Уравнивание окислительно-восстановительных реакций с участием органических веществ методом электронного баланса.
статья по химии (11 класс) по теме

Уравнивание окислительно-восстановительных реакций с участием органических веществ методом электронного баланса.

   Реакции окисления органических веществ часто встречаются в базовом курсе химии. При этом, их запись обычно представляется в виде несложных схем, часть из которых дает лишь общее представление о превращениях веществ различных классов друг в друга, не учитывая конкретных условий протекания процесса (например, реакции среды), которые влияют на состав продуктов реакции. Между тем, требования ЕГЭ по химии в части С таковы, что возникает необходимость записи именно уравнения реакции с определенным набором коэффициентов. В данной работе приведены рекомендации по методике составления таких уравнений.

   Для описания окислительно-восстановительных реакций применяют два метода: метод электронно-ионных уравнений и метод электронного баланса. Не останавливаясь на первом, отметим, что метод электронного баланса изучается в курсе химии основной школы и поэтому вполне применим для продолжения изучения предмета.

   Уравнения электронного баланса прежде всего описывают процессы окисления и восстановления атомов. Кроме этого, специальные множители указывают на коэффициенты перед формулами веществ, содержащих атомы, которые участвовали в процессах окисления и восстановления. Это, в свою очередь, позволяет находить остальные коэффициенты.

   Пример 1. Окисление толуола перманганатом калия в кислой среде.

   C6H5-CH3 + KMnO4 + H2SO4 = …

   Известно, что боковые метильные радикалы аренов обычно окисляются до карбоксила, поэтому в данном случае образуется бензойная кислота. Перманганат калия в кислой среде восстанавливается до двузарядных катионов марганца. Учитывая наличие сернокислотной среды, продуктами будут сульфат марганца (II) и сульфат калия. Кроме того, при окислении в кислой среде образуется вода. Теперь схема реакции выглядит так:

   C6H5-CH3 + KMnO4 + H2SO4 = C6H5COOH + MnSO4 + K2SO4 + H2O

   Из схемы видно, что изменяется состояние атома углерода в метильном радикале, а также атома марганца. Степени окисления марганца определяются по общим правилам подсчета: в перманганате калия +7, в сульфате марганца +2. Степени окисления атома углерода можно легко определить исходя из структурных формул метильного радикала и карбоксила. Для этого нужно рассмотреть смещение электронной плотности исходя из того, что по электроотрицательности углерод занимает промежуточное положение между водородом и кислородом, а связь С-С формально считается неполярной. В метильном радикале атом углерода притягивает три электрона от трех атомов водорода, поэтому его степень окисления равна -3. В карбоксиле атом углерода отдает два электрона карбонильному атому кислорода и один электрон атому кислорода гидроксильной группы, поэтому степень окисления атома углерода +3.

   Уравнение электронного баланса:

Mn+7 + 5e = Mn+2     6

C-3 – 6e = C+3           5

   Перед формулами веществ, содержащих марганец необходим коэффициент 6, а перед формулами толуола и бензойной кислоты – 5.

   5C6H5-CH3 +6 KMnO4 + H2SO4 = 5C6H5COOH + 6MnSO4 + K2SO4 + H2O

   Далее уравниваем число атомов калия:

   5C6H5-CH3 +6 KMnO4 + H2SO4 = 5C6H5COOH + 6MnSO4 + 3K2SO4 + H2O

   И число атомов серы:

   5C6H5-CH3 +6 KMnO4 +9H2SO4 = 5C6H5COOH + 6MnSO4 +3K2SO4 + H2O

   На заключительном этапе необходим коэффициент перед формулой воды, который можно вывести подбором по числу атомов водорода или кислорода:

    5C6H5-CH3 +6 KMnO4 + H2SO4 = 5C6H5COOH + 6MnSO4 + K2SO4 + 14H2O

   Пример 2. Реакция «серебряного зеркала».

   Большинство литературных источников указывают, что альдегиды в этих реакциях окисляются до соответствующих карбоновых кислот. При этом окислителем служит аммиачный раствор оксида серебра (I) – Ag2Oамм.р-р. В действительности реакция протекает в щелочной аммиачной среде, поэтому должна образовываться соль аммония или СО2 в случае окисления формальдегида.

   Рассмотрим окисление уксусного альдегида реактивом Толленса:

   CH3CHO + Ag(NH3)2OH = …

   При этом продуктом окисления будет ацетат аммония, а продуктом восстановления – серебро:

    CH3CHO + Ag(NH3)2OH = CH3COONH4 + Ag + …

   Окислению подвергается атом углерода карбонильной группы. Согласно строению карбонила, атом углерода отдает два электрона атому кислорода и принимает один электрон от атома водорода, т.е. степень окисления углерода +1. В карбоксильной группе ацетата аммония атом углерода отдает три электрона атомам кислорода и имеет степень окисления +3. Уравнение электронного баланса:

C+1 – 2e = C+3         1

Ag+1 + 1e = Ag0      2

   Поставим коэффициенты перед формулами веществ, содержащих атомы углерода и серебра:

       CH3CHO + 2Ag(NH3)2OH = CH3COONH4 + 2Ag + …

   Из четырех молекул аммиака в левой части уравнения, одна будет участвовать в солеобразовании, а три оставшиеся выделяются в свободном виде. Также в составе продуктов реакции будет вода, коэффициент перед формулой которой можно найти подбором (1):

   CH3CHO + 2Ag(NH3)2OH = CH3COONH4 + 2Ag + H2O

   В заключение отметим, что альтернативный способ описания ОВР – метод электронно-ионных уравнений -  при его преимуществах, требует дополнительное учебное время для изучения и отработки, которое, как правило, крайне ограничено. Однако и известный метод электронного баланса при его грамотном использовании приводит к требуемым результатам.