В данной статье представлен пример решения задачи №32 ЕГЭ по химии с подробными пояснениями (а кто дочитает статью до конца, узнает, как расставлять коэффициенты в уравнениях окислительно-восстановительных реакций с участием органических веществ)
Задача №32 – это задание на составление уравнений органических реакций. Для выполнения этой задачи нужно хорошо знать химические свойства разных классов органических соединений и ориентироваться в их взаимных превращениях.
В некоторых случаях недостаток знаний о химических свойствах органических веществ может быть компенсирован сообразительностью, умением логически мыслить и просто в нужный момент посчитать атомы – я покажу способы, как это можно сделать на примере задачи вот с таким условием:
«Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
При написании уравнений реакций указывайте преимущественно образующиеся продукты, используйте структурные формулы органических веществ.»
Решение:
Данная цепочка превращений сравнительно несложная, так как нам известно исходное вещество – пропионовая кислота – и что она реагирует с гидрокарбонатом кальция Са(НСО3)2, кислой солью угольной кислоты.
Таким образом, первая реакция – это действие более сильной пропионовой кислоты на соль более слабой угольной кислоты. При этом происходит образование соли более сильной кислоты – пропионата кальция – и вытеснение из гидрокарбоната более слабой угольной кислоты, которая в момент выделения, как известно, разлагается на углекислый газ и воду:
Обратите внимание, что кальций – металл двухвалентный, и в молекуле пропионата кальция содержится два кислотных остатка. Поэтому на образование одной молекулы пропионата кальция нужно две молекулы пропионовой кислоты, что отражается в расстановке коэффициентов в уравнении реакции.
Итак, мы получили вещество Х1 – это пропионат кальция. Известно следующее вещество в цепочке превращений – это кетон пентанон-3.
Когда, как в данном случае, известны и исходное вещество и продукт реакции, то часто бывает полезно посчитать, на какое количество атомов они отличаются. Этот подсчёт может дать подсказку, происходит отщепление или присоединение и каких именно веществ.
Подсчет даёт следующие результаты: молекула пропионата кальция содержит 6 атомов углерода, 10 атомов водорода, 4 атома кислорода и 1 атом кальция; молекула пентанона-3 содержит 5 атомов углерода, 10 атомов водорода и 1 атом кислорода.
Получается, что из молекулы пропионата кальция «уходят» 1 атом кальция, 1 атом углерода и 3 атома кислорода. Этот набор соответствует какой молекуле? Правильно, молекуле карбоната кальция СаСО3.
Вот так, даже не зная о соответствующих свойствах солей карбоновых кислот и способах получения кетонов, можно предположить, что реакция происходит следующим образом:
Эта реакция называется пиролиз солей карбоновых кислот, она заключается в частичном декарбоксилировании органических солей с отщеплением карбоната соответствующего металла, а в качестве органических продуктов реакции получаются кетоны или альдегиды (если пиролизу подвергались соли муравьиной кислоты).
Прямоугольником обведен фрагмент молекулы, из которого образуется карбонат – уходят атом металла, одна из карбоксильных групп полностью, а из второй карбоксильной группы только один атом кислорода. Из оставшихся углерода второй карбоксильной группы и связанного с ним двойной связью кислорода формируется карбонильная группа кетона.
Также обратите внимание, что пиролиз происходит при нагревании – просто так соли карбоновых кислот до кетонов не разлагаются.
Переходим к следующим реакциям: из пентанона-3 нужно получить некое неизвестное вещество Х2, а из него – алкен пентен-2. Давайте тоже попробуем проанализировать изменения, которые происходят с составом и строением веществ, хотя с промежуточным неизвестным веществом это уже не столь эффективно.
Сравнивая структурные формулы пентанона-3 и пентена-2 мы видим, что углеродная цепь не изменяется, в ней всё так же содержится 5 атомов углерода. Затем нужно отметить, что в пентаноне-3 присутствует кислородосодержащая функциональная группа с двойной связью, а пентен-2 – вещество бескислородное, но зато появляется двойная связь между атомами углерода. Количество атомов водорода не изменяется, но меняется их местоположение – в пентаноне-3 у второго атома углерода два водородных атома, у третьего атома углерода водородов нет, а в пентене-2 у второго и третьего углеродных атомов по одному атому водорода.
Атомы водорода произвольно по углеродной цепи не перемещаются. Получить нужные изменения можно только следующим образом – сначала провести реакцию, в которой произойдет присоединение водорода к третьему углеродному атому, а затем реакцию, в которой произойдет отщепление водорода от второго углеродного атома. Кроме того, где-то на этом пути нужно избавиться от кислорода и сформировать двойную связь между углеродными атомами.
Итак, нам нужно присоединить водород к третьему углеродному атому в молекуле пентанона-3. Это присоединение будет происходить за счёт раскрытия двойной связи в карбонильной группе, то есть что-то ещё должно присоединиться к атому кислорода. Таким образом, нам нужно провести реакцию пентанона-3 с неким веществом, молекула которого может разделиться на две части, одна из которых должна быть атомом водорода и присоединяться к углеродному атому, а вторая часть соединится с атомом кислорода.
Не будем усложнять себе задачу и попробуем присоединить простое вещество водород, молекула которого состоит из двух атомов водорода, один из которых соединится с атомом углерода карбонильной группы, а другой – с атомом кислорода. Двойная связь между углеродом и кислородом при этом превращается в одинарную. Как и всякое присоединение водорода по двойной связи, оно происходит при участии никелевого катализатора, который нужно указать над стрелкой:
Эта реакция называется гидрирование: при этом кетоны восстанавливаются до соответствующих спиртов. В данном задании из пентанона-3 мы получили спирт пентанол-3.
Итак, мы добавили атом водорода к третьему углеродному атому. На следующем этапе нужно избавиться от кислорода и сформировать двойную связь в углеродной цепи. Теперь, когда известно, что вещество Х2 – это пентанол-3 и из него нужно получить пентен-2, считаем атомы элементов, как мы ранее это делали с пропионатом кальция и пентаноном-3.
Подсчет даёт следующие результаты: молекула пентанола-3 содержит 5 атомов углерода, 12 атомов водорода и 1 атом кислорода; молекула пентена-2 содержит 5 атомов углерода и 10 атомов водорода.
Получается, что из молекулы пентанола-3 «уходят» 2 атома водорода и 1 атом кислорода. И становится очевидно, что происходит дегидратация, то есть отщепление воды; катализатор этого процесса – серная кислота, которая является сильным водоотнимающим веществом:
Осталось последнее уравнение, где из пентена-2 образуются два вещества – Х3 и Х4. В этой реакции на пентен-2 действуют перманганатом калия в присутствии серной кислоты и при нагревании. Таким образом, последняя реакция в нашей цепочке – это окисление, причем в жестких условиях; два образующихся органических вещества указывают на то, что происходит разрыв углеродной цепи алкена.
Разрыв цепи происходит по месту двойной связи, так как в этом месте молекула алкена наименее прочная. Атомы углерода, которые находятся у двойной связи, окисляются с образованием из них карбоксильных групп, то есть продуктами жесткого окисления алкена являются карбоновые кислоты. В данном случае получаются две карбоновые кислоты – из фрагмента с двумя атомами углерода получается уксусная кислота (вещество Х3), а из фрагмента с тремя атомами углерода пропионовая кислота (вещество Х4).
В подобных реакциях часто ученики испытывают затруднения с написанием побочных продуктов реакции и расстановкой коэффициентов. Давайте сначала определимся с продуктами реакции. Мы уже выяснили, что алкен окисляется до двух карбоновых кислот. При этом окислитель – перманганат калия – восстанавливается, и в данном случае нужно просто помнить из курса общей и неорганической химии, что в кислой среде перманганат-ион всегда восстанавливается до иона двухвалентного марганца. А так как кислую среду создает серная кислота, то получается сульфат марганца (II) MnSO4.
Кроме сульфата марганца ещё образуется сульфат калия К2SO4, так как должен же куда-то войти калий, который был в составе перманганата калия. На образование сульфата марганца и сульфата калия пойдут сульфат-ионы, которые были в составе серной кислоты, а из водорода серной кислоты образуется вода. Это тоже нужно просто помнить из курса общей и неорганической химии, что окислительно-восстановительные реакции в кислой среде всегда протекают с образованием воды.
В общем, реакция окисления пентена-2 выглядит следующим образом:
Теперь выясним, как были получены именно такие коэффициенты в уравнении данной реакции. Для этого применим те же приемы, которые используются в неорганической химии и сначала найдем, какие элементы и в каких веществах меняют степени окисления.
Очевидно, что меняет степень окисления марганец в перманганате калия, ведь это вещество является окислителем. В молекуле перманганата калия марганец имеет степень окисления +7, а в молекуле сульфата марганца – степень окисления +2. Такое понижение степени окисления происходит за счёт присоединения 5 электронов (электрон – частица отрицательная, и при их присоединении происходит уменьшение степени окисления):
Второй участник окислительно-восстановительного процесса не столь очевиден. Это углерод, причем только те атомы углерода, которые в пентене-2 находились при двойной связи.
В молекуле органического вещества разные атомы углерода могут иметь разные степени окисления. Степень окисления каждого отдельного углеродного атома зависит от того, с какими соседними атомами он связан.
Общее правило определения степени окисления углеродных атомов в молекулах органических веществ следующее: связи с атомами водорода понижают степень окисления углерода (так как происходит смещение электронов от менее электроотрицательного водорода к более электроотрицательному углероду), а связи с атомами кислорода наоборот повышают степень окисления углерода (так как теперь уже происходит смещение электронов от менее электроотрицательного углерода к более электроотрицательному кислороду).
Теперь внимательно смотрим на формулу пентена-2 и видим, что с каждым атомом углерода при двойной связи связан только один атом водорода. То есть степень окисления этих углеродных атомов равна ‒ 1 (связи с соседними атомами углерода, как одинарные так и двойные, на степень окисления углерода не влияют).
В молекулах карбоновых кислот атом углерода карбоксильной группы имеет степень окисления + 3, так как он связан тремя связями (одинарной и двойной, которая считается за две связи) с атомами кислорода.
Значит, при окислении алкена до карбоновых кислот происходит отнятие 4 электронов от каждого атома углерода, который находился у двойной связи:
Теперь соединяем эти два электронных уравнения вместе и для восстановителя количество атомов и электронов удваиваем, так как в каждой молекуле алкена окисляются сразу два атома углерода при двойной связи и из одной молекулы алкена образуются сразу две карбоновые кислоты:
Чтобы получить одинаковое количество отдаваемых и присоединяемых электронов, нужно первое уравнение умножить на 8:
а второе - на 5:
Теперь понятно, почему нужно поставить коэффициент 8 перед формулами перманганата калия и сульфата марганца. А перед формулами пентена-2, уксусной кислоты и пропионовой кислоты нужно поставить коэффициент 5. Обратите внимание, что 2 и 5 в данном случае перемножать не нужно, потому что здесь двойка означает, что в каждой молекуле алкена два атома меняют степень окисления и по пять молекул двух разных карбоновых кислот тоже содержат по 2 х 5 атомов углерода.
Расставляем коэффициенты перед формулами остальных участников реакции. Начинаем с сульфата калия: в его составе находятся все атомы калия, которые были в перманганате калия, их 8, и поскольку в каждой молекуле сульфата калия по 2 атома калия, то ставим перед формулой коэффициент 4.
Теперь посчитаем количество кислотных остатков сульфат-ионов: их можно рассматривать как единое целое, так как они переходят в неизменном виде из молекул серной кислоты в молекулы сульфата марганца и сульфата калия. У нас уже получилось 8 молекул сульфата марганца и 4 молекулы сульфата калия: итого 12 сульфат-ионов, и коэффициент перед молекулой серной кислоты должен быть равен 12.
Дальше уравниваем атомы водорода. Сначала нужно внимательно посчитать атомы водорода в молекуле пентена-2 и молекулах уксусной и пропионовой кислот: в молекуле пентена-2 содержится 10 атомов водорода, уксусной кислоты – 4 атома водорода, а пропионовой кислоты – 6 атомов водорода.
Получается, что каждая пара молекул уксусная + пропионовая кислота содержит точно такое же количество атомов водорода, как и молекула пентена-2. То есть при окислении пентена-2 не происходит удаление атомов водорода из молекулы, а только их перегруппировка. Следовательно, весь водород, который содержался в молекулах пентена-2, вошел в состав полученных карбоновых кислот, а весь водород, который содержался в серной кислоте, войдет в состав молекул воды. Поэтому коэффициент перед формулой воды будет такой же, как и перед формулой серной кислоты – 12.
Для проверки правильности расстановки коэффициентов нужно посчитать атомы кислорода. Считаем только те атомы кислорода, которые находятся в молекулах перманганата калия, карбоновых кислот и воды. Атомы кислорода в составе сульфат-ионов не считаем, так как они не участвуют в окислительно-восстановительном процессе, и мы уже уравняли их ранее.
В левой части уравнения в молекулах перманганата калия содержится 8 х 4 = 32 атома кислорода. В правой части уравнения в молекулах уксусной и пропионовой кислот содержится по 5 х 2 = 10 атомов кислорода, и еще 12 атомов кислорода содержится в молекулах воды. В сумме получается 10 + 10 + 12 = 32 атома кислорода. Баланс по кислороду сошелся, это значит, что коэффициенты в уравнении окислительно-восстановительной реакции расставлены правильно!
P.S. Если Вам понравился мой разбор задачи ЕГЭ и Вы хотите заказать столь же подробные решения других задач, пишите мне на электронную почту kkhimiya@internet.ru.
Для учеников, проживающих в моем городе (г. Прокопьевск, Кемеровская область), предлагаю репетиторство по подготовке к ЕГЭ по химии: стоимость одного урока продолжительностью 60 минут – от 700 рублей.
Рассмотрю предложения о сотрудничестве от учебных заведений и репетиторских агентств.