Ольга

Окислительно-восстановительные реакции в органической химии

Всероссийский заочный конкурс для педагогов на лучшую методическую разработку авторской экскурсии

Материал опубликован 29 March 2020 в группе

УРОК.РФ: группа для участников конкурсов

47036

221793

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Гимназия №46" города Чебоксары Чувашской Республики

Окислительно-восстановительные

реакции в органической химии

Методическое пособие

Чебоксары, 2020

Автор-составитель: Федорова О.П., заслуженный учитель Чувашской Республики, учитель химии МБОУ "Гимназия №46" г. Чебоксары ЧР

Окислительно-восстановительные реакции в органической химии. Методическое пособие. – МБОУ «Гимназия №46», 2020 -14с.

Пособие предназначено для учеников выпускных классов для подготовки и успешной сдачи ЕГЭ, а также для учителей общеобразовательных учреждений, начинающих свою педагогическую деятельность. В данном методическом пособии включены примеры окислительно-восстановительных реакций, которые больше всего вызывают затруднения при их составлении.

Содержание

Введение………………………………………………………………………..4

Составление окислительно – восстановительных реакций в органических реакциях………………………………………………………………………...4

Заключение…………………………………………………………………….13

Список использованной литературы…………………………………………14

Введение.

Среди разнообразных процессов и явлений, протекающих в окружающем нас мире, важное место занимают окислительно-восстановительные реакции. Без изучения ОВР невозможно понять современную неорганическую и органическую химию.

Целью методического пособия является оказание помощи в изучении окислительно - восстановительных реакций. В данное пособие вошло много разобранных примеров и задач, которые помогут глубже понять изучаемый материал. Для более глубокого изучения материала необходимо использовать учебную литературу, список которой приводится в конце пособия.

Составление окислительно – восстановительных реакций в органических реакциях.

Окислительно - восстановительные реакции (ОВР) - реакции, протекающие с изменением степени окисления одного или нескольких элементов.

Окислительно-восстановительные реакции играют важную роль в природе и технике. Фотосинтез, дыхание, брожение, накопление энергии в клетках сопровождаются переносом электронов. Разделяя процессы окисления и восстановления, удается превращать энергию химических реакций в электрическую.

К числу ОВР принадлежат все реакции между простыми и сложными веществами, между двумя простыми веществами, а также некоторые случаи взаимодействия сложных веществ.

При определении степени окисления атомов углерода в органических соединениях следует помнить

1. У каждого атома углерода степень окисления определяется отдельно.

2. При этом не учитываются углерод - углеродные связи, а алгебраическая сумма степеней окисления атомов, связанных с каждым атомом углерода равна нулю. Поэтому, зная степени окисления других элементов, легко определить степень окисления атомов углерода.

3. Атомы водорода в органических соединениях проявляют степень окисления +1, атомы кислорода -2, атомы галогенов -1, атомы азота или -3 (если это производные аммиака) или +5 (если производные азотной кислоты).

Пример расстановки степеней окисления в органических соединениях:

Рис.1

Основные окислители, которые чаще всего в используют в школьном курсе: KMnO4, K2Cr2O7, озон, галогены и др.

Необходимо помнить, что ион MnO4- , имеющий фиолетово-малиновую окраску в кислой среде переходит в бесцветный ион Mn+2.

MnO4-+ 8H++5→ Mn+2+4H2O.

в нейтральной и слабощелочной среде в МnO2, образуя бурый осадок

MnO4-+2H2O+3 → MnO2+4OH-.

а в сильнощелочной среде в Mn. При этом фиолетово-малиновая окраска переходит в зеленую:MnO4- + 1→ MnO42-.

Ион Cr2O72- оранжевого цвета в кислой среде переходит в ион зеленого цвета 7.

Cr2O72-+14H+ + 6 → 2Cr3++7H2O.

Оксид хрома CrO3 оказывает такое же действие CrO3+6H++3→ Cr3++3H2O.

Очень легко окисляются алкены. Образование продуктов, которые получаются при этом, зависит от строения алкенов и от условия проведения реакций.

При окислении алкенов разбавленным водным раствором при обычной температуре они превращаются в двухатомные спирты.

Расстановка коэффициентов в органических реакциях.

Пример 1. Окисление этилена перманганатом калия в нейтральной среде

3C-2H2 = C-2H2 + 2KO4 + 4H2O → 3C-1H2 - C-1H2 + 2O2 + 2KOH

| |

OH OH

2C-2- 2 → 2C-1 | 3

Mn+7 +3 → Mn+4 | 2

Пример 2. Оксиление пропена перманганатом калия в нейтральной среде

3СН3-С-1Н=С-2Н2 +2КМn+7O4 + 4H2O → ЗСН3-С0Н-С-1H2 + 2Mn+4O2 + 2KOH

| |

OH OH

C-1– 1 →
C-2– 1→ |3

Mn+7+3е → Мn+4 |2

При нагревании симметричного алкена перманганатом калия двойная связь разрывается.

Пример 3.

С-2Н2 = С-2Н2 + 4КМn+7O4 → 2С+4O2 - 4Mn+4O2 + 4KOH

2C-2- 12 → 2C+4 |1

Mn+7 +3 → Mn+4 |4

Аналогичная картина наблюдается, если два атома углерода, связанные двойной связью, входят в состав других классов органических соединений.

Пример 4. Окисление непредельных дикарбоновых кислот

3COOH-C-1H = C-1H-COOH+2KMn+7O4+ 4H2O → 3COOH-C0H-C0H-COOH+2KOH+2O2

| |

OH OH

2C-1-2→2C0 |3

Mn+7+3→Mn+4 |2

Пример 5. Окисление стирола (винилбензола)

3C6H5-C-1H=H2+2KMn+7O4+4H2O→3C6H5-C0H-C-1H2+2Mn+4O2+2KOH

| |

OH OH

– 1

→

– 1

→

Mn+7+3→Mn+4 2

Если в качестве окислителя используют кислый раствор KMnO4 или хромовую смесь происходит расщепление молекулы алкена по месту двойной связи. В качестве продуктов реакции могут получиться две кислоты.

Пример 6.Окисление симметричного алкена перманганатом калия в кислой среде

5CH3-C-1H=C-1H-CH3+8KMn+7O4+12H2SO4→10CH3-C+3OOH+4K2SO4+8Mn+2SO4+12H2O

2C-1-8→2C+3 |5

Mn+7+5→Mn+2 |8

Окисление несимметричного алкена перманганатом калия в кислой среде, образуются органическая кислота и CO2.

Пример 7.

CH3-CH2-C-1H=C-2H2+2KMn+7O4+3H2SO4→CH3-CH2-C+3OOH+C+4O2+K2SO4+2Mn+2SO4+4H2O

–4

→

– 6

→

Mn+7+5→Mn+2 2

Пример 8.

3C6H5-C-1H=H2+5O7+2OH2 SO4→3C+4O2+3-C+3 OOH +5 O4++23H2O

–4

→

– 6

→

2Cr+6+6→2Cr+3 5

При окислении этилена перманганатом калия в кислой среде образуется только CO2.

Пример 9.

5C-2H2=C-2H2+12KMn+7O4+18H2SO4→10C+4O2+12Mn+2SO4+6K2SO4+28H2O

2C-2-12→2C+4 |5

Mn+7+5→Mn+2 |12

Если алкен имеет разветвленное строение, то продуктами реакции могут быть кислота и кетон, кетон и СО2.

Пример 10.

5CH3-C0=C-1H3+6KMn+7O4+9H2SO4→5CH3-C+2-CH3+5CH3-C+3OOH+3K2SO4+6Mn+2SO4+9H20

| ||

CH3 O

–2

→

– 4

→

Mn+7+5→Mn+2 |6

Пример 11.

5CH3-C0=C-2H2+8KMn+7O4+12H2SO4→5CH3-C+2-CH3+5C+4O2+4K2SO4+8Mn+2SO4+17H2O

| ||

CH3 O

–2

→

– 6

→

Mn+7+5→Mn+2 |8

В щелочной среде образуются двухатомные спирты. Эта реакция является качественной, так как при этом фиолетово-розовая окраска переходит в зеленую.

Пример 12.

CH3-C-1H=C-2H2+2KMn+7O4+2KOH→CH3-C0H-C-1H2+2K2Mn+6O4

| |
OH OH

–1

→

– 1

→

Mn+7+1→Mn+6 |2

При окислении этилена кислородом воздуха в присутствии металлического серебра образуется оксид этилена (3500 С).

Пример 13.

2CH2=CH2+O2 2CH2-CH2

\ /

Алкины легко окисляются с частичным или полным разрывом молекулы, по тройной связи.

Пример 14.

5CH3-C0H+8KMn+7O4+12H2SO4→5CH3-C+3OOH +5C+4O2+4K2SO4+8Mn+2SO4+12H2O

–3

→

– 5

→

Mn+7+5→Mn+2 |8

Пример 15.

5C6H5-C0=C-1H+8KMn+7O4+12H2SO4→5C+4O2+5C6H5-C+3OOH +4K2SO4+8Mn+2SO4+12H2O

При действии KMnO4 на ацетилен нейтральной среде получается оксалат калия.

Пример 16.

3C-1HC-1H+8KMn+7O4→3(O=C+3-C+3=O) +8Mn+4O2+2KOH+2H2O

| |

OK OK

2C-1-8→2C+3 |3

Mn+7+3→Mn+4 |8

Бензол не окисляется раствором KMnO4. Толуол и другие гомологи бензола легко окисляются до бензойной кислоты. При этом толуол окисляется в кислой среде до бензойной кислоты.

Пример 17.

5C6H5-C-3H3+6KMn+7O4+9H2SO4→5C6H5-C+3OOH+6Mn+2SO4+3K2SO4+14O

C-3-6→C+3 |5

Mn+7+5→Mn+2 |6

Если радикал содержит два и более атомов угле рола, то получается бензойная кислота и выделяется СО2, иногда бензойная кислота, соответствующая карбоновая кислота, и CO2.

Пример 18.

5C6H5-C-2H2-C-3H3+12KMn+7O4+18H2SO4→

5C6H5-C+3OOH+5C+4O2+6K2SO4+12Mn+2SO4+28H2O

–5

→

– 7

→

Mn+7+5→Mn+2 |12

Пример 19.

5C6H5-C-1H-C-2H2-C-3H3+16KMnO4+24H2SO4→5C+4O2+5C6H5-C+3OOH + |

C+3H3

+5CH3--C+3OOH+16Mn+2SO4+8K2SO4+34H20

–4 → |5

–7→

Mn+7+5→Mn+2 |16

Если в состав молекул гомологов бензола в радикале два и более атома углерода, то выделяющийся углекислый газ с образующейся щелочью может образовывать карбонаты и гидрокарбонаты.

Пример 20.

C6H5-C-2H2-C-3H3+4KMn+7O4→C6H5-C+3OOK+4Mn+4O2+K2C+4O3+KOH+2H2O

–5

→

–7→ |1

Mn+7+3→Mn+4 |4

Пример 21.

C6H5-C-1H-C-3H3+6KMn+7O4→C6H5-C+3OOK+2K2C+4O3+6Mn+4O2+KOH+3H2O

C-3H3

–4 →

–14→2 18 |1

Mn+7+3→Mn+4 |6

При окислении толуола MnO2 образуется бензальдегид.

Пример 22.

C6H5-C-3H3+2Mn+4O2+2H2SO4→C6H5-C+1OOH+2Mn+2SO4+3H2O

C-3-4→C+1 |1

+2→Mn+2 |2

При окислении спиртов образуются различные продукты. Первичные спирты чаще всего переходят в альдегиды

Пример 23.

3CH3-C-1H2-OH+2Cr+6O3+3H2SO4→3CH3-C+1HO+Cr+32(SO3)3+6H2O

C-1-2→C+1 |3

Cr+6+3→Cr+3 |2

Пример 24.

3CH3-C-1H2-OH+K2Cr+62O7+4H2SO4→3CH3-C+1HO+K2SO4+Cr+32(SO4)+7H2O

Пример 25.

3C6H5-C-1H2-OH+2KMn+7O4→3C6H5-C+1HO+2Mn+2O2+2KOH+2H2O

C-1-2→C+1 |3

Mn+7+3→Mn+4 |2

и в кислоты.

Пример 26.

5CH3-C-1H2-OH+4KMn+7O4+6H2SO4→5CH3-C+3=O+2K2SO4+4Mn+2SO4+11H2O

C-1-4→C+3 |5

Mn+7+5→Mn+2 |4

Пример 27.

5C-1H2-CH2-CH2-C-1H2+8KMn+7O4+12H2SO4→5O=C+3-CH2-CH2- C+3=O+4K2SO4+8Mn+2SO4+22H2O

| | | |

OH OH HO OH

2-8→2 |5

+5e→ |8

Пример 28.

3C6H5-C-1H2-OH+2K2Cr+62O7+8H2SO4→3C6H5-C+3=O+2Cr+32(SO4)3+2K2SO4+11H2O

C-1-4→C+3 |3

2Cr+6+6→2Cr+3 |2

При окислении метанола выделяется СО2.

Пример 29.

5C-2H3OH+6KMn+7O4+9H2SO4→5C+4O2+6Mn+2SO4+3K2SO4+19H2O

C-2-6→C+4 |5

Mn+7+5→Mn+2 |6

В нейтральной среде образующаяся кислота дает соль при взаимодействии со щелочью.

Пример 30.

3CH3-C-1H2-OH+4KMn+7O4→3CH3-C+3OOK+4Mn+4O2+KOH+4H2O

C-1-4→C+3 |3

Mn+7+3→Mn+4 |4

Вторичные спирты при окислении переходят в кетоны.

Пример 31.

5CH3-C0H-CH-3+2KMn+7O4+3H2SO4→CH3-C+2-CH3+K2SO4+2Mn+2SO4+8H2O

| ||

OH O

C0-2→C+2 |5

Mn+7+5→Mn+2 |2

У третичных спиртов под действием энергичных окислителей или при высокой температуре происходит разрушение молекулы с образованием смеси кислот.

Для окисления спиртов можно использовать и галогены, при этом на первом этапе образуется альдегид, а затем кислота.

Пример 32.

CH3-C-1H2-OH+Cl02→CH3-C+1H2-OCl-1+HCl-1

CH3-CH-O-Cl→CH3-C+1=O+HCl-1

| |

H H

C-1-2→C+3 |1

Cl0+2→2Cl-1 |1

При окислении альдегидов образуются соответствующие карбоновые кислоты.

Пример 33.

5CH3-C+1=O+2KMn+7O4+3H2SO4→5CH3-C+3=O+K2SO4+2Mn+2SO4+3H2O

| |

H OH

C+1-2→C+3 |5

Mn+7+5→Mn+2 |2

Пример 34.

CH3-C+1=O+2[Ag+1(NH3)2]OH→CH3-C+3OONH4+2Ag0↓+3NH3↑+H2O

Исключением является метаналь, так как муравьиная кислота в дальнейшем окисляется до углекислого газа, который может образовывать карбонаты и гидрокарбонаты.

Пример 35.

3H-C0=O+4KMn+7O4→K2C+4O3+KHC+4O3+4Mn+4O2+2H2O

C0-4e→C+4 |3

Mn+7+3→Mn+4 |4

Пример 36.

H-C0=O+4[Ag+NH3)2]OH→4AgO↓+7NH3+2H2O+NH4НС+4 O3

При окислении соединений с двойственными функциями протекают более сложные процессы.

Пример 37.

3C-2H2=C-1H-C+1=O+4KMn+7O4+2H2O→KOH+3C-1H2-C0H-C+3=O+4Mn+4O2

| | | |

H OH OH OK

–1

→

–1→

–2 → |3

Mn+7+5→Mn+2 |4

При окислении кетонов происходит разрыв углеродный цепи с образованием смеси различных кислот.

Пример 38.

5CH3-CH2-C+2-CH3+8KMn+7O4+12H2SO4→5CH3-CH2-C+3OOH+5C+4O2+4K2SO4+8Mn+2SO4+17H2O

–1→

–7 → 8 |5X

Mn+7+5→Mn+2 |8

Пример 39.

5CH3-C-2H2-C+2-CH3+6KMn+7O4+9H2SO4→10CH3-C+3OOH+3K2SO4+6Mn+2SO4+9H2O

–5→

–1 → 6 |5

Mn+7+5→Mn+2 |6

При окислении муравьиной кислоты KMnO4 в нейтральной среде образуются карбонаты или гидрокарбонаты.

Пример 40.

3H-C+2=O+2KMn+7O4→2KHC+4O3+C+4O2+2Mn+4O2+2H2O

C+2-2→С+4 |3

Mn+7+3->Mn+4 |2

Заключение.

Таким образом, в данном методическом пособии представлены примеры основных типов окислительно-восстановительных реакций, изучаемых в школьном курсе органической химии. Подробно рассмотрен вопрос расстановки коэффициентов в уравнениях органических окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса. Кроме того, существуют другие методы расстановки коэффициентов, такие как метод электронно-ионного баланса, метод протонно-кислородного баланса, метод макроподстановки и др.