КАК ОПРЕДЕЛИТЬ СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ В ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ И КАК РАССТАВЛЯТЬ КОЭФФИЦИЕНТЫ В ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЯХ С ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ

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;

8) 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.