Урок 'ОВР в органической химии'

Урок по теме:

«Окислительно-восстановительные реакции в органической химии»

Цель:

1. Формирование умения составлять уравнения окислительно-восстановительных процессов, идущих в стандартных условиях.

2. Сформировать систему понятий, которые будут усваиваться в процессе изучения данной темы.

3. На основании строения атома научить определять возможные степени окисления каждого элемента, т.е. все многообразие возможных состояний атомов.

4. Создать положительную мотивацию к изучению данного материала.

5. Использовать проблемные ситуации, решение, которых возможно с помощью действий, формирование которых намечено на данных занятиях.

6. Закрепить химические знания об окислительно-восстановительных реакциях.

7. Систематизировать сведения об окислителях.

8. Становить связь между строением органических веществ и их степени окисления.

9. Находить зависимость окислительно-восстановительной способности органического вещества от его строения.

10. Формировать умения устанавливать связь между классом органических веществ и окислением нужной силы, агрегатного состояния и механизма действия.

11. Формировать знания предсказывать условия проведения реакции и ожидаемые продукты окисления.

Задачи: обеспечить усвоение знаний в области ОВР; научить прогнозировать состав продуктов ОВР;

расширить умения решать задачи повышенной сложности

Тип урока: урок совершенствования знаний, умений и навыков

Вид урока: лекция (2 часа)

Методы приемов обучения: монологическое изложение материала (1 час), закрепление (2 час)

Ход урока:

1. Оргмомент.

2. Изложение материала

Среди разнообразных химических процессов, протекающих в окружающем мире, важное место занимают окислительно-восстановительные реакции. Процессы горения обеспечивают человечество энергией. Технологические процессы - органические и неорганические синтезы, получение металлов, электролиз- также связаны с ОВР. И в биологических процессах таких, как дыхание и фотосинтез, окислительно-восстановительные реакции играют существенную роль. Поэтому, прежде всего, необходимо научить учащихся выделять из всего многообразия химических реакций, протекающих в окружающем мире, окислительно-восстановительные процессы.

Степень окисления -формальный заряд, который можно прописать атому, считая, что он отдал или принял некоторое количество электронов.

Элемент в определенной степени окисления Э⁺ⁿ_, Э^-n. Для определения потенциальных степеней окисления атома сначала необходимо построить модель строения атома в виде электронных ячеек. Т.к. атомы отдают только валентные электроны, то следующий шаг - выделение в структуре атома валентных электронов. Затем определить число валентных электронов и положение в периодической системе - группу и подгруппу.

С+4)₂)₂

Из электронной структуры следует:

-атом элемента главной подгруппы IV группы отдает и принимает электроны. Максимально может быть отдано 4 электрона. Однако в атоме имеются 2 спаренных s- и 2 не спаренных p-электрона, а затем еще и 2 s- электрона. Максимально можно определить 4 электрона.

-углерод имеет степени окисления :-4,-2,-3,0,+1,+2,+3,+4.

Окислительно-восстановительная реакция- это процесс, в котором одновременно происходит и окисление и восстановление атомов элементов в различных степенях окисления или окислительно-восстановительные реакции- это химические реакции, в которых происходит перенос электронов от одних частиц (атомы, радикалы, ионы, молекулы) к другим частицам.

В ходе химической реакции идет перенос электронов, следовательно, возникает электрический ток, который характеризуется силой и разностью потенциалов. Раз есть переход электронов от атомов одного элемента к атомам другого, следовательно, изменяются степени окисления элементов.

В качестве упражнений для распознавания окислительно-восстановительного процесса можно задать упражнения:

1. При фотосинтезе электроны перемещаются от одного вещества к другому. Является ли данный процесс окислительно-восстановительным?

2. В различных бытовых приборах используют аккумуляторы. К какому типу процессов относятся реакции, протекающие в аккумуляторах?

3. Подавляющее большинство животных используют кислород воздуха для окисления органических веществ. Что можно сказать об изменении степеней окисления атомов кислорода в этих процессах?

4. При сжигании ископаемого топлива в атмосферу выбрасывается огромное количество углекислого газа, оксидов серы и оксидов азота. Эти вещества растворяются в атмосферных осадках и в виде кислотных дождей выпадают на землю. Какие из описанных процессов являются окислительно-восстановительными, а какие нет?

5. Расскажите, какие процессы, протекающие в окружающем мире, являются окислительно-восстановительными?

6. Можно ли отнести дыхание животных к окислительно-восстановительному процессу?

Электроны не могут исчезать в никуда и появляться ниоткуда, т.е. число электронов, принятых в процессе восстановления, должно быть равно числу электронов, отданных, в процессе окисления. Такое равновесие называется электронным балансом. Процедура уравнения числа отданных и принятых электронов называется составление электронного баланса.

Для составления электронного баланса находят наименьшее общее кратное и коэффициент, для каждой полуреакции, представляющий собой наименьшее общее кратное на число электронов, перемещенных в данной полуреакции.

Число атомов, вступивших в реакцию, должно быть равно числу атомов, получившихся в результате реакции. Такое равновесие называется материальным балансом.

Определение степени окисления атомов в органических веществах.

Степень окисления любого атома углерода в органических веществах равна алгебраической сумме всех его связей с атомами более электроотрицательных элементов (хлор, кислород, сера, азот и др.), учитываемых со знаком «+», и связей с атомами водорода (или другого более электроположительного элемента), учитываемых со знаком «-«. При этом связи с соседними атомами углерода не учитываются.

Определим степени окисления атомов углерода в молекулах пропана и этанола:

_{+1 -3}

_{-2 +1}

_{-3 +1}

_{-3 +1}

_{-1 +1}

_{-2 +1}

_{-4 +1}

_{-2 +1 -1}

_{-4 +1 +1}

_{+4 -1}

_{-1 +1}

Н₃С-

СН₂-

СН₃;

СН₃-

СН₂-

ОН;

СН₄;

CH₃CI;

CH₃Li;

CCI₄;

C ₂ H₂

При определении степени окисления по электронной формуле допускаются полное смещение обобщенных электронов полярных связей к более электроотрицательному атому и делят поровну обобщенные электроны неполярных связей между атомами углерода. После этого сравнивают по числу электронов во внешнем слое каждый атом в соединении и нейтральный атом искомого элемента. Если число электронов в атоме элемента в соединении больше, чем в нейтральном, его степень окисления отрицательная, а его значение равно разности между числом электронов в данных атомах. В противном случае степень окисления положительная.

Составление уравнений окислительно-восстановительного реакций затрудняется содержанием нескольких атомов углерода в молекуле.

Генетическая связь между классами органических соединений представляется как ряд окислительно-восстановительных реакций, обеспечивающих переход от одного класса органических соединений к другому. Завершают его продукты полного окисления (горения) любого из представителей класса органических соединений.

При переходе от одного класса органических соединений к другому и увеличении степени разветвленного углеродного скелета молекул соединений внутри отдельного класса степень окисления атома углерода, ответственного за восстанавливающую способность соединения, изменяется. Органические вещества, в молекулах которых содержатся атомы углерода с максимальными положительными и отрицательными значениями степени окисления (-4,-3,+2,+3), вступают в реакцию полного окисления-горения, но устойчивы к действиям мягких окислителей и окислителей средней силы. Вещества, в молекулах которых содержатся атомы углерода в степени окисления -1,0,+1 окисляются легко, восстановительные способности их близки, поэтому их неполное описание может быть достигнуто за счет одного из известных окислителей малой и средней силы. Эти вещества могут проявлять двойственную природу, выступая и в качестве окислителя.

Окислители органических соединений.

К окислителям органических соединений относятся в первую очередь вещества неорганической природы:

1. По агрегатному состоянию:

-газообразные: (О₂, О₃)

-жидкие ( Ag₂O/NH₃, Cu (OH)_2, H₂O_2, KMnO₄ (раствор), KMnO₄+H₂SO_{4 (РАСТВОР),} KMnO₄+H₂SO_{4 (КОНЦ.),} H₂SO_{4 (КОНЦ.),} HNO_3, K₂Cr₂O₇ + H₂SO_{4 (КОНЦ.)}

-твердые: KMnO_4, K₂Cr₂O_7, CrO₃

II. Окислители органической природы (Pb(СH₃ COO)_4, HCOOH (надмуравьиная кислота), CH₃ COOH (надуксусная кислота), (CH₃)₂ SO.

III.-Мягкие окислители применяют для окисления органических соединении, содержащих кратные связи С=С, С=О, где степень окисления активного углерода от -1 до +1 и +1 до +3 (окисление алкенов, алкинов, альдегидов).

-Окислители средней силы работают, окисляя вторичные спирты до кетонов (степень окисления изменяется от 0 до +2), альдегиды - до карбоновых кислот (-1 до +3), алкены - до кетонов и карбоновых кислот (-1 до +2,+3).

-Жесткие окислители разрушают органические вещества со степенью окисления +4 до -2 до продуктов со степенями окисления +3,+4 и до простого вещества углерода. В этом случае процесс называется осмолением.

-Жидкие окислители чаще используют для окисления жидких органических веществ и применяют в лаборатории.

Классификация реакций окисления.

1. Горение C_nH_2n+2+O₂ при температуре равной 300-350 ⁰С протекает при высокой скорости. При нагревании происходит разрыв связей С-Н, С-С, О=О (Н.Н. Семенов).

2. Жидкофазное окисление C_nH_2n+2 C_nH_2n+1ОН, которые под действием серной кислоты превращаются в алкилсульфаты - синтетические моющие средства (температура 200 ⁰C в присутствии марганцевых катализаторов (способ А.Н. Башкирова)), при этом углеродная цепь становится у спирта меньше.

3. Твердофазное окисление (окислительная деструкция) наблюдается при старении полиолефинов под действием атмосферного кислорода.

Все три процесса - радикально-цепные, автокаталитические.

Механизм реакции окисления органических соединений.

Радикальное расщепление при температуре 300-350 ⁰С реализуется при разрыве связей С-Н, С-С. Инициирование может быть осуществлено нагреванием (горением), действием пероксида водорода, окислительных реагентов (раствор перманганата калия),  лучи:

R-R R + R

R-H R + H

Рост цепи:

R+ О₂ ROO

ROO+RH ROOH + R

RH +ROOH R+ RO+H₂O (разветвленный автокаталитический)

Пероксидный радикал- ключевой при окислении C_nH_2n+2 кислородом. В результате образуются продукты окисления: спирты, простые эфиры, сложные эфиры, угарный или углекислый газы, вода:

RCOO R + CO₂

ROO RCHO+ HO

HO +RH R+ H₂O

R + RO R-O-R

Степень окисления углерода изменяется от -4,-3 до +1,+4.

Каталитическое и хемоселективное окисление органических соединений.

Каталитическое окисление или окисление в присутствии катализаторов лишь увеличивают скорость прохождения процесса окисления, снижая энергию разрыва связей С-С, Н-Н, способствуют максимальному выходу необходимого продукта окисления (1).

Под хемоселективным окислением понимают способность ряда окислителей избирательно воздействовать на определенные функциональные группы, при этом, не затрагивая другие имеющиеся в молекуле соединения, способные к окислительно-восстановительному процессу. Для окисления альдегидов применяют азотную кислоту (25 % окисляет альдегидные и первичные спиртовые группы (2)).

Особенности природы ми строения органических соединений обуславливают специфичность протекания ряда реакций с их участием (3).

Все химические реакции сопровождаются перестройкой электронных оболочек атомов реагирующих веществ.

Реакции разложения сложных неорганических соединений на менее сложные относятся электроностатическим (4).

На характер получающихся в окислительно-восстановительной реакции веществ оказывает влияние среда. При окислении алкенов перманганатом калия в нейтральной среде, в результате разрыва пи-связи и присоединения гидроксильных групп образуются двухатомные спирты (5).

Под действием перманганата калия и серной кислоты при нагревании происходит разрыв пи- и сигма-связи и образуются карбонильные соединения.

Оба атома углерода в исходном алкане выполняют роль восстановителей и в ходе реакции окисляются. Необходимо установить, на сколько единиц изменяются степени окисления атомов углерода и марганца.

Многие спирты при контакте с кислородом окисляются до кислот:

или восстанавливаются:

Реакция Канниццаро:

4. Закрепление

Решение заданий

В схеме электронного перехода с участием органического вещества указываем число отданных и принятых атомов кислорода и водорода.