Аммиак и его производные как лиганды., Окислительно-восстановительные реакции аммиака. — НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №15

Научно-методический центр МБОУ СОШ №15

Автор: Казакова Ирина Петровна

(учитель химии и биологии)

Тема :

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ПОЛУРЕАКЦИЙ

В РЕАКЦИЯХ С УЧАСТИЕМ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ.

(10 класс)

(учебно-методическое пособие для учителей химии)

(Научись решать ЕГЭ  быстро и правильно)

(практическое руководство для выполнения задания С-3  в ЕГЭ)

г.Новый Уренгой

2022

Аннотация

              Данная работа раскрывает методику расстановки коэффициентов в уравнениях с участием органических веществ.

              В органических веществах степени окисления  атомов углерода могут иметь разные значения, поэтому  удобнее расставлять коэффициенты  методом полуреакций, где  используются ионы.

              Метод полуреакций позволяет быстро и правильно расставить коэффициенты в уравнениях.  Этот тип заданий включен в контрольно-измерительные материалы ЕГЭ.    

            Работу можно использовать как практическое руководство для подготовки к ЕГЭ, при решении генетической связи между органическими веществами в   классах химико-биологического профиля.

Содержание

1. Введение
2. Основная часть

2.1     Преимущества метода полуреакций 

2.2    Некоторые тонкости расстановки коэффициентов.

2.3    Окисление органических веществ: ОВР  в органической химии.

      2.3.1   Алкены.

      2.3.2   Алкины.

      2.3.3   Гомологи бензола

      2.3.4   Спирты

      2.3.5   Альдегиды

      2.3.6   Карбоновые кислоты

3. Задания для самостоятельной работы
4. Список литературы

Введение                       

                                              «  Умение расставлять коэффициенты есть искусство,

                                                                           приобретенное практикой.»

         Научно-методическая разработка предназначена для учащихся 10-11 классов и носит предметно-ориентированный характер.

         Расстановка коэффициентов в химическом образовании занимает важное место, так как любое химическое уравнение составляется на основе закона сохранения массы веществ (М.В.Ломоносов). Зачастую учащиеся расставляют коэффициенты методом электронного баланса, который включен в программу химического образования  8-11 классов и не пытаются другим, более рациональным способом.

         Данный вопрос представляется актуальным, так как введен в контрольно-измерительные материалы ЕГЭ для выпускников 11 класса. Он расширяет возможность совершенствования умений и навыков в расстановке коэффициентов, углубляет знания учащихся. Кроме того, система высшего химического образования требует знания именно этого способа расстановки коэффициентов.  Поэтому начальные знания в этой области ученик должен приобрести в стенах  школы.

       Часто учащиеся выполняют задания по тому образцу, который предложен учителем и не пытаются найти более рациональный способ решения. При выполнении заданий ЕГЭ, когда ученик сталкивается с ограничением времени , необходим простой и быстрый способ решения задания.

     Научно – методическая разработка имеет общеобразовательный характер и предназначена для углубленного изучения  химических процессов.

      Курс позволяет систематизировать знания о разных способах расстановки коэффициентов, его изучение способствует расширению предметных знаний по химии, лучшему усвоению материала на профильном уровне.

          Цель данной научно-методической разработки:

—  расширить знания учащихся о методах расстановки коэффициентов;

—  сформировать умения и навыки при выполнении данного задания;

—  сформировать умения рационального применения  метода полуреакций;

—  устранить пробелы в знаниях;

—  лучше подготовиться к ЕГЭ;

Основными задачами являются:

*изучение количественных закономерностей химии:

*освоение способа расстановки коэффициентов и приобретение предметного навыка применения при выполнении заданий данного типа;

*создание условий для саморазвития личности учащегося;

* развитие у учащихся , как содержательной стороны мышления, так и действенной;

*развитие логического мышления;

*обеспечение самостоятельности и активности учащихся:

В результате изучения темы учащиеся должны знать:

В результате изучения темы учащиеся должны уметь:

     Итак, в процессе изучения происходит уточнение  и закрепление действий учащихся, вырабатывается смекалка в использовании имеющихся знаний.

     У учащихся в процессе усвоения воспитывается трудолюбие, целеустремленность, развивается чувство ответственности, упорство и настойчивость в достижении поставленной цели.

     Умение расставлять коэффициенты развивается в процессе обучения, и развивать это умение можно только одним путем — постоянно, систематически выполнять данные задания.

2.1  Преимущества метода полуреакций .

           В контрольно-измерительных материалах ЕГЭ включены задания по подбору коэффициентов в уравнениях ОВР методом электронного баланса (С-1).

       Уравнивание ОВР методом электронного баланса хорош для реакций, протекающих в газовой среде.

       Однако в задания (С-3) включены уравнения в которых желательно использовать метод полуреакций. Так как большинство процессов, как в химической промышленности, так и в живой природе происходит в растворе, как правило, водном, то, следует по подробнее познакомиться с методом полуреакций.  Хотя и более сложным, но хорошо описывающем процессы, идущие в жидкой среде.

      Практика показывает, что подбор коэффициентов в реакциях окисления органических веществ вызывает определенные затруднения, так как приходится иметь дело с весьма непривычными степенями окисления. Некоторые учащиеся из-за отсутствия опыта продолжают отождествлять степень окисления с валентностью и, вследствие этого, неправильно определяют степень окисления углерода в органических соединениях. Валентность углерода в этих соединениях всегда равна четырем, а степень окисления может принимать различные значения (от -3 до 4, в том числе дробные значения). Непривычным моментом при окислении органических веществ является нулевая степень окисления атома углерода в некоторых сложных соединениях. Если преодолеть психологический барьер, составление таких уравнений не представляет сложности. Преимущество этого метода заключается в том, что нет необходимости сразу угадывать и записывать продукты реакции. Они достаточно легко определяются в ходе уравнения.

    Во-первых, давайте определимся, в каких случаях лучше использовать метод полуреакций:

ПРАВИЛА МЕТОДА ПОЛУРЕАКЦИЙ

2.2   Некоторые тонкости расстановки коэффициентов.

На наглядном примере познакомимся с некоторыми тонкостями этой методики.

Расстановка  коэффициентов электронно-ионным методом   в органической химии.      

C6H5 CH3   KMnO4    H2SO4 = C6H5COOH   MnSO4    K2SO4   H2O

Выписываем молекулы органических веществ:

               C7H8                                                    C7H6O2

1. Выравниваем    O     молекулой  H2O :

                       C7H8    2H2O      →     C7H6O2.

2. Уравниваем   H   катионами    H :

                       C7H8     2H2O     →     C7H6O2     6H

3. Определяем заряды и переход электронов:

C7H8              2H2O     — 6  e  →          C7H6O2                    6H

Выписываем ионы марганца

4.   MnO4 —                          →              Mn2  
5. Выравниваем    O     молекулой  H2O :

MnO4 —                          →              Mn2   4 H2O

6. Уравниваем   H   катионами    H :
7. MnO4 —       8Н                     →              Mn2   4 H2O

Определяем заряды и переход электронов:

MnO4 —       8Н               5 e                  →              Mn2   4 H2O

Записываем электронно-ионный баланс

       C7H8        2H2O     — 6  e  →     C7H6O2   6H       / 6     /5

  MnO4 —       8Н                 5      →       Mn2   4 H2O     /5     /6

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

 Уравниваем калий, серу, водород и проверяем  количество кислорода.

5 C6H5 CH3  6 KMnO4   9 H2SO4 = 5 C6H5COOH  6 MnSO4   3 K2SO4   18 H2O

2.3      Окисление органических веществ: ОВР  в органической химии.

Реакции окисления органических веществ, в присутствии неорганических идут с образованием разных продуктов в зависимости от среды раствора и условий протекания.

2.3.1    Алкены.

1. Мягкое окисление (нейтральная и слабощелочная среда)

При мягком окислении алкены превращаются в гликоли (двухатомные спирты).

    Атомы-восстановители в этих реакциях – атомы углерода, связанные двойной связью. Разрывается только  связь, при этом  связь сохраняется. По месту разрыва  связи присоединяются гидроксильные группы.

     Реакция с раствором перманганата калия протекает в нейтральной или слабо -щелочной среде следующим образом:

C2H4  KMnO4  H2O = CH2OH–CH2OH MnO2  KOH (охлаждение)

Расставляем коэффициенты электронно-ионным методом

Выписываем молекулы органических веществ:

               C2H4                                                    C2H6O2

1. Выравниваем    O     молекулой  H2O :

                       C2H4    2H2O      →     C2H6O2.

2. Уравниваем   H   катионами    H :

                       C2H4     2H2O     →     C2H6O2     2H

3. Определяем заряды и переход электронов:

C2H4              2H2O     — 2  e  →          C2H6O2                    2H

Выписываем ионы марганца

4.   MnO4 —                          →           MnO2 
5. Выравниваем    O     молекулой  H2O :

MnO4 —                          →              MnO2  2 H2O

6. Уравниваем   H   катионами    H :
7. MnO4 —       4Н                     →            MnO2      2 H2O

Определяем заряды и переход электронов:

MnO4 —       4Н               3 e                  →     MnO2       2 H2O

Записываем электронно-ионный баланс

       C2H4        2H2O     — 2 e  →     C2H6O2   2H       / 2     /3

  MnO4 —       4Н                 3 е     →    MnO2      2 H2O     /3     /2

3C2H4  2KMnO4  H2O =3CH2OH–CH2OH 2MnO2  KOH (охлаждение)

 Уравниваем калий,  водород и проверяем  количество кислорода.

3C2H4  2KMnO4  4H2O =3CH2OH–CH2OH 2MnO2  2KOH (охлаждение)

1. Пропилен————«>пропандиол-1,2 (нейтральная среда)
2. Бутен-1—————бутандиол-1,2″> (нейтральная среда)

 1-2. _        Жесткие условия ( сернокислая и сильнощелочная среда)

В более жестких условиях окисление приводит к разрыву углеродной цепи по двойной связи и образованию двух кислот:

 5CH3 -CH=CH-CH2 –CH3  8KMnO4  12H2SO4 = 5CH3COOH 5C2H5COOH 8MnSO4  4K2SO4  17H2O (нагревание)

Выписываем молекулы органических веществ:

               C5H10                                                    C2H4O2  C3H6O2

1. Выравниваем    O     молекулой  H2O :

                       C5H10   4H2O      →     C2H4O2.  C3H6O2

2. Уравниваем   H   катионами    H :

                       C5H10     4H2O     →     C2H4O2    C3H6O2  8H

3. Определяем заряды и переход электронов:

C5H10              4H2O     — 8 e  →    C2H4O2    C3H6O2  8H       

Выписываем ионы марганца

4.   MnO4 —                          →              Mn2  
5. Выравниваем    O     молекулой  H2O :

MnO4 —                          →              Mn2   4 H2O

6. Уравниваем   H   катионами    H :
7. MnO4 —       8Н                     →              Mn2   4 H2O

Определяем заряды и переход электронов:

MnO4 —       8Н               5 e                  →              Mn2   4 H2O

Записываем электронно-ионный баланс

     C5H10      4H2O  — 8  e  → C2H4O2    C3H6O2  8H    /8     /5

  MnO4 —       8Н         5 е     →  Mn2   4 H2O                  /5     /8

5CH3 -CH=CH-CH2 –CH3  8KMnO4  H2SO4 = 5CH3COOH 5C2H5COOH 8MnSO4  K2SO4  H2O ( нагревание )

 Уравниваем калий, серу, водород и проверяем  количество кислорода.

5CH3 -CH=CH-CH2 –CH3  8KMnO4  12H2SO4 = 5CH3COOH 5C2H5COOH 8MnSO4  4K2SO4  17H2O (нагревание)

1. Бутен-2———— «>2 молекулы уксусной кислоты
2. Гексен-2———— «>уксусная кислота пропионовая кислота

1.  Если в молекуле двойная связь располагается с краю: двойная связь при этом разрывается. Крайний атом углерода окисляется в молекулу углекислого газа, а оставшаяся часть в соответствующую кислоту.

5CH3  -CH=CH2  10KMnO4  15H2SO4 = 5CH3COOH 5CO2  10MnSO4  5K2SO4  20H2O (нагревание).

1. Бутен-1————-углекислый газ+пропионовая кислота»>
2. Пентен -1————«> углекислый газ бутановая кислота

(в сильно щелочной среде – двух солей) или кислоты и диоксида углерода (в сильно щелочной среде – соли и карбоната):

               1-3     Если среда – сильнощелочная

         В молекуле двойная связь располагается с краю: связь полностью разрушается, крайний атом превращается в среднюю соль  (карбонат), оставшаяся часть — также в соответствующую соль.

CH3 -CH=CH2  10KMnO4  13KOH = CH3COOK K2CO3  8H2O 10K2MnO4 (нагревание)

        В молекуле двойная связь располагается в середине молекулы: связь полностью разрушается, образуются 2 соли карбоновых кислот.

 CH3 -CH=CH-CH2 -CH3  6KMnO4  10KOH  =  CH3COOK C2H5COOK  6H2O 6K2MnO4 (нагревание)

2.3.2      Алкины

       Алкины начинают окисляются в несколько более жестких условиях, чем алкены, поэтому они обычно окисляются с разрывом углеродной цепи по тройной связи. Как и в случае алканов, атомы-восстановители здесь – атомы углерода, связанные в данном случае тройной связью. В результате реакций образуются кислоты и диоксид углерода. Окисление может быть проведено перманганатом или дихроматом калия в кислотной среде, например:

5CH3 -C CH 8KMnO4  12H2SO4 = 5CH3COOH 5CO2  8MnSO4  4K2SO4  12H2O (нагревание)

Иногда удается выделить промежуточные продукты окисления. В зависимости от положения тройной связи в молекуле это или дикетоны (R1–CO–CO–R2), или альдокетоны (R–CO–CHO).

Ацетилен может быть окислен перманганатом калия в слабощелочной среде до оксалата калия:

3CH  CH 8KMnO4 = 3K2C2O4  2H2O 8MnO2  2KOH

В кислотной среде окисление идет до углекислого газа:

 CH  CH 2KMnO4  3H2SO4 =  2CO2  2MnSO4  4H2O K2SO4 

2.3.3.     Гомологи бензола.

Окисление этих веществ дихроматом или перманганатом калия в кислотной среде приводит к образованию бензойной кислоты

C6H5 CH3   KMnO4    H2SO4 = C6H5COOH   MnSO4    K2SO4   H2O

Выписываем молекулы органических веществ:

               C7H8                                                    C7H6O2

1. Выравниваем    O     молекулой  H2O :

                       C7H8    2H2O      →     C7H6O2.

2. Уравниваем   H   катионами    H :

                       C7H8     2H2O     →     C7H6O2     6H

3. Определяем заряды и переход электронов:

C7H8              2H2O     — 6  e  →          C7H6O2                    6H

Выписываем ионы марганца

4.   MnO4 —                          →              Mn2  
5. Выравниваем    O     молекулой  H2O :

MnO4 —                          →              Mn2   4 H2O

6. Уравниваем   H   катионами    H :
7. MnO4 —       8Н                     →              Mn2   4 H2O

Определяем заряды и переход электронов:

MnO4 —       8Н               5 e                  →              Mn2   4 H2O

Записываем электронно-ионный баланс

       C7H8        2H2O     — 6  e  →     C7H6O2   6H       / 6     /5

  MnO4 —       8Н                 5      →       Mn2   4 H2O     /5     /6

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

 Уравниваем калий, серу, водород и проверяем  количество кислорода.

5 C6H5 CH3  6 KMnO4   9 H2SO4 = 5C6H5COOH  6 MnSO4  3K2SO4   18H2O

5C6H5 -CH2 –CH3  12KMnO4 18 H2SO4 =5C6H5COOH  5CO2 12 MnSO4  6K2SO4   28H2O

 Гомологи бензола могут быть окислены раствором перманганата калия в нейтральной среде до бензоата калия:

C6H5CH3  2KMnO4 = C6H5COOK  2MnO2  KOH H2O (при кипячении)

C6H5 -CH2 –CH3  4KMnO4 = C6H5COOK K2CO3  2H2O 4MnO2  KOH

2.3.4.    Спирты. 

      Непосредственным продуктом окисления первичных спиртов являются альдегиды, а вторичных – кетоны.

       Образующиеся при окислении спиртов альдегиды легко окисляются до кислот, поэтому альдегиды из первичных спиртов получают окислением дихроматом калия в кислотной среде при температуре кипения альдегида. Испаряясь, альдегиды не успевают окислиться.

3C2H5OH  K2Cr2O7  4H2SO4 = 3CH3CHO  K2SO4  Cr2(SO4)3  7H2O (нагревание)

      С избытком окислителя (KMnO4, K2Cr2O7) в любой среде первичные спирты окисляются до карбоновых кислот или их солей, а вторичные – до кетонов. Третичные спирты в этих условиях не окисляются, а метиловый спирт окисляется до углекислого газа. Все реакции идут при нагревании.

        Двухатомный спирт, этиленгликоль HOCH2–CH2OH, при нагревании в кислотной среде с раствором KMnO4 или K2Cr2O7  легко окисляется до углекислого газа и воды, но иногда удается выделить и промежуточные продукты (HOCH2–COOH, HOOC–COOH и др.).

2.3.5.   Альдегиды

 Альдегиды – довольно сильные восстановители, и поэтому легко окисляются различными окислителями, например: KMnO4, K2Cr2O7 , [Ag(NH3)2]OH. Все реакции идут при нагревании:

3CH3CHO  2 KMnO4 = CH3COOH 2CH3COOK  2MnO2 H2O

 3CH3CHO  K2Cr2O7  4H2SO4 = 3CH3COOH  Cr2(SO4)3  7H2O

 CH3CHO  2[Ag(NH3)2]OH = CH3COONH4  2Ag  H2O 3NH3 

Формальдегид с избытком окислителя окисляется до углекислого газа.

3СН 2О 2K 2Cr 2O7  8H 2SO4 = 3CO2  2K 2SO4  2Cr  2(SO 4)3  11H 2O

2.3.6 .   Карбоновые кислоты. 

Среди кислот сильными восстановительными свойствами обладают муравьиная и щавелевая, которые окисляются до углекислого газа.

НСООН HgCl2 =CO2  Hg 2HCl

HCOOH Cl2 = CO2  2HCl

HOOC-COOH Cl2 =2CO2  2HCl

2.4   Задания для самостоятельной работы:

Закончите УХР и расставьте коэффициенты  методом полуреакций:

CH3-CH=CH-CH3  KMnO4  H 2SO4 →

 (CH3) 2C=C-CH3  KMnO4  H 2SO4 →

CH3-CH2-CH=CH2  KMnO4  H 2SO4 →

СH3-CH2-C≡C-CH3  KMnO4  H 2SO4 →

 C 6H6-CH3  KMnO4  H 2O →

C 6H5-C 2H5  KMnO4  H 2SO4 →

 C 6H5-CH3  KMnO4  H 2SO4 →

Литература:

1. Карцова А.А, Левкин А. Н. Окислительно-восстановительные реакции в органической химии //

Химия в школе. — 2004. — №2. – С.55-61.

2.  Хомченко Г.П., Савостьянова К.И. Окислительно-восстановительные реакции: Пособие для учащихся . М.- : Просвещение , 1980.

3.  Шарафутдинов В. Окислительно-восстановительные реакции в органической химии // Башкортостан  уkытыусыhы. — 2002. — №5. – С.79 -81.