Какое вещество является конечным продуктом цепочки превращений ch2br

Наиболее трудными заданиями ЕГЭ являются задания, направленные на проверку знаний химических свойств и способов получения химических веществ. К их числу относится задание 32 (в прошлом — задание 38) – «Реакции, подтверждающие взаимосвязь органических соединений», Данные задания представляют собой цепочку из пяти стадий превращений органических веществ, и оцениваются в 5 первичных баллов. 

При решении задания 32  необходимо написать пять уравнений химических реакций, среди которых одно (как минимум) является окислительно-восстановительным. Для такой реакции определяются степени окисления элементов и составляется электронный баланс. При написании всех уравнений реакций обязательным условием является расстановка коэффициентов и указание условий во всех реакциях.

Обычно в подобных заданиях не требуется указывать тонкие технические детали синтеза, точную концентрацию реагентов, конкретных растворителей, методы очистки и выделения и т.д. однако обязательно следует указывать примерные условия проведения реакций.

Чаще всего сущность задания заключается в последовательном решении следующих задач:

• построение (удлинение или укорачивание) углеродного скелета;

• введение функциональных групп в алифатические и ароматические соединения; 

• замещение одной функциональной группы на другую; 

• удаление функциональных групп; 

• изменение природы функциональных групп.

Последовательность операций может быть различной, в зависимости от строения и природы исходных и получаемых соединений. Взаимосвязь классов органических веществ отражена на следующей схеме:

Представьте факты и их взаимосвязи в наглядном виде. Запишите, по возможности наиболее подробно, суть задачи в виде схемы.

Посмотрите на проблему как можно шире, примите во внимание даже варианты решения, которые кажутся немыслимыми. В конце концов, именно они могут оказаться правильными и привести Вас к верному решению.

ЭТАПЫ И ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РЕШЕНИЯ ЦЕПОЧЕК УРАВНЕНИЙ

Примером взаимосвязи между классами является следующая схема, на примере которой рассмотрим общие принципы и  этапы решения подобных задач.

1-ый этап. Определяем  количество протекающих реакций и расставляем номера над стрелками. Сразу нужно определить классы и названия исходных и образующихся веществ:

2-ой этап.Выписываем уравнения реакции по очереди, определяем тип реакций и условия их протекания.

3-ий этап: Для окислительно-восстановительных реакций составляем электронные балансы и определяем коэффициенты в уравнениях реакций.

Решение цепочек уравнений предусматривает два варианта заданий: с известными промежуточными и конечным продуктом и с неизвестными промежуточными и конечным продуктом.Рассмотрим оба варианта.

ЦЕПОЧКИ С ИЗВЕСТНЫМИ ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ И КОНЕЧНЫМ ПРОДУКТАМИ (УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ РЕАКЦИЙ ОТСУТСТВУЮТ)

Рассмотрим алгоритм решения таких задач на примере вышеприведенной схемы.

Уравнение 1. Из карбоната нужно получить карбид кальция.

$CaCO_3 +…..longrightarrow CaC_2 + …..$

Эта реакция является окислительно-восстановительной, поскольку в карбонате кальция степень окисления углерода равна +4, а в карбиде кальция степень окисления углерода равна -1, то есть углерод должен восстановиться. Традиционным восстановителем является углерод, в данной реакции он будет окисляться до углекислого газа. Записываем уравнение реакции, составляем электронный баланс и расставляем коэффициенты:

$2 CaCO_3 + 5 C = 3 CO_2 + 2 CaC_2$

Уравнение 2. Из карбида кальция нужно получить ацетилен:

$CaC_2 + …longrightarrow C_2H_2 + ….$

Ацетилен образуется при взаимодействии карбида кальция с водой (лабораторный способ получения ацетилена). Вторым продуктом реакции является гидроксид кальция.

Запомнить! При взаимодействии карбида кальция с водой образуется ацетилен и гидроксид кальция, а при взаимодействии карбида алюминия с водой  — метан и гидроксид алюминия.

Эта реакция  не является  окислительно-восстановительной, поскольку не изменяются степени окисления элементов в соединениях (степень окисления углерода в ацетилене равна -1 и в карбиде  — тоже -1). Степень окисления углерода в ацетилене можно определить алгебраически по сумме зарядов.

Записываем уравнение реакции, расставляем коэффициенты:

$CaC_2+2H_2O = Ca(OH)_2 + C_2H_2$

Уравнение 3. Из углерода (простого вещества) нужно получить ацетилен:

$C + …longrightarrow C_2H_2$

В данном случае ацетилен можно получить двумя способами, но обе реакции протекают в две стадии:

1 способ: Получение метана из углерода и его пиролиз. При данном способе реакция протекает в две стадии, сначала образуется метан: 

$C + 2H_2 xrightarrow{t^circ C} CH_4$

(реакция протекает при высоких температурах, например дуговом разряде, в атмосфере кислорода).

На второй стадии проводят пиролиз (термическое разложение без доступа воздуха) метана:

$2CH_4 xrightarrow{1200 ^circ C} C_2H_2 + 3H_2$

2 способ: Получение карбида кальция из углерода и его гидролиз. Карбид кальция получается 

по следующей реакции:

$Ca + 2C xrightarrow{t^circ C} CaC_2$

 Далее смотреть уравнение 2.

Уравнение 4. Получение уксусного альдегида (этаналя) из ацетилена:

$C_2H_2 + …longrightarrow CH_3-C(O)H$

.

Данное превращение может быть проведено в условиях реакции Кучерова.

Запомнить! Реакция Кучерова — метод гидратации ацетиленовых соединений с образованием карбонильных соединений.

Присоединение воды происходит в присутствии катализатора соли ртути (II) и проходит через стадию образования неустойчивого непредельного спирта (енола), который в случае ацетилена, изомеризуется в уксусный альдегид:

Виниловый спирт $hspace{1cm}$ Уксусный альдегид$hspace{1cm}$

В случае гомологов ацетилена образуются кетоны.

Уравнение 5. Окисление уксусного альдегида до уксусной кислоты:

$CH_3-C(O)H longrightarrow CH_3C(O)OH$

.

Эта реакция является окислительно-восстановительной, может осуществляться в разных условиях. Одним из вариантов окисления является реакция «серебряного зеркала», являющаяся качественной реакцией на альдегидную группу.  

Во время реакции происходит восстановления серебра из аммиачного раствора оксида серебра (реактив Толленса —  гидроксид диамминсеребра (I) $[Ag(NH_3)_2]OH$).

$R-C(O)H +2[Ag(NH_3)_2]OH xrightarrow{t^circ C} 2Agdownarrow +R-C(O)ONH_4 +3NH_3 +H_2O$

Желательно записывать полную форму реакции, в которой учитываются все исходные вещества и продукты реакции, а также составить электронный баланс.

Уравнение 6.Получение этилена из ацетилена — реакция гидрирования. Данная реакция относится к реакциям присоединения по кратным связям, проводится водородом при нагревании. Катализатором восстановления алкинов до алкенов служит палладий на карбонате кальция, дезактивированный обработкой ацетатом свинца (катализатор Линдлара).

$C_2H_2 +H_2  xrightarrow{t^circ C, Pd, CaCO_3, Pb(OAc)_4} C_2H_4$

Уравнение 7. Получение бензола из ацетилена.

$C_2H_2  longrightarrow C_6H_6$

.

В некоторых заданиях возможно получение гомологов бензола из гомологов ацетилена. В основе всех этих реакций лежит реакция полимеризации (тримеризации) алкинов. Условиями проведения является пропускании ацетилена (или его гомологов) при 400 $^circ C$ над активированным углем:

$3 C_2H_2 xrightarrow{C, 400^circ C} C_6H_6$

В случае тримеризации гомологов ацетилена образуются 1,3,5-производные бензола. Например:

$3 CH_3-C≡CH xrightarrow{C, 400^circ C} C_6H_3(CH_3)_3$

При выполнении задания ЕГЭ формулы гомологов бензола нужно записывать в виде структуры Кекуле, т.е. указывать бензольное ядро и заместители в нужных положениях.

Уравнение 8. Из этилена нужно получить этанол (этиловый спирт). Данная реакция относится к реакциям гидратации и протекает по механизму электрофильного присоединения (присоединение по кратным связям).  Реакция может осуществляться либо в присутствии кислоты (серной или фосфорной), либо в присутствии твердых катализаторов (силикагель $SiO_2$). Достаточно указать какой-то один способ, например

$C_2H_4 +HOH xrightarrow{H_2SO_4, 300^circ C, p} CH_3-CH_2-OH$

В некоторых вариантах заданий возможно требуется получить предельные спирты при гидратации гомологов этилена (например, пропилена). В этом случае необходимо вспомнить правило Марковникова. 

Запомнить! Правило Марковникова: при присоединении протонных кислот и воды к несимметричным алкенам и алкинам атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода.

Или более простая для запоминания формулировка: водород присоединяется туда, где больше водорода.

Например, гидратация пропилена (пропена) протекает следующим образом:   

Кислота ($H^+$) способствует образованию карбкатиона. В результате присоединения молекулы воды образуется вторичный спирт.

Уравнение 9. Получение двухатомного спирта этиленгликоля из этилена. Данное превращение осуществляется при окислении этилена таким окислителем, как $KMnO_4$ в нейтральной или щелочной среде. Чаще всего эту реакцию проводят при охлаждении. Реакция является окислительно-восстановительной, поэтому необходимо записать полное уравнение реакции, составить баланс и рассчитать коэффициенты в уравнении.

Если окисление алкена проводить в кислой среде или при нагревании, то в таких жестких условиях будет происходить окисление двойной связи с ее разрывом. В результате будут образовываться две молекулы кислоты:

$R-CH=CH-R + 4[O] xrightarrow{t^circ C} 2R-COOH$

При окислении этилена в этих условиях происходит окисление до углекислого газа и воды.

Окисление перманганатом калия (качественная реакция на кратную связь — реакция Вагнера) в нейтральной или слабощелочной среде протекает по следующему уравнению:

Марганец в перманганате калия является сильным окислителем ($Mn^{+7}$) и в нейтральной или щелочной среде превращается в $Mn^{+4}$. Оба атома углерода в этилене имеют степень окисления -2, а в этиленгликоле -1 (определяется графическим методом). Таким образом, марганец восстанавливается, а углерод —  окисляется. Подробнее смотреть электронный баланс в теме «ОВР в органической химии», таблица «Окисление алкенов».

Уравнение 10. Окисление этиленгликоля до щавелевой (этандиовой) кислоты. При окислении этиленгликоля могут образовываться различные продукты, в зависимости от условий проведения реакций, например может образоваться гликолевый альдегид, глиоксаль, глиоксиловая кислота и т.д. При окислении смесью азотной и серной кислот в присутствии катализатора пятиокиси ванадия образуется щавелевая кислота:

$CH_2(OH)-CH_2(OH) + 4[O] xrightarrow{H_2SO_4 + HNO_3, V_2O_5} HOOC-COOH + 2H_2O$

Уравнение 11. Получение нитробензола из бензола. Данная реакция относится к реакциям нитрования и протекает  в условиях электрофильного замещения бензола.  Электрофильной частицей является образующийся ион нитрония $NO_2^+$. Реакция проводится нитрующей смесью (смесь концентрированных $H_2SO_4$ и $HNO_3$) с выходом 96—99 %:

$C_6H_6 + HNO_3 xrightarrow{H_2SO_4, 40-60^circ C} C_6H_5(NO_2) + H_2O$

Уравнение 12. Восстановление нитробензола до анилина. Данная реакция относится к именным реакциям — реакция Зинина — метод получения ароматических аминов восстановлением нитросоединений:

$C_6H_5NO_2 +3(NH_4)_2S longrightarrow C_6H_5NH_2 + 6NH_3 + 3S + 2H_2O$

Реакцию в лабораторных условиях чаще всего проводят с цинком в кислой среде или с алюминием в щелочной. В этом случае восстановителем является атомарный водород, выделяющийся при взаимодействии металла с кислотой или щелочью:

$C_6H_5NO_2 + 3Zn + 7HCl longrightarrow [C_6H_5NH_3]Cl + 2H_2O+3 ZnCl_2$

Нитробензол можно также гидрировать водородом при температуре $200—300^circ C$ в присутствии катализаторов гидрирования (никель Ренея):

$C_6H_5NO_2 +3H_2xrightarrow{200^circ C,Ni} C_6H_5NH_2 + 2H_2O$

Любой из этих вариантов является правильным и может быть указан в ответе задания.

В заданиях №32 чаще всего даются примеры, в которых промежуточные и конечные продукты реакций неизвестны, но указаны условия проведения реакций. Рассмотрим пример решения такой цепочки. 

ЦЕПОЧКИ С НЕИЗВЕСТНЫМИ ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ И КОНЕЧНЫМ ПРОДУКТАМИ (УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ РЕАКЦИЙ УКАЗАНЫ)

В  задачах такого типа над стрелками указываются условия проведения реакций, которые должны помочь при определении образующихся продуктов. Рассмотрим пример решения  задачи с неизвестными продуктами.