Как расставлять степени окисления атомов в органических соединениях: подробное руководство с примерами.

О том, как расставлять степени окисления в неорганических соединениях, я писал в этом материале. Там было достаточно выучить алгоритм и потом применять его. В случае органических соединений ситуация немного иная, но здесь тоже можно предложить свой алгоритм. В этой статье мы разберем, как расставлять степени в совершенно любом представителе углеводородов или их производных.

Возникает вопрос, зачем это вообще может понадобиться? Дело в том, что одна из реакций в задании ЕГЭ по химии на цепочку превращений органических веществ включает, как правило, окисление. В уравнении этой реакций необходимо расставить коэффициенты перед исходными реагентами и продуктами. Поскольку это окисление и, следовательно, ОВР, потребуется применить метод электронного баланса. Он основан на подсчете электронов, отданных восстановителем и принятых окислителем, а для этого в свою очередь нужно определить, как менялись степени окисления атомов в ходе реакции. Вот именно поэтому совершенно необходимо обладать навыком расстановки степеней окисления в органических соединениях, чтобы не потерять баллы на этом задании и успешно сдать ЕГЭ.

Содержание

1. Углеводороды, то есть соединения, содержащие только углерод и водород.
2. Органические соединения, содержащие кислород.
3. Органические соединения, содержащие азот.

1. Углеводороды, то есть соединения, содержащие только углерод и водород.

Описание алгоритма расстановки степеней окисление лучше начать на примере простейшего углеводорода метана. Схема алгоритма по шагам показана на рисунке ниже. 

На первом шаге мы рисуем структурную формулу метана так, чтобы были видны все связи, которые образует атом углерода. Как видно, в данном случае мы имеем дело с четырьмя связами С–Н. Далее суть алгоритма сводится к тому, что мы по отдельности рассматриваем каждую связь, которую образует углерод с окружающими его атомами, и для каждой такой связи записываем степени окисления атомов, которые ее образуют. Напомним, что такое степень окисления:

Степень окисления – это частичный положительный или отрицательный заряд, который возникает на атомах после образования ими химической связи. Если связь образована двумя одинаковыми атомами, то степень окисления на обоих атомах равна нулю.

Смотрим шаг 2. Мы выбрали первую из четырех связей С–Н. Связь С–Н одинарная, это означает, что она образована одной парой электронов, которая становится общей для атомов С и Н. Один электрон в этой паре принадлежит углероду, другой водороду, то есть связь ковалентная. Атомы С и Н разные, следовательно, какой-то из них будет сильнее «тянуть» электроны на себя, что приведет к образованию на нем частичного отрицательного заряда и соответственно отрицательной степени окисления. Чтобы понять, какой из атомов – С или Н – «тянет» электроны сильнее, нужно сравнить их электроотрицательности. У углерода электроотрицательность выше, чем у водорода, значит, он будет «тянуть» на себя электрон водорода и у него будет степень окисления -1. У водорода, от которого его собственный электрон «отдалится», будет тогда степень окисления +1. Это и показано на рисунке в шаге 2. 

Теперь ту же самую процедуру нужно применить к остальным трем связям С–Н (шаги 3-5). В каждом случае результат будет тем же: у углерода степень окисления -1, у водорода +1. Далее на шаге 6 нужно свести в одной структурной формуле все степени окисления, рассчитанные для каждой связи по отдельности. И наконец на последнем шаге 7 нужно для углерода сложить все степени окисления от каждой отдельной связи и тогда мы получим:

с.о.(С) = -1 + (-1) + (-1) + (-1) = -4 
(с.о. означает степень окисления).

Задача решена, мы расставили степени окисления всех атомов в простейшем органическом веществе метане.

Теперь возьмем алкан с большим числом атомов углерода, а именно пропан. Схема действий по шагам показана на рисунке ниже. 

В молекуле пропана мы можем выделить фрагменты H₃C–, –СН₂– и –CH₃. К каждому из этих фрагментов нужно применить алгоритм, который мы только что описали для метана. На картинке это шаг 2. Фрагмент H₃C– содержит три связи С–Н и от каждой такой связи на углероде будет возникать степень окисления -1. Учитывая, что таких связей три, то суммарная степень окисления будет -3, а четвертую связь С–С мы пока не рассматриваем. Далее во фрагменте –СН₂– две связи С-Н, поэтому суммарная степень окисления углерода будет -2. Две связи С–С для этого фрагмента тоже пока не рассматриваем. Соответственно в последнем фрагменте –CH₃ мы рассуждаем так же и записываем для углерода степень окисления -3. Теперь мы можем перейти к двум связям С–С, связывающим фрагменты H₃C– и –СН₂–, а также –СН₂– и –CH₃. На рисунке это шаг 3. Две связи С–С образованы одинаковыми атомами углерода, поэтому общая электронная пара между ними не сможет смещаться ближе ни к одному из углеродов. У них одинаковая электроотрицательность и они с одинаковой силой «тянут» электроны на себя, вследствие чего силы «притяжения» уравновешиваются. В этом случае мы записываем степень окисления углеродов равной 0. Тогда если вклад в суммарную степень окисления углеродов от связей С–С равен 0, то эта суммарная степень окисления углеродов останется такой же, как мы установили на шаге 2. В итоге мы получим решение задачи, что в окончательном виде представлено на шаге 4. 
  
В следующем примере мы рассмотрим углеводород с кратными связями, а именно винилацетилен. Алгоритм действий снова показан на рисунке ниже:

На шаге 2 мы выделяем все связи С-Н и записываем степени окисления углеродов, рассматривая вклад в них только от этих связей. На шаге 3 мы присваиваем углеродам степень окисления 0 от связей С≡С, С-С и С=С. Здесь важно отметить, что появление между углеродами двойной или тройной связи вместо одинарной не меняет ее неполярного характера. Поэтому от связи двух одинаковых атомов С вклад в суммарную степень окисления углеродов по-прежнему будет равен 0 вне зависимости от ее кратности. И наконец на шаге 4 мы складываем все рассчитанные степени окисления от отдельных связей и записываем суммарные степени окисления для всех атомов углерода.

И совершенно так же мы поступаем с ароматическими углеводородами, например, с бензолом, который показан на рисунке ниже. 

Поскольку бензол в заданиях часто указывается в виде геометрической фигуры без обозначения атомов углерода, на шаге 2 желательно все же расписать эту формулу, чтобы точно представлять какие атомы образуются связи. Здесь же на шаге 2 мы вновь рассматриваем связи С-Н, от которых на углеродах возникает степень окисления -1. Может возникнуть вопрос, а как быть со связями С-С в бензольном кольце? Какими их считать, одинарными, двойными или «полуторными», которыми их иногда называют, когда хотят подчеркнуть их полную эквивалентность друг другу? Ответ: это совершенно неважно. Учитывая, что связи образованы одинаковыми атомами С, вклад от них в суммарную степень окисления всегда будет равен 0 вне зависимости от кратности. Поэтому на шаге 3 мы присваиваем всем углеродам степень окисления 0 от всех связей С-С. И тогда на шаге 4 мы можем увидеть окончательный вариант.

Вообще следует отметить, что водород в органических соединениях всегда имеет степень окисления +1 и в рамках ОВР ее не меняет. Поэтому фактически знать нужно только степени окисления углерода, потому что в ходе ОВР меняются именно они.

2. Органические соединения, содержащие кислород.

В качества первого примера кислородсодержащих органических соединений мы рассмотрим этанол. Схема действий показана на рисунке: 

Сначала, как всегда, лучше записать структурную молекулу этанола так, чтобы были видны все химические связи, которые образует углерод (шаг 1). Далее мы выделяем уже привычные фрагменты СН₃– и –СН₂–, в которых расставляем степени окисления по стандартному алгоритму (шаг 2). Теперь на шаге 3 нужно расставить степени окисления во фрагменте С–О–Н. При рассмотрении связи С–О нужно сравнить электроотрицательности атомов углерода и кислорода. Кислород находится правее по периоду, поэтому у него электроотрицательность выше и, значит, он будет «тянуть» электрон углерода на себя. Речь идет об одном электроне углерода, потому что связь одинарная. Тогда возникнут степени окисления +1 у углерода и -1 у кислорода. Далее кислород еще образует одинарную связь с водородом O–H. Здесь он тоже «тянет» на себя один электрон водорода и, следовательно, приобретает степень окисления -1. Суммарно у кислорода от двух связей будет тогда (-1) + (-1) = -2, как это и бывает в подавляющем числе случаев у кислорода в органических соединениях. Наконец на шаге 4 мы суммируем вклады в суммарную степень окисления от всех связей по отдельности и получаем решение задачи.

Рассмотрим теперь случае с кето- и альдегидной группами. Для удобства объединим обе группы в одном соединении:   

На шаге 1 снова записываем структурную формулу соединения, чтобы были видны все связи. На шаге 2 расставляем вклад в степень окисления от связей С–H. На шаге 3 рассматриваем две двойные связи С=O. Теперь кислород «тянет» у углерода 2 электрона, поскольку связь двойная, значит, у кислорода возникнет степень окисления -2, а у углерода +2. На последнем шаге 4 суммируем все вклады в степени окисления атомов углерода. Для кетогруппы у углерода сохранится +2 (потому что вклады от двух связей С–С равны нулю), а для углерода альдегидной группы нужно сложить (-1) + (+2) и получить +1 (вклад от одной связи С–С снова равен нулю).

Также следует еще рассмотреть пример с карбоновыми кислотами. Ниже приведены схема для уксусной кислоты. 

На шаге 1 снова записываем структурную формулу, а на шаге 2 рассматриваем все связи С–H. Далее на шаге 3 мы смотрим на углерод карбоксильной группы –COOH. Этот углерод образует одну неполярную связь С–С, одну одинарную связь С–O и одну двойную связь С=O. Именно последние две связи с кислородом нас и интересуют. Здесь мы рассуждаем так же, как в примерах выше. В двойной связи кислород «тянет» 2 электрона, поэтому степени окисления будут С⁺²=О^-2. А в одинарной связи кислород «тянет» 1 электрон, поэтому получим запись С⁺¹–O^-1. На последнем шаге 4 мы суммируем все вклады в степень окисления и получаем решение.

3. Органические соединения, содержащие азот.

Подавляющее число реакций окисления в задании на цепочку превращений – это жесткое или мягкое окисление двойной связи, а также окисление спирта в альдегид или кислоту, или альдегида в кислоту. Тем не менее нужно знать еще одну ОВР с участием органических веществ, которая, правда, бывает гораздо реже. Речь идет о восстановлении нитросоединений в амины. Типичный пример – это восстановление нитробензола в анилин. Чтобы расставить коэффициенты в уравнении такой реакции, необходимо знать степени окисления азота до и после реакции, потому что именно этот атом меняет степень окисления в ходе ОВР. Так что будет полезно разобрать эти примеры тоже. Начнем с нитробензола, алгоритм действий показан на рисунке: 

На шаге 1 мы записываем «сокращенную» структурную формулу нитробензола, а на шаге 2 «развернутую» с указанием всех связей. Одновременно мы можем расставить степени окисления углеродов от связей С–H. А вот на шаге три мы начинаем рассмотрение фрагмента С–NO₂. Если брать отдельно связь С–N, то в рамках этой одинарной связи азот «тянет» на себя 1 электрон углерода, поскольку он правее по периоду и имеет более высокую электроотрицательность. Далее у нас есть две связи между азотом и кислородом (шаг 4). Одна из них двойная, поэтому, учитывая, что кислород находится правее по периоду и обладает большей электроотрицательностью, мы можем записать: N⁺²=O^-2. Вторая же связь в действительности является донорно-акцепторной. Ее образовала пара электронов азота, которую «притянул» кислород. То есть кислород свои электроны для образования связи не предоставлял, оба электрона принадлежат азоту. Это и есть донорно-акцепторный механизм. Обычно такую связь изображают стрелкой от азота к кислороду либо, как у нас на рисунке, зарядами N⁺–O^-. Однако это не отменяет того факта, что кислород «забрал» 2 электрона азота, пусть связь и является одинарной. Поэтому степени окисления будут такими: N⁺²–O^-2. В заключении на шаге 5 мы суммируем все вклады в степень окисления азота от трех связей, которые он образует: (-1) + (+2) + (+2) = +3. Осталось записать степени окисления для атомов углерода, водорода и кислорода и мы получим решение.

Как уже говорилось, после восстановления нитробензол превращается в анилин, поэтому анилин мы тоже разберем (см. рисунок ниже). 

Первые три шага аналогичны тому, что было в предыдущем примере с нитробензолом. Далее на шаге 4 следует рассмотреть группу –NH₂. Азот является более электроотрицательным элементом, чем водород, поэтому в одинарной связи N–H азот будет «забирать» 1 электрон водорода и приобретать степень окисления -1. Таких связей N–H две, поэтому в группе –NH₂ у азота будет -2. Наконец на последнем шаге 5 мы суммируем все вклады в степень окисления для азота: (-1) + (-1) + (-1) = -3. На картинке можно увидеть итоговую запись для всех атомов анилина.

Итак, мы разобрали все наиболее распространенные случаи, когда может потребоваться расставить степень окисления в органических соединениях. Алгоритм очень прост и легко осваивается после небольшой тренировки.