25.17: Реакції окислення

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 25.16: Реакції на додавання
- 25.18: Реакції конденсації

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Бензойна кислота широко використовується як харчовий консервант, або як карбонова кислота, або як сіль бензоату натрію. Ця сполука найбільш ефективна при додаванні в кислі продукти, такі як фруктові соки та безалкогольні напої. Основним промисловим джерелом бензойної кислоти є часткове окислення толуолу киснем. Процес недорогий і екологічно безпечний.

Реакції окислення

Окислення можна визначити як додавання кисню до молекули, або видалення водню з молекули. Коли алкан нагрівається в присутності відповідного каталізатора, він може окислюватися до відповідного алкену в реакції, яка називається реакцією дегідрування. У процесі видаляються два атома водню. Алкен може бути додатково окислений до алкіну шляхом видалення ще двох атомів водню:

$\text{oxidation:} \: \: \ce{CH_3CH_3} \overset{\ce{-H_2}}{\rightarrow} \ce{CH_2=CH_2} \overset{\ce{-H_2}}{\rightarrow} \ce{CH \equiv CH}\nonumber$

Реакції оборотні, і тому алкін може бути зведений спочатку до алкену, а потім до алкану:

$\text{reduction:} \: \: \ce{CH \equiv CH} \overset{\ce{_H_2}}{\rightarrow} \ce{CH_2=CH_2} \overset{\ce{+H_2}}{\rightarrow} \ce{CH_3CH_3}\nonumber$

Алкан є найбільш відновленою формою вуглеводню, тоді як алкін - найбільш окислена форма.

Реакції окислення в органічній хімії часто передбачають додавання кисню до з'єднання, яке змінює певну функціональну групу цієї сполуки. Наступна послідовність показує, як метан може окислюватися спочатку до метанолу, потім до метаналу, потім до метанової кислоти і, нарешті, до вуглекислого газу.

$\begin{array}{ccccccccc} \ce{CH_4} & \overset{\text{gain of oxygen}}{\longrightarrow} & \ce{CH_3OH} & \overset{\text{loss of hydrogen}}{\longrightarrow} & \ce{CH_2O} & \overset{\text{gain of oxygen}}{\longrightarrow} & \ce{HCOOH} & \overset{\text{loss of hydrogen}}{\longrightarrow} & \ce{CO_2} \\ \text{methane} & & \text{methanol} & & \text{methanal} & & \text{methanoic acid} & & \text{carbon dioxide} \end{array}\nonumber$

Кожен етап процесу - це або посилення кисню, або втрата водню. Кожен крок також вивільняє енергію, що пояснює, чому повне згоряння алканів до вуглекислого газу є вкрай екзотермічною реакцією.

Окислення спирту може виробляти або альдегід, або кетон. Етанол може окислюватися в лабораторії за допомогою процесу нагрівання в поєднанні з додаванням окислювача, такого як іон дихромату, який каталізує реакцію в кислому розчині. Реакція виробляє альдегід етанал (ацетальдегід).

$\ce{CH_3CH_2OH} \underset{\ce{H^+}}{\overset{\ce{Cr_2O_7^{2-}}}{\rightarrow}} \ce{CH_3CHO}\nonumber$

Окислення етанолу може дати ацетальдегід

Коли спирт, що підлягає окисленню, є вторинним спиртом, продуктом окислення є кетон, а не альдегід. При окисленні найпростішого вторинного спирту, 2-пропанолу, виходить пропанон.

$\ce{CH_3CHOCH_3} \underset{\ce{H^+}}{\overset{\ce{Cr_2O_7^{2-}}}{\rightarrow}} \ce{CH_3COCH_3}\nonumber$

Окислення 2-пропанолу дає ацетон (пропанон)

Третинні спирти таким чином не можна окислювати, оскільки вуглець, до якого приєднана гідроксильна група, не має іншого атома водню, приєднаного до нього.

Коли первинний спирт окислюється до альдегіду, реакцію важко зупинити, оскільки альдегід легко окислюється далі до відповідної карбонової кислоти. Окислення етанолу виробляє етановую (оцтову) кислоту.

$\ce{CH_3CHO} \underset{\ce{H^+}}{\overset{\ce{Cr_2O_7^{2-}}}{\rightarrow}} \ce{CH_3COOH}\nonumber$

Етанол містять напої, такі як вино, сприйнятливі до такого окислення, якщо їх зберігати протягом тривалого періоду часу після відкриття та впливу повітря. Окислене вино матиме неприємний оцтовий смак через вироблення оцтової кислоти.

На відміну від альдегідів, кетони стійкі до подальшого окислення, оскільки карбонільна група знаходиться в середині вуглецевого ланцюга, і тому кетон не може бути перетворений у карбонову кислоту.

Резюме

Окислення можна визначити як додавання кисню до молекули, або видалення водню з молекули.
Первинні спирти можуть окислюватися до альдегідів, а потім додатково окислюватися до карбонових кислот.
Коли спирт, що підлягає окисленню, є вторинним спиртом, продуктом окислення є кетон, а не альдегід.
Третинні спирти не можуть окислюватися.