Условие задачи
Окисление этилового спирта хромовой смесью
Решение
Ниже представлено подробное решение задачи по органической химии, в которой рассматривается окисление первичного спирта (этилового спирта, C₂H₅OH) сильным окислителем – хромовой смесью (чаще всего это смесь на основе K₂Cr₂O₇ и H₂SO₄, в кислой среде, где действует H₂CrO₄). Такая реакция является классическим примером окисления первичных спиртов до карбоновых кислот.
──────────────────────────────
1. Суть задачи
Исходное вещество – этиловый спирт (C₂H₅OH). В результате его окисления хромовой смесью образуется уксусная кислота (CH₃COOH). При этом реакция идёт через промежуточное образование альдегида (ацетальдегида, CH₃CHO), однако в условиях избытка хромового окислителя – сильного окислителя – альдегид не выделяют, а он сразу окисляется до кислоты.
──────────────────────────────
2. Механизм реакции
(a) При добавлении кислоты (обычно H₂SO₄) к K₂Cr₂O₇ происходит образование хромовой кислоты:
Cr₂O₇²⁻ + 14 H⁺ + 6 e⁻ → 2 Cr³⁺ + 7 H₂O
(Это – восстановительный процесс, в ходе которого Cr(VI) переходит в Cr(III).)
(b) Этиловый спирт сначала окисляется до ацетальдегида:
C₂H₅OH → CH₃CHO + 2 H⁺ + 2 e⁻
(c) Далее ацетальдегид быстро окисляется до уксусной кислоты:
CH₃CHO + H₂O → CH₃COOH + 2 H⁺ + 2 e⁻
В сумме две стадии окисления спирта (по 2 e⁻ каждая) приводят к общему процессу от C₂H₅OH до CH₃COOH с отдачей 4 электронов на одну молекулу спирта.
──────────────────────────────
3. Балансировка полного уравнения реакции
Для балансировки реакции удобно привести полуреакции для окисления спирта и восстановления Cr₂O₇²⁻ в кислой среде.
– Полуреакция окисления этилового спирта (с учетом образования кислоты напрямую):
C₂H₅OH + H₂O → CH₃COOH + 4 H⁺ + 4 e⁻
(В ней атомы углерода сохраняются, а число водородов и кислородов уравновешивается за счёт участия воды и протонов.)
– Полуреакция восстановления дигромат-иона:
Cr₂O₇²⁻ + 14 H⁺ + 6 e⁻ → 2 Cr³⁺ + 7 H₂O
Чтобы уравнять число отданных и полученных электронов, необходимо привести полуреакции к общему количеству электронов. Найдём наименьшее общее кратное для 4 и 6 – это 12.
Умножаем реакцию окисления спирта на 3, а реакцию восстановления Cr₂O₇²⁻ – на 2:
Окисление:
3 C₂H₅OH + 3 H₂O → 3 CH₃COOH + 12 H⁺ + 12 e⁻
Восстановление:
2 Cr₂O₇²⁻ + 28 H⁺ + 12 e⁻ → 4 Cr³⁺ + 14 H₂O
Складываем уравнения, сокращая 12 e⁻ по обе стороны:
3 C₂H₅OH + 3 H₂O + 2 Cr₂O₇²⁻ + 28 H⁺ → 3 CH₃COOH + 4 Cr³⁺ + 14 H₂O + 12 H⁺
Переносим 12 H⁺ в правую часть, вычитая их из 28 H⁺:
28 H⁺ – 12 H⁺ = 16 H⁺
А также переносим воду: с левой стороны 3 H₂O, с правой – 14 H₂O, разница:
14 H₂O – 3 H₂O = 11 H₂O
Итак, итоговое сбалансированное уравнение выглядит так:
3 C₂H₅OH + 2 Cr₂O₇²⁻ + 16 H⁺ → 3 CH₃COOH + 4 Cr³⁺ + 11 H₂O
──────────────────────────────
4. Краткий ответ
При окислении этилового спирта хромовой смесью происходит образование уксусной кислоты. Полное уравнение реакции в кислой среде:
3 C₂H₅OH + 2 Cr₂O₇²⁻ + 16 H⁺ → 3 CH₃COOH + 4 Cr³⁺ + 11 H₂O
Это решение иллюстрирует применение правил окислительно-восстановительных реакций в органической химии.
──────────────────────────────
5. Заключение
Задача относится к дисциплине «Органическая химия», где подробно изучается реакционная способность спиртов и механизм их окисления с участием различных окислителей, в частности, хромовой смеси. При выполнении решения использованы класcические методы балансировки уравнений окислительно-восстановительных реакций в кислой среде, а также понимание механизмов окисления первичных спиртов до конечного продукта – карбоновой кислоты.
Надеюсь, данное подробное решение поможет в полном понимании задачи!