Способы расстановки коэффициентов в ОВР с участием органических вешеств

Для расстановки коэффициентов обычно используют метод электронного баланса, что требует знания степени окисления атома углерода, которая может принимать значения от -4 до +4 и зависит от относительных электроотрицательностей атомов его непосредственного окружения.

Степень окисления атомов углерода определяется числом электронных пар, смещенных к атому углерода, если его электроотрицательность выше, чем у соседнего атома, или смещенных от атома углерода, если его электроотрицательность ниже.

Например, степень окисления атома углерода в метильном радикале молекулы толуола равна «минус 3», т.к. электронная плотность смещается от трех атомов водорода к более электроотрицательному атому углерода по трем σ-связям. В карбоксильной группе молекулы бензойной кислоты степень окисления атома углерода равна «плюс 3», т.к. электронная плотность смещается от атома углерода к атомам кислорода по двум σ- и одной π-связи (всего по трем связям):

5 +6 KMnO₄ +9 H₂SO₄ →5 + 3 K₂SO₄ +6 MnSO₄ + 14H₂O

Н→C ^-3 ←Н С ⁺³

↑ ОН

толуол бензойная кислота

Подбираем коэффициенты методом электронного баланса:

С ^-3 – 6е^- → С ⁺³ 5

Mn ⁺⁷ + 5е^- →Mn ⁺² 6

Коэффициенты можно подобрать также методом электронно-ионного баланса (методом полуреакций).

Толуол С₆Н₅СН₃ окисляется до бензойной кислоты С₆Н₅СООН, перманганат-ион MnO₄ ^- восстанавливается до катиона марганца Mn⁺².

С₆Н₅СН₃ + KMnO₄ + H₂SO₄ → С₆Н₅СООН+ K₂SO₄ +MnSO₄ +H₂O

С₆Н₅СН₃+2H₂O– 6е^- → С₆Н₅СООН+6Н⁺5

MnO₄ ^- +8Н⁺+ 5е^- →Mn ²⁺ +4 H₂O 6

5С₆Н₅СН₃+ 10H₂O +6MnO₄ ^- + 48Н⁺ →5С₆Н₅СООН+ 30Н ⁺+ 6Mn ⁺² + 24H₂O

6 К⁺18Н⁺6SO₄^2- 14H₂O

9SO₄^2- 6 К⁺+3SO₄^2-

5С₆Н₅СН₃+6КMnO₄ ^- +9 H₂SO₄→5С₆Н₅СООН+6MnSO₄ +3K₂SO₄ + 14H₂O

В большинстве случаев окислительно-восстановительные реакции органических соединений сопровождаются отщеплением или присоединением атомов водорода и кислорода.

При окислении: введение в молекулу органического соединения атома кислорода эквивалентно потере двух электронов, а отщепление атома водорода – потере одного электрона.

При восстановлении: отщепление атома кислорода – приобретение двух электронов, присоединение атома водорода – приобретение одного электрона.

На этом принципе основан способ расстановки коэффициентов, не требующий определения степени окисления углерода. Определим число атомов водорода, потерянных толуолом, и число атомов кислорода, введенных в молекулу. Потеряно два атома водорода (-2e¯), введено два атома кислорода (-4e¯). Всего отдано 6e¯.

Рассмотрим применение различных способов расстановки коэффициентов на примере реакции между n-метилкумолом и перманганатом калия в кислой среде.

1.Окисление любых алкильных заместителей у производных бензола происходит до карбоксильных групп:

СН₃ – СН – СН₃

+ KMnO₄ + H₂SO₄ →

CH₃

СООН

→ + K₂SO₄ + MnSO₄ + H₂O + CO₂

COOH

Два атома углерода изопропильного радикала окисляются до углекислого газа.

2. Составим схему электронного баланса без определения степеней окисления атомов углерода.

Определим число атомов водорода, потерянных n-метилкумолом, и число атомов кислорода,введенных в молекулу. Потеряно восемь атомов водорода (-8e¯), введено четыре атома кислорода (-8e¯). Кроме того, четыре атома кислорода вошли в состав углекислого газа (-8e¯). Всего отдано 24e¯.

Марганец со степенью окисления +7 восстановился до +2, тогда схему электронного баланса можно записать:

СН₃ – СН – СН₃ СOOH

– 24e¯ → – 24e¯ 5

CH₃ СOOH

Mn⁺⁷ +5 e¯ → Mn⁺² +5 e¯ 24

4. Составим схему электронного баланса, определив степени окисления атомов углерода.

Степень окисления атомов углерода в метильных радикалах СН₃ равна «плюс 3», в метиновой группе СН – «плюс 1», в карбоксильных группах – «минус 3».

Обратите внимание, что только α-углеродные атомы (непосредственно связанные с бензольным кольцом) окисляются до карбоксильных групп, остальные атомы углерода – до углекислого газа.

С^-1 – 4е^- →С⁺³

С^-3 – 6е^-→С⁺³- 24е^- 5

2 С^-3 – 14е^-→2С⁺⁴

Mn ⁺⁷ + 5е^- →Mn ⁺² + 5е^- 24

СН₃ – СН – СН₃

5 + 24 KMnO₄ + 36 H₂SO₄ →

CH₃

СOOH

→ 5 + 12 K₂SO₄ + 24 MnSO₄ + 56 H₂O + 10 CO₂

COOH

5. Подберем коэффициенты методом электронно-ионного баланса.

В этом случае нет необходимости изображать структурные формулы органических веществ, поэтому формулы n-метилкумола и тере фталевой кислоты запишем в молекулярном виде:

С₁₀Н₁₄ +8H₂O – 24е^-→ С₈Н₆О₄+2CO₂+24Н⁺ 5