Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций с участием органических веществ

В связи с введением в качестве единственной формы итоговой аттестации выпускников средней школы единого государственного экзамена (ЕГЭ) и переходом старшей школы на профильное обучение все большую актуальность приобретает подготовка старшеклассников к выполнению наиболее “дорогих” в балльном отношении заданий части “С” теста ЕГЭ по химии. Несмотря на то, что пять заданий части “С” считаются разными: химические свойства неорганических веществ, цепочки превращений органических соединений, расчетные задачи, – все они в той или иной мере связаны именно с окислительно-восстановительными реакциями (ОВР). Если усвоены основные знания теории ОВР, то можно правильно выполнить первое и второе задания полностью, а третье – частично. На наш взгляд, значительная часть успеха при выполнении части “С” заключается именно в этом. Опыт показывает, что если, изучая неорганическую химию, ученики достаточно хорошо справляются с заданиями по написанию уравнений ОВР, то аналогичные задания по органической химии вызывают у них большие трудности. Поэтому на протяжении изучения всего курса органической химии в профильных классах мы стараемся сформировать у старшеклассников навыки составления уравнений ОВР.

При изучении сравнительной характеристики неорганических и органических соединений мы знакомим учащихся с использованием степени окисления (с.о.) (в органической химии прежде всего углерода) и способами ее определения:

1) вычисление средней с.о. углерода в молекуле органического вещества;

2) определение с.о. каждого атома углерода.

Уточняем, в каких случаях лучше использовать тот или иной способ.

При изучении темы “Алканы” показываем, что процессы окисления, горения, галогенирования, нитрования, дегидрирования, разложения относятся к окислительно-восстановительным процессам. При написании уравнений реакций горения и разложения органических веществ лучше использовать среднее значение с.о. углерода. Например:

Обращаем внимание на первую половину электронного баланса: у атома углерода в дробном значении с.о. знаменатель равен 4, поэтому расчет передачи электронов ведем по этому коэффициенту.

В остальных случаях при изучении темы “Алканы” определяем значения с.о. каждого атома углерода в соединении, обращая при этом внимание учащихся на последовательность замещения атомов водорода у первичных, вторичных, третичных атомов углерода:

Таким образом мы подводим учащихся к выводу, что в начале протекает процесс замещения у третичных, затем – у вторичных, и, в последнюю очередь – у первичных атомов углерода.

При изучении темы “Алкены” рассматриваем процессы окисления в зависимости от строения алкена и среды протекания реакции.

При окислении алкенов концентрированным раствором перманганата калия KMnO₄ в кислой среде (жесткое окисление) происходит разрыв - и -связей с образованием карбоновых кислот, кетонов и оксида углерода(IV). Эта реакция используется для определения положения двойной связи.

Если двойная связь находится на конце молекулы (например, у бутена-1), то одним из продуктов окисления является муравьиная кислота, легко окисляющаяся до углекислого газа и воды:

Подчеркиваем, что если в молекуле алкена атом углерода при двойной связи содержит два углеродных заместителя (например, в молекуле 2-метилбутена-2), то при его окислении происходит образование кетона, т. к. превращение такого атома в атом карбоксильной группы невозможно без разрыва C–C-связи, относительно устойчивой в этих условиях:

Уточняем, что если молекула алкена симметрична и двойная связь содержится в середине молекулы, то при окислении образуется только одна кислота:

Сообщаем, что особенностью окисления алкенов, в которых атомы углерода при двойной связи содержат по два углеродных радикала, является образование двух кетонов:

Рассматривая окисление алкенов в нейтральной или слабощелочной средах, акцентируем внимание старшеклассников на том, что в таких условиях окисление сопровождается образованием диолов (двухатомных спиртов), причем гидроксильные группы присоединяются к тем атомам углерода, между которыми существовала двойная связь:

В аналогичном плане рассматриваем окисление ацетилена и его гомологов в зависимости от того, в какой среде протекает процесс. Так, уточняем, что в кислой среде процесс окисления сопровождается образованием карбоновых кислот:

Реакция используется для определения строения алкинов по продуктам окисления:

В нейтральной и слабощелочной средах окисление ацетилена сопровождается образованием соответствующих оксалатов (солей щавелевой кислоты), а окисление гомологов – разрывом тройной связи и образованием солей карбоновых кислот:

Все правила отрабатываются с учащимися на конкретных примерах, что приводит к лучшему усвоению ими теоретического материала. Поэтому при изучении окисления аренов в различных средах ученики могут самостоятельно высказать предположения, что в кислой среде следует ожидать образования кислот, а в щелочной – солей. Учителю останется только уточнить, какие продукты реакции образуются в зависимости от строения соответствующего арена.

Показываем на примерах, что гомологи бензола с одной боковой цепью (независимо от ее длины) окисляются сильным окислителем до бензойной кислоты по -углеродному атому. Гомологи бензола при нагревании окисляются перманганатом калия в нейтральной среде с образованием калиевых солей ароматических кислот.

5C₆H₅–CH₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄ = 5C₆H₅COOH + 6MnSO₄ + 3K₂SO₄ + 14H₂O,

5C₆H₅–C₂H₅ + 12KMnO₄ + 18H₂SO₄ = 5C₆H₅COOH + 5CO₂ + 12MnSO₄ + 6K₂SO₄ + 28H₂O,

C₆H₅–CH₃ + 2KMnO₄ = C₆H₅COOK + 2MnO₂ + KOH + H₂O.

Подчеркиваем, что если в молекуле арена несколько боковых цепей, то в кислой среде каждая из них окисляется по a-углеродному атому до карбоксильной группы, в результате чего образуются многоосновные ароматические кислоты:

Полученные навыки составления уравнений ОВР для углеводородов позволяют использовать их при изучении раздела “Кислородсодержащие соединения”.

Так, при изучении темы “Спирты” учащиеся самостоятельно составляют уравнения окисления спиртов, используя следующие правила:

1) первичные спирты окисляются до альдегидов

3CH₃–CH₂OH + K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ =  3CH₃–CHO + K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + 7H₂O;

2) вторичные спирты окисляются до кетонов

3) для третичных спиртов реакция окисления не характерна.

В целях подготовки к ЕГЭ учителю целесообразно дать дополнительные сведения к указанным свойствам, что, несомненно, будет полезным для учащихся.

При окислении метанола подкисленным раствором перманганата калия или дихромата калия образуется CO₂, первичные спирты при окислении в зависимости от условий протекания реакции могут образовать не только альдегиды, но и кислоты. Например, окисление этанола дихроматом калия на холоду заканчивается oбразованием уксусной кислоты, а при нагревании – ацетальдегида:

3CH₃–CH₂OH + 2K₂Cr₂O₇ + 8H₂SO₄ = 3CH₃–COOH + 2K₂SO₄ + 2Cr₂(SO₄)₃ + 11H₂O,

3CH₃–CH₂OH + K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ 3CH₃–CHO + K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + 7H₂O.

Вновь напомним учащимся о влиянии среды на продукты реакций окисления спиртов, а именно: горячий нейтральный раствор KMnO₄ окисляет метанол до карбоната калия, а остальные спирты – до солей соответствующих карбоновых кислот:

При изучении темы “Альдегиды и кетоны” акцентируем внимание учащихся на том, что альдегиды легче, чем спирты, окисляются в соответствующие карбоновые кислоты не только под действием сильных окислителей (кислород воздуха, подкисленные растворы KMnO₄ и K₂Cr₂O₇), но и под действием слабых (аммиачный раствор оксида серебра или гидроксида меди(II)):

5CH₃–CHO + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5CH₃–COOH + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 3H₂O,

3CH₃–CHO + K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ = 3CH₃–COOH + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 4H₂O,

CH₃–CHO + 2[Ag(NH₃)₂]OH CH₃–COONH₄ + 2Ag + 3NH₃ + H₂O.

Особое внимание уделяем окислению метаналя аммиачным раствором оксида серебра, т.к. в этом случае образуется карбонат аммония, а не муравьиная кислота:

HCHО + 4[Ag(NH₃)₂]OH = (NH₄)₂CO₃ + 4Ag + 6NH₃ + 2H₂O.

Как показывает наш многолетний опыт, предложенная методика обучения старшеклассников составлению уравнений ОВР с участием органических веществ повышает их итоговый результат ЕГЭ по химии на несколько баллов.

Л.К.ПИЛИПЕНКО,
учитель химии средней школы № 5
(г. Анапа, Краснодарский край)