Chemija · Pamoka

Organinių junginių oksidacija, redukcija ir funkcinių grupių ryšiai

Sekite pažymėto anglies atomo oksidacijos laipsnį nagrinėdami pasirinktus funkcinių grupių ryšius. Išlyginkite elektronų perdavimo pusreakčių lygtis ir atskirkite oksidaciją bei redukciją nuo protonavimo, hidratacijos ar pakaitos, kai atomų oksidacijos laipsniai nekinta.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Apskaičiuoti atskirų anglies atomų oksidacijos laipsnius, o ne vien molekulės vidurkį.
Išlyginti pasirinktų oksidacijos pusreakčių lygtis taikant rūgštinės terpės apskaitos susitarimą.
Atpažinti virsmus, kurie keičia formalųjį krūvį, bet nekeičia atomų oksidacijos laipsnių.
Nurodyti modelio, kuriame alkoholis virsta karbonilo junginiu išlaikant anglies skeletą, taikymo ribas.

Sekite tą patį anglies atomą, o ne kintantį molekulės vidurkį

Pasirinktose įprastose Liuiso struktūrose ryšio elektronus priskirkite elektroneigiamesniam atomui: kiekvienas C–H ryšys anglies atomui suteikia −1; kiekvieno C–O, C–N ar C–Cl ryšio indėlis anglies atomui yra +1 už kiekvieną ryšio kartotinumo vienetą; C–C ryšio indėlis yra nulis. Taikydami visą elektronų priskyrimo algoritmą, įtraukite ir reikalingą formaliojo krūvio indėlį. Oksidacijos laipsnis yra bedimensis apskaitos dydis, o ne tikrasis dalinis krūvis.

Sekite antrąjį anglies atomą a2 sekoje etanas→etanolis→etanalis→etano rūgštis, išlaikydami pirmąjį metilo anglies atomą a1. Jo oksidacijos laipsniai yra −3, −1, +1 ir +3; a1 išlieka −3. Vidutiniai anglies oksidacijos laipsniai yra −3, −2, −1 ir 0. Vidurkis naudingas kai kuriems balansams, tačiau neparodo, kuris atomas neteko elektronų ar kaip pasikeitė konkreti funkcinė grupė.

Atskiro atomo redokso skalė skiriasi nuo dviejų anglies atomų vidurkio

Pasirinkta struktūra	Stebimo a2 oksidacijos laipsnis	Metilo grupės a1 oksidacijos laipsnis	Vidutinis anglies oksidacijos laipsnis
Etanas, CH₃CH₃	−3	−3	−3
Etanolis, CH₃CH₂OH	−1	−3	−2
Etanalis, CH₃CHO	+1	−3	−1
Etano rūgštis, CH₃COOH	+3	−3	0

Tikslus bedimensis oksidacijos laipsnių skaičiavimas keturioms įprastoms neutralioms Liuiso struktūroms su žymenimis. a2 yra virsmą patiriantis anglies atomas, o a1 – išliekantis metilo grupės anglies atomas. Lentelė nenustato jokių fizinių krūvių, energijų, mechanizmo, reakcijos greičio ar praktinės sekos.

Oksidacijos pusreakcijos lygtyje elektronai rašomi produktų pusėje

Pagal rūgštinės terpės apskaitos taisykles etanolio oksidacija į etanalį yra CH₃CH₂OH→CH₃CHO+2H⁺+2e⁻. Kita pasirinkta stadija yra CH₃CHO+H₂O→CH₃COOH+2H⁺+2e⁻. Sudėjus gaunama CH₃CH₂OH+H₂O→CH₃COOH+4H⁺+4e⁻.

Taikant šias taisykles vandeniu subalansuojamas deguonis, H⁺ – vandenilis, o elektronais – krūvis. Atitinkamas antrinio alkoholio pavyzdys yra (CH₃)₂CHOH→(CH₃)₂CO+2H⁺+2e⁻. Tai apskaitai skirtos pusreakcijų lygtys; visam cheminiam oksidacijos ir redukcijos procesui reikia tinkamos medžiagos, kuri redukuotųsi, ir tinkamų sąlygų. Jos nenustato vykdymo metodo, laisvųjų elektronų kaupimosi, įmanomumo, selektyvumo ar išeigos.

Krūvio ar funkcinės grupės pokytis nebūtinai yra oksidacija

Pasirinktame chloretano→etanolio pakaitos virsme, C–Cl pakeitus C–O, to anglies atomo indėlis išlieka toks pats, +1, o jo oksidacijos laipsnis išlieka −1. Hidratuojant etanalį, vieno C=O ryšio indėlį +2 pakeičia du C–O ryšių indėliai po +1, todėl buvusio karbonilo anglies atomo oksidacijos laipsnis išlieka +1. Šie konkretūs suminiai virsmai nėra anglies oksidacija vien todėl, kad skiriasi jų deguonies jungimosi būdai.

Protonuojant metanaminą suminis formalusis krūvis pakinta nuo 0 iki +1, o pagal įprastą elektronų priskyrimą anglies oksidacijos laipsnis išlieka −2, azoto – −3. Deprotonuojant etano rūgštį jos anglies atomų oksidacijos laipsniai taip pat išlieka. Pasirinktame suminiame esterio hidrolizės virsme sekite kiekvieną anglies atomą į iš rūgšties ir iš alkoholio susidarančius produktus: jų oksidacijos laipsniai nepakinta. Šie pavyzdžiai rodo, kodėl vien deguonies atomų skaičius, formalusis krūvis ar funkcinės grupės pavadinimas nėra pakankamas kiekvienos reakcijos oksidacijos ir redukcijos kriterijus.

Visame balanse patikrinkite medžiagą, kuri redukuojasi

Simbolinėje visiško oksidavimo reakcijoje C₂H₆O+3O₂→2CO₂+3H₂O dviejų etanolio anglies atomų suminis oksidacijos laipsnis iš −4 pasikeičia į +8; viena etanolio molekulė atiduoda dvylika elektronų. Kiekvieno iš šešių O atomų, tiekiamų O₂ pavidalu, oksidacijos laipsnis iš 0 pasikeičia į −2; jie prisijungia tuos dvylika elektronų. Etanolyje jau esantis deguonies atomas nėra dar kartą įskaičiuojamas kaip atomas, kurio pradinis oksidacijos laipsnis lygus nuliui.

Reakcijoje 2CH₄O+3O₂→2CO₂+4H₂O kiekvieno metanolio anglies atomo oksidacijos laipsnis iš −2 pasikeičia į +4, ir atomas atiduoda šešis elektronus. Atomų ir elektronų balansas vis tiek nenusako reakcijos šilumos, aktyvacijos barjerų, išmetamųjų medžiagų nevisiškos reakcijos sąlygomis ar faktinio produktų susidarymo selektyvumo. Tai simboliniai apskaitos pavyzdžiai.

Karbinolinio vandenilio nebuvimas riboja vieną paprastą modelį

Įprastai pirminį ar antrinį alkoholį verčiant karboniliniu junginiu, pašalinamas karbinolinio anglies atomo C–H ryšio indėlis, kartu padidinant C–O ryšio kartotinumą ir išlaikant pasirinktą anglies skeletą. 2-metilpropan-2-olyje OH grupę turintis anglies atomas turi tris gretimus anglies atomus ir nė vieno prisijungusio H atomo. Išlaikius tuos tris C–C ryšius ir sudarius C=O ryšį, būtų viršytas įprastas anglies valentingumas.

Todėl šiam tretiniam alkoholiui paprastas virsmas, išlaikantis anglies skeletą, netaikomas. Tai modelio apribojimas, o ne teiginys, kad tretiniai alkoholiai niekada negali oksiduotis: kituose procesuose gali nutrūkti C–C ryšiai, o skirtingomis sąlygomis susidaryti skirtingi produktai. Prieš išplėsdami įvardyto funkcinės grupės virsmo taikymą, patikrinkite tikruosius ryšius ir atomų atitiktį.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Apskaičiuokite karbonilo anglies oksidacijos laipsnį, nekeisdami jo vidurkiu

Nustatykite abiejų anglies atomų oksidacijos laipsnius ir jų vidurkį junginyje CH₃CHO.

Metilo grupės anglies atomas turi tris C–H ryšius ir vieną C–C ryšį: oksidacijos laipsnis = −3.
Aldehidinės grupės anglies atomo C=O ryšio indėlis yra +2, C–H ryšio indėlis −1, o C–C ryšio indėlis lygus nuliui: oksidacijos laipsnis = +1.
Vidurkis yra (−3+1)/2=−1.

Karbonilo anglies oksidacijos laipsnis yra +1, metilo grupės anglies −3, o vidurkis −1. Šios vertės atsako į skirtingus klausimus.

Sudėkite dvi išlygintas oksidacijos pusreakčių lygtis

Sudėkite pateiktas etanolis→etanalis ir etanalis→etano rūgštis pusreakčių lygtis rūgščioje terpėje.

Panaikinkite etanalį, kuris po vieną kartą yra abiejose lygties pusėse.
Reagentų pusėje lieka viena vandens molekulė.
Kiekviename etape susidaro 2H⁺ ir 2e⁻, todėl sudėjus susidaro po 4 kiekvienos rūšies dalelių.
Abiejose lygties pusėse yra C₂H₈O₂; produktų krūvis +4−4=0 sutampa su reagentų krūviu.

CH₃CH₂OH+H₂O→CH₃COOH+4H⁺+4e⁻. Visai reakcijai dar reikia medžiagos, kuri redukuotųsi.

Atskirkite deguonies prijungimą nuo anglies oksidacijos laipsnio pokyčio

Stebėkite aldehidinės grupės anglies atomą reakcijoje CH₃CHO+H₂O⇌CH₃CH(OH)₂.

Prieš reakciją C=O indėlis yra +2, o C–H – −1, todėl gaunama +1.
Po reakcijos dviejų viengubųjų C–O ryšių bendras indėlis yra +2, o išlikusio C–H ryšio indėlis yra −1.
C–C ryšio indėlis abiejose struktūrose lygus nuliui.

Stebimo anglies atomo oksidacijos laipsnis lieka +1. Ši pasirinkta hidratacijos reakcija nėra anglies oksidacija.

Susiekite dvylika elektronų su O₂

Patikrinkite elektronų balansą vienai etanolio molekulei reakcijoje C₂H₆O+3O₂→2CO₂+3H₂O.

Pradinė anglies atomų oksidacijos laipsnių suma yra −3+(−1)=−4.
Dviejų CO₂ molekulių anglies atomų oksidacijos laipsnių suma produktuose yra +8.
Anglies atomų oksidacijos laipsnių suma padidėja dvylika vienetų, o tai atitinka dvylika atiduotų elektronų.
Trys O₂ molekulės suteikia šešis nulinio oksidacijos laipsnio O atomus; kiekvieno oksidacijos laipsnis tampa −2 ir kiekvienas prisijungia du elektronus.

Simboliniame pilname balanse anglies atomų atiduoti dvylika elektronų atitinka dvylika elektronų, kuriuos prisijungia iš O₂ kilę deguonies atomai.

Pabandykite patys

Kiek elektronų yra produktų pusėje pasirinktoje antrinio alkoholio→ketono pusreaktės lygtyje rūgštinėje terpėje?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Du.
Šiame modelyje hidroksilo grupę turinčio anglies atomo oksidacijos laipsnis padidėja dviem vienetais.
Ar H⁺ prijungimas prie įprasto metanamino būtinai oksiduoja jo azotą?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Pasirinktoje metanamino ir metilamonio poroje azoto oksidacijos laipsnis išlieka −3, nors formalusis krūvis pasikeičia.
Kiek vandenilio atomų yra tiesiogiai prisijungę prie OH grupę turinčio anglies atomo junginyje (CH₃)₃COH?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Nė vieno.
Šis atomas jau susijungęs su trimis anglies atomais ir deguonies atomu; paprastajame alkoholio virsmo karboniliniu junginiu modelyje, kuriame išsaugomas anglies skeletas, nėra prie hidroksilo grupę turinčio anglies atomo prijungto vandenilio, kurį būtų galima pašalinti.
Kiek elektronų netenka vienas metanolio anglies atomas pagal nurodytą visiško CH₄O virsmo CO₂ apskaitą?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Šešis.
Jo oksidacijos laipsnis padidėja nuo −2 iki +4.

Ką verta įsidėmėti

Sekite pažymėtas atomų vietas, o vidurkius vertinkite atskirai.
Kiekvienoje pusreaktės lygtyje subalansuokite atomų skaičių ir krūvį.
Visam oksidacijos ir redukcijos procesui aprašyti reikia ir kito dalyvio elektronų skaičiaus pokyčio.
Protonavimo ir pasirinktų hidratacijos ar pakaitos reakcijų metu oksidacijos laipsniai gali išlikti nepakitę.
Funkcinės grupės modeliui taikomi konkretūs ryšių išsaugojimo apribojimai.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.