Окислительно-восстановительные реакции в органической химии.

Нечитайлов С.Б.

Окислительно-восстановительные реакции в органической химии.

Методы подбора коэффициентов.

В школьном курсе неорганической химии разделы, посвященные окислительно-восстановительным реакциям, занимают значительное место, однако в курсе органической химии на этот вопрос обращено недостаточно внимания.  Как следствие, затруднения при составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций и не понимание процесса расстановки коэффициентов реакции.

К формальным признакам разделения всех химических реакций на типы, можно руководствоваться подходом определения изменения степени окисления атомов. В одном случае реакции протекают без изменения степени окисления, в другом с изменением. В первом случае, степень окисления каждого из атомов до и после реакции осталась без изменения. Ко второму типу относятся реакции, идущие с изменением степени окисления атомов реагирующих веществ. Например:

2KCl⁺⁵O₃^-1 = 2KCl^-1 + 3O₂⁰

В данной реакции атомы хлора и кислорода изменяют степень окисления.

Реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, называются окислительно-восстановительными реакциями(ОВР) .

При этом происходят два взаимно противоположных процесса: окисление и восстановление.

 Окислением называется процесс отдачи атомом, молекулой или ионом электронов, степени окисления при этом повышаются. Восстановлением называется процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом, степень окисления при этом понижается. Атомы, молекулы или ионы, отдающие электроны, называются восстановителями. Во время реакции они окисляются. Атомы, молекулы или ионы, присоединяющие электроны, называются окислителями. Во время реакции они восстанавливаются.

Окисление всегда сопровождается восстановлением; восстановление всегда связано с окислением.

Поэтому окислительно-восстановительные реакции представляют собой единство двух противоположных процессов – окисления и восстановления. В этих реакциях число электронов, отдаваемых восстановителем, равно числу электронов, присоединяемых окислителем. При этом независимо от того, переходят ли электроны с одного атома на другой полностью или лишь частично оттягиваются к одному из атомов, условно говорят только об отдаче и присоединения электронов.

Окислительно-восстановительные реакции органических веществ – важнейшее свойство, объединяющее классы этих веществ. Склонность органических соединений к окислению связывают с наличием кратных связей, функциональных групп, атомов водорода при атоме углерода, содержащем функциональную группу.

В рамках школьной программы применяются два метода составления уравнений ОВР – метод электронного баланса и метод полуреакций.

Метод электронного баланса. В этом методе сравнивают степени окисления атомов в исходных и конечных веществах, руководствуясь правилом: число электронов, отданных восстановителем, должно равняться числу электронов, присоединенных окислителем.

Метод полуреакций, или ионно-электронный метод. Как показывает само название, этот метод основан на составлении ионных уравнений для процесса окисления и процесса восстановления с последующим суммированием их в общее уравнение.

В качестве примера рассмотрим применение указанных методов на одних и тех же примерах.

Пример 1.

CH₃-CH=CH₂ + KMnO₄ + H₂O ® CH₃-CHOH-CH₂OH + MnO₂ +KOH

Метод электронного баланса.

Вычисляем степени окисления , при этом для атомов углерода определяем суммарный заряд в молекуле:

(С₃)^-6H₆ + KMn ⁺⁷O₄ + H₂O ® (C₃)^-4H₈O₂ + Mn ⁺⁴O₂ +KOH

Изменяются степени окисления у атомов углерода и марганца (KMnO₄ – окислитель, CH₃-CH=CH₂ – восстановитель).

Составляем уравнения процессов окисления и восстановления, рассматривая все атомы углерода как единую группировку, и записываем суммарное уравнение электронного баланса:

(3C)^-6 – 2e^- = (3C)^-4     ½  3              окисление

Mn⁺⁷ + 3e^- = Mn⁺⁴        ½  2   восстановление

3(3C)^-6 + 2Mn⁺⁷ = 3(3C)^-4 + 2Mn⁺⁴

Переносим коэффициенты из уравнения электронного баланса в молекулярное уравнение и уравниваем число всех атомов:

3CH₃-CH=CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O ® 3CH₃-CHOH-CH₂OH + 2MnO₂ +2KOH

Метод полуреакций.

Создаем схему реакции восстановления окислителя:

MnO₄^- +………………® MnO₂ +…………..

В процессе восстановления окислитель отдает два атома кислорода, для связывания которых, мы вводим в левую часть схемы молекулы воды. Результатом этого процесса будет появление в правой части гидроксид-ионов.

MnO₄^- + H₂O………………® MnO₂ + OH^-…………..

Подводим материальный баланс:

MnO₄^- + 2H₂O………………® MnO₂ + 4OH^-…………..

Уравниваем заряды, для этого в левую часть уравнения необходимо добавить три электрона:

MnO₄^- + 2H₂O + 3e^- = MnO₂ + 4OH^-

Создаем аналогичную полуреакцию окисления восстановителя:

C₃H₆ +…………….® C₃H₈O₂ + …………..

Недостающие атомы водорода и кислорода возьмем из молекул воды:

C₃H₆ + H₂O…………….® C₃H₈O₂ + H⁺

C₃H₆ + 2H₂O…………….® C₃H₈O₂ + 2H⁺

После выравнивания зарядов (отнимаем два электрона) левой и правой части получаем окончательное уравнение процесса окисления:

C₃H₆ + 2H₂O – 2e^- = C₃H₈O₂ + 2H⁺

В окончательном виде электронно-ионный баланс будет выглядеть следующим образом:

MnO₄^- + 2H₂O + 3e^- = MnO₂ + 4OH^-  |2

C₃H₆ + 2H₂O – 2e^- = C₃H₈O₂ + 2H⁺     |3

Суммируем оба уравнения:

2MnO₄^- + 4H₂O +3C₃H₆ + 6H₂O ® 2MnO₂ + 8OH^-  + 3C₃H₈O₂ + 6H⁺    

2MnO₄^- +3C₃H₆ +4H₂O ® 2MnO₂ + 3C₃H₈O₂ + 2OH^-

Найденные коэффициенты можно переносить в уравнение реакции.

Пример 2.

C₂H₅OH + KMnO₄ → CH₃-COOK + MnO₂ + KOH + H₂O

Метод электронного баланса.

(2C)^-4 -4e^- → (2C)⁰       | 3    окисление

Mn⁺⁷ +3e^- → Mn⁺⁴                | 4   восстановление

3C₂H₅OH + 4KMnO₄ = 3CH₃-COOK + 4MnO₂ + KOH + 4H₂O

Метод полуреакций.

MnO^- + 2H₂O + 3e^- → MnO₂ + 4OH^-  | 4    восстановление

C₂H₆O + H₂O – 4e^- → C₂H₃O₂^- + 5H⁺  | 3    окисление

Суммарное уравнение:

4MnO^- + 8H₂O + 3C₂H₆O + 3H₂O → 4MnO₂ + 16 OH^-  + 3C₂H₃O₂^- + 15H⁺ 

4MnO^- + 3C₂H₆O → 4MnO₂  + 3C₂H₃O₂^- + 4H₂O  + OH^- 

Итоговое уравнение:

3C₂H₅OH + 4KMnO₄ = 3CH₃-COOK + 4MnO₂ + KOH + 4H₂O

Литература:

1.      Хомченко Г.П. Пособие по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд., испр. и доп. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2015. – 480 с.: ил.

2.      Дупал А.Я., Баберкина Е.П., Подхалюзина Н.Я., Соловьев С.Н. Химия. Пособие для абитуриентов. – 6-е изд., доп. – РХТУ им. Д.И. Менделеева. – М., 2007. -208 с.

3.      Кудрявцев А.А. Составление химических уравнений: Учеб. Пособие для высш. техн. учеб. заведений. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 320 с.: ил.

4.      Мешкова О.В. ЕГЭ.Химия.Пошаговая подготовка. – М.: Эксмо, 2015. – 272 с.