Уравнения реакций органических веществ
Уравнение органической реакции составляют не угадыванием коэффициентов, а по понятному алгоритму: определить тип превращения, записать формулы веществ, расставить коэффициенты и проверить сохранение атомов каждого элемента. Особенно важно различать реакции замещения, присоединения, гидролиза, окисления, горения и поликонденсации.
Общий алгоритм составления уравнения
Перед решением полезно повторить строение и свойства веществ на страницах кислородсодержащих органических веществ и азотсодержащих органических веществ. Затем действуйте по шагам.
- Определите исходные вещества и продукт реакции. Название реакции часто подсказывает, что должно образоваться: спирт окисляется до альдегида или кислоты, кислота с основанием даёт соль и воду, амин взаимодействует с кислотой с образованием соли.
- Запишите молекулярные формулы веществ. Не меняйте индексы внутри формулы: они показывают состав вещества. Менять можно только коэффициенты перед формулами.
- Определите тип реакции и необходимые условия: нагревание, катализатор, свет, вода или избыток кислорода. Условия записывают над стрелкой или в подписи к уравнению, но не включают в формулу вещества.
- Расставьте коэффициенты по атомам элементов. В органических реакциях обычно начинают с углерода, затем уравнивают водород, а кислород оставляют на конец.
- Проверьте не только число атомов, но и смысл превращения: продукт должен соответствовать функциональной группе и условиям реакции.
Уравнение химической реакции — условная запись превращения веществ с помощью химических формул и коэффициентов. Коэффициенты показывают соотношение количеств вещества, а индексы входят в состав формулы и при уравнивании не изменяются.
В правильно составленном уравнении число атомов каждого элемента слева и справа от стрелки одинаково. Поэтому суммарная масса веществ до реакции равна суммарной массе продуктов реакции.
Типичные реакции кислородсодержащих веществ
Кислородсодержащие соединения распознают по функциональной группе. Спирты содержат группу \(-OH\), альдегиды — группу \(-CHO\), карбоновые кислоты — группу \(-COOH\), сложные эфиры — фрагмент \(-COO-\). При составлении уравнения сначала определяют, какая группа изменяется.
| Тип реакции | Общая схема | Что важно помнить |
|---|---|---|
| Горение | органическое вещество + \(O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O\) | Углерод переходит в \(CO_2\), водород — в \(H_2O\). |
| Окисление первичного спирта | спирт \(\rightarrow\) альдегид \(\rightarrow\) карбоновая кислота | Продукт зависит от глубины окисления. |
| Этерификация | кислота + спирт \(\rightleftharpoons\) сложный эфир + вода | Реакция обратимая, обычно нужна сильная кислота и нагревание. |
| Гидролиз сложного эфира | сложный эфир + вода \(\rightarrow\) кислота + спирт | В щелочной среде образуется соль кислоты. |
| Нейтрализация | кислота + основание \(\rightarrow\) соль + вода | Сначала составляют формулы соли и воды, затем уравнивают. |
Для углеводов часто встречаются гидролиз и спиртовое брожение. При гидролизе дисахарид или полисахарид распадается с участием воды. При брожении глюкоза превращается в этанол и углекислый газ. Подробная последовательность превращений связана с темой генетической связи органических веществ.
Какой коэффициент перед кислородом нужен в уравнении полного горения пропана \(C_3H_8\)?
Реакции аминов, аминокислот и белков
Амины проявляют основные свойства: принимают протон от кислот и образуют соли аммониевого типа. В формулах солей у атома азота появляется положительный заряд, а кислотный остаток имеет отрицательный заряд. Аминокислоты содержат одновременно аминогруппу \(-NH_2\) и карбоксильную группу \(-COOH\), поэтому реагируют и с кислотами, и со щелочами.
Две аминокислоты могут соединяться пептидной связью. При этом от карбоксильной группы одной молекулы и аминогруппы другой отщепляется вода. Для больших молекул записывают схему поликонденсации, а не пытаются изображать всю структуру белка. С биологической ролью белков можно познакомиться на странице биологические функции белков, а продукты их распада рассматриваются в теме продукты гидролиза белков.
В реакции с кислотой аминокислота использует аминогруппу, а в реакции со щёлочью — карбоксильную группу. При образовании пептида карбоксильная группа одной аминокислоты соединяется с аминогруппой другой, и выделяется вода.
Разобранный пример: горение органического вещества
Составим уравнение полного сгорания этилового эфира уксусной кислоты \(CH_3COOC_2H_5\). Это типичная экзаменационная задача: нужно правильно определить молекулярную формулу и затем уравнять реакцию.
Не изменяйте индексы: запись \(C_4H_8O_2\rightarrow C_4H_{10}O_2\) означает уже другое вещество. Не ставьте коэффициент только перед кислородом, не проверив углерод и водород. В реакциях горения не забывайте, что число атомов кислорода в исходном веществе тоже учитывается. В уравнениях аминокислот не путайте соль, образованную с кислотой, и соль, образованную со щёлочью.
Проверка и сложные схемы
Если реакция включает несколько стадий, удобно пользоваться схемами взаимных превращений органических веществ. Например, этанол можно окислить до этаналя, а затем до уксусной кислоты. Каждую стадию записывают отдельным уравнением и не объединяют продукты разных стадий без указания условий.
Для задач на получение полимеров важно определить повторяющееся звено и число молекул воды. В синтезе полиамидов и белков образуются амидные, или пептидные, связи. Отдельно изучаются реакции получения азотсодержащих полимеров. При вычислениях по уравнениям используйте молярные соотношения коэффициентов: коэффициент 2 означает вдвое большее количество вещества, а не обязательно вдвое большую массу.
Спросите себя: совпадают ли атомы каждого элемента, указаны ли все продукты, соответствует ли реакция свойствам функциональных групп, не изменены ли индексы и учтены ли условия? Для задач на формулу сначала удобно вывести молекулярную формулу вещества, а уже затем составлять уравнение; этому посвящена страница выведения молекулярных формул органических веществ.
Итоговая самопроверка
Главное
- Сначала определяйте тип реакции и изменение функциональной группы, затем записывайте формулы веществ.
- Коэффициенты подбирают по закону сохранения атомов; индексы внутри формул не изменяют.
- В горении органических веществ образуются \(CO_2\) и \(H_2O\), а кислород уравнивают последним.
- Амины реагируют с кислотами, аминокислоты — и с кислотами, и со щелочами.
- При образовании сложных эфиров и пептидов выделяется вода; при гидролизе вода расходуется.