Окислительно-восстановительные реакции углеводородов регулярно встречаются в заданиях ЕГЭ по химии. Разберём закономерности протекания реакций, правила определения продуктов и алгоритмы электронного баланса. После изучения статьи у тебя получится уверенно решать цепочки превращений и писать уравнения окисления.

Где тема встречается в ЕГЭ

Материал нужен для успешного выполнения заданий в нескольких линиях экзамена:

Линия 12 — выбор реагентов для углеводородов (нужно понимать, какие классы веществ реагируют с перманганатом калия).
Линия 14 — определение органических и неорганических продуктов реакции в зависимости от среды.
Линия 16 — цепочки превращений, где окисление участвует как одно из звеньев перехода.
Линия 32 — сложные окислительно-восстановительные уравнения, требующие расстановки коэффициентов методом электронного баланса.
Линия 33 — установление структурной формулы неизвестного вещества по продуктам его жёсткого окисления.

Теоретическая основа окисления

Любая окислительно-восстановительная реакция протекает с изменением степеней окисления атомов.[i]

В органических веществах всё внимание направлено на атомы углерода.

Как определять степень окисления углерода

Электроотрицательность водорода меньше электроотрицательности углерода, поэтому водород отдаёт электрон (заряд водорода всегда +1). Электроотрицательность кислорода выше, он забирает электроны (заряд кислорода −2).[i]

Примеры блоков:

В группе $- C H_{3}$ углерод имеет степень окисления −3 (три атома водорода дают в сумме +3).
В группе $- C H_{2} -$ углерод имеет степень окисления −2.
В группе $= C H -$ углерод имеет степень окисления −1.
В молекуле $C O_{2}$ углерод находится в высшей степени окисления +4.

Поведение типичных неорганических окислителей

Главными реагентами для окисления органики выступают перманганат калия ( $K M n O_{4}$ ) и дихромат калия ( $K_{2} C r_{2} O_{7}$ ). Нужно чётко помнить, как первоначальный цвет и состав растворов меняются в зависимости от среды протекания реакции.

Продукты восстановления перманганата калия:

В кислой среде (обычно используется $H_{2} S O_{4}$ ) образуются бесцветные соли марганца(II) ( $M n S O_{4}$ в сернокислой среде). Фиолетовый раствор обесцвечивается.
В нейтральной среде ( $H_{2} O$ ) марганец переходит в степень окисления +4. Образуется бурый осадок $M n O_{2}$ .
В щелочной среде (обычно $K O H$ ) образуются манганаты зелёного цвета со степенью окисления марганца +6 — $K_{2} M n O_{4}$ .
[i]

Подготовка к экзаменам в 100балльном репетиторе

Реакции горения углеводородов

При избытке кислорода абсолютно любой углеводород полностью сгорает с образованием углекислого газа и воды.[i]

Атомы углерода переходят из отрицательных или нулевых степеней окисления в максимальную +4.

Общая формула горения углеводородов записывается так:

C_{x} H_{y} + (x + y / 4) O_{2} \to x C O_{2} + (y / 2) H_{2} O

Примеры горения представителей разных классов:

Метан: $C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$ .
Этен: $C_{2} H_{4} + 3 O_{2} \to 2 C O_{2} + 2 H_{2} O$ .
Ацетилен: $2 C_{2} H_{2} + 5 O_{2} \to 4 C O_{2} + 2 H_{2} O$ .
Бензол: $2 C_{6} H_{6} + 15 O_{2} \to 12 C O_{2} + 6 H_{2} O$ .

Окисление алкенов

Алкены содержат двойную связь. Именно она подвергается атаке окислителей. Выделяют мягкое и жёсткое окисление.

Мягкое окисление

Реакция Вагнера протекает при действии водного раствора перманганата калия при температуре 0 °C (на холоде). Двойная связь разрывается частично — рвётся только пи-связь.[i]

К освободившимся валентностям присоединяются гидроксильные группы. Реакция является качественной на кратную связь: фиолетовая окраска раствора исчезает и выпадает бурый осадок диоксида марганца.

Основной продукт: алкен превращается в двухатомный спирт (гликоль).

Этен:
$3 C H_{2} = C H_{2} + 2 K M n O_{4} + 4 H_{2} O \to 3 C H_{2} (O H) - C H_{2} (O H) + 2 M n O_{2} + 2 K O H$ .
Пропен:
$3 C H_{2} = C H - C H_{3} + 2 K M n O_{4} + 4 H_{2} O \to 3 C H_{2} (O H) - C H (O H) - C H_{3} + 2 M n O_{2} + 2 K O H$ .
Бутен-2:
$3 C H_{3} - C H = C H - C H_{3} + 2 K M n O_{4} + 4 H_{2} O \to 3 C H_{3} - C H (O H) - C H (O H) - C H_{3} + 2 M n O_{2} + 2 K O H$ .

Жёсткое окисление

Происходит при нагревании в присутствии сильных кислот или щелочей. Двойная связь рвётся полностью, молекула распадается на две части. Каждая часть окисляется до максимально возможного состояния.

Уравнения в кислой среде:

Симметричный алкен (бутен-2) даёт две молекулы уксусной кислоты:
$5 C H_{3} - C H = C H - C H_{3} + 8 K M n O_{4} + 12 H_{2} S O_{4} \to 10 C H_{3} C O O H + 8 M n S O_{4} + 4 K_{2} S O_{4} + 12 H_{2} O$ .
Терминальный алкен (пропен) даёт уксусную кислоту и углекислый газ:
$C H_{2} = C H - C H_{3} + 2 K M n O_{4} + 3 H_{2} S O_{4} \to C H_{3} C O O H + C O_{2} + 2 M n S O_{4} + K_{2} S O_{4} + 4 H_{2} O$ .
Разветвлённый алкен (2-метилбутен-2) даёт кетон и органическую кислоту:
$5 C H_{3} - C (C H_{3}) = C H - C H_{3} + 6 K M n O_{4} + 9 H_{2} S O_{4} \to 5 C H_{3} - C O - C H_{3} + 5 C H_{3} C O O H + 6 M n S O_{4} + 3 K_{2} S O_{4} + 9 H_{2} O$ .

Жёсткое окисление в щелочной и нейтральной среде

В щелочной среде карбоновые кислоты и углекислый газ немедленно реагируют со щёлочью. Вместо карбоновых кислот пишутся их соли (например, ацетат калия $C H_{3} C O O K$ ), а вместо $C O_{2}$ — карбонат калия ( $K_{2} C O_{3}$ ).

Уравнение для пропена в щелочной среде:

C H_{2} = C H - C H_{3} + 10 K M n O_{4} + 13 K O H \to C H_{3} C O O K + K_{2} C O_{3} + 10 K_{2} M n O_{4} + 8 H_{2} O

При нагревании в нейтральной среде идёт также жёсткое окисление. В результате взаимодействия получается щёлочь, которая мгновенно прореагирует с образующимися в результате окисления карбоновыми кислотами и углекислым газом с образованием соответствующих солей.

3 C H_{2} = C H - C H_{3} + 10 K M n O_{4} \overset{t}{\to} 3 C H_{3} C O O K + 3 K_{2} C O_{3} + 10 M n O_{2} + K O H + 4 H_{2} O

Окисление алкинов

Жёсткое окисление алкинов

Алгоритм аналогичен алкенам. При нагревании в подкисленном растворе перманганата калия тройная связь разрывается полностью.

Симметричный алкин (бутин-2) образует кислоту:

5 C H_{3} - C \equiv C - C H_{3} + 6 K M n O_{4} + 9 H_{2} S O_{4} \to 10 C H_{3} C O O H + 6 M n S O_{4} + 3 K_{2} S O_{4} + 4 H_{2} O

Терминальный алкин (пропин) распадается на карбоновую кислоту и углекислый газ:

5 C H_{3} - C \equiv C H + 8 K M n O_{4} + 12 H_{2} S O_{4} \to 5 C H_{3} C O O H + 5 C O_{2} + 8 M n S O_{4} + 4 K_{2} S O_{4} + 12 H_{2} O

Мягкое окисление ацетилена

Ацетилен пропускают через водный раствор перманганата калия. Тройная связь превращается в две присоединённые карбоксильные группы. В ходе реакции образуется щёлочь ( $K O H$ ), поэтому продуктом становится не щавелевая кислота, а её соль — оксалат калия.

3 C H \equiv C H + 8 K M n O_{4} \to 3 K O O C - C O O K + 8 M n O_{2} + 2 K O H + 2 H_{2} O

Окисление диенов

Диены имеют две двойные связи. Участков разрыва или присоединения становится больше, но химическая логика сохраняется.

Мягкое окисление

Для бутадиена-1,3 водный перманганат калия раскрывает две двойные связи. Формируется четырехатомный спирт (эритрит).

3 C H_{2} = C H - C H = C H_{2} + 4 K M n O_{4} + 8 H_{2} O \to 3 C H_{2} (O H) - C H (O H) - C H (O H) - C H_{2} (O H) + 4 M n O_{2} + 4 K O H

Жёсткое окисление в кислой среде

Происходит разрыв по двум кратным связям. Бутадиен-1,3 распадается на три фрагмента: два крайних углерода переходят в углекислый газ, а два центральных формируют щавелевую кислоту. При длительном кипячении в подкисленном растворе перманганата щавелевая кислота окислится в углекислый газ.

Окисление гомологов бензола

Бензольное кольцо устойчиво. Раствор перманганата калия в присутствии бензола не обесцвечивается. Это используют как способ отличить бензол от алкенов или алкинов. Гомологи бензола (толуол, этилбензол) вступают в окисление при нагревании.

Уравнения в кислой среде

Толуол. Метильная группа становится карбоксильной.

5 C_{6} H_{5} C H_{3} + 6 K M n O_{4} + 9 H_{2} S O_{4} \to 5 C_{6} H_{5} C O O H + 6 M n S O_{4} + 3 K_{2} S O_{4} + 14 H_{2} O

Этилбензол. Альфа-углерод даёт бензойную кислоту, а отщеплённый радикал $- C H_{3}$ переходит в углекислый газ.

5 C_{6} H_{5} C H_{2} C H_{3} + 12 K M n O_{4} + 18 H_{2} S O_{4} \to 5 C_{6} H_{5} C O O H + 5 C O_{2} + 12 M n S O_{4} + 6 K_{2} S O_{4} + 28 H_{2} O

Изопропилбензол (кумол). Два метильных радикала отрываются и переходят в углекислый газ, альфа-углерод формирует бензойную кислоту.

5 C_{6} H_{5} C H (C H_{3})_{2} + 18 K M n O_{4} + 27 H_{2} S O_{4} \to 5 C_{6} H_{5} C O O H + 10 C O_{2} + 18 M n S O_{4} + 9 K_{2} S O_{4} + 42 H_{2} O

Окисление аренов в щелочной и нейтральной среде

Гомологи бензола окисляются водным перманганатом калия только при сильном нагревании.[i]

В этих условиях также выделяется побочная щёлочь. Вместо бензойной кислоты получается её соль — бензоат калия ( $C_{6} H_{5} C O O K$ ).

Обобщающая схема жёсткого разрыва углеродной цепи

Фрагмент молекулы	Продукт в кислой среде	Продукт в нейтральной и щелочной среде
Концевой $= C H_{2}$	Углекислый газ ( $C O_{2}$ )	Карбонат ( $K_{2} C O_{3}$ )
Внутренний $= C H - R$	Карбоновая кислота ( $R - C O O H$ )	Соль карбоновой кислоты ( $R - C O O K$ )
Разветвлённый $= C (R_{1}) (R_{2})$	Кетон ( $R_{1} - C O - R_{2}$ )	Кетон ( $R_{1} - C O - R_{2}$ ) — соль не образуется
Углерод тройной связи $\equiv C H$	Углекислый газ ( $C O_{2}$ )	Карбонат ( $K_{2} C O_{3}$ )
Боковая цепь арена $- C H_{3}$ ( $α$ -атом углерода)	Бензойная кислота	Бензоат ( $C_{6} H_{5} C O O K$ )

Типичные ошибки

Ошибки на экзамене часто возникают из-за путаницы в правилах или невнимательности к среде протекания реакции.

Запись угольной кислоты в продуктах окисления

При окислении концевого фрагмента углекислота мгновенно распадается на углекислый газ и воду. В правой части уравнения нужно писать $C O_{2}$ и $H_{2} O$ .

Написание свободной кислоты при мягком окислении ацетилена

Мягкое окисление ацетилена в нейтральной среде протекает до образования соли щавелевой кислоты (оксалата калия), так как выделяющийся $K O H$ нейтрализует образующуюся кислоту.

Разрыв бензольного кольца

Бензольное кольцо стабильно и устойчиво к водному перманганату. Окислению подлежит исключительно боковая углеводородная цепь.

Забытые соли в нейтральной среде при нагревании

При нагревании аренов в водном растворе $K M n O_{4}$ появляется гидроксид калия. Писать бензойную кислоту в продуктах — ошибка. Ответом будет бензоат калия.

Разбор заданий

Рассмотрим задания из базы ЕГЭ.

Пример № 1

Из предложенного перечня выберите все вещества, которые реагируют с подкисленным раствором перманганата калия:
Пентин.
Бензол.
Циклопропан.
Толуол.
Бутан.
[i]

Окислению перманганатом подвергаются соединения с кратными связями (алкены, алкины, диены) и гомологи бензола.[i]

Пентин — алкин. Содержит тройную связь, которая будет разрываться окислителем.
Бензол устойчив к данным условиям среды.
Циклопропан — циклоалкан, для которого характерны реакции присоединения, но не окисления водными растворами.
Толуол — гомолог бензола. Альфа-углерод боковой цепи реагирует с раствором, обесцвечивая его при нагревании.
Бутан — алкан. Способен реагировать с кислородом при горении, но не с перманганатом.

Ответ: 14.

Пример № 2

Задана следующая схема превращений веществ:
Толуол $\overset{X}{\to}$ Бензойная кислота $\overset{Y}{\to}$ Метилбензоат.
Определите вещества $X$ и $Y$ .
Варианты ответа:
$K M n O_{4}, H^{+}$ .
$O_{3}$ .
$H C O O H$ .
$C H_{3} O H$ .
$C H_{2} = C H_{2}$ .
[i]

При переходе из углеводорода в карбоновую кислоту боковая метильная группа толуола должна вступить в реакцию жёсткого окисления.
Потребуется сильный окислитель в кислой среде. Из предложенных вариантов под это описание подходит подкисленный раствор перманганата калия. Вещество $X$ — 1.
Второй переход представляет собой этерификацию. Бензойная кислота переходит в метиловый эфир. Для реакции обязательно потребуется спирт (метанол), где гидроксильная группа замещается на метоксигруппу. Вещество $Y$ — 4.

Ответ: 14.

Пример № 3

Напишите уравнение реакции жёсткого окисления этилбензола дихроматом калия в присутствии серной кислоты. Составьте баланс.

Определяем продукты реакции. У этилбензола ( $C_{6} H_{5} - C H_{2} - C H_{3}$ ) боковая цепь состоит из двух атомов. Альфа-углерод $- C H_{2} -$ находится в степени окисления −2 и перейдёт в карбоксильную группу со степенью +3. Разрываемый концевой фрагмент $- C H_{3}$ со степенью −3 окислится до $C O_{2}$ со степенью +4.
Дихромат калия ( $K_{2} C r_{2} O_{7}$ ) в кислой среде перейдёт в сульфат хрома(III) ( $C r_{2} (S O_{4})_{3}$ ), сульфат калия и воду.
Углерод отдаёт электроны:
$C^{- 2} - 5 \bar{e} \to C^{+ 3}$
$C^{- 3} - 7 \bar{e} \to C^{+ 4}$
Общая отдача восстановителя составляет 12 электронов.
Хром принимает электроны (учитываем индекс 2 перед хромом):
$2 C r^{+ 6} + 6 \bar{e} \to 2 C r^{+ 3}$
Наименьшее общее кратное для 12 и 6 равно 12. Значит, перед органическими молекулами ставим коэффициент 1, а перед дихроматом — 2.
Расставляем кислотные остатки, после чего уравниваем количество воды в правой части.

Ответ:
$C_{6} H_{5} C H_{2} C H_{3} + 2 K_{2} C r_{2} O_{7} + 8 H_{2} S O_{4} \to C_{6} H_{5} C O O H + C O_{2} + 2 C r_{2} (S O_{4})_{3} + 2 K_{2} S O_{4} + 10 H_{2} O$

Заключение

Владение классификацией реакций, понимание метода составления электронного баланса и учёт свойств среды — главное условие для прохождения этой темы. Теперь ты умеешь определять продукты мягкого и жёсткого окисления углеводородов и сможешь легко избежать ловушек неорганического побочного продукта в заданиях ЕГЭ. Для закрепления материала советуем решить 10–15 развёрнутых цепочек и реакций из «100балльного банка» экзаменационных заданий по химии.

Окислительно-восстановительные реакции с участием углеводородов в ЕГЭ по химии

Где тема встречается в ЕГЭ

Теоретическая основа окисления

Как определять степень окисления углерода

Поведение типичных неорганических окислителей

Реакции горения углеводородов

Окисление алкенов

Мягкое окисление

Жёсткое окисление

Жёсткое окисление в щелочной и нейтральной среде

Окисление алкинов

Жёсткое окисление алкинов

Мягкое окисление ацетилена

Окисление диенов

Мягкое окисление

Жёсткое окисление в кислой среде

Окисление гомологов бензола

Окисление аренов в щелочной и нейтральной среде

Обобщающая схема жёсткого разрыва углеродной цепи

Типичные ошибки

Разбор заданий

Пример № 1

Пример № 2

Пример № 3

Заключение

Циклоалканы и алкадиены: химические свойства, получение и пошаговый алгоритм решения заданий ЕГЭ

Алкины: свойства, способы получения и разбор задач ЕГЭ

Одноатомные спирты: свойства, получение и решение задач ЕГЭ

Фенол: химические свойства, получение и типичные задачи ЕГЭ

Углерод и кремний: химические свойства, соединения и пошаговые примеры с решениями для ЕГЭ

Альдегиды и кетоны: свойства, способы получения и разбор заданий из ЕГЭ по химии

Где тема встречается в ЕГЭ

Теоретическая основа окисления

Как определять степень окисления углерода

Поведение типичных неорганических окислителей

Реакции горения углеводородов

Окисление алкенов

Мягкое окисление

Жёсткое окисление

Жёсткое окисление в щелочной и нейтральной среде

Окисление алкинов

Жёсткое окисление алкинов

Мягкое окисление ацетилена

Окисление диенов

Мягкое окисление

Жёсткое окисление в кислой среде

Окисление гомологов бензола

Окисление аренов в щелочной и нейтральной среде

Обобщающая схема жёсткого разрыва углеродной цепи

Типичные ошибки

Разбор заданий

Пример № 1

Пример № 2

Пример № 3

Заключение

Похожие статьи

Циклоалканы и алкадиены: химические свойства, получение и пошаговый алгоритм решения заданий ЕГЭ

Алкины: свойства, способы получения и разбор задач ЕГЭ

Одноатомные спирты: свойства, получение и решение задач ЕГЭ

Фенол: химические свойства, получение и типичные задачи ЕГЭ

Углерод и кремний: химические свойства, соединения и пошаговые примеры с решениями для ЕГЭ

Альдегиды и кетоны: свойства, способы получения и разбор заданий из ЕГЭ по химии

С нами ты получишь высокие баллы на ЕГЭ и ОГЭ

Мы знаем, как забрать максимум на экзамене

Сложно готовиться самостоятельно? Мы поможем!

Химфак с Катей Строгановой | ЕГЭ-2027

Сложно готовиться самостоятельно?
Мы поможем!