Некоторые окислительно-восстановительные реакции алкенов: первое знакомство с методом электронно-ионного баланса в органической химии

Разделы: Химия, Конкурс «Презентация к уроку»


Презентация к уроку

Загрузить презентацию (1,5 МБ)

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.


Тема “ОВР в органической химии” достаточно широко освящена на страницах журнала “Химия в школе” методистами, учителями (“Химия в школе”. 1998. №1. С.29-38, 2000. №2. С.61-69, 2004. №2. С.55-61 и др.).

В данной статье хочется представить свой опыт по использованию метода полуреакций при уравнивании схем на начальном этапе обучения органической химии: знакомство с некоторыми реакциями окисления непредельных углеводородов.

Red – восстановитель (от англ. “Redintegrator” – восстановитель);
Ох – окислитель (от англ. “Oxidant” - окислитель).

Первая возможность показать метод электронно-ионного баланса появляется при изучении химических свойств алкенов. Здесь очень важно грамотно сформировать навыки составления полуреакций. Для этого с учащимися записываем памятку:

кислотная среда содержит H+ и H2O =>
поэтому кислород забираем катионами водорода:
[O] + 2H+ = H2O
щелочная среда содержит OH и H2O =>
поэтому кислород забираем водой:
[O] + H2O = 2OH

В качестве примеров можно привести реакции взаимодействия алкенов с водным раствором KMnO4 (реакция Вагнера) и раствором KMnO4 в серной кислоте при tºC.

При взаимодействии алкенов с водным раствором KMnO4 происходит одновременно окисление и гидратация по месту разрыва π-связи вне зависимости от места расположения двойной связи (на краю или в центре молекулы):

При наличии в молекуле 2-х двойных связей образуются тетраолы:

Напомним, что при действии KMnO4 в H2SO4 при tºC двойная связь разрывается:

а) если двойная связь находится на конце молекулы, то образуется кислота и углекислый газ:

б) если двойная связь находится не на краю, то образуется смесь кислот:


в) если двойная связь находится при атоме углерода с двумя радикалами, то образуется кетон и карбоновая кислота или углекислый газ:

Если в молекуле 2 двойных связи, то при равных условиях они обе будут подвержены разрыву с образованием смеси веществ одно- и двухосновной кислот, углекислого газа или кетона:


Вместо KMnO4 в растворе H2SO4 можно использовать K2Cr2O7, тогда среди побочных продуктов будут K2SO4, Cr2(SO4)3 и H2O.

Данные реакции используются для определения строения непредельных углеводородов (местонахождения кратных связей).

Обычно для усвоения учащимися материала урока вполне достаточно проработать по 2 примера ОВР алкенов в различных средах (работа проводится по памятке). Причем целесообразно брать одно вещество и составлять УХР его взаимодействия с KMnO4 в различных средах.

Пример 1.

(среда щелочная OH-, H2O).

C5H10 + 2OH- - 2e- → C5H12O2
MnO4- + 2H2O + 3e- → MnO2↓ + 4OH-
3 Red, окисляется
2 Ох, восстанавливается

3C5H10 + 6OH + 2MnO4 + 4H2O → 3C5H12O2 + 2MnO2↓ + 8OH

Сокращаем одинаковые частицы в левой и правой частях схемы и получаем:

3C5H10 + 2MnO4 + 4H2O → 3C5H12O2 + 2MnO2↓ + 2OH

Записываем УХР в молекулярном виде:

3C5H10 + 2KMnO4 + 4H2O = 3C5H12O2 + 2MnO2↓ + 2KOH

или

Пример 2.

(среда кислотная H+, H2O).

C5H10 + 3H2O - 6e- → C3H6O + C2H4O2 +6H+
MnO4- + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O
5 Red, окисляется
6 Ох, восстанавливается

5C5H10 + 15H2O + 6MnO4- + 48H+ → 5C3H6O + 5C2H4O2 + 6Mn2+ + 30H+ + 24H2O

Сокращаем одинаковые частицы в левой и правой частях схемы и получаем:

5C5H10 + 6MnO4- + 18H+ → 5C3H6O + 5C2H4O2 + 6Mn2+ + 9H2O

Записываем УХР в молекулярном виде:

tºC

5C5H10 + 6KMnO4 + 9H2SO4 = 5C3H6O + 5C2H4O2 + 6MnSO4 + 9H2O + 3K2SO4

или

Пример 3.

(среда щелочная OH-, H2O).

C3H6 + 2OH- - 2e- → C3H8O2
MnO4- + 2H2O + 3e- → MnO2↓ + 4OH-
3 Red, окисляется
2 Ох, восстанавливается

3C3H6 + 6OH- + 2MnO4- + 4H2O → 3C3H8O2 + 2MnO2↓ + 8OH-

Сокращаем одинаковые частицы в левой и правой частях схемы и получаем:

3C3H6 + 2MnO4- + 4H2O → 3C3H8O2 + 2MnO2↓ + 2OH-

Записываем УХР в молекулярном виде:

3C3H6 + 2KMnO4 + 4H2O = 3C3H8O2 + 2MnO2↓ + 2KOH

или

Пример 4.

(среда кислотная H+, H2O).

C3H6 + 4H2O - 10e- → C2H4O2 + CO2 +10H+
MnO4 + 8H+ + 5e- → Mn2+ + 4H2O
1 Red, окисляется
2 Ох, восстанавливается

C3H6 + 4H2O + 2MnO4 + 16H+ → C2H4O2 + CO2 + 2Mn2+ + 10H+ + 8H2O

Сокращаем одинаковые частицы в левой и правой частях схемы и получаем:

C3H6 + 2MnO4 + 6H+ → C2H4O2 + CO2 + 2Mn2+ + 4H2O

Записываем УХР в молекулярном виде:

C3H6 + 2KMnO4 + 3H2SO4 C2H4O2 + CO2 + 2MnSO4 + 4H2O + K2SO4

или

Для закрепления изученного материала можно дать учащимся задания, подобные следующему: алкен с брутто-формулой С6Н12 подвергли окислению KMnO4 в присутствии H2SO4 при tºC. Определите строение алкена, если продуктами реакции являются 3-метилбутановая кислота и CO2.

Ответ: Так как продукт СО2, двойная связь находилась на конце молекулы, тогда

искомый алкен – 4-метилпентен-1.

После отработки навыков использования метода электронно-ионного баланса в ОВР алкенов можно провести самостоятельную работу по вариантам.

Задание: Составить и уравнять методом электронно-ионного баланса схемы реакций взаимодействия алкена с водным и сернокислым (при tºC) раствором перманганата калия:

Вариант Название алкена (исходного вещества)
I 2-метилбутен-1
II 2-метилпентен-1
III бутен-1
IV пентен-1
V 3-метилпентен-1
VI 3-метилпентен-2

Использование метода полуреакций при изучении реакций окисления алкенов позволяет учащимся в дальнейшем легче усвоить реакции окисления алкадиенов, алкинов, спиртов, альдегидов, кетонов, гомологов бензола и других органических соединений.

Преимущества использования электронно-ионного баланса в органической химии по сравнению с электронным очевидны:

большая часть реакций окисления органических веществ протекает в растворе;

практически все органические вещества являются неэлектролитами (кроме солей), а значит, при составлении полуреакции учащиеся меньше будут допускать ошибки, т.к. в полуреакциях следует записывать брутто-формулы органических веществ, а не продукты их диссоциации;

метод полуреакций более “элегантный” (при уравнивании схемы реакции окисления органического вещества электронным балансом приходится записывать большее число полуреакций, что может привести к ошибкам).

Например, для составления уравнения реакции 2-метилбутена-2 с водным раствором KMnO4 схема будет иметь следующий вид:

C0 – 1e- → C+I
C-I – 1e- → C0
Mn+VII + 3e- → Mn+IV
- 2е-

+ 3е-
3 Red, окисляется
3 Red, окисляется
2 Ox, восстанавливается

Таким образом, метод электронного баланса не позволяет сразу определить коэффициенты в схеме реакции перед “побочными” веществами (в данном случае перед формулами Н2О и КОН).