Степень окисления органических веществ таблица для егэ

Как определить степень окисления в органических соединениях? Чем отличается определение степени окисления в органических соединениях от определения степени окисления в неорганических? Как составить уравнение окислительно-восстановительной реакции, в которой участвуют соединения углерода, и правильно расставить коэффициенты?

Обо всем этом в данной статье подробно  и по порядку.

Содержание:

1. Что такое электроотрицательность, степень окисления и ковалентная связь

2. Как определить степень окисления в органических соединениях: примеры

3. Как расставить коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях с органическими веществами

Проблема, как определить степень окисления в органических соединениях, вытекает из школьного курса химии. Определенное (но не достаточное) внимание уделяется этому вопросу на примере неорганических веществ. Об органических же веществах в этой связи речь практически не идет.

Тем не менее,  об окислении соединений углерода в курсе органической химии (10 класс)  говорится достаточно часто. 33 задание в ЕГЭ по химии практически всегда подразумевает хотя бы одну ОВР с участием органического вещества и необходимость не только составить схему реакции, но и расставить коэффициенты.

Придя в колледж или университет, изучая курс органической химии на более серьезном уровне, студент сталкивается все с той же проблемой: как определить степень окисления в органических соединениях. Подразумевается, что бывший выпускник школы получил эти знания в школьном курсе химии, поэтому нет надобности останавливаться на данном вопросе в профессиональном образовании.

Налицо потеря взаимосвязи и преемственности разных ступеней образования: среднего основного и профессионального (СПО и ВПО).

Итак, разберемся по порядку как определить степень окисления в органических соединениях.

Что такое электроотрицательность, степень окисления и ковалентная связь

Для того чтобы правильно определить степень окисления в органическом соединении, необходимо четко и ясно усвоить три основных понятия: собственно само понятие степень окисления, электроотрицательность и ковалентная связь.

Остановимся на них кратко, так как их рассмотрение не является основной целью данной статьи.

Что такое электроотрицательность

Понятие электроотрицательности (ЭО) впервые было введено американским химиком Л.Полингом в 1932 г.

Кстати, ЭО – это еще одна относительная величина в химии. Ее правильнее называть относительной электроотрицательностью (ОЭО).  Абсолютные значения ЭО очень не удобны в расчетах, поэтому их вычисляют относительно значения ЭО лития Li. Относительные величины не имеют единиц измерения.

Были получены вполне приемлемые для расчетов и анализа числа, которые сведены в удобную таблицу, в общих чертах похожую на периодическую систему химических элементов.

Способность атомов химических элементов притягивать к себе электроны других атомов в процессе образования химической связи называется электроотрицательностью.

Почему нейтральные атомы притягиваются

Раз атомы притягивают к себе электроны, то закономерно возникает следующий вопрос. Если атом, по определению, – это электронейтральная частица, то как он может вообще к себе что-то притягивать, в частности электроны – отрицательно заряженные частицы?

Вообще этот вопрос можно бы переадресовать ученым, специалистам, занимающимся проблемами квантовой механики (один из разделов современной физики).

А мы же лишь крайне упрощенно поясним, почему такое может быть.

Необходимо вспомнить, что силовые линии электрического поля положительного заряда (а им является ядро атома) всегда заканчиваются на отрицательном заряде (электроны атома).

У атомов большинства химических элементов внешний уровень не завершен. То есть в нем есть своеобразная «дырка», сквозь которую выходят силовые линии ядра. Выходят они за пределы атома и заканчиваются на электронах другого атома. В подобной ситуации, несмотря на свою общую электронейтральность, атом ведет себя как положительная частица.

Примерно так это выглядит

При всем при этом атомы полностью не «слипаются». Это не возможно, так как положительно заряженные ядра атомов будут отталкиваться. Но поскольку расстояние между ядром одного атома  и электронами другого меньше расстояния между ядрами, то можно утверждать, что силы притяжения все-таки преобладают над силами отталкивания.При сближении атомов их внешние орбитали будут перекрываться. В пространстве между ядрами электронная плотность несколько увеличится. Но здесь она равномерно не распределяется, а смещается в сторону того ядра, влияние которого сильнее. Сила влияния определяется как величиной положительного заряда, так и радиусом атома.

Для чего необходимо понятие относительной электроотрицательности

Знание и понимание понятия ОЭО дает возможность определить тип химической связи между атомами. Для этого необходимо найти разность ОЭО двух элементов, атомы которых и образуют связь.

Если разность электроотрицательностей менее 0,5, то связь считается ковалентной неполярной. При разности от 0,5 до 1,6 – связь ковалентная полярная. Если более 2,0 – ионная. А если разность в промежутке от 1,6 до 2,0, то в присутствии металла связь считается ионной, при его отсутствии – ковалентной полярной.

 Что такое ковалентная связь

Почему мы говорим здесь о ковалентной связи? Потому, что большинство органических соединений – ковалентные. А это очень важно при определении с.о. углерода в них.

Если коротко, то

ковалентная связь – связь между атомами элементов, возникающая за счет обобществления электронов, т.е. образования общих электронных пар.

Если связь образована между атомами с одинаковой ОЭО, то связь будет считаться ковалентной неполярной. Это потому, что между атомами не происходит перераспределения электронной плотности. Иными словами обобществленная электронная пара не смещается к какому-либо атому.

Такая ситуация возможна, если в образовании связи участвуют атомы одного и того же химического элемента-неметалла:

Но есть и редкие исключения. Молекула фосфина PH₃ характеризуется ковалентной неполярной связью, так как относительные электроотрицательности водорода и фосфора равны: ОЭО(Н)=2,1 и ОЭО(Р)=2,1.

Если же связь образована элементами-неметаллами с разной ОЭО, то она считается ковалентной полярной. Происходит перераспределение электронной плотности между атомами, т.е. общая электронная пара смещается к атому с большей ОЭО. И чем сильнее будет разность в электроотрицательностях атомов элементов, тем полярнее будет и связь.

И еще одно понятие, связанное с ковалентностью, – это валентность, означающая количество общих электронных пар (или иными словами, количество связей между атомами).

Что такое степень окисления и какие значения она может принимать

Степень окисления (с.о.) – важнейшее понятие в теории окислительно-восстановительных процессов. И это условная величина.

Известно, что при образовании ковалентной связи электроны общей электронной пары смещаются к атому более электроотрицательного элемента. Но лишь смещаются, а не полностью переходят к нему!

В итоге на более электроотрицательном атоме возникнет частичный (точнее дробный) отрицательный заряд (δ-), например, -0,73, -2/3 и т.п. А на менее электроотрицательном атоме – частичный положительный (δ+) заряд. Такими дробными числами крайне неудобно пользоваться при вычислениях и составлении формул веществ.Поэтому условно (!) считают, что электроны полностью переходят от одного атома к другому, как это происходит при образовании ионной связи. И в связи с этим значения с.о. целочисленные: +2, -1, +6 и т.д.

Классифицировать с.о. можно по разным признакам. Один из них – это постоянство для одного и того же химического элемента.

Согласно данному признаку, существуют элементы, проявляющие во всех без исключения сложных веществах одну и ту же (постоянную) степень окисления. Например:Другие элементы в разных веществах могут проявлять разные (переменные) степени окисления. Например:И кстати, когда речь заходит об органических веществах, то чаще упоминается валентность углерода в них, но никак не степень окисления.

А вот теперь самое интересное! Мы прекрасно знаем, что химический элемент углерод проявляет две степени окисления: +2 (в соединении СО) и +4 (СО₂, например).

И настолько прочно это закрепляется в сознании, что мы и не предполагаем, что на самом деле у углерода может быть весь спектр степеней окисления от -4 до +4.

Более того, находясь в составе сложного органического соединения, углерод может иметь и нулевую степень окисления! Уж это совсем не вяжется с устоявшимися представлениями, выработанными на основе знаний о неорганических веществах. Для них мы знаем, что с.о. равная нулю возможна у атомов элементов в составе простых веществ (О₃, P₄, H₂, N₂ и т.д.)

Подведем некоторый итог.

В органических соединениях:

1) с.о. углерода принимает значения от -4 до +4;

2) с.о. углерода может быть равна 0;

3) валентность углерода постоянна, равна IV и не всегда совпадает по значению со степенью окисления.

Как определить степень окисления в органических соединениях: примеры

Методы, которыми мы пользуемся для определения с.о. в неорганических веществах, применимы к органическим лишь в очень редких случаях.

Напомним, что при этом мы всегда исходим из положения, что молекула вещества электронейтральна, то есть алгебраическая сумма всех зарядов (степеней окисления), как положительных, так и отрицательных, внутри нее равна нулю. Например:Подобный подход в случае органических веществ с полным правом можно применить тогда, когда в составе вещества только один атом углерода. А таких органических веществ крайне мало. Например:В случае более сложных органических веществ такой подход не срабатывает:То есть в молекуле пропана С₃Н₈ углерод проявляет две степени окисления:   -2 и -3.

Особенности определения с.о. в органических веществах

Определить степень окисления в органических веществах можно разными способами. Разберем самый простой и удобный, на наш взгляд. Именно для этого мы вспомнили, что такое относительная электроотрицательность,  ковалентная связь и ее виды.

Вернемся к ранее упомянутому пропану С₃Н₈ и рассмотрим, какие виды ковалентной связи присутствуют в его молекуле.

Для этого:

1)  запишем полную структурную формулу вещества и пронумеруем атомы углерода;

2) определим, какие связи в молекуле будут ковалентными полярными и ковалентными неполярными;

3) для ковалентных полярных связей покажем смещение общей электронной пары с помощью стрелки (так как ОЭО(С) > ОЭО(Н), то смещение происходит от Н к С);4) проставим с.о. водорода Н, она всегда в соединениях с неметаллами равна +1;5) рассмотрим ситуацию у первого атома углерода С₁; к нему будут смещены общие электронные пары от трех атомов Н; связь с соседним атомом углерода С₂  неполярная, и смещения общей электронной пары здесь не происходит; следовательно, на С₁ возникнет заряд (с.о.) -3. То же самое происходит и на третьем атоме углерода С₃;6)  аналогично определяем с.о. второго атома углерода С₂:Таким образом, получается, что в молекуле пропана с.о. углерода -2 и -3.

Но даже и такой вполне удобный способ определения с.о. не всегда бывает справедлив. Все дело во влиянии атомов кислорода на распределение зарядов в молекуле.

Например, если применять указанный выше способ к определению с.о. углерода в молекуле метанола, то можно ожидать, что она буде равна -3. Однако это не так. В данной молекуле углерод имеет с.о. -2.

Молекулу метанола можно рассматривать как связанные между собой метильную   –СН₃ и гидроксильную –ОН группы. В таком случае суммарные заряды каждой из них в итоге должны дать ноль, так как молекула в целом электронейтральна.

Атом кислорода, как самый электроотрицательный в молекуле метанола, оттягивает к себе электронные плотности связей С-О и Н-О, принимая с.о. -2. Таким образом, суммарный заряд гидроксильной –ОН группы равен -1. Тогда суммарный заряд метильной –СН₃ группы должен быть равен +1. А такое возможно только в том случае, если атом углерода имеет с.о. -2.

Ясно, что подобная ситуация будет возникать всегда в тех случаях, когда атом углерода связан с гидроксильной –ОН группой, образуя первичный спирт.

Нечто подобное происходит со степенью окисления углерода в молекуле диметилового эфира. Здесь также можно ожидать с.о. углерода -3. Но она равна -2 на обоих атомах.

Молекула диметилового эфира – это две метильные группы, связанные через атом кислорода (его с.о. -2). Каждая –СН₃ должна иметь суммарный заряд +1. Это возможно в случае с.о. углерода -2.

Приведем другие примеры.

Метилэтиловый эфир – последовательно связанные друг с другом метильная группа –СН₃, атом кислорода О, гомологическая разность –СН₂– и еще одна метильная группа –СН₃.

Таким образом, с. о. углерода в молекуле метилэтилового эфира: -2, -1, -3.

Степень окисления углерода в молекуле уксусного альдегида принимает значения -3 и +1:Степень окисления углерода в молекуле пропионовой кислоты равна -3, -2 и +3:Степень окисления углерода в молекуле состава С₄Н₈ неоднозначна. Такая молекулярная формула соответствует нескольким веществам, отличающимся друг от друга структурой (иначе говоря, изомерам):Степень окисления углерода в молекуле анилина составляет -1 и +1:Степень окисления углерода в молекуле глюкозы принимает три разных значения: -1, 0 и +1:

Приведенные примеры позволяют сделать общие выводы о том, как определить степень окисления в органических соединениях.

1) Каждая ковалентная полярная связь, электронная плотность которой смещается К атому углерода (Н→С), добавляет в значение его с.о. -1.

2) Каждая ковалентная полярная связь, электронная плотность которой смещается ОТ атома углерода (С→О, С→N и т.д.), добавляет в его значение с.о. +1.

3) Определяя конечное значение с.о. углерода, необходимо посчитать количество смещенных ОТ него и К нему связей с учетом знака (+ или -).

! При этом не следует забывать о влиянии более электроотрицательных атомов на распределение электронной плотности (а, значит, и зарядов), что приводит в некоторых случаях к несоблюдению указанных общих выводов.

Как расставить коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях с органическими веществами

Существует два основных метода составления схемы ОВР и подбора коэффициентов в таких реакциях: метод электронного баланса и ионно-электронный метод (полуреакций). Каждый из них удобнее использовать в той или иной ситуации. В данной статье мы не рассматриваем суть этих методов, а останавливаемся на применении их к ОВР с участием органических веществ.

Итак, начнем с самых простых окислительно-восстановительных реакций, в которых реагентами выступают органические соединения. Для определения степени окисления углерода будем использовать выше описанный метод. В каждом конкретном примере на этом останавливаться уже не будем.

Пример 1. СН₄ + О₂ → СО₂ + Н₂О

При расстановке коэффициентов в данном случае лучше воспользоваться методом электронного баланса:

1) определим с.о. элементов;

2) составим схемы полуреакций с элементами, изменяющими свою с.о.;

3) используя данные по числу отданных и принятых электронов в полуреакциях, найдем наименьшее общее кратное и определим множители для каждой из полуреакций;

4) просуммируем полуреакции с учетом найденных множителей (коэффициентов);

5) перенесем коэффициенты в схему реакции, поставив их перед соответствующими веществами;

6) подберем коэффициенты для всех остальных химических элементов;

7) помним, что баланс количества атомов кислорода проверяем в последнюю очередь. Обычно, если число атомов кислорода слева (до стрелки) и справа (после стрелки) сходится, то это означает, что реакция составлена правильно и все остальные коэффициенты верны.

Пример 2. С₃Н₈ + О₂ → СО₂ + Н₂О

В данном случае также удобнее использовать метод электронного баланса.

Расстановку коэффициентов проводим, как и в предыдущем случае. Однако есть некоторый нюанс. После определения с.о. углерода в пропане обнаруживаем, что их две: -2 и -3. Поэтому составленных схем полуреакций для углерода будет две.

Пример 3. Н₂C₂O₄ + KMnO₄ → СО₂ + K₂CO₃ + MnO₂ + Н₂О

Для расстановки коэффициентов вновь воспользуемся методом электронного баланса.

Пример 4. CH₃OH + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → HCOOH + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + Н₂О

В данном случае метанол и дихромат калия реагируют в кислой среде. Для расстановки коэффициентов можно воспользоваться любым из методов. Еще раз применим метод электронного баланса.

Пример 5. C₆H₁₂O₆ + KMnO₄ + H₂SO₄ → CO₂ + MnSO₄ + K₂SO₄ + Н₂О

Расставим коэффициенты тремя разными способами.

Способ 1. В молекуле глюкозы степень окисления углерода -1, 0 и +1. Примем, что средняя с.о. равна 0. Имейте ввиду, что такой подход не всегда и не для всех веществ будет оправдан. В данном случае это вполне возможно.

Способ 2. Расставим коэффициенты методом электронного баланса, используя все три с.о. углерода.

Способ 3. Поскольку реакция между глюкозой и перманганатом калия проходит в кислой среде (в H₂SO₄), расставим коэффициенты ионно-электронным методом (полуреакций):

1) молекулярные вещества (а к ним относится и глюкоза) на ионы не диссоциируют, поэтому в схемах полуреакций записываются в исходном виде;

2) количество недостающих кислорода и водорода в полуреакциях компенсируем, дописывая по необходимости молекулы воды H₂O или ионы водорода Н⁺;

3) считаем слева и справа в каждой полуреакции суммарный заряд (он создается ионами, образовавшимися при диссоциации реагирующих веществ, и ионами водорода Н⁺);

4) разницу зарядов компенсируем отдаваемыми или принимаемыми электронами;

5) так же, как и в методе электронного баланса, находим наименьшее общее кратное, определяем множители для каждой из полуреакций;

6) просуммируем полуреакции с учетом найденных множителей (коэффициентов);

7) перенесем коэффициенты в схему реакции, поставив их перед соответствующими веществами;

подберем коэффициенты для всех остальных химических элементов;

9) помним, что баланс количества атомов кислорода проверяем в последнюю очередь.

Пример 6. C₃H₄ + KMnO₄ + H₂SO₄ → CH₃COOH + CO₂ + MnSO₄ + K₂SO₄ + Н₂О

В исходном веществе C₃H₄  (пропин) степени окисления углерода принимают значения -3, -1 и 0. В образовавшейся уксусной кислоте CH₃COOH: -3 и +3. Кроме того, в углекислом газе CO₂  с.о. углерода равна +4.

Такое разнообразие степеней окисления одного элемента затрудняет применение метода электронного баланса. Поэтому лучше воспользоваться методом полуреакций.

 Действие окислителей на органические вещества

В зависимости от строения и состава органических веществ (разветвленность углеродного скелета, наличие функциональных групп и их количество), а также от условий процесса (избыток или недостаток окислителя, его концентрация, рН раствора, нагревание или охлаждение) окисление происходит по-разному.

Так, например, при окислении алкена раствором  KMnO₄ в мягких условиях (без нагревания и в нейтральной или слабощелочной среде) образуется двухатомный спирт. А при окислении алкена раствором  KMnO₄ в жестких условиях (с нагреванием и в кислой или сильнощелочной среде) молекула по двойной связи разрушается, и образуются совершенно иные продукты. Это могут быть и карбоновая кислота, и ее соль и СО₂.

Знание действия окислителей на органические вещества тех или иных классов поможет верно определить продукты окислительно-восстановительной реакции и правильно расставить в них коэффициенты.

Итак, ответ на вопрос: «Как определить степень окисления в органических веществах», – позволяет правильно составить схему реакции с участием органических веществ и подобрать наиболее оптимальный метод расстановки коэффициентов.

Чтобы самыми первыми узнавать о новых публикациях на сайте, присоединяйтесь к нашей группе ВКонтакте.

Темы кодификатора ЕГЭ: Электроотрицательность. Степень окисления и валентность химических элементов.

Когда атомы взаимодействуют и образуют химическую связь, электроны между ними в большинстве случаев распределяются неравномерно, поскольку свойства атомов различаются. Более электроотрицательный атом сильнее притягивает к себе электронную плотность. Атом, который притянул к себе электронную плотность, приобретает частичный отрицательный заряд δ^—, его «партнер» — частичный положительный заряд  δ+. Если разность электроотрицательностей атомов, образующих связь, не превышает 1,7, мы называем связь ковалентной полярной. Если разность электроотрицательностей, образующих  химическую связь, превышает 1,7, то такую связь мы называем ионной.

Степень окисления – это вспомогательный условный заряд атома элемента в соединении, вычисленный из предположения, что все соединения состоят из ионов (все полярные связи – ионные).

Что значит «условный заряд»? Мы просто-напросто договариваемся, что немного упростим ситуацию: будем считать любые полярные связи полностью ионными, и будем считать, что электрон полностью уходит или приходит от одного атома к другому, даже если на самом деле это не так. А уходит условно электрон от менее электроотрицательного атома к более электроотрицательному.

Например, в связи H-Cl мы считаем, что водород условно «отдал» электрон, и его заряд стал +1, а хлор «принял» электрон, и его заряд стал -1. На самом деле таких полных зарядов на этих атомах нет.

Наверняка, у вас возник вопрос — зачем же придумывать то, чего нет? Это не коварный замысел химиков, все просто: такая модель очень удобна. Представления о степени окисления элементов полезны при составлении классификации химических веществ, описании их свойств, составлении формул соединений и номенклатуры. Особенно часто степени окисления используются при работе с  окислительно-восстановительными реакциями.

Степени окисления бывают высшие, низшие и промежуточные.

Высшая степень окисления равна номеру группы со знаком «плюс».

Низшая определяется, как номер группы минус 8.

И промежуточная степень окисления — это почти любое целое число в интервале от низшей степени окисления до высшей.

Например, для азота характерны: высшая степень окисления +5, низшая 5 — 8 = -3, а промежуточные степени окисления от -3 до +5. Например, в гидразине N₂H₄ степень окисления азота промежуточная, -2.

Чаще всего степень окисления атомов в сложных веществах обозначается сначала знаком, потом цифрой, например +1, +2, -2 и т.д. Когда речь идет о заряде иона (предположим, что ион реально существует в соединении), то сначала указывают цифру, потом знак. Например: Ca²⁺, CO₃ ^2-.

Для нахождения степеней окисления используют следующие правила:

1. Степень окисления атомов в простых веществах равна нулю;
2. В нейтральных молекулах алгебраическая сумма степеней окисления равна нулю, для ионов эта сумма равна заряду иона;
3. Степень окисления щелочных металлов (элементы I группы главной подгруппы) в соединениях равна +1, степень окисления щелочноземельных металлов (элементы II группы главной подгруппы) в соединениях равна +2; степень окисления алюминия в соединениях равна +3;
4. Степень окисления водорода в соединениях с металлами (солеобразные гидриды — NaH, CaH₂ и др.) равна -1; в соединениях с неметаллами (летучие водородные соединения)  +1;
5. Степень окисления кислорода равна -2. Исключение составляют пероксиды – соединения, содержащие группу –О-О-, где степень окисления кислорода равна -1, и некоторые другие соединения (супероксиды, озониды, фториды кислорода OF₂ и др.);
6. Степень окисления фтора во всех сложных веществах равна -1.

Выше перечислены ситуации, когда степень окисления мы считаем постоянной. У всех остальных химических элементов степень окисления — переменная, и зависит от порядка и типа атомов в соединении.

Примеры:

Задание: определите степени окисления элементов в молекуле дихромата калия: K₂Cr₂O₇.

Решение:  степень окисления калия равна +1, степень окисления хрома обозначим, как х,  степень окисления кислорода -2. Сумма всех степеней окисления всех атомов в молекуле равна 0. Получаем уравнение: +1*2+2*х-2*7=0. Решаем его, получаем степень окисления хрома +6.

В бинарных соединениях более электроотрицательный элемент характеризуется отрицательной степенью окисления, менее электроотрицательный – положительной.

Обратите внимание, что понятие степени окисления – очень условно! Степень окисления не показывает реальный заряд атома и не имеет реального физического смысла. Это упрощенная модель, которая эффективно работает, когда нам необходимо, например, уравнять коэффициенты в уравнении химической реакции, или для алгоритмизации классификации веществ.

Степень окисления – это не валентность! Степень окисления и валентность во многих случаях не совпадают. Например, валентность водорода в простом веществе Н₂ равна I, а степень окисления, согласно правилу 1, равна 0.

Это базовые правила, которые помогут Вам определить степень окисления атомов в соединениях в большинстве случаев.

В некоторых ситуациях вы можете столкнуться с трудностями при определении степени окисления атома. Рассмотрим некоторые из этих ситуаций, и разберем способы их разрешения:

1. В двойных (солеобразных) оксидах степень у атома, как правило, две степени окисления. Например, в железной окалине Fe₃O₄ у железа две степени окисления: +2 и +3. Какую из них указывать? Обе. Для упрощения можно представить это соединение, как соль: Fe(FeO₂)₂. При этом кислотный остаток образует атом со степенью окисления +3. Либо двойной оксид можно представить так: FeO*Fe₂O₃.
2. В пероксосоединениях степень окисления атомов кислорода, соединенных ковалентными неполярными связями, как правило, изменяется. Например, в пероксиде водорода Н₂О₂, и пероксидах щелочных металлов степень окисления кислорода -1, т.к. одна из связей – ковалентная неполярная (Н-О-О-Н). Другой пример – пероксомоносерная кислота (кислота Каро)  H₂SO₅ (см. рис.) содержит в составе два атома кислорода со степенью окисления -1, остальные атомы со степенью окисления -2, поэтому более понятной будет такая запись: H₂SO₃(O₂).  Известны также пероксосоединения хрома – например, пероксид хрома (VI) CrO(O₂)₂ или CrO₅, и многие другие.
3. Еще один пример соединений с неоднозначной степенью окисления – супероксиды (NaO₂) и солеобразные озониды KO₃. В этом случае уместнее говорить о молекулярном ионе O₂ с зарядом -1 и и O₃ с зарядом -1. Строение таких частиц описывается некоторыми моделями, которые в российской учебной программе проходят на первых курсах химических ВУЗов: МО ЛКАО, метод наложения валентных схем и др.
4. В органических соединениях понятие степени окисления не очень удобно использовать, т.к. между атомами углерода существует большое число ковалентных неполярных связей. Тем не менее, если нарисовать структурную формулу молекулы, то степень окисления каждого атома также можно определить по типу и количеству атомов, с которыми данный атом непосредственно связан. Например, у первичных атомов углерода в углеводородах степень окисления равна -3, у вторичных -2, у третичных атомов -1, у четвертичных  — 0.

Потренируемся определять степень окисления атомов в органических соединениях. Для этого необходимо нарисовать полную структурную формулу атома, и выделить атом углерода с его ближайшим окружением — атомами, с которыми он непосредственно соединен.

Полезные советы:

• Для упрощения расчетов можно использовать таблицу растворимости – там указаны заряды наиболее распространенных ионов. На большинстве российских экзаменов по химии (ЕГЭ, ГИА, ДВИ) использование таблицы растворимости разрешено. Это готовая шпаргалка, которая во многих случаях позволяет значительно сэкономить время.
• При расчете степени окисления элементов в сложных веществах сначала указываем степени окисления элементов, которые мы точно знаем (элементы с постоянной степенью окисления), а степень окисления элементов с переменной степенью окисления обозначаем, как х. Сумма всех зарядов всех частиц равна нулю в молекуле или равна заряду иона в ионе. Из этих данных легко составить и решить уравнение.

Тренировочный тест по теме «Степени окисления и валентность» 10 вопросов, при каждом прохождении новые.

II. ОВР в органической химии.

Степени окисления атомов в органических соединениях.

Углеводороды	Спирты	Альдегиды, кетоны	Карбоновые кислоты
-2 +1  -2 +1 CH2=CH2	-2 +1 -2 +1 CH3-OH	0 ⸗O-2       0  -2 H-C-H     (HCHO)	+2 -2-2             HCOOH
-2     -1    -3 CH2=CH-CH3	-3    -1     -2 CH3-CH2-OH	-3  +1 ⸗O-2         CH3-C- H            -3   +1 -2 (CH3CHO)	-3   +3-2- 2             CH3COOH
-3    -1    -1   -3 CH3-CH=CH-CH3	-1    -1 CH2-CH2 І       І OH   OH	-3    +2 -3 CH3-C- CH3          ǁ         O-2	+3 -2 -2              C OOH              І+3-2-2              C OOH
-3     0  -1   -3 CH3-C=CH-CH3         І       -3         CH3	-1    0     -3 CH2-CH-CH3 І        І OH   OH

-3    0    0   -3  CH3-CH2-CH-CH3         І       І        OH   OH

Углеводороды.

В кислой среде:

1) CH2=CH2  + KMnO4 + H2SO4 → K2SO4 + MnSO4 + H2O +  CO2 

      -2       -2             +7                                                      +2               +4

    5CH2=CH2 + 12KMnO4 + 18H2SO4 → 6K2SO4 + 12MnSO4 + 10CO2 + 28H2O

    2C-2   – 12e— → 2C+4 | 12 |  5 – окисляется,       восстановитель;

    Mn+7 +   5e— → Mn+2 |   5 |12 — восстанавливается, окислитель

2) C2H2 – окисляется окислителями в кислой среде до щавелевой кислоты.

    -1   -1      k. H2SO4, KMnO4 (K2Cr2O7)   COOH

   CHΞCH  ―――――――→       І                   (HOOC-COOH)

                                                      COOH                                                                                             

   -2      -1     -3              +7                           +4        -3    +3  

3)CH2=CH-CH3   +  2KMnO4 + 3H2SO4 → CO2 + CH3-COOH + K2SO4 + 

                                                                                                      +2

                                                                                                     2MnSO4 + 4H2O

      -3   -1     -1    -3               +7                                    -3  +3

4) 5CH3-CH=CH-CH3  +  8KMnO4 + 12H2SO4 → 10CH3-COOH + 4K2SO4 + 

                                                                                                      +2

                                                                                                   8MnSO4 + 12H2O

 Mn+7 + 5e— → Mn+2 |4| | 8Mn+7 +40e— →8Mn+2 — восстанавливается, окислитель;

                                   |  |× 2 |                                          

C-1      — 4e— → C+3   |5|      | 10C-1    — 40e— → 10C+3  —  окисляется,       восстановитель      

 -3        0    -1   -3                                              -3     +3 -2 -2      -3    +2 -3

5) CH3-C‡ CH-CH3 + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5CH3-COOH + 5CH3-C-CH3        

                                  + 3K2SO4 + 6MnSO4 +9H2O          

             |                                                                                                 ǁ

                      -3                                                                                     O-2

              CH3                                                                                                                                  

     -1    -1           +7                                   C+3OOH                     +2

6) 5CHΞCH + 8KMnO4 + 12H2SO4 → 5 І              +4K2SO4 +8MnSO4+ 12H2O                                                                                                                         C+3OOH

                                                               только ацетилен!

2C-1    — 8e— → 2C+3 |× 5

Mn+7 + 5e— → Mn+2 |× 8

Гомологи ацетилена окисляются до одноосновных карбоновых кислот.

    -1    0   -3         +7                             -3   +3          +4                         +2

7)5CHΞC-CH3 +8KMnO4 +12H2SO4 → 5CH3-COOH +5CO2 +4K2SO4+ 8MnSO4 + 12H2O

    —3    0   0 -3           +7                               -3   +3                            +2

 5CH3-CΞC-CH3 + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 10CH3-COOH + 3K2SO4 + 6MnSO4 + 4H2O

Ароматические углеводороды.

    -1        -3            +7                           -1     +3                            +2

9) 5C6H5 -CH3 + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5C6H5COOH + 3K2SO4 + 6MnSO4 + 14H2O

    Mn+7 + 5e— → Mn+2 |× 6

    C-3      — 6e— → C+3   |× 5

       —1       -2   -3              +7                              -1     +3           +4                             +2

10) 5C6H5 -CH2CH3 + 12KMnO4 + 18H2SO4 → 5C6H5-COOH + 5CO2 + 6K2SO4 + 12MnSO4 + 28H2O

    Mn+7 + 5e— → Mn+2   |   5e—|× 12

    C-2      — 6e— → C+4     |        |

                                         |}12e—|× 5

    C-3      — 6e— → C+3     |         |

        -1      -3                 +7                               -1    +3                                  +2

11) 5 C6H4(CH3)2 + 12KMnO4 + 18H2SO4 → 5 C6H4(COOH)2 + 6K2SO4 + 12MnSO4 + 28H2O

    1,2-диметилбензол                                орто-фталевая кислота

      2C-3   — 12e— → 2C+3  |12e—|× 5

       Mn+7 + 5e—  → Mn+2 |  5e— |× 12

      -1         -1    -2           +7                            -1   +3          +4                        +2

12) C6H5—CH=CH2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 → C6H5COOH + CO2 + K2SO4 + 2MnSO4 + 4H2O

      Mn+7 + 5e— → Mn+2 |     5e—|× 2

      C-1      — 4e— → C+3   |          |  

                                        |} 10e—|× 1

      C-2      — 6e— → C+4   |          |  

В нейтральной среде:

     -2     -2            +7                       -1    -1         +4

1) 3CH2=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O → CH2-CH2 + 2MnO2 + 2KOH           2C-2 —   2e— → 2C-1    |× 3

                                                        І       І                                          Mn+7 + 3e— → Mn+4 |× 1

                                                       OH  OH

2) 3CH3–CH=CH– CH3  + 2KMnO4 + 4H2O → 3CH3–CH–CH– CH3  + 2MnO2 + 2KOH

                                                                                І      І

                                                                               OH  OH

3) C6H5—CH=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O → C6H5—CH– CH2 + 2MnO2 + 2KOH

                                                                           І      І

                                                                          OH  OH

                                                      00C

4) 3CH3–CH=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O  —→   3CH3–CH–CH + 2MnO2 + 2KOH

                                                                              І      І

                                                                              OH  OH

                                         C+3OOK                          

5) 3CHΞCH + 8KMnO4 → 5 І              + 8MnO2 + 2KOH + 2H2O          

                                          C+3OOK

                                    только ацетилен!

6) 3CH3–CH=CH–СH2– CH3  + 2KMnO4 + 4H2O → 3CH3–CH–CH– СH2– CH3  + 2MnO2 + 2KOH

                                                                                         І      І

                                                                                        OH  OH

7) CH3–CH=C– CH3  + 2KMnO4 → CH3-C- CH3 + CH3-COOH + 2MnO2 + 2KOH  

                    І                                         ǁ

                    CH3                                   O

Реакция присоединения против правила Марковникова:

                         + —   H2O2

CH3—CH=CH2 + HBr ——→ CH3—CH2—CH2   — 1-бромпропан

                                                                |

                                                                Br    

При наличии атома хлора в молекуле реакция также идёт против правила, т.к. меняется поляризация молекулы:

         —     +         + —

CH2—CH=CH2 + HBr ——→ CH2—CH2—CH2   — 1-бром-3-хлорпропан

|                                              |                   |

Cl                                           Cl                 Br    

Спирты.

    -3     -1    -2           +7                            -3   +3                            +2

1) CH3-CH2-OH + 4KMnO4 + 6H2SO4 → 5CH3-COOH + 2K2SO4 + 4MnSO4 + 11H2O

    -3     -1    -2            +6                             -3    +3            +3

2) CH3-CH2-OH + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 → 3CH3-COOH + 2Cr2(SO4)3  + 2K2SO4 + 11H2O

         +6           -2                                +2            +3

3) 2K2Cr2O7 + 3CH3OH + 8H2SO4 → HCOOH + 2Cr2(SO4)3  + 2K2SO4  + 11H2O  

    -3     +1   -2    -3            +7           -3    +2  -2   -3         +4

4) 5CH3-CH-CH2-CH3 + 2KMnO4 → 5CH3-C-CH2-CH3 + 2MnO2 + 2KOH + 4H2O

               І                                               ǁ

               OH                                           O

     -1       -1    -2           +7                           -1     +3                             +2

5) 5C6H5 -CH2OH + 4KMnO4 + 6H2SO4 → 5C6H5-COOH + 2K2SO4 + 4MnSO4 + 11H2O

     -2                 +7                            +4                         +2

6) 5CH3-OH + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5CO2 + 3K2SO4 + 6MnSO4 + 19H2O

     -3    -1     -2           +7          +4                                   -3    +3

7) 3CH3-CH2-OH + 4KMnO4 → 4MnO2 + KOH + 4H2O + 3CH3-COOK

Альдегиды.

        0             +7                          +4                           +2

1) 5HCHO + 4KMnO4 + 6H2SO4 → 5CO2 + 2K2SO4 + 4MnSO4 + 11H2O

     -3  +1             +6                            -3    +3           +3

2) 3CH3CHO + K2Cr2O7 + 4H2SO4 → 3CH3-COOH + Cr2(SO4)3  + K2SO4 + 4H2O

     -3   +1           +7                             -3   +3                            +2

3) 5CH3CHO + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 5CH3-COOH + K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O

     -3    +1           +7                       -3    +3           +4

4) 3CH3CHO + 2KMnO4 + KOH → 3CH3-COOK + 2MnO2 + 2H2O

                                                                                     OH

                                                                                      |

5) HC-(CH2)7 -CH3                                                        HC-(CH2)7 -CH3

  3   ǁ                            + 2KMnO4 + 4H2O →       3          |                            + 2KOH + 2MnO2

    HC-(CH2)7 –COOH                                                   HC-(CH2)7 -COOH

      стеариновая кислота                                                |

                                                                                     OH

                                                                            9,10 — диоксистеариновая кислота

Другие реакции органических соединений.

Углеводороды.

                            t0, кат.

1) 2C4H10 + 5 O2 ——→ 4CH3-COOH + 2H2O

2) 3CH3–CH=CH– CH3  + 2KMnO4 + 4H2O → 3CH3–CH–CH– CH3  + 2MnO2 + 2KOH

                                                                                І      І

                                                                               OH  OH

                                 Pd+2

3) 2CH2=CH2 + O2 —→ 2CH3CHO

Ароматические углеводороды.

1) 5С6H4ClC2H5 +12KMnO4 +18H2SO4 → 5C6H4СlCOOH+ 5CO2 +6K2SO4 +12MnSO4+ 28H2O

   (орто-,пара- изомеры)                             (орто-, пара- изомеры)

                                                           t0

2) 5 O2N-С6H4-CH3 + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5 O2N-С6H4-COOH + 3K2SO4 + 6MnSO4 + 14H2O

       (пара- изомер)                                             (пара- изомер)

3) 5С6H5CH(CH3)2 +18KMnO4 + 27H2SO4 →5C6H5COOH +10CO2+9K2SO4 +18MnSO4+48H2O

                            KMnO4

4) CHΞC-С6H4-CH3  ——→ С6H4-(COOH)2

  (орто — изомер)                  орто – фталевая кислота

5) 3С6H5-CH2 -CH=CH2 + 2KMnO4 + 4H2O → 3С6H5-CH2 –CH–CH2  + 2KOH + 2H2O          

                                                                                           |     |

                                                                                          OH OH

6) 5C6H5—CH2 — CH=CH2 + 16KMnO4 + 24H2SO4 → 5C6H5COOH + 10CO2 + 8K2SO4 + 16MnSO4 + 34H2O

                                                                     +      —

7)  O2N-С6H4-COOH + 3Fe + 7HCl → С6H4(COOH)NH3Cl + 3FeCl3 + 2H2O

Получение.

1) Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)4 + 3CH4

2) Al4C3 + 12HCl → 4AlCl3 + 3CH4

3) CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2

Спирты.

1) 3CH2–CH=CH–CH2  + 2KMnO4 + 4H2O → 3CH2–CH–CH–CH2  + 2KOH + 2MnO2

      |                      |                                          |       |     |      |

      OH                  OH                                     OH   OH  OH  OH

2) 3CH3-CH2-OH + K2Cr2O7 + 4H2SO4 → 3CH3-CHO + 2Cr2(SO4)3  + K2SO4 + 7H2O

                                                           ацеталь

Альдегиды.

1) CH3CHO  + 2NaMnO4 + 3NaOH → CH3-COONa + 2Na2MnO4 + 2H2O

Карбоновые кислоты.

         +6                    +3                                   +4        +3

1)K2Cr2O7 +3HOOC-COOH +4H2SO4 → 6CO2 + Cr2(SO4)3  + K2SO4  +7H2O

Соли карбоновых кислот.

                         электролиз

1) 2CH3-COONa ———→ H2 + C2H6 + 2NaOH + 2CO2