Разработка урока по теме "Окислительно- восстановительные реакции с участием органических веществ"
методическая разработка (химия, 11 класс) по теме

Автор: учитель химии высшей квалификационной категории, Бабкина Людмила Никитична, стаж педагогической деятельности 15 лет

МОУ «Киришская средняя общеобразовательная школа № 8» г. Кириши Ленинградской области

Предмет химия

Методическая разработка занятия факультатива  с использованием цифровых образовательных ресурсов.

Данная тема рассматривается в рамках факультативного курса при подготовке учащихся к сдаче ЕГЭ в 11 классе.

Тема занятия  «Окислительно – восстановительные реакции с участием органических соединений».

«Радость видеть и понимать есть самый великий дар природы» (А.Эйнштейн).

Место занятия в теме:

Данное занятие является четвертым в теме «Окислительно- восстановительные реакции», на предшествующих занятиях рассмотрены:

•  основные понятия теории окислительно- восстановительных реакций

            определение степеней окисления атомов в органических соединениях, составление      

   уравнений реакций  методом электронного баланса

•  метод электронно- ионного баланса для составления уравнений окислительно-восстановительных реакций в органической химии
• Основные окислители и восстановители, применяемые в органической химии

Цели занятия:

• - Находить зависимость окислительно-восстановительной способности органического вещества от его строения;
• - Предсказывать условия проведения реакции и ожидаемые продукты окисления (на примере окисления алкенов)  
• - Составление уравнений окислительно- восстановительных реакций методом электронно- ионного баланса (на примере окисления алкенов)

 Этапы работы:

1. Актуализация знаний

Окислительно-восстановительные процессы издавна интересовали химиков и даже алхимиков. Среди химических реакций, происходящих в природе, быту и технике, огромное множество составляют окислительно-восстановительные: сгорание топлива, окисление питательных веществ, тканевое дыхание, фотосинтез, порча пищевых продуктов и т.д. В таких реакциях могут участвовать как неорганические вещества, так и органические. Однако, если в школьном курсе неорганической химии разделы, посвященные окислительно-восстановительным реакциям, занимают значительное место, то в курсе органической химии на этот вопрос обращено недостаточно внимания.

Особое внимание учащихся следует обратить на поведение окислителя - перманганата калия КМnО4 в различных средах. Это связано с тем, что окислительно-восстановительные реакции в КИМах встречаются не только в заданиях С1 и С2. В заданиях СЗ, представляющих цепочку превращений органических веществ нередки уравнения окисления-восстановления. В школе часто окислитель записывают над стрелкой как [О]. Требованием к выполнению таких заданий на ЕГЭ является обязательное обозначение всех исходных веществ и продуктов реакции с расстановкой необходимых коэффициентов.

Окислительно-восстановительные реакции органических веществ – важнейшее свойство, объединяющее эти вещества. Склонность органических соединений к окислению связывают с наличием кратных связей, функциональных групп, атомов водорода при атоме углерода, содержащем функциональную группу.

 Последовательное окисление органических веществ можно представить в виде следующей цепочки превращений:

Насыщенный углеводород.→  Ненасыщенный углеводород → Спирт→ Альдегид (кетон) →   Карбоновая кислота →CO2 ↑ + H2O.

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

2. Установление зависимости окислительно-восстановительной способности органического вещества от его строения:

Объяснение нового материала происходит в форме беседы  с использованием электронной презентации, при этом отрабатываются навыки составления уравнений окислительно – восстановительных процессов методом электронно - ионного баланса.

С помощью мультимедийного проектора демонстрируются видеоопыты:

• Окисление этанола оксидом меди (II) при нагревании
• Окисление этилена водным раствором перманганата калия
• Горение этилена

Повышенная склонность органических соединений к окислению обусловлена наличием в молекуле веществ:

• кратных связей (именно поэтому так легко окисляются алкены, алкины, алкадиены);
• определенных функциональных групп, способных легко окисляться ( –-SH, –OH (фенольной и спиртовой), - NH2 ;
• активированных алкильных групп, расположенных по соседству с кратными связями. Например, пропен может быть окислен до непредельного альдегида акролеина  кислородом воздуха в присутствии водяных паров на висмут- молибденовых катализаторах.

                           H2C═CH−CH3  →   H2C═CH−COH

А также окисление толуола до бензойной кислоты перманганатом калия в кислой среде.

            5C6H5CH3 +6KMnO4 + 9H2SO4  → 5C6H5COOH + 3K2SO4 + 6MnSO4 +14H2O

• наличие атомов водорода при атоме углерода, содержащем функциональную группу.

Сравним первичные, вторичные и третичные спирты по реакционной способности к окислению:

Первичные и вторичные спирты, имеющие атомы водорода при атоме углерода, несущем функциональную группу; окисляются легко:

первые – до альдегидов, вторые до кетонов. При этом структура углеродного скелета исходного спирта сохраняется.

                                    CH3−CH2−OH  +  CuO → CH3−COH + Cu + H2O

                                    CH3−CH(ОН)− CH3 + CuO → CH3−COCH3 + Cu + H2O                                                

Третичные спирты, в молекулах которых нет атома водорода при атоме углерода, содержащем группу  ОН, в обычных условиях не окисляются. В жестких условиях (при действии сильных окислителей и при высоких температурах) они могут быть  окислены  до смеси низкомолекулярных карбоновых кислот, т.е. происходит деструкция углеродного скелета.

Несмотря на то, что в ходе любых окислительно-восстановительных реакций происходит как окисление, так и восстановление, реакции  классифицируют в зависимости от того,  что происходит непосредственно с органическим соединением (если оно окисляется, говорят о процессе окисления, если восстанавливается – о процессе восстановления).

Так, в реакции этилена с перманганатом калия этилен будет окисляться, а перманганат калия – восстанавливается. Реакцию называют окислением этилена.

 Для составления уравнений окислительно- восстановительных реакций используют как метод электронного баланса, так и метод полуреакций (электронно -  ионный метод).

Для органической химии важна не степень окисления атома, а смещение электронной плотности, в результате которого на атомах появляются частичные заряды, никак не согласующиеся со значениями степеней окисления.

Преимущества метода полуреакций:

• Рассматриваются реально существующие ионы и вещества  
• Не нужно знать все получающиеся вещества, они появляются при его выводе.
• При использовании этого метода нет необходимости  определять степени окисления  атомов отдельных элементов, что особенно важно в случае ОВР, протекающих с участием органических соединений, для которых подчас очень сложно сделать это.
• Этот метод дает не только сведения о числе электронов, участвующих в каждой полуреакции, но и о том, как изменяется среда.
• Сокращенные ионные уравнения лучше передают смысл протекающих процессов и позволяют делать определенные предположения о строении продуктов реакции.

 Рассмотрим несколько примеров окислительно- восстановительных реакций с участием непредельных углеводородов этиленового ряда:

3. Строение продуктов окисления алкенов зависит от условий проведения реакции и природы окислителя.

На данном этапе урока отрабатываются у доски навыки составления учащимися уравнений реакций методом полуреакций:

1.  Мягкое окисление алкенов водным раствором перманганата калия на холоде приводит к образованию двухатомных спиртов (реакция Е.Е.Вагнера):

CH2=CH2 + KMnO4 + H2O →

C2H4 + 2 H2O – 2e → C2H6O2 +2H+           3

MnO4- + 2H2O + 3e → MnO2 + 4 OH-        2

3 C2H4 + 6 H2O + 2 MnO4- + 4 H2O →  3 C2H6O2 +6 H+ +2 MnO2 + 8 OH-

3 C2H4 + 4 H2O + 2MnO4-  → 3 C2H6O2 +2 MnO2 + 2OH-

Составим молекулярное уравнение:

В ходе этой реакции происходит обесцвечивание фиолетовой окраски водного раствора KMnO4. Поэтому она используется как качественная реакция на алкены

2.    При жестком окислении алкенов кипящим раствором KMnO4 в кислой среде происходит полный разрыв двойной связи:

C4H8 +  К MnO4+ H2SO4 →

Составим уравнение реакции:

C4H8 + 4H2O – 8е → 2C2H4O2 + 8H+          5

MnO4- + 8 H+  + 5e → Mn2+ + 4  H2O          8

5C4H8 + 20 H2O + 8 MnO4- +64 H+ → 10 C2H4O2 + 8 Mn2+ + 32 H2O + 40 Н+     

 5C4H8 + 8 MnO4- +24 H+ → 10 C2H4O2 + 8 Mn2+ + 12 H2O

Составим молекулярное уравнение:

5C4H8 + 8 К MnO4 +12 H2SO4 → 10 C2H4O2 + 8 Mn SO4 + 4 K2SO4 + 12 H2O

3. Промышленное значение имеет частичное окисление алкенов с образованием циклических оксидов, которые широко используются в органическом синтезе:

2 CH2 ═CH2  + O2  →  2   H2С−CH2

           ‌‌                              └O┘

Оксид этилена используют в промышленности для получения эпоксидных смол, СМС, лаков, пластмасс, синтетических каучуков и волокон.

‌‌4. Очень важным промышленным процессом является каталитическое окисление алкенов. При использовании в качестве катализатора влажной смеси двух солей – хлорида палладия и хлорида меди (II)получают ацетальдегид (Вакер- процесс),это лучший настоящее время процесс получения уксусного альдегида в промышленности:

                                     2 CH2 ═CH2 + O2 → 2CH3−COH

5. Полное окисление (горение):

                                     C2H4 + 3 O2 →2 CO2 ↑+ 2 H2O + Q

Задания для закрепления материала:

• Составьте уравнение окисления пропена раствором перманганата калия в кислой среде:

Решение:

Окисление  пропена сильным окислителем - перманганатом калия в кислой среде - приводит к полному разрыву двойной связи и образованию углекислого газа и уксусной кислоты.

СН2=СН-СН3 + КMnO4 + H2SO4 →

C3H6 + 4 H2O –10 е → C2H4O2 + CO2 ↑ +10 H+        1

MnO4- + 8 H+  + 5e → Mn2+ + 4  H2O                         2

C3H6 + 4 H2O + 2 MnO4- +16 H+  → C2H4O2 + CO2 ↑ +10 H+  +   2 Mn2+ + 8 H2O  

C3H6 +  2 MnO4- +6 H+  → C2H4O2 + CO2 ↑ +  2 Mn2+ + 4 H2O  

Составим молекулярное уравнение:

СН2=СН-СН3 + 2КMnO4 + 3H2SO4 → CH3COOH + CO2 ↑ + K2SO4 + 2 MnSO4 +  4H2O  

• Составьте уравнения окисления стирола (винилбензола) раствором перманганата калия в кислой и нейтральной среде:

Решение:  

C6H5−CH═CH2 + KMnO4 + 4H2O →

C8H8 + 2 H2O – 8е → C8H10O2 + 2H+         3      

MnO4- + 2 H2O + 3e → MnO2 + 4 OH-         2

3 C8H8 + 6 H2O + 2 MnO4- + 4H2O → 3 C8H10O2 + 6 H+  + 2 MnO2 + 8 OH-     

 3 C8H8 + 4 H2O + 2 MnO4- → 3 C8H10O2  + 2 MnO2 + 2 OH- 

Составим молекулярное уравнение:  

3 C6H5−CH═CH2 + 2 KMnO4 + 4H2O → 3 C6H5−CH−CH2 + 2 MnO2 + 2 KOH

                                                                             ‌ı        ‌ı

 ‌                                                                           OH   OH

Следует обратить внимание на то, что при мягком окислении стирола перманганатом калия КMnO4 в нейтральной или слабощелочной среде происходит разрыв π -связи ,образуется гликоль (двухатомный спирт). В результате реакции окрашенный раствор перманганата калия быстро обесцвечивается и выпадает коричневый осадок оксида марганца (IV).

 Окисление же сильным окислителем - перманганатом калия в кислой среде - приводит к полному разрыву двойной связи и образованию углекислого газа и бензойной кислоты, раствор при этом обесцвечивается.

C6H5−CH═CH2 + KMnO4 + H2SO4    →

C8H8 + 4 H2O –10е → C7H6O2 + СО2 + 10 H+         1

MnO4- + 8 H+  + 5e → Mn2+ + 4  H2O                       2

C8H8 + 4 H2O  +  2 MnO4- +16 H+ → C7H6O2 + СО2 + 10 H+  +  2 Mn2+ + 8 H2O

  C8H8 +  2 MnO4- + 6 H+ → C7H6O2 + СО2 +  2 Mn2+ + 4 H2O

Составим молекулярное уравнение:

C6H5−CH═CH2 + 2 KMnO4 + 3 H2SO4  → C6H5−COOH + CO2 ↑ +  K2SO4 + 2 MnSO4 +4 H2O

• Составьте уравнение окисления  2-метилбутена-2  перманганатом калия в кислой среде:

Решение:

Если в молекуле алкена атом углерода при двойной связи содержит углеводородный заместитель (например, 2-метилбутен-2), то при его окислении происходит  полный разрыв двойной связи  и образование кетона и карбоновой кислоты:

(СН3)2С=СН-СН3 + КМnО4 + Н2SО4→

C5H10 + 3 H2O –6 е → C3H6O + С2Н4О2 + 6 H+        5

MnO4- + 8 H+  + 5e → Mn2+ + 4  H2O                        6

5C5H10 +15 H2O + 6 MnO4- + 48 H+ → 5C3H6O + 5С2Н4О2 + 30 H+ + 6 Mn2+ + 24 H2O

  5C5H10 + 6 MnO4- + 18 H+ → 5C3H6O + 5С2Н4О2 +  6 Mn2+ + 9 H2O

Составим молекулярное уравнение:

5 (СН3)2С=СН-СН3+6 КМnО4+9 Н2SО4→ 5(СН3)2С=О +5 СН3СООН + 6 МnSО4 +З К2SО4+ 9 Н2О

Задания для самостоятельной работы: 

Составьте уравнения окислительно -  восстановительных процессов методом полуреакций:

Пример 1

С6Н5-С2Н5 + KMnO4 + H2SO4 →

Пример 2

CH3-CH=CH-CH3 + KMnO4 + H2O →

Пример 3

CH3-CH=CH-CH3 + KMnO4 + H2SO4 →

Список литературы

• «Органическая химия», задачи и практические работы/ А.А. Карцова, А.Н. Левкин

 «Авалон»,  «Азбука классика»,  С-Петербург, 2005г.

• «Школьная химия»  А.А. Карцова, А.Н. Левкин Изд. «Авалон»,  «Азбука классика»,

С-Петербург, 2006г.

• «Химия 10 класс» /О.С.Габриелян, Ф.Н.Маскаев, С.Ю.Пономарев, В.И.Теренин

«Дрофа» 2003г.

• ЕГЭ- 2010: Химия: Самые новые реальные задания/ А.С.Корощенко, М.Г.Снастина.-«Астрель»,2010г. (Федеральный институт педагогических измерений)

• Отличник ЕГЭ. Химия. Решение сложных задач под ред. Кавериной А.А «Интеллект-Центр»  2010г. (Федеральный институт педагогических измерений)

• Химия. Подготовка к ЕГЭ. Тематические тесты. Базовый и повышенный  уровни Доронькин В.Н. и др 2010г. (Федеральный институт педагогических измерений)

• материалы сайтов:

http://www.fipi.ru- сайт федерального института педагогических измерений

http://ege.edu.ru- портал информационной поддержки ЕГЭ

http://edu.ru-сайт Федерального портала Российского образования

http://school-collection.edu.ru –сайт единой коллекции цифровых образовательных   ресурсов

http://www.e-ypok.ru –образовательный сайт «Учимся вместе»

http://ege.spb.ru – Единый Государственный Экзамен в Санк- Петербурге