Химия, Биология, подготовка к ГИА и ЕГЭ
Качественные реакции органической химии
В качественном анализе используют легко выполнимые, характерные химические реакции, при которых наблюдается появление или исчезновение окрашивания, выделение или растворение осадка, образование газа и др. Реакции должны быть как можно более селективны и высокочувствительны.
Это означает, что качественные реакции — это реакции с ощутимым эффектом -цвет, запах, изменение состояния вещества. «Селективность» — означает, что желательно, чтобы такая реакция на данный класс веществ или на данное вещество была уникальна. Высокая чувствительность — даже очень небольшое количество вещества должно проявляться в такой реакции.
С уникальностью в органической химии немного проблематично, но тем не менее, есть достаточно много реакций для определения того или иного вещества .
Итак, классы органических соединений и соответствующие им качественные реакции:
| Класс органических соединений | Качественные реакции |
| Алканы | У алканов нет качественных реакций. Их определяют методом исключения |
| Алкены | 1. Обесцвечивание бромной воды: 3СH2=CH2 + 2 KMnO4 + 4H2O → 3C2H4(OH)2 + 2 MnO2 + 2KOH |
| Циклоалканы | Обесцвечивание бромной воды: |
| Алкины | 1. Обесцвечивание бромной воды, 2. Образование ацетиленидов серебра и меди: 3. Изменение окраски перманганата калия: (KMnO4 → MnO2) C2H2 → HOOC-COOH |
| Алкадиены | Т.к. алкадиены содержат 2 двойные связи, то они так же как и алкены, обесцвечивают бромную воду |
| Арены | 1. Взаимодействие с бромом (в присутствии катализатора)
|
| Спирты | Реакция с оксидом меди — в осадок выпадает медь: |
| Многоатомные спирты | С гидрокисдом меди (II) — Cu(OH)2 образуется комплекс синего цвета |
| Альдегиды | Реакция «серебряного зеркала» и реакция «медного зеркала»: |
| Кислоты органические | Дают окрашенные соли тяжелых металлов — см. таблицу растворимости |
| Амины | Качественных реакций нет (только анилин — имеет характерный запах) |
Как вы видите, все вещества, имеющие кратные связи (кратные=двойные и тройные), обесцвечивают бромную воду. Многие из них изменяют окраску раствора перманганата калия. Поэтому эти вещества надо разделять по их индивидуальным, характерным только для них качественным реакциям.
Здесь перечислены самые основные качественные реакции органической химии. Если говорить о высокомолекулярных соединениях — белках, жирах, углеводах, то для них качественные реакции определяются функциональными группами, входящими в состав. Зная функциональную группу, вы легко сможете подобрать реактив, т.к. в таблице они разобраны именно по классам.
Источник
Методические рекомендации для подготовки к ЕГЭ по химии
Методические рекомендации к решению задания 25
«Качественные реакции на неорганические вещества и ионы. Качественные реакции органических соединений».
Качественные реакции органических соединений .
Качественная реакция на алканы.
Алканы не обесцвечивают раствор перманганата калия и бромную воду.
Качественная реакция на алкены.
а) При взаимодействии алкена с водным раствором перманганата калия при комнатной температуре (0 0 С-25 0 С) происходит обесцвечивание характерной окраски раствора с образованием бурого осадка:
3СН 2 = СН 2 + 2 KMnO 4 + 4 H 2 O → 3 CH 2 ( OH ) − CH 2 ( OH ) + 2 MnO 2 ↓ + 2 KOH
Если использовать кислый раствор перманганата калия, то раствор становится совершенно бесцветным:
б) Алкены обесцвечивают бромную воду. При этом бромная вода (иодная вода), имеющая желтую окраску, обесцвечивается.
Рекомендации учителю : при демонстрации опыта бромную воду лучше заменить иодной водой (разбавленный водой аптечный спиртовый раствор иода) как менее токсичным раствором.
Нейтральный раствор перманганата калия брать слабоокрашенным, тогда при взаимодействии с алкеном происходит не побурение раствора, а почти полное обесцвечивание его, что лучше убеждает учащихся.
Качественная реакция на алкины.
а) Алкины, так же как и алкены, обесцвечивают раствор перманганата калия и бромную воду:
3 CH ≡ CH + 8 KMnO 4 → 3 KOOC − COOK + 8 MnO 2 ↓ + 2 KOH + 2 H 2 O
б) Алкины с тройной связью у крайнего атома углерода реагируют с аммиачным раствором оксида серебра Ag [( NH 3 ) 2 ] OH
СН ≡ СН + 2 Ag [( NH 3 ) 2 ] OH → Ag – С ≡ С – Ag ↓ + 4 NH 3 + 2 H 2 O
СН 3 –С ≡ СН + Ag [( NH 3 ) 2 ] OH → СН 3 – С ≡ С – Ag ↓ + 2 NH 3 + H 2 O .
Признаком реакции является образование коричневого осадка.
в)Алкины с тройной связью у крайнего атома углерода образуют красный осадок с аммиачным раствором хлорида меди ( I ) Cu [( NH 3 ) 2 ] Cl .
СН ≡ СН + 2 Cu [( NH 3 ) 2 ] Cl → Cu – С ≡ С – Cu ↓ + 2 NH 3 + 2 NH 4 Cl
СН 3 –С ≡ СН + Cu [( NH 3 ) 2 ] Cl → СН 3 – С ≡ С – Cu ↓ + NH 4 Cl + NH 3
Алкины у которых тройная связь в середине ( R – С ≡ С – R ) в реакцию замещения не вступают. Эти реакции позволяют отличить алкины с концевой тройной связью от алканов, алкенов и алкинов с тройной связью в середине углеродной цепи.
Качественная реакции на алкадиены.
Алкадиены как непредельные углеводороды, обесцвечивают раствор перманганата калия и бромную воду.
5) Качественная реакция на арены.
а) Бензол не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия. Но при действии нитрующей смеси образует желтую жидкость с запахом горького миндаля – нитробензол.
б) гомологи бензола окисляются раствором перманганата калия и обесцвечивают его.
в) Стирол как непредельное соединение обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия
6) Качественная реакция на спирты.
Спирты по числу гидроксильных групп бывают одно-и многоатомными. Для одно- и многоатомных спиртов качественные реакции различны.
а) Качественные реакции на одноатомные спирты:
Окисление спирта оксидом меди ( II ). Для этого пары спирта пропускают над раскаленным оксидом меди.
СН 3 − СН 2 − OH + CuO → СН 3 − CHO + H 2 O + Cu
Черный цвет проволоки меняется на красный. Появляется резкий запах альдегида.
Рекомендации учителю: для получения черного оксида меди ( II ) медную проволоку скручивают в спираль и прокаливают в пламени спиртовки. Раскаленную, покрытую оксидным слоем, проволоку опускают в спирт. Следят за изменением цвета проволоки и появлением нового запаха.
б) Качественная реакция на многоатомные спирты.
Качественной реакцией на многоатомные спирты, содержащие гидроксильные группы у соседних атомов углерода, является их взаимодействие со свежеосажденным гидроксидом меди ( II ). При этом наблюдается растворение голубого осадка и образование ярко синего раствора.
Рекомендации учителю : получая осадок гидроксида меди( II ), добавляют избыток щелочи. Это условие позволяет растворить осадок и получить ярко синий раствор.
7 ) Качественная реакция на фенол.
а) Качественной реакцией на фенол является его взаимодействие с раствором хлорида железа (III), в результате которого образуется интенсивно окрашенное комплексное соединение фиолетового цвета.
б) Взаимодействие фенола с бромной водой также является качественной реакцией на фенол. Образуется осадок белого цвета-2,4,6-трибромфенол:
8) Качественная реакция на альдегиды .
а) Реакция «серебряного зеркала».
CH 3 − CHO + 2[ Ag ( NH 3 ) 2 ] OH CH 3 − COONH 4 + 2 Ag ↓ + 3 NH 3 ↑ + H 2 O
HCOH + 4[ Ag ( NH 3 ) 2 ] OH (избыток) CO 2 ↑ + 3 H 2 O + 4 NH 3 ↑ + 4 Ag ↓
Образуется серебристый зеркальный налет на стенках пробирки при нагревании аммиачного раствора оксида серебра с альдегидами.
Рекомендации учителю : на успех опыта в большей степени влияет чистота стенок сосуда и в меньшей степени характер нагревания. Мельчайшее загрязнение мешает серебру зацепиться за стекло и заставляет его выпадать в виде рыхлого черного осадка, что, тем не менее, доказывает восстановление серебра.
б) Образование красного осадка при нагревании альдегидов со свежеосажденным гидроксидом меди (II).
Для этого к свежеприготовленному гидроксиду меди (II) добавляют альдегид и нагревают смесь:
CuSO 4 + 2 NaOH = Na 2 SO 4 + Cu ( OH ) 2 ↓( получение гидроксида Cu (II))
CH 3 − CHO + 2 Cu ( OH ) 2 CH 3 − COOH + Cu 2 O ↓ + 2 H 2 O
HCOH + 4 Cu ( OH ) 2 (избыток) CO 2 + 2 Cu 2 O ↓ + 5 H 2 O
Выпадает красный осадок оксида меди ( I ).
9 ) Качественные реакции на карбоновые кислоты .
Качественные реакции на предельные одноосновные карбоновые кислоты:
а) Изменение цвета индикатора (лакмус на красный, метилоранжевый на красный, фенолфталеин остается бесцветным).
Окраску индикатора изменяют растворимые и слаборастворимые кислоты.
Стеариновая и пальмитиновая кислоты, как нерастворимые вещества, окраску индикатора изменить не могут.
б) Более сильные карбоновые кислоты вытесняют углекислый газ из карбонатов и гидрокарбонатов. Наблюдается вспенивание. Выделяющийся углекислый газ вызывает помутнение известковой воды:
Эта реакция позволяет отличить карбоновые кислоты от фенолов.
в) Качественные реакции на метановую (муравьиную кислоту) кислоту HCOOH.
— При добавлении концентрированной серной кислоты к раствору муравьиной кислоты образуется угарный газ и вода:
Угарный газ можно поджечь. Горит синим пламенем:
2CO + O 2 2CO 2
— Реакция «серебряного зеркала»
— Образование красного осадка с гидроксидом меди (II).
г) Качественная реакция на олеиновую кислоту.
— обесцвечивание раствора перманганата калия
— обесцвечивание бромной или иодной воды
R− CH = CH − RCOOH + Br 2 → R− CHBr – CHBr − RCOOH
10) Качественные реакции на амины.
а) Растворы аминов изменяют окраску индикаторов, так как среда раствора щелочная. Анилин как нерастворимое вещество окраски индикаторов не меняет.
б) Первичные амины при взаимодействии с азотистой кислотой HNO 2 образуют газ.
Рекомендации учителю: азотистую кислоту для начала нужно приготовить
NaNO 2 + HCl → NaCl + HNO 2
а затем добавить амин:
в) Вторичные амины с азотистой кислотой дают вещества с резким запахом — нитрозоамины:
CH 3 − NH − CH 3 + HNO 2 → CH 3 − N ( NO )− CH 3 + H 2 O
г) Третичные амины в мягких условиях с HNO 2 не реагируют.
д) Анилин образует осадок при добавлении бромной воды:
Анилин также можно обнаружить по сиреневой окраске при добавлении хлорной извести.
Качественные реакции на углеводы.
а) Качественные реакции на глюкозу:
— реакция «серебряного зеркала»
— взаимодействие с гидроксидом меди ( II )
без нагревания глюкоза дает ярко синий раствор как многоатомный спирт,
при нагревании глюкоза окисляется до глюконовой кислоты (реакция на альдегидную группу) и образуется красный осадок оксида меди ( I )
CH 2 ОН( CHO Н) 4 СНО + Cu ( OH ) 2 CH 2 ОН( CHO Н) 4 СОО H + Cu 2 O ↓ + 2 H 2 O
б) Качественная реакция на крахмал:
Крахмал в присутствии иода окрашивается в темно-синий цвет. При нагревании окраска исчезает, при охлаждении появляется вновь.
Качественная реакция на белки .
Белки выявляются в основном на реакциях, основанных на окрасках.
Ксантопротеиновая реакция. При действии на белки концентрированной азотной кислотой образуется желтая окраска, связанная с нитрованием ароматических колец в соответствующих аминокислотах
Обнаружение серосодержащих аминокислот:
Белок + (CH 3 COO) 2 Pb + NaOH →PbS↓ (осадок черного цвета).
Биуретовая реакция для обнаружения пептидной связи (CO-NH)
Белок + CuSO 4 + NaOH → фиолетовое окрашивание.
Источник
§ 15. Ароматические углеводороды. Бензол
Что вы знаете о бензоле?
Название «ароматические соединения» возникло давно, на ранних этапах развития органической химии. К ним относили соединения, получающиеся из природных смол, эфирных масел, бальзамов, обладающих приятным запахом. Впоследствии оказалось, что существует ещё много веществ, которые по строению и химическим свойствам схожи с ароматическими соединениями, но не имеют приятного запаха. Однако исторически сложившееся название так и осталось.
Большинство ароматических углеводородов опасны для жизни человека, они токсичны, и работа с ними требует строгого соблюдения мер безопасности. Так, бензол является ядовитым веществом, действует на почки, при длительном контакте изменяет формулу крови, может нарушать структуру хромосом. Бензол — типичный и простейший представитель ароматических углеводородов.
Строение бензола
Молекулярная формула бензола С6Н6. Очевидно, что это ненасыщенный углеводород — не хватает восьми атомов водорода до полного насыщения — С6Н14. Для ненасыщенных углеводородов характерно обесцвечивание раствора перманганата калия и бромной воды. Проверим это на опыте с бензолом.
Проблема. Почему бензол не обесцвечивает бромную воду и раствор КМnO4? Какие можно сделать предположения о строении бензола?
Опыт позволяет предположить, что бензол не образует прямую или разветвлённую цепь, в которой находятся двойные или тройные связи. Это же самое доказывает и реакция гидрирования бензола. Экспериментально также установлено, что молекула бензола (1 моль) присоединяет только три молекулы водорода (3 моль), в результате чего получается циклическое соединение — циклогексан:
Из этого следует, что бензол — углеводород циклического строения.
Значительно позже русским учёным Н.Д. Зелинским была проведена обратная реакция — каталитическое дегидрирование циклогексана. В результате этой реакции был получен бензол:
Немецкий химик Ф.А. Кекуле в 1865 г. высказал предположение о циклическом строении бензола с чередованием простых (одинарных) и двойных (кратных) связей и предложил выразить это структурной формулой следующим образом (1, 2):
В современной химии наряду с традиционными формулами Кекуле часто пользуются структурной формулой бензола, в которой акцент сделан на бензольное кольцо (3).
Все атомы углерода в молекуле бензола находятся в sh 2 -гибридном состоянии. Каждый атом углерода образует три σ-связи: с двумя соседними атомами углерода и одним атомом водорода. Эти связи лежат в одной плоскости, и углы между ними равны 120° (рис. 30). Таким образом, шесть атомов углерода образуют правильный шестиугольник. Кроме того, каждый атом углерода имеет одну негибридную 2p-орбиталь, на которой находится один электрон.
Негибридная р-электронная орбиталь каждого атома углерода перекрывается рядом находящимися негибридными р-электронными облаками слева и справа, образуется единое π-электронное облако, состоящее из шести электронов. Электронная плотность в нём распределена равномерно (рис. 31). Все связи между атомами углерода одинаковые. Перекрывание происходит над и под плоскостью σ-связей. С подобным явлением вы уже знакомились при изучении диеновых углеводородов, содержащих сопряжённые двойные связи (см. § 13).
Исследования показали, что в бензоле нет простых и двойных связей, под влиянием π-электронного облака ядра атомов углерода сближаются, и расстояние между центрами соседних атомов углерода сокращается и становится одинаковым — 0,139 нм. Вспомним, что длина одинарной связи С—С равна 0,154 нм, а двойной связи С=С — 0,134 нм.
В настоящее время используют следующие современные структурные формулы молекулы бензола:
Чаще всего пользуются формулой в виде правильного шестиугольника с окружностью в цикле.
Электронное строение бензола объясняет загадки молекул бензола:
- благодаря сопряжению электронная плотность в бензольном кольце выравнивается, расстояния между атомами углерода одинаковые;
- благодаря сопряжению молекула бензола становится более устойчивой, связь между атомами углерода в бензольном кольце значительно прочнее;
- бензол стоек к действию окислителей, реакции присоединения затруднены.
Плоскость, в которой расположены атомы углерода, называется бензольным ядром или бензольным кольцом.
Бензольное ядро — это прочная система. Связь в бензольном ядре часто называют ароматической. Делокализованная π-связь (см. рис. 31, б, в) — главный признак принадлежности веществ к группе ароматических соединений. По международной номенклатуре ароматические углеводороды называются аренами.
Ароматические углеводороды, или арены, — это органические соединения, в молекулах которых имеется одно или несколько бензольных колец.
Общая формула углеводородов ряда бензола, имеющих одно бензольное кольцо, CnH2n-6.
Известны также небензоидные ароматические соединения, например гетероциклические.
Физические свойства бензола
Бензол — это легкокипящая (температура кипения 80,1 °С) бесцветная жидкость, не растворяется в воде. Имеет специфический запах. При охлаждении легко застывает и превращается в белую кристаллическую массу с температурой плавления 5,5 °С.
Химические свойства бензола
1. Реакция горения
Как все углеводороды, бензол сгорает с образованием углекислого газа и воды:
Бензол горит коптящим пламенем.
Задание. Вычислите массовую долю (%) углерода в бензоле.
2. Реакции замещения
Наличие π-электронного облака в бензольном кольце, а также его пространственная доступность создают предпосылки для протекания реакций замещения. Для аренов характерны реакции электрофильного замещения в бензольном кольце. Важнейшими из таких реакций являются: галогенирование и нитрование.
А. Галогенирование
Бензол при обычных условиях не обесцвечивает бромную воду, но при нагревании в присутствии железных стружек вступает в реакцию, при этом образуется тяжёлая жидкость бромбензол — СбН5Вr:
Б. Нитрование
При действии на бензол нитрующей смеси (концентрированные серная и азотная кислоты) и при нагревании происходит реакция замещения, нитрогруппа азотной кислоты — NO2 замещает атом водорода в молекуле бензола:
При этом образуется желтоватая тяжёлая жидкость, нерастворимая в воде, с запахом горького миндаля — нитробензол C6H5NO2 которая используется в качестве растворителя, а также для получения анилина.
3. Реакции присоединения
Проблема. Бензол с большим трудом вступает в реакции присоединения. Почему это происходит?
Реакции присоединения аренов связаны с разрушением устойчивой системы бензольного кольца. Они энергетически невыгодны и протекают только при нагревании или при облучении.
А. Галогенирование
Реакция присоединения хлора к бензолу идёт при УФ-облучении и температуре кипения бензола. При этом образуется гексахлорциклогексан:
Гексахлорциклогексан — ядохимикат, который до недавнего времени использовался для защиты растений от насекомых, но он опасен для жизни человека, а потому заменён на более безопасные и легко разлагаемые пестициды.
Б. Гидрирование
Эта реакция идёт в присутствии катализаторов (Pt, Ni) и при нагревании:
Источник
