
С помощью вещества B можно получить вещество C, из которого после восстановления водородом можно получить вещество D. Вещество D реагирует при 180 °C с концентрированным раствором серной кислоты с образованием сульфаниловой кислоты. При диазотировании и последующем сочетании с п-N,N-диметиланилином образуется азокраситель метиловый оранжевый.
Задания:
- Напишите химические уравнения всех упомянутых выше реакций.
- Рассчитайте массу продукта D.
- Приведите точное химическое название индикатора метилового оранжевого. Покажите с помощью структурных формул, какие изменения происходят в зависимости от концентрации ионов \(\ce{H3O+}\) в растворе.
Относительные атомные массы: \(A_\mathrm{r}(\ce{N}) = 14;\quad A_\mathrm{r}(\ce{O}) = 16;\quad A_\mathrm{r}(\ce{C}) = 12;\quad A_\mathrm{r}(\ce{H}) = 1.\)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- Искомые вещества:
| Обозначение | Вещество | SMILES |
|---|---|---|
| A | Аммиак, \(\ce{NH3}\) | N |
| B | Азотная кислота, \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| C | Нитробензол, \(\ce{C6H5NO2}\) | O=[N+]([O-])c1ccccc1 |
| D | Анилин, \(\ce{C6H5NH2}\) | Nc1ccccc1 |
Анилин сульфируют до сульфаниловой кислоты, которую диазотируют и вводят в реакцию сочетания с N,N-диметиланилином, получая метиловый оранжевый. Все уравнения с расставленными коэффициентами приведены в пункте 1 решения.
-
\(\boxed{m(\mathbf D)\approx31\ \mathrm{g}}\), при условии количественного превращения и дополнительной подачи водорода для восстановления C.
-
Метиловый оранжевый — это 4-{[4-(диметиламино)фенил]диазенил}бензолсульфонат натрия, также называемый 4-[(4-диметиламинофенил)азо]бензолсульфонатом натрия. Его обычная \(E\)-форма имеет SMILES
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+].
Его анион в азоформе имеет жёлтую окраску; повышение концентрации ионов гидроксония приводит к образованию красной протонированной формы, резонансные структуры которой показаны в пункте 3 решения.
Решение
1. Определение веществ и уравнения реакций с расставленными коэффициентами
Рассуждая в обратном порядке, отметим, что сульфаниловая кислота — это производное анилина с сульфогруппой в пара-положении к аминогруппе. Следовательно, D — анилин. При гидрировании нитробензола образуется анилин, что позволяет определить C. Нитробензол можно получить нитрованием бензола азотной кислотой, что позволяет определить B. Наконец, аммиак синтезируют из водорода и азота, и его можно окислить через оксиды азота до азотной кислоты, что позволяет определить A.
Электролиз воды. Из воды (O) образуются водород ([H][H]) и кислород (O=O). При использовании общепринятого обозначения протона в водном растворе, \(\ce{H+}\) ([H+]), электродные реакции имеют вид
\[ \begin{aligned} \text{Катод:}\qquad &\ce{2H+ + 2e- -> H2},\\ \text{Анод:}\qquad &\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \end{aligned} \]
Таким образом,
\[ \boxed{\ce{2H2O -> 2H2 + O2}}. \]
В таком обозначении протона его гидратация в воде не отражена.
Синтез аммиака, A. Водород реагирует с азотом (N#N) в присутствии железного катализатора при повышенных температуре и давлении:
\[ \boxed{\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}}. \]
Превращение A в азотную кислоту, B. При каталитическом окислении сначала образуется оксид азота(II) ([N]=O), который затем окисляется до диоксида азота (O=[N+][O-]):
\[ \ce{4NH3 + 5O2 ->[Pt] 4NO + 6H2O}, \]
\[ \ce{2NO + O2 -> 2NO2}. \]
При поглощении водой образуется азотная кислота и регенерируется оксид азота(II):
\[ \ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}. \]
Регенерированный оксид азота(II) вновь окисляется. Поэтому при достаточном количестве кислорода поглощение описывается суммарным уравнением
\[ \ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}. \]
Таким образом, суммарное превращение аммиака в азотную кислоту имеет вид
\[ \boxed{\ce{NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}}. \]
Получение нитробензола, C. Бензол (c1ccccc1) нитруют азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты (OS(=O)(=O)O):
\[ \boxed{\ce{C6H6 + HNO3 ->[H2SO4] C6H5NO2 + H2O}}. \]
Восстановление до анилина, D. Каталитическое гидрирование, например на никеле, протекает по уравнению
\[ \boxed{\ce{C6H5NO2 + 3H2 ->[Ni] C6H5NH2 + 2H2O}}. \]
Сульфирование анилина. При нагревании с концентрированной серной кислотой при \(180\,^\circ\mathrm C\) образуется сульфаниловая кислота, или 4-аминобензолсульфокислота: Nc1ccc(S(=O)(=O)O)cc1.
\[ \boxed{\ce{C6H5NH2 + H2SO4 -> H2N-C6H4-SO3H + H2O}}. \]
Аминогруппа и сульфогруппа занимают положения 1 и 4. Сульфаниловая кислота обычно существует в виде цвиттер-иона [NH3+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1; в приведённом выше уравнении использовано её нейтральное структурное представление.
Диазотирование. Азотистая кислота (O=NO) превращает аминогруппу в диазониевую группу в кислом растворе при температуре приблизительно \(0\text{–}5\,^\circ\mathrm C\). Продуктом является 4-диазониобензолсульфонат, внутренняя соль: N#[N+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1.
Суммарное уравнение его образования с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \boxed{ \ce{H2N-C6H4-SO3H + HNO2 -> ^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + 2H2O} }. \]
Диазониевая и сульфонатная группы остаются в пара-положении друг к другу.
Азосочетание и образование метилового оранжевого. N,N-Диметиланилин (CN(C)c1ccccc1) вступает в реакцию сочетания по атому углерода в пара-положении к диметиламиногруппе. Сочетание с последующей нейтрализацией гидроксидом натрия ([Na+].[OH-]) описывается суммарным уравнением
\[ \boxed{ \begin{aligned} &\ce{^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + C6H5-N(CH3)2 + NaOH}\\ &\qquad\ce{-> NaO3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2 + H2O}. \end{aligned} } \]
Оба бензольных кольца в продукте являются пара-дизамещёнными. Продукт представляет собой натриевую соль — метиловый оранжевый, название которого приведено в ответе 3.
2. Масса анилина
Считая указанные сопротивления соединёнными последовательно, получаем суммарные электродвижущую силу и сопротивление:
\[ \mathcal E=10(1.5\ \mathrm V)=15\ \mathrm V, \]
\[ R=10(0.4\ \Omega)+0.5\ \Omega=4.5\ \Omega. \]
Напряжение поляризации противодействует приложенной электродвижущей силе. Следовательно,
\[ I=\frac{\mathcal E-E_{\mathrm{pol}}}{R} =\frac{15-1.5}{4.5} =3.0\ \mathrm A. \]
Время электролиза составляет
\[ t=8(3600)+56(60)+7=32167\ \mathrm s. \]
Поэтому прошедший заряд равен
\[ Q=It=(3.0\ \mathrm A)(32167\ \mathrm s) =96501\ \mathrm C. \]
Используя стандартное значение постоянной Фарадея \(F\approx96500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\) и предполагая стопроцентный выход по току, учитываем, что два моля электронов дают один моль водорода:
\[ n(\ce{H2})=\frac{Q}{2F} =\frac{96501}{2(96500)} \approx0.500\ \mathrm{mol}. \]
В результате синтеза аммиака получаем
\[ n(\ce{NH3})=\frac23n(\ce{H2}) \approx\frac13\ \mathrm{mol}. \]
Для последующих превращений справедливы стехиометрические соотношения
\[ n(\ce{NH3}) =n(\ce{HNO3}) =n(\ce{C6H5NO2}) =n(\ce{C6H5NH2}), \]
при условии количественного превращения, достаточного количества остальных реагентов и дополнительной подачи водорода для восстановления нитробензола.
Молекулярная формула анилина — \(\ce{C6H7N}\), поэтому
\[ M(\ce{C6H7N}) =6(12)+7(1)+14 =93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Таким образом,
\[ \boxed{ m(\mathbf D) =\left(\frac13\ \mathrm{mol}\right) \left(93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) \approx31\ \mathrm g }. \]
3. Метиловый оранжевый: название, структуры и индикаторное равновесие
Точное химическое название — 4-{[4-(диметиламино)фенил]диазенил}бензолсульфонат натрия, с обычной \(E\)-конфигурацией азогруппы:
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+].
Ион натрия, \(\ce{Na+}\) ([Na+]), не участвует в реакции. Если его опустить, жёлтый анион метилового оранжевого имеет вид
\[ \boxed{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}} \]
со SMILES CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.
Ион гидроксония, \(\ce{H3O+}\) ([OH3+]), протонирует атом азота азогруппы, связанный с сульфированным кольцом:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{жёлтый}} +\ce{H3O+}\\ &\qquad\rightleftharpoons \underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{красная протонированная форма}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
Этот протонированный цвиттер-ион метилового оранжевого имеет следующий SMILES азоформы:
CN(C)c1ccc(/N=[NH+]/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.
Его положительный заряд делокализован. Важной альтернативной резонансной структурой является пара-хиноидная форма:
\[ \ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2} \;\longleftrightarrow\; \ce{^{-}O3S-C6H4-NH-N=C6H4=N^{+}(CH3)2}. \]
Пара-хиноидная резонансная структура протонированного метилового оранжевого имеет SMILES
C[N+](C)=C1C=CC(=NNc2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)C=C1.
Чтобы точно изобразить эту структуру, сохраните ароматичность сульфированного кольца. В другом кольце расположите атом азота, происходящий из азогруппы, у атома углерода 1, а атом азота диметиламиногруппы — у атома углерода 4. Проведите экзоциклические двойные связи от этих двух атомов углерода к соответствующим атомам азота, а внутри кольца — двойные связи между атомами углерода 2–3 и 5–6. Атом азота диметиламиногруппы несёт положительный заряд; протон остаётся на атоме азота, связанном с сульфированным кольцом.
Это резонансные структуры одной и той же протонированной частицы. В SMILES каждая структура записывается отдельно; сама эта запись не показывает делокализацию электронов между ними.
Следовательно:
- Повышение \([\ce{H3O+}]\) способствует образованию протонированной формы и придаёт раствору красную окраску.
- Понижение \([\ce{H3O+}]\) способствует образованию аниона в азоформе и придаёт раствору жёлтую окраску.
- При промежуточном соотношении форм наблюдается оранжевая переходная окраска.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1974 · مسألة نظرية 1
من الهيدروجين الناتج بالتحليل الكهربائي إلى الميثيل البرتقالي
لإجراء التحليل الكهروكيميائي للماء، تتكون دائرة كهربائية من فولتمتر وأقطاب من البلاتين وبطارية تحتوي على عشر خلايا جلفانية موصولة على التوالي، جهد كل منها 1.5 V ومقاومتها الداخلية 0.4 Ω. تبلغ مقاومة الفولتمتر 0.5 Ω وجهد استقطاب البطارية 1.5 V. يمر التيار الكهربائي عبر الكهرل مدة 8 ساعات و56 دقيقة و7 ثوانٍ. استُخدم الهيدروجين الناتج بهذه الطريقة في تفاعل اصطناع مع مادة أخرى، فتكوّنت مادة غازية A يمكن تحويلها بالأكسدة بالأكسجين، مرورًا بأكسيد، إلى المادة B.
باستخدام المادة B يمكن تحضير المادة C، التي يمكن الحصول منها على المادة D بعد اختزالها بالهيدروجين. تتفاعل المادة D عند 180 °C مع محلول مركز من حمض الكبريتيك لتعطي حمض السلفانيليك. وبإجراء الديازتة ثم الاقتران مع بارا-N,N-ثنائي ميثيل الأنيلين، تتكوّن صبغة آزوية هي الميثيل البرتقالي.
المطلوب:
- اكتب المعادلات الكيميائية لجميع التفاعلات المذكورة أعلاه.
- احسب كتلة الناتج D.
- أعطِ الاسم الكيميائي الدقيق للدليل الميثيل البرتقالي. وضّح باستخدام الصيغ البنائية التغيرات التي تحدث تبعًا لتركيز أيونات \(\ce{H3O+}\) في المحلول.
الكتل الذرية النسبية: \(A_\mathrm{r}(\ce{N}) = 14;\quad A_\mathrm{r}(\ce{O}) = 16;\quad A_\mathrm{r}(\ce{C}) = 12;\quad A_\mathrm{r}(\ce{H}) = 1.\)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- المواد هي:
| الرمز | هوية المادة | SMILES |
|---|---|---|
| A | الأمونيا، \(\ce{NH3}\) | N |
| B | حمض النتريك، \(\ce{HNO3}\) | O=[N+]([O-])O |
| C | النيتروبنزين، \(\ce{C6H5NO2}\) | O=[N+]([O-])c1ccccc1 |
| D | الأنيلين، \(\ce{C6H5NH2}\) | Nc1ccccc1 |
يخضع الأنيلين للسلفنة ليعطي حمض السلفانيليك، الذي يخضع للديازتة ثم يقترن مع N,N-ثنائي ميثيل الأنيلين ليعطي الميثيل البرتقالي. ترد جميع المعادلات الموزونة في الحل 1.
-
\(\boxed{m(\mathbf D)\approx31\ \mathrm{g}}\)، بافتراض التحول الكمي وتوفير كمية إضافية من الهيدروجين لاختزال C.
-
الميثيل البرتقالي هو 4-{[4-(ثنائي ميثيل أمينو)فينيل]ديازينيل}بنزين سلفونات الصوديوم، ويُسمّى أيضًا 4-[(4-ثنائي ميثيل أمينوفينيل)آزو]بنزين سلفونات الصوديوم. للصيغة المعتادة ذات التشكيل \(E\) تمثيل SMILES الآتي:
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+].
أنيونه الآزوي أصفر؛ وتؤدي زيادة تركيز الهيدرونيوم إلى تكوّن الصيغة المبرتنة الحمراء، التي تُعرض صيغها المساهمة في الرنين في الحل 3.
الحل
1. تحديد المواد ومعادلات التفاعلات الموزونة
بالاستدلال عكسيًا، فإن حمض السلفانيليك مشتق من الأنيلين تقع فيه مجموعة حمض السلفونيك في الموضع بارا بالنسبة إلى مجموعة الأمينو. لذلك فإن D هو الأنيلين. وتعطي هدرجة النيتروبنزين الأنيلين، وبذلك تُحدَّد هوية C. ويمكن تحضير النيتروبنزين بنترتة البنزين بحمض النتريك، وبذلك تُحدَّد هوية B. وأخيرًا، تُصطنع الأمونيا من الهيدروجين والنيتروجين، ويمكن أكسدتها مرورًا بأكاسيد النيتروجين إلى حمض النتريك، وبذلك تُحدَّد هوية A.
التحليل الكهربائي للماء. ينتج الماء (O) الهيدروجين ([H][H]) والأكسجين (O=O). وباستخدام الترميز المعتاد للبروتون في المحلول المائي، \(\ce{H+}\) ([H+])، تكون تفاعلات القطبين كما يأتي:
\[ \begin{aligned} \text{المهبط:}\qquad &\ce{2H+ + 2e- -> H2},\\ \text{المصعد:}\qquad &\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \end{aligned} \]
إذن،
\[ \boxed{\ce{2H2O -> 2H2 + O2}}. \]
لا يُظهر ترميز البروتون إماهته في الماء.
اصطناع الأمونيا، A. يتفاعل الهيدروجين مع النيتروجين (N#N) باستخدام حفاز من الحديد عند درجة حرارة وضغط مرتفعين:
\[ \boxed{\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}}. \]
تحويل A إلى حمض النتريك، B. تعطي الأكسدة الحفزية أولًا أحادي أكسيد النيتروجين ([N]=O)، الذي يتأكسد بعد ذلك إلى ثنائي أكسيد النيتروجين (O=[N+][O-]):
\[ \ce{4NH3 + 5O2 ->[Pt] 4NO + 6H2O}, \]
\[ \ce{2NO + O2 -> 2NO2}. \]
يؤدي الامتصاص في الماء إلى تكوّن حمض النتريك وتجدد أحادي أكسيد النيتروجين:
\[ \ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}. \]
يُعاد أكسدة أحادي أكسيد النيتروجين المتجدد. وعليه، تكون المعادلة الإجمالية للامتصاص بوجود كمية كافية من الأكسجين:
\[ \ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3}. \]
ومن ثم فإن المعادلة الصافية لتحويل الأمونيا إلى حمض النتريك هي:
\[ \boxed{\ce{NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}}. \]
تحضير النيتروبنزين، C. يُنترَت البنزين (c1ccccc1) بحمض النتريك في وجود حمض الكبريتيك المركز (OS(=O)(=O)O):
\[ \boxed{\ce{C6H6 + HNO3 ->[H2SO4] C6H5NO2 + H2O}}. \]
الاختزال إلى الأنيلين، D. تعطي الهدرجة الحفزية، على النيكل مثلًا، التفاعل الآتي:
\[ \boxed{\ce{C6H5NO2 + 3H2 ->[Ni] C6H5NH2 + 2H2O}}. \]
سلفنة الأنيلين. ينتج عن التسخين مع حمض الكبريتيك المركز عند \(180\,^\circ\mathrm C\) حمض السلفانيليك، أو حمض 4-أمينوبنزين سلفونيك: Nc1ccc(S(=O)(=O)O)cc1.
\[ \boxed{\ce{C6H5NH2 + H2SO4 -> H2N-C6H4-SO3H + H2O}}. \]
تشغل مجموعتا الأمينو وحمض السلفونيك الموضعين 1 و4. ويوجد حمض السلفانيليك عادةً على هيئة الأيون المزدوج [NH3+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1؛ وتستخدم المعادلة أعلاه تمثيله البنائي المتعادل.
الديازتة. يحوّل حمض النيتروز (O=NO) مجموعة الأمينو إلى مجموعة ديازونيوم في محلول حمضي عند نحو \(0\text{–}5\,^\circ\mathrm C\). والناتج هو 4-ديازونيوبنزين سلفونات، وهو ملح داخلي: N#[N+]c1ccc(S(=O)(=O)[O-])cc1.
معادلة تكوّنه الصافية الموزونة هي:
\[ \boxed{ \ce{H2N-C6H4-SO3H + HNO2 -> ^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + 2H2O} }. \]
تبقى مجموعتا الديازونيوم والسلفونات في الوضع بارا إحداهما بالنسبة إلى الأخرى.
الاقتران الآزوي وتكوّن الميثيل البرتقالي. يقترن N,N-ثنائي ميثيل الأنيلين (CN(C)c1ccccc1) عند ذرة الكربون الواقعة في الموضع بارا بالنسبة إلى مجموعة ثنائي ميثيل أمينو. والمعادلة الجامعة للاقتران الذي يليه التعادل بهيدروكسيد الصوديوم ([Na+].[OH-]) هي:
\[ \boxed{ \begin{aligned} &\ce{^{-}O3S-C6H4-N2^{+} + C6H5-N(CH3)2 + NaOH}\\ &\qquad\ce{-> NaO3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2 + H2O}. \end{aligned} } \]
كلتا حلقتي البنزين في الناتج ثنائية الاستبدال في الوضع بارا. والناتج هو ملح الصوديوم المسمّى الميثيل البرتقالي، الذي حُدِّدت هويته في الإجابة 3.
2. كتلة الأنيلين
باعتبار المقاومات المذكورة موصولة على التوالي، تكون القوة الدافعة الكهربائية الكلية والمقاومة الكلية:
\[ \mathcal E=10(1.5\ \mathrm V)=15\ \mathrm V, \]
\[ R=10(0.4\ \Omega)+0.5\ \Omega=4.5\ \Omega. \]
يعاكس جهد الاستقطاب القوة الدافعة الكهربائية المطبقة. ومن ثم:
\[ I=\frac{\mathcal E-E_{\mathrm{pol}}}{R} =\frac{15-1.5}{4.5} =3.0\ \mathrm A. \]
زمن التحليل الكهربائي هو:
\[ t=8(3600)+56(60)+7=32167\ \mathrm s. \]
إذن، الشحنة المارة هي:
\[ Q=It=(3.0\ \mathrm A)(32167\ \mathrm s) =96501\ \mathrm C. \]
باستخدام القيمة القياسية لثابت فاراداي \(F\approx96500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\)، وبافتراض كفاءة تيار كاملة، ينتج مولان من الإلكترونات مولًا واحدًا من الهيدروجين:
\[ n(\ce{H2})=\frac{Q}{2F} =\frac{96501}{2(96500)} \approx0.500\ \mathrm{mol}. \]
يعطي اصطناع الأمونيا:
\[ n(\ce{NH3})=\frac23n(\ce{H2}) \approx\frac13\ \mathrm{mol}. \]
العلاقات الستوكيومترية اللاحقة هي:
\[ n(\ce{NH3}) =n(\ce{HNO3}) =n(\ce{C6H5NO2}) =n(\ce{C6H5NH2}), \]
بافتراض التحول الكمي، وتوافر كميات كافية من الكواشف الأخرى، وتوفير هيدروجين إضافي لاختزال النيتروبنزين.
الصيغة الجزيئية للأنيلين هي \(\ce{C6H7N}\)، لذا:
\[ M(\ce{C6H7N}) =6(12)+7(1)+14 =93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
إذن،
\[ \boxed{ m(\mathbf D) =\left(\frac13\ \mathrm{mol}\right) \left(93\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\right) \approx31\ \mathrm g }. \]
3. الميثيل البرتقالي: الاسم والبنى واتزان الدليل
الاسم الكيميائي الدقيق هو 4-{[4-(ثنائي ميثيل أمينو)فينيل]ديازينيل}بنزين سلفونات الصوديوم، وله التشكيل الآزوي المعتاد \(E\):
CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.[Na+].
أيون الصوديوم، \(\ce{Na+}\) ([Na+])، أيون متفرج. وبحذفه، يكون أنيون الميثيل البرتقالي الأصفر:
\[ \boxed{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}} \]
وتمثيله بصيغة SMILES هو CN(C)c1ccc(/N=N/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.
يبرتن الهيدرونيوم، \(\ce{H3O+}\) ([OH3+])، ذرة النيتروجين الآزوية المرتبطة بالحلقة المسلفنة:
\[ \begin{aligned} &\underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-N=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{أصفر}} +\ce{H3O+}\\ &\qquad\rightleftharpoons \underbrace{\ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2}}_{\text{الصيغة المبرتنة الحمراء}} +\ce{H2O}. \end{aligned} \]
للأيون المزدوج للميثيل البرتقالي المبرتن هذا تمثيل SMILES الآتي للصيغة الآزوية:
CN(C)c1ccc(/N=[NH+]/c2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)cc1.
شحنته الموجبة غير متمركزة. ومن الصيغ البديلة المهمة المساهمة في الرنين الصيغة شبه الكينونية من نمط بارا:
\[ \ce{^{-}O3S-C6H4-NH^{+}=N-C6H4-N(CH3)2} \;\longleftrightarrow\; \ce{^{-}O3S-C6H4-NH-N=C6H4=N^{+}(CH3)2}. \]
للصيغة شبه الكينونية من نمط بارا المساهمة في رنين الميثيل البرتقالي المبرتن تمثيل SMILES الآتي:
C[N+](C)=C1C=CC(=NNc2ccc(S(=O)(=O)[O-])cc2)C=C1.
لرسم هذه الصيغة المساهمة بدقة، أبقِ الحلقة المسلفنة عطرية. وفي الحلقة الأخرى، ضع ذرة النيتروجين المشتقة من مجموعة الآزو عند ذرة الكربون 1، وذرة نيتروجين مجموعة ثنائي ميثيل أمينو عند ذرة الكربون 4. ارسم رابطتين مزدوجتين خارج الحلقة تصلان ذرتي الكربون هاتين بذرتي النيتروجين المناظرتين لهما، ورابطتين مزدوجتين داخل الحلقة بين ذرتي الكربون 2–3 و5–6. تحمل ذرة نيتروجين مجموعة ثنائي ميثيل أمينو الشحنة الموجبة؛ ويبقى البروتون على ذرة النيتروجين المرتبطة بالحلقة المسلفنة.
هذه صيغ مساهمة في رنين النوع الكيميائي المبرتن نفسه. يسجّل تمثيل SMILES كل صيغة مساهمة على حدة؛ وهو لا يُظهر بذاته عدم تمركز الإلكترونات بينها.
وبناءً عليه:
- تؤدي زيادة \([\ce{H3O+}]\) إلى ترجيح الصيغة المبرتنة، وتعطي محلولًا أحمر.
- يؤدي خفض \([\ce{H3O+}]\) إلى ترجيح الأنيون الآزوي، ويعطي محلولًا أصفر.
- تنتج النسب المتوسطة اللون الانتقالي البرتقالي.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.