Составьте уравнение реакций окисления перманганатом калия

Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительными называют реакции, которые сопровождаются изменением степеней окисления химических элементов, входящих в состав реагентов.

Окислением называют процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом, который сопровождается повышением степени окисления.

Восстановлением называют процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом, который сопровождается понижением степени окисления.

Окислителем называют реагент, который принимает электроны в ходе окислительно-восстановительной реакции. (Легко запомнить: окислитель — грабитель.)

Восстановителем называют реагент, который отдает электроны в ходе окислительно-восстановительной реакции.

Окислительно-восстановительные реакции делят на реакции межмолекулярного окисления-восстановления, реакции внутримолекулярного окисления-восстановления, реакции диспропорционирования и реакции конмутации.

Для составления окислительно-восстановительных реакций используют метод электронного баланса.

Составление уравнения окислительно-восстановительной реакции осуществляют в несколько стадий.

1. Записывают схему уравнения с указанием в левой и правой частях степеней окисления атомов элементов, участвующих в процессах окисления и восстановления.
2. Определяют число электронов, приобретаемых или отдаваемых атомами или ионами.
3. Уравнивают число присоединенных и отданных электронов введением множителей, исходя из наименьшего кратного для коэффициентов в процессах окисления и восстановления.
4. Найденные коэффициенты (их называют основными) подставляют в уравнение реакции перед соответствующими формулами веществ в левой и правой частях.

Пример 1. Реакция алюминия с серой. Записываем схему реакции и указываем изменение степеней окисления:

Атом серы присоединяет два электрона, изменяя свою степень окисления от 0 до –2. Он является окислителем.

Атом алюминия отдает три электрона, изменяя свою степень окисления от 0 до +3. Он является восстановителем.

Составляем уравнение электронного баланса и уравниваем число присоединенных и отданных электронов:

Подставляем найденные коэффициенты в уравнение реакции и окончательно получаем:

Пример 2. Окисление фосфора хлором. Записываем схему реакции и указываем изменение степеней окисления:

Степень окисления хлора изменяется от 0 до –1, при этом молекула хлора присоединяет два электрона. Хлор является окислителем.

Атом фосфора отдает пять электронов, изменяя свою степень окисления от 0 до +5. Он является восстановителем.

Составляем уравнение электронного баланса и уравниваем число присоединенных и отданных электронов:

Электронное уравнение для хлора записывают именно так, поскольку окислителем является молекула хлора, состоящая из двух атомов, и каждый из этих атомов изменяет свою степень окисления от 0 до –1. Коэффициент 5 относится к молекуле хлора в левой части уравнения, а количество атомов хлора в правой части уравнения 5 × 2 = 10.

Подставляем найденные коэффициенты в уравнение реакции и окончательно получаем:

Очень часто окислительно-восстановительные реакции проходят в растворах в нейтральной, кислой или щелочной среде. В этом случае химические элементы, входящие в состав вещества, образующего среду реакции, свою степень окисления не меняют.

Пример 3. Окисление йодида натрия перманганатом калия в среде серной кислоты. Записываем схему реакции, указываем степени окисления элементов, участвующих в процессах окисления и восстановления:

Атом марганца принимает пять электронов, изменяя свою степень окисления от +7 до +2. Перманганат калия является окислителем.

Два йодид-иона отдают два электрона, образуя молекулу I₂ 0 . Йодид натрия является восстановителем.

Составляем уравнение электронного баланса и уравниваем число присоединенных и отданных электронов введением множителей:

Найденные коэффициенты подставим в уравнение реакции перед соответствующими формулами веществ в левой и правой частях.

Серная кислота является средой реакции. Ни один из элементов, входящих в состав этого соединения, свою степень окисления не меняет, но сульфат-анион связывает выделяющиеся в результате реакции катионы калия, натрия и марганца. Подсчитаем число сульфат-ионов в правой части. Оно равно 2 + 1 + 5 = 8. Следовательно, перед серной кислотой следует поставить коэффициент 8. Число атомов водорода в левой части уравнения равно 8 × 2 = 16. Отсюда вычисляем коэффициент для воды: 16/2 = 8.

Таким образом, уравнение реакции будет иметь вид:

Правильность баланса проверяем по кислороду. В левой части его 2 × 4 = 8 (перманганат калия); в правой — 8 × 1 = 8 (вода). Следовательно, уравнение составлено правильно.

Некоторые важнейшие окислители:

Перманганат калия. Является сильным окислителем, широко применяется в лабораторной практике. Характер восстановления перманганата калия зависит от среды, в которой протекает реакция. В кислой среде перманганат калия восстанавливается до солей Mn 2+ , в нейтральной или слабощелочной — до MnO₂, а в сильнощелочной он переходит в манганат-ион MnO₄ 2– . Данные переходы описываются следующими уравнениями:

Перманганат калия способен окислять сульфиды в сульфаты, нитриты в нитраты, йодиды до свободного йода, соляную кислоту до хлора и т. д.:

Хромат и бихромат калия. Эти соединения широко применяют в качестве окислителей в неорганических и органических синтезах. Взаимные переходы хромат- и бихромат-ионов очень легко протекают в растворах, что можно описать следующим уравнением обратимой реакции:

Соединения хрома (VI) — сильные окислители. В окислительно-восстановительных процессах они переходят в производные Cr (III). В нейтральной среде образуется гидроксид хрома (III), например:

В кислой среде образуются ионы Cr 3+ :

В щелочной — производные анионного комплекса [Cr(OH)₆] 3– :

Довольно часто одно и то же вещество одновременно является окислителем и создает среду реакции. Такие реакции характерны для концентрированной серной и азотной кислот в любой концентрации. Кроме того, в подобные реакции, но в качестве восстановителя вступают галогенводородные кислоты с сильными окислителями.

Пример 4. Окисление магния разбавленной азотной кислотой. Записываем схему реакции и указываем изменение степеней окисления:

Степень окисления азота изменяется от +5 до +1, при этом два атома азота присоединяют десять электронов. Азотная кислота является окислителем.

Магний отдает два электрона, изменяя свою степень окисления от 0 до +2. Он является восстановителем.

Составляем уравнение электронного баланса и уравниваем число присоединенных и отданных электронов:

Подставляем найденные коэффициенты перед окислителем и восстановителем в левой части уравнения реакции и перед продуктами окисления и восстановления в правой части уравнения реакции:

При этом в правой части уравнения реакции имеется 4 × 2 = 8 нитрат-ионов, не изменивших свою степень окисления. Очевидно, что для этого в правую часть уравнения реакции следует добавить еще 8 молекул HNO₃. Тогда общее количество молекул азотной кислоты в правой части уравнения составит 2 + 8 = 10.

В этих молекулах содержатся 10 × 1 = 10 атомов водорода. Такое же количество атомов водорода должно быть и в правой части уравнения. Следовательно, перед молекулой воды следует подставить коэффициент 10/2 = 5, и уравнение окончательно будет иметь вид:

Окончательно проверяем правильность баланса, подсчитывая число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения. В левой части 10 × 3 = 30. В правой части (2 × 3) × 4 = 24 в нитрате магния, 1 в оксиде азота (I) и 5 × 1 = 5 в молекуле воды. Итого 24 + 1 + 5 = 30. Таким образом, реакция полностью уравнена.

Окислительно-восстановительные реакции с участием органических соединений вызывают определенные сложности, но и в этом случае понятие «степень окисления», несмотря на свой формальный характер, позволяет уравнивать любые реакции. При этом для определения заряда на атоме углерода следует помнить, что атом водорода в молекулах органических веществ всегда имеет заряд +1, а атом кислорода –2.

Пример 5. Окисление этена перманганатом калия в нейтральной среде. Записываем схему реакции и указываем изменение степеней окисления:

Марганец присоединяет три электрона, изменяя свою степень окисления с +7 до +4.

Атом марганца в молекуле перманганата калия является окислителем. Два атома углерода в молекуле этена отдают два электрона, изменяя свою степень окисления с –2 до –1. Атомы углерода являются восстановителями.

Составляем уравнение электронного баланса и уравниваем число присоединенных и отданных электронов:

Подставляем найденные коэффициенты в уравнение реакции перед соответствующими формулами веществ в левой и правой частях:

Подсчитываем число атомов водорода в правой части. Оно складывается из 3 × 2 = 6 в молекуле этиленгликоля и 2 в гидроксиде калия, итого 8.

Отсюда следует, что перед молекулой воды в левой части необходимо поставить коэффициент 8/2 = 4.

Окончательно проверяем правильность составления уравнения, сравнивая число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения. Оно равно 12.

Пример 6. Окисление пропена перманганатом калия в водной среде. Записываем схему реакции и указываем изменение степеней окисления:

Атом марганца принимает три электрона, изменяя свою степень окисления от +7 до +4. Перманганат калия является окислителем. Восстановителями являются два атома углерода в молекуле пропена. Оба отдают по одному электрону. Пропен является восстановителем.

Составляем уравнение электронного баланса и уравниваем число присоединенных и отданных электронов введением множителей:

Найденные коэффициенты подставим в уравнение реакции перед соответствующими формулами веществ в левой и правой частях:

Подсчитываем число атомов водорода в правой части. Оно равно 3 × 2 = 6 в молекуле пропандиола-1,2 и 2 в молекуле KOH, итого 8. Число атомов водорода в углеродном скелете молекулы не учитываем, так как оно осталось неизменным. Следовательно, перед молекулой воды в левой части нужно поставить коэффициент 4.

Окончательно проверяем правильность составления уравнения, сравнивая число атомов кислорода в левой и правой частях уравнения. Оно равно 12.

Иногда окислительно-восстановительные реакции усложняют, указав, что реакция идет в кислой среде, не указывая при этом конкретную формулу кислоты. В этом случае соблюдают баланс как по числу химических элементов, так и по количеству зарядов в левой и правой частях уравнения.

Пример 7. Взаимодействие пропена с перманганатом калия в кислой среде при нагревании. Записываем схему реакции, указываем степени окисления элементов, участвующих в процессах окисления и восстановления:

Атом марганца принимает пять электронов, изменяя свою степень окисления от +7 до +2. Перманганат калия является окислителем. Восстановителями являются два атома углерода в молекуле пропена. Первый, из фрагмента –С –1 H=, переходит в карбоксильную группу –C +3 OOH, отдавая при этом четыре электрона. Второй, из фрагмента =C –2 H₂, переходит в углекислый газ C +4 O₂, отдавая при этом шесть электронов.

Составляем уравнения электронного баланса и уравниваем число присоединенных и отданных электронов введением множителей:

Найденные коэффициенты подставим в уравнение реакции перед соответствующими формулами веществ в левой и правой частях:

Реакция протекает в кислой среде. Число положительных зарядов в правой части уравнения равно шести (2 × 1 + 2 × 2). Следовательно, именно этот коэффициент следует проставить перед катионом H + в левой части уравнения.

Вычислим коэффициент перед формулой воды. Он складывается из шести (катионы водорода среды) и двух (атомы водорода фрагмента =CH₂), итого 8/2 = 4.

Таким образом, уравнение реакции будет иметь вид:

Правильность баланса проверяем по кислороду. В левой части его 2 × 4 = 8. В правой 1 × 2 + 1 × 2 + 4 × 1 = 8. Следовательно, уравнение составлено правильно.

Окислительно-восстановительные реакции с участием органических соединений практически всегда встречаются в заданиях, посвященных реакциям, подтверждающим взаимосвязь органических соединений.

Наиболее сложные из них представлены в уроках с тренировочными заданиями в форме ЕГЭ (уроки 32-40).

Окисление алкенов перманганатом калия

В отличие от предельных углеводородов, алкены характеризуются высокой химической активностью, обусловленной особенностями строения молекулы. При обычных условиях алкены охотно вступают в реакции неполного окисления с превращением в органические соединения других классов. Универсальный реагент в процессах окисления алкенов – перманганат калия.

Понятие о неполном окислении

В химии органических соединений под окислением понимается взаимодействие, при котором происходит обеднение реагента водородом или обогащение кислородом, сопровождающееся отдачей электронов молекулой. Обратный процесс называется восстановлением.

Полное окисление происходит при горении углеводородов с разрушением молекулы. Продуктами в этом случае являются углекислый газ и вода. При неполном окислении продуктами становятся различные вещества.

Высокая реакционная способность алкенов обусловливается присутствием в молекуле двойной связи. Один из ее компонентов – слабая -связь – легко разрушается с образованием у углеродных атомов свободной валентности (неспаренного электрона). За счет оттягивания или отрыва освободившихся электронов и происходит окислительно-восстановительный процесс.

Определение степеней окисления

Для того чтобы правильно записать уравнение реакции неполного окисления алкена, нужно определить степени окисления атомов до вступления во взаимодействие и после него. Они рассчитываются исходя из электроотрицательности элементов.

Например, при окислении пропена перманганатом калия вступающий в реакцию пропен характеризуется следующими степенями окисления углеродных атомов:

• В составе группы углерод, обладающий большей электроотрицательностью, смещает к себе электронные пары двух связей , отнимая у водородных атомов по одному отрицательному заряду. На связи сдвига электронов нет. Следовательно, атом углерода приобретает степень окисления -2 -2;
• В группе аналогичный подсчет показывает для углерода степень окисления -1 -1 (для каждого водорода соответственно +1 +1);
• В радикале углерод оттягивает на себя отрицательные заряды с трех водородных атомов и имеет степень окисления -3 -3.

В общем виде результат можно записать следующим образом:

Расчет степеней окисления в кислородсодержащих соединениях производится аналогично с учетом большей электроотрицательности кислорода.

Влияние среды на окислитель

Состав раствора (наряду с температурой) определяет, до какого соединения окислится восстановитель – алкен. Окислитель в растворах с различным уровнем кислотности (щелочности) также ведет себя неодинаково.

Неорганическая соль в водном растворе диссоциирует на катион металла и собственно окислитель – перманганат-анион . В ходе реакции марганец восстанавливается от степени окисления +7 +7 до той или иной величины в зависимости от среды.

В нейтральной и слабощелочной среде марганец приобретает степень окисления +4 +4:

Кислород из перманганат-аниона присоединяется к алкену по месту двойной связи.

Под воздействием серной кислоты марганец восстанавливается до степени окисления +2 +2:

При окислении со щелочью (гидроксид лития достаточно высокой концентрации) марганец восстановится до +6 +6:

Мягкое окисление

Процесс в нейтральной или слабощелочной среде при обычной температуре представляет собой так называемое мягкое окисление перманганатом калия, или гидроксилирование. В алкене разрывается -связь, и к освободившимся валентностям двух углеродных атомов присоединяются две гидроксогруппы . Источниками их формирования служат:

• кислород из перманганат-иона;
• вода.

Продукт реакции – диол (двухатомный спирт). Например, окисление этилена перманганатом калия приводит к образованию этиленгликоля:

Для составления полного уравнения нужно:

1. определить степени окисления реагентов:
2. рассчитать электронный баланс:
3. расставить коэффициенты:
4. ввести в уравнение недостающие реагенты и продукты, исходя из равенства состава в левой и правой частях уравнения, и определить окончательные коэффициенты:

Реакция окисления пропена в нейтральной среде перманганатом калия составляется аналогично:

Дальше мягкое окисление не идет, так как -связи в молекуле в мягких условиях сохраняются. Раствор перманганата теряет окраску, а оксид марганца выпадает в виде бурого осадка. Гидроксилирование, известное также как реакция Вагнера, служит для выявления в молекулах двойной связи.

Жесткое окисление

Жесткими называют процессы окисления, протекающие в нейтральном растворе в условиях повышенной температуры, а также при добавлении кислоты или щелочи. В этих случаях двойная связь в алкене разрушается полностью, а продуктами реакции становятся кетоны, кислоты (с промежуточным окислением до альдегида) либо соли.

Окисление перманганатом калия в кислой среде

Пропен в содержащем кислоту растворе реагирует до образования уксусной кислоты и углекислого газа:

Степени окисления участвующих в реакции углеродных атомов и марганца составят:

Электронный баланс определяется только с учетом углерода, вошедшего в состав кислоты:

Сначала расставляются коэффициенты в окислителе, восстановителе и в продуктах окисления:

Затем вписываются недостающие вещества и полностью рассчитываются коэффициенты:

Еще один пример жесткого окисления алкенов перманганатом калия с серной кислотой – реакция с участием пентена-2. Молекула расщепляется по месту двойной связи, и ее фрагменты окисляются через промежуточное образование альдегидов до двух кислот:

Электронный баланс составляется для двух углеродных атомов алкена, поскольку оба они являются восстановителями.

Правило, по которому осуществляется окисление углерода, отражено в таблице:

Так, в 2-метилпропене первичный атом окисляется через промежуточные формальдегид (метаналь) и муравьиную кислоту полностью – до углекислого газа, а третичный – только до ацетона:

Окисление алкенов в щелочной среде

При нагревании с концентрированной щелочью алкены окисляются до солей:

Если один из углеродных атомов – первичный, он окисляется до углекислого газа:

Окисление в нейтральном растворе

В условиях высокой температуры образующаяся щелочь вступает в реакцию, в результате которой окисление алкенов продолжается до образования кетонов или солей. Так, при жестком окислении пропена в нейтральной среде получаются те же продукты, что и в присутствии концентрированного гидроксида калия: ацетат и неорганические соли калия – карбонат и манганат .

Кетон – результат окисления третичного углеродного атома, и дальнейшую реакцию они не поддерживают. Например, при окислении метилпропена как конечный продукт образуется ацетон:

Заключение

Взаимодействие с раствором перманганата калия в мягких или жестких условиях является показателем высокой реакционной способности алкенов, которая обусловлена присутствием в молекуле легко разрываемой -связи. Реакции мягкого и жесткого окисления относятся к числу характерных химических свойств алкенов как ненасыщенных углеводородов.

Расчетные задачи в органической химии

Окисление глицерина перманганатом калия

Задача 48.
Напишите три уравнения реакций окисления многоатомных спиртов на примере глицерина перманганатом калия.
Решение:
1. Окисление глицерина перманганатом калия
Процесс окисления многоатомных спиртов происходит ступенчато. При жестком окислении глицерина перманганатом в присутствии ионов Н+ (концентрированная серная кислота при нагревании) возможно окисление первичных спиртовых групп до карбоксильных (-СООН), а вторичных — до кетонных (=О):

Реакция протекает через несколько стадий и при этом образуется конечное вещество: СООНС(О)СООН — 2-оксопропандиовая кислота (диоксипропандиовая кислота)) или 2-оксомалоновая кислота (диоксималоновая кислота) , а также
2-оксометандикарбоновая кислота.

Водный раствор диоксипропандиовой кислоты называется мезоксалевой кислотой:

2. Реакция Карла Шееле
При смешивании глицерина с кристаллическим перманганатом калия (марганцовкой) происодит бурная реакция ( яркая вспышка смеси). Взаимодействие сопровождается выделением большого количества теплоты и газов (углекислый газ СО₂ и пары воды Н₂О), которые увлекают за собой горячие твердые частицы диоксида марганца МnО₂ и карбоната калия К₂CO₃:

3. Глицерин при взаимодействии с перманганатом калия КMnО4 в присутствии H2SO4 возможно окисление по реакции:

Получение 1,2-дийодперфторбутана

Задача 49.
Рассчитайте загрузку иода на первую стадию процесса, при условии, что расчет надо вести на C4F8J2. Заполнение реактора 80% при максимальной температуре процесса 230°С. Реактор V = 2л.
Решение:
I₂ ⇔ 2I•
CF₂=CF₂ + I• ⇔ CF₂I– CF₂•
CF₂I– CF₂• + I• ⇔ CF₂I– CF₂I

Процесс начинается с термодиссоциации иода с образованием атомарного иода, который вступает в реакцию с тетрафторэтилена (ТФЭ) с образованием тетрафторэтилиодидного радикала, который стабилизируется за счет присоединения атома иода с образованием 1,2-дииодперфторэтана (ДИЭ).

Процесс образования 1,2-дийодперфторбутана из дийодперфторэтана и тетрафторэтилена (ТФЭ) может быть описан следующими уравнениями:

Из уравнений реакций вытекает, что на образование 1 моль C₄F₈J₂ затрачивается 1 моль I₂, т.е n(I₂) = n(C₄F₈J₂).

n(C₄F₈J₂) = V(C₄F₈J₂)/Vm = [V(сосуда) . 0,8]/Vm = (2 . O,8)/22,4 = 0,0714 моль.

m(I₂) = n(I₂) . M(I₂) = 0,0714 . 253,8089 = 18,12 г.

Нахождение состава смеси метана и этана

Задача 50.
При сжигании 20 л смеси метана и этана добыто 25 л карбон (IV) оксида. Найти состав смеси в обьемных частях.
Решение:
Уравнения реакции горения веществ будут иметь вид:
1) CH₄ + O₂ = CO₂ + 2H₂O
2) C₂H₆ + 3,5O₂ = 2CO₂ + 3H₂O

Из уравнений горения газов вытекает, что при сгорании 1 моль метана образуется 1 моль углекислого газа, а при сгорании этана — 2 моль.

Примем объм метана и этана в газовой смеси за «х» и «у» соответственно, а объёмы СО₂ — Х и 2Y.

Для вычисления состава смеси метана и этана в обьемных частях составим уравнение с двуья паременными, плоучим:

Решим систему линейных уравнений методом подстановки:

Выразим из первого уравнения х + у = 20 данной системы «y» через «x«, получим:

Подставив во второе уравнение х + 2у = 25 данной системы вместо «y» выражение (20 — х), получим систему:

Полученные системы равносильны. В последней системе второе уравнение содержит только одну переменную. Решим это уравнение, получим:

Тогда «у» = 20 — «х» = 20 — 15 = 5.