Сгорание топлива
В неорганической химии степень окисления – одно из основных понятий, в органической химии – нет.
Для органической химии важна не степень окисления атома, а смещение электронной плотности, в результате которого на атомах появляются частичные заряды, никак не согласующиеся со значениями степеней окисления. Степень окисления в органической химии С → - смещение электронной плотности от углерода на более электроотрицательный атом → С - смещение электронной плотности на углерод
1.Алгебраический способ (в молекуле один углерод) - 4 + Метан СН 4, - 2 + -2 + метиловый спирт СНзОН, 0 + -2 формальдегид СН 2 О, + +2 -2 -2 + муравьиная кислота НСООН
1) изображается полная структурная формула вещества; 2) по каждой связи стрелкой показывается смещение электронаов к наиболее электроотрицательному элементу; 3) все связи С – С считаются неполярными; 4) далее ведется подсчет: сколько стрелок направлено к атому, столько «–», сколько от атома – столько «+». Сумма «–» и «+» определяет степень окисления атома. Рассмотрим несколько примеров: 2. Графический метод:
C 5 H 12 Н Н Н Н Н ↓ -3 ↓ -2 ↓ -2 ↓ -2 ↓ -1 Н → С – С – С – С – С ← Н ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ Н Н Н Н Н
СН 3 СОН Н ↓ -3 +1 Н → С – С => О ↑ ↑ Н Н
CH 3 – CH 2 – OH Н Н ↓ -1 ↓ -3 Н → С – С ← Н ↓ ↓ ОН Н
СН 3 СООН Н ↓ -3 +3 Н → С – С => О ↑ ↓ Н ОН
Определите степени окисления углерода : Н Н Н Н Н ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ Н → С – С – С – С – С – С => О ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ОН ОН ОН ОН ОН Н
1. Полное окисление и горение. В качестве окислителей используются кислород (другие вещества, поддерживающие горение, например оксиды азота), концентрированные азотная и серная кислота, можно использовать твердые соли, при нагревании которых выделяется кислород (хлораты, нитраты, перманганаты и т.п.), другие окислители (например, оксид меди ( II )). В этих реакциях наблюдается разрушение всех химических связей в органическом веществе. Продуктами окисления органического вещества являются углекислый газ и вода.
В этом случае не происходит разрыва углеродной цепи. К мягкому окислению относится окисление спиртов до альдегидов и кетонов, окисление альдегидов до карбоновых кислот, окисление алкенов до двухатомных спиртов (Реакция Вагнера), окисление ацетилена до оксалата калия, толуола – до бензойной кислоты и т.д. В качестве окислителей в этих случаях используются разбавленные растворы перманганата калия, дихромата калия, азотной кислоты, аммиачный раствор оксида серебра, оксид меди ( II ), гидроксид меди ( II ).
Происходит в более жестких условиях, чем мягкое окисление, сопровождается разрывом некоторых углерод-углеродных связей. В качестве окислителей используются более концентрированные растворы перманганата калия, дихромата калия при нагревании. Среда этих реакций может быть кислой, нейтральной и щелочной. От этого будут зависеть продукты реакций.
происходит у алкенов и алкинов – по кратной связи, у производных бензола – между первым и вторым атомами углерода, если считать от кольца, у третичных спиртов – у атома, содержащего гидроксильную группу, у кетонов – у атома при карбонильной группе.
содержащий 1 атом углерода, то он окисляется до углекислого газа (в кислой среде), гидрокарбоната и (или) карбоната (в нейтральной среде), карбоната (в щелочной среде). Все более длинные фрагменты превращаются в кислоты (в кислой среде) и соли этих кислот (в нейтральной и щелочной среде). В некоторых случаях получаются не кислоты, а кетоны (при окислении третичных спиртов, разветвленных радикалов у гомологов бензола, у кетонов, алкенов).
При составлении уравнений ОВР, протекающих с участием органических веществ, в простейших случаях можно применить степень окисления.
0 +4 -2 + -2 14 12 4 26 4 2 26 окисление восстановление 52
С 6 Н 5 -С 0 ≡С -1 Н + KMn +7 O 4 С 6 Н 5 -С +3 ООК + Mn +4 O 2 + К 2 С +4 О 3 + КНС +4 О 3 + H 2 O С 0 – 3 е С +3 восстановитель С -1 – 5 е С +4 окислитель Mn +7 + 3 е Mn +4 3 8 Восстановление 3С 6 Н 5 -С 0 ≡С -1 Н + 8 KMn +7 O 4 3С 6 Н 5 -С +3 ООК + 8 Mn +4 O 2 + 2К 2 С +4 О 3 + КНС +4 О 3 + H 2 O 8 3 Окисление
C -3 H 3 - C -2 H 2 - C -1 H = C -2 H 2 + KMn +7 O 4 С 2 Н 5 -С +3 ООК + Mn +4 O 2 + KOH + К 2 С +4 О 3 + H 2 O С -1 – 4е С +3 Восстановитель С -2 – 6е С +4 10 3 Окисление окислитель Mn +7 + 3 е Mn +4 3 10 Восстановление 3 C -3 H 3 - C -2 H 2 - C -1 H = C -2 H 2 + 10 KMn +7 O 4 3С 2 Н 5 -С +3 ООК + 10 Mn +4 O 2 + KOH + 3К 2 С +4 О 3 + H 2 O
2
24 5 5 24 окисление восстановление C 6 H 12 O 6 + KMnO 4 + H 2 SO 4 → → CO 2 +MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O
5 C 6 H 12 O 6 + 24 KMnO 4 + 36 H 2 SO 4 → → 30 CO 2 + 24 MnSO 4 + 12 K 2 SO 4 + 66 H 2 O
1.Рассматриваются реально существующие ионы: MnO 4 - ; Mn 2+, и вещества ( C 6 H 12 O 6 ; CO 2 ) ; 2.Не нужно знать все получающиеся вещества, они появляются при его выводе. 3.При использовании этого метода нет необходимости определять степени окисления атомов отдельных элементов, что особенно важно в случае ОВР, протекающих с участием органических соединений, для которых подчас очень сложно сделать это. 4.Этот метод дает не только сведения о числе электронов, участвующих в каждой полуреакции, но и о том, как изменяется среда. 5. Сокращенные ионные уравнения лучше передают смысл протекающих процессов и позволяют делать определенные предположения о строении продуктов реакции.
Написать молекулярную схему реакции Составить полное ионное уравнение(все растворимые вещества раскладываем на ионы. 3.Составить сокращённое ионное уравнение реакции. 4.Выписать отдельно ионы и молекулы, изменившие свой состав или заряд, и ионы, определяющие среду 5. Составить для них полуреакции (электронно-ионные уравнения) процессов окисления и восстановления с учётом среды,соблюдая 2 закона : закон сохранения массы и закон сохранения заряда
А).если реакция протекает в кислой среде(Н + и Н 2 О), то в ту часть полуреакции, где не хватает кислорода, добавить Н2О, в противоположную - Н + Б). если реакция протекает в щелочной среде,то в ту часть полуреакции, где не хватает кислорода, добавить ОН -, в противоположную - Н 2 О(ОН - и Н 2 О ) В). если реакция протекает в нейтральной среде, ни ионов Н +, ни ОН - в левой части быть не должно. Однако в правой части среди продуктов реакции они могут появиться. 6. Найти НОК отданных и принятых электронов и множители для каждой полуреакции 7.Умножить каждый член полуреакции и сложить их. Привести подобные члены и полученные коэффициенты перенести в молекулярное уравнение
C 2 H 4 + KMnO 4 + H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + MnO 2 + KOH C 2 H 4 + 2K + +2 MnO 4 - + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2K + + 2OH - C 2 H 4 +2 MnO 4 - + 2H 2 O → CH 2 OH–CH 2 OH + 2MnO 2 + 2OH - Вос-ль Ок-ль
3 C 2 H 4 + 6 H 2 O -6е - + 2 MnO 4 - + 4 H 2 O + 6е - → 3 C 2 H 4 ( OH ) 2 + 6 Н + + 2 MnO 2 + 8 OH - 3 C 2 H 4 + 10 H 2 O + 2 MnO 4 - → 3 C 2 H 4 ( OH ) 2 + 6 H 2 O + 2 MnO 2 + 2 OH - 3 C 2 H 4 + 4 H 2 O + 2 MnO 4 - → 3 C 2 H 4 ( OH ) 2 + 2 MnO 2 + 2 OH - 3 C 2 H 4 + 2 KMnO 4 + 4 H 2 O → 3 CH 2 OH–CH 2 OH + 2 MnO 2 + 2 KOH 4
C 6 H 12 O 6 + KMnO 4 + H 2 SO 4 → CO 2 + MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O П.и.у : C 6 H 12 O 6 + K + +MnO 4 - +2H + +SO 4 2- → CO 2 +Mn 2+ +SO 4 2- +2K + +SO 4 2- +H 2 O С.и.у. : C 6 H 12 O 6 +MnO 4 - +2H + → CO 2 +Mn 2+ +H 2 O
Первая полуреакция: C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O → 6 CO 2 +24 H + Посчитать заряды левой и правой частей схемы: C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O - 24 e → 6 CO 2 + 24 H + 0 +24 Они различны. Это связано с переходом электронов. Слева происходит отдача 24 электронов. Глюкоза окисляется, является восстановителем
Вторая полуреакция: MnO 4 - +H + +5 e → Mn 2+ +H 2 O Для того чтобы связать четыре атома кислорода в молекулах воды, требуется 8 ионов H + : MnO 4 - + 8 H + → Mn 2+ + 4 H 2 O Посчитаем заряды левой и правой частей схемы: MnO 4 - + 8 H + → Mn 2+ + 4 H 2 O +7 +2 Изменение заряда системы от +7 до +2 связано с принятием 5 электронов (восстановление). Электроны принял ион MnO 4 -. Этот ион является окислителем.
5. Итак, мы получили два электронно-ионных уравнения. Запишем их вместе: MnO 4 - + 8 H + +5 e → Mn 2+ + 4 H 2 O 5 C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O -24 e → 6 CO 2 +24 H + 24 Уравниваем число отданных и принятых электронов, найдя дополнительные множители. Теперь умножаем каждое уравнение на свой множитель и одновременно складываем их. Получаем: 24 MnO 4 - + 192 H + + 120 е + 5 C 6 H 12 O 6 + 30 H 2 O -120 е → 24 Mn 2+ + 96 H 2 O + 30 CO 2 + 120 H + Приводим подобные члены ( H 2 O и H + ) 5 C 6 H 12 O 6 + 24 MnO 4 - + 72 H + → 30 CO 2 + 24 Mn 2+ + 66 H 2 O 120 24 5
Найденные коэффициенты подставляем в исходное уравнение: 5 C 6 H 12 O 6 + 24 KMnO 4 + 36 H 2 SO 4 → → 30 CO 2 + 24 MnSO 4 + 12 K 2 SO 4 + 66 H 2 O
5 С 12 Н 16 О 2 + 22 KMnO 4 + 33 H 2 SO 4 5 С 9 Н 6 О 6 + 5 CO 2 + 5 CH 3 COOH + 22 MnSO 4 + 11 K 2 SO 4 + 38 H 2 O
Упражнения. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса: а) С 6 Н 5 С 2 Н 5 + KMnO 4 + H 2 SO 4 → С 6 Н 5 СООН + СО 2 + MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O. в ) C 12 H 22 O 11 + K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 → → CO 2 + Cr 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO 4 + H 2 O.
Упражнения. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса в уравнениях реакций: б) С 3 Н 8 + О 2 → СО 2 + Н 2 О в) СН 3 СН 2 ОН + KMnO 4 → СН 3 СООН + MnO 2 + КОН + Н 2 О г) С 6 Н 5 СН 3 + KMnO 4 + H 2 SO 4 → С 6 Н 5 СООН + MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O. д) СН 3 - СН=СН + КМnО 4 +Н 2 О → СН 3 - СН(ОН)-СН 2 (ОН) +...+....
Закончите УХР и расставьте коэффициенты методом электронного баланса или методом полуреакций : CH 3 -CH=CH-CH 3 + KMnO 4 + H 2 SO 4 → CH 3 -CH=CH-CH 3 + KMnO 4 + H 2 О → ( CH 3 ) 2 C=C-CH 3 + KMnO 4 + H 2 SO 4 → CH 3 -CH 2 -CH=CH 2 + KMnO 4 + H 2 SO 4 → С H 3 -CH 2 -C≡C-CH 3 + KMnO 4 + H 2 SO 4 → C 6 H 5 -CH 3 + KMnO 4 + H 2 O → C 6 H 5 -CH 2 CH 3 + KMnO 4 + H 2 SO 4 → C 6 H 5 -CH 3 + KMnO 4 + H 2 SO 4 →
