Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Жесткое окисление алкенов в кислой среде

Данный процесс чаще всего осуществляют, действуя на алкены подкисленным раствором перманганата калия, либо дихромата калия. В качестве средообразователя всегда используют серную кислоту. При таком окислении происходит полный разрыв углеродного скелета по двойной связи, и в зависимости от особенностей строения продуктами окисления могут быть различные вещества. 

Давайте сначала разберемся с тем, какие углеродсодержащие продукты образуются при жестком окислении алкенов с различным строением. Представим, что у нас стоит задача определить продукты окисления для следующих двух веществ:

жесткое окисление алкенов

Обратите внимание, что углеродные атомы при двойной связи обозначены разными цветами. 

Атом углерода, выделенный красным цветом, является первичным, то есть связан только с одним другим атомом углерода.

Атом углерода, выделенный желтым цветом, является вторичным, то есть связан с двумя другими атомами углерода.

Атом углерода, выделенный зеленым цветом, является третичным, то есть связан с тремя другими атомами углерода.

Жесткое окисление подразумевает разрыв углеродного скелета по месту двойной связи:алкены разрыв углеродного скелета

Следует запомнить, что первичные атомы углерода (красные) при таком окислении переходят в углекислый газ.
Вторичные атомы углерода (желтые) переходят в состав карбоксильной группы (COOH),  то есть образуется карбоновая кислота.
Третичные атомы углерода(зеленые) переходят в состав карбонильной группы, то есть образуется кетон.схема жесткого окисления пропена и 2-метилпропена

Теперь осталось разобраться с остальными продуктами реакции. Если в качестве окислителя используется сернокислый раствор перманганата калия, то продуктами будут также MnSO4, K2SO4 и H2O. Если же в качестве окислителя взяли сернокислый раствор дихромата калия, продуктами будут Cr2(SO4)3, K2SO4 и H2O.

Давайте разберем все эти случаи. Начнем с реакции пропена с сернокислым раствором перманганата калия.

Пропен + KMnO4 +H2SO4

Исходя из вышесказанного, запишем схему этой реакции:

жесткое окисление пропена и схема

Осталось расставить коэффициенты. Определим, какие атомы изменили степени окисления. В случае марганца ничего сложного нет: степень окисления его в перманганате была +7, стала равна +2. Также степени окисления меняют те атомы углерода, у которых изменилось окружение. В схеме эти атомы обозначены желтым и красным цветами. Определим степени окисления этих атомов методом блоков. Изолируем друг от друга фрагменты молекулы по углерод-углеродным связям следующим образом:

пропен метод блоков

Далее, условно примем, что заряд каждого выделенного блока равен нулю (как у нейтральной молекулы). Степень окисления водорода в органических веществах всегда равна +1. Обозначим степени окисления «желтого» атома С как х, «красного» — как y:

пропен расчет степеней окисления

Далее, учитывая, что заряд каждого блока мы приняли равным нулю, мы можем составить и решить два уравнения:

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Аналогично рассчитаем степень окисления «желтого» атома углерода в уксусной кислоте и «красного» в молекуле углекислого газа, учитывая, что степень окисления кислорода в органических веществах всегда равна -2 (кроме органических пероксидов, изучение которых в не входит в программу ЕГЭ):

CH3COOH CO2

Далее, аналогично, составим и решим два уравнения, учитывая, что заряд выделенного блока мы приняли равным нулю, а заряд молекулы углекислого газа, как и у любой другой молекулы, также нейтрален.

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Таким образом, «желтый» атом углерода имел степень окисления до реакции, равную -1, а после +3.

«Красный» атом углерода изменил свою степень окисления с -2, на +4.

Учитывая, что марганец изменил свою степень окисления с +7 на +2, еще раз запишем схему реакции и составим электронный баланс. «Желтый» и «красный» атомы углерода, очевидно, всегда будут в соотношении 1 к 1, независимо от коэффициента перед органическим веществом, потому запишем их в одной строчке «полуреакции» окисления.

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

электронный баланс окисления пропена

Перенесем коэффициенты из баланса:

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Поскольку в левой части схемы мы видим два атома калия, в правой части схемы перед сульфатом калия коэффициент 1, ставить который не нужно. В правой части уравнения мы видим 3 сульфатных остатка, поэтому ставим перед серной кислотой коэффициент 3:

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Осталось поставить коэффициент перед водой в правой части. Это можно сделать по кислороду или водороду на выбор. Поскольку мы уравняли число сульфатных остатков в левой и правой частях, то кислород в них можно не учитывать. Считаем только кислород в остальных соединениях. Слева мы видим 8 атомов кислорода (не считая кислород в серной кислоте). В правой части не считая воду — 4 атома кислорода. Поэтому перед водой коэффициент будет равен 4:

CH3CH=CH2 + KMnO4 + H2SO4

Сравнивая количества всех элементов слева и справа, видим, что все коэффициенты расставлены верно.

2-метилпропен + KMnO4 + H2SO4

Аналогично предыдущему примеру рассчитаем степени окисления углеродных атомов, которые изменили свою степень окисления:

2-метилпропен расчет степеней окисления

Учитывая, что заряд каждого выделенного блока мы приняли равным нулю, составим и решим уравнения:

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Аналогично поступим с продуктами окисления:

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

составим и решим уравнения:

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Таким образом, «зеленый» атом углерода до реакции имел степень окисления, равную 0, после +2, «красный» изменил свою степень окисления с -2 на +4.

Далее запишем схему окисления и составим электронный баланс:

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Перенесем коэффициенты из электронного баланса в схему:Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Далее мы видим, что в левой части схемы 8 атомов калия, потому перед сульфатом калия поставим коэффициент 4.Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Теперь можно заметить, что в правой части уравнения 12 сульфатных групп (8 в сульфате марганца, 4 в сульфате калия). Поэтому перед серной кислотой в левой части нужно поставить коэффициент 12:Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Осталось поставить коэффициент перед водой. Сделаем это по кислороду. Количество сульфатных групп мы уравняли, потому кислород в них можно не учитывать. Слева мы видим 32 атома кислорода (8*4). В правой части уравнения, не считая воды и сульфатных групп, 15 атомов кислорода (5 в молекуле кетона и 10 в 5 молекулах углекислого газа). Таким образом, перед водой необходимо поставить коэффициент 17.Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Посчитав водород слева и справа, мы убеждаемся, что коэффициенты расставлены верно.

Пропен + K2Cr2O7 + H2SO4

Состав продуктов будет точно таким же, как и в случае окисления перманганатом, за исключением того, что вместо сульфата марганца (II) образуется сульфат хрома (III). Запишем схему реакции и составим электронный баланс.Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Перенесем коэффициенты из баланса в схему:

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Далее уравняем калий, поставив коэффициент 5 перед сульфатом калия:Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

В правой части мы видим 20 сульфатных групп. Следовательно, перед формулой серной кислоты нужно поставить коэффициент 20:

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Осталось поставить последний коэффициент перед формулой воды. Сделаем это, как и в двух предыдущих случаях, по кислороду, не считая кислород в сульфатных группах, поскольку их количества уравнены. В левой части мы видим 35 атомов кислорода. В правой части, не считая воды, 12 атомов кислорода (6 в трех молекулах CH3COOH и 6 в трех молекулах CO2). Таким образом, перед формулой воды нужно поставить коэффициент 23:

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Посчитав водород слева и справа, мы убеждаемся, что коэффициенты расставлены верно.

2-метилпропен + K2Cr2O7 + H2SO4

Запишем схему реакции и электронный баланс: Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Перенесем коэффициенты из баланса в схему:Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Перед сульфатом калия поставим коэффициент 4, чтобы уравнять количества атомов калия в левой и правой частях схемы:Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Перед серной кислотой поставим коэффициент 16, чтобы уравнять количество сульфатных групп:Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Последний коэффициент перед водой поставим по кислороду, игнорируя сульфатные группы, поскольку их количество уравнено. Слева мы видим 28 атомов кислорода. Справа, не считая воды, 9 атомов кислорода. Таким образом, перед водой необходимо поставить коэффициент 19.

Жесткое окисление алкенов. Как записать уравнение?

Далее, подсчитав водород в обеих частях уравнения, убеждаемся, что коэффициенты расставлены верно.

Комментариев 9
  1. Муза Викторовна

    Мне объяснение очень понравилось, оно сделано толково, красочно.

    • Сергей Широкопояс

      Спасибо!

  2. Мария

    Супер! То, что искала! Спасибо!

  3. Виктория

    Огромное спасибо вам! Я наконец-то поняла суть окисления алкенов)

    • Сергей Широкопояс

      очень рад, что помогло

  4. Пётр Романов

    Старательное, учтивое и просто прекрасное объяснение! Если бы я только начинал изучать химию, все бы понял. Просто о сложном! По мере чтения находишь ответы на все возникающие вопросы. Очень приятно! Но, правда, один вопрос остался без ответа. Много раз замечал, что помимо очевидных(основных) продуктов реакции, как, например, продуктов собственно окисления(кетона или карбоновой кислоты) и воды, есть ещё неочевидные(«побочные»), при окислении сернокислым перманганатом такие как K2SO4 и MnSO4. Наблюдается закономерность их появления. Такое же при реакциях металлов с водой, кислотами(зависимость от положения в ряде активности). Ну, в общемя свойства их химические. Но не хочется их заучивать и зазубривать, ведь видна закономерность, логика, пользуясь которой можно под любой случай найти ответ. Как определить эту закономерность? В общем, мне нужна физика химии. Ведь именно физическими свойствами атомов и молекул обусловлены химические свойства веществ.

  5. Надежда

    Спасибо за столь доступное объяснение! Всё время я просто принимала как данность то, что с этими реагентами образуется то или иное вещество, но после этой статьи наконец поняла суть!

  6. мандарин

    спасибо большое

  7. Полина

    Спасибо большое за разбор! С ужасом смотрела на окисление алкенов, а теперь все понятно. Еще раз спасибо!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.