Решение ОВР: 3-метилбутин-1 + KMnO₄ в кислой среде

Хорошо, давайте напишем окислительно-восстановительную реакцию (ОВР) для пятого уравнения, где 3-метилбутин-1 реагирует с перманганатом калия в кислой среде. Реакция: \[ \mathrm{5CH \equiv C - CH(CH_3) - CH_3 + 8KMnO_4 + 12H_2SO_4 \rightarrow 5CH_3 - CH(CH_3) - COOH + 5CO_2 + 8MnSO_4 + 4K_2SO_4 + 12H_2O} \] Теперь распишем полуреакции окисления и восстановления. 1. Определим степени окисления атомов углерода в тройной связи 3-метилбутина-1 и в продуктах реакции (карбоновой кислоте и углекислом газе). В 3-метилбутине-1: * Углерод при тройной связи, связанный с водородом (первый атом): \( \mathrm{C^{-1}} \) * Углерод при тройной связи, связанный с другим углеродом (второй атом): \( \mathrm{C^{0}} \) В продуктах: * Углерод в карбоксильной группе \( \mathrm{-COOH} \) (в 2-метилпропановой кислоте): \( \mathrm{C^{+3}} \) * Углерод в углекислом газе \( \mathrm{CO_2} \): \( \mathrm{C^{+4}} \) Изменение степени окисления для 3-метилбутина-1: * \( \mathrm{C^{-1} \rightarrow C^{+4}} \) (в \( \mathrm{CO_2} \)): \( \mathrm{-1 - (+4) = -5} \) электронов. * \( \mathrm{C^{0} \rightarrow C^{+3}} \) (в \( \mathrm{COOH} \)): \( \mathrm{0 - (+3) = -3} \) электронов. * Суммарное изменение для одной молекулы 3-метилбутина-1: \( \mathrm{-5 + (-3) = -8} \) электронов. Значит, 3-метилбутин-1 отдает 8 электронов, он является восстановителем. 2. Определим степени окисления марганца в перманганате калия и в сульфате марганца. * В \( \mathrm{KMnO_4} \): \( \mathrm{Mn^{+7}} \) * В \( \mathrm{MnSO_4} \): \( \mathrm{Mn^{+2}} \) Изменение степени окисления для марганца: * \( \mathrm{Mn^{+7} \rightarrow Mn^{+2}} \): \( \mathrm{+7 - (+2) = +5} \) электронов. Значит, \( \mathrm{KMnO_4} \) принимает 5 электронов, он является окислителем. 3. Составим электронный баланс: Окисление (восстановитель): \[ \mathrm{CH \equiv C - CH(CH_3) - CH_3 \rightarrow CO_2 + CH_3 - CH(CH_3) - COOH + 8e^-} \] Восстановление (окислитель): \[ \mathrm{MnO_4^- + 5e^- \rightarrow Mn^{2+}} \] 4. Найдем наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов (8 и 5). НОК = 40. * Для окисления: \( \mathrm{40 / 8 = 5} \) * Для восстановления: \( \mathrm{40 / 5 = 8} \) Эти коэффициенты (5 и 8) мы уже использовали в уравнении реакции. 5. Добавим ионы \( \mathrm{H^+} \) и \( \mathrm{H_2O} \) для уравнивания кислорода и водорода в полуреакциях. Полуреакция окисления (для одной молекулы 3-метилбутина-1): \[ \mathrm{CH \equiv C - CH(CH_3) - CH_3 + 4H_2O \rightarrow CO_2 + CH_3 - CH(CH_3) - COOH + 8H^+ + 8e^-} \] (Здесь мы добавили \( \mathrm{4H_2O} \) для уравнивания кислорода и \( \mathrm{8H^+} \) для уравнивания водорода и заряда) Полуреакция восстановления: \[ \mathrm{MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O} \] (Здесь мы добавили \( \mathrm{8H^+} \) для уравнивания кислорода и \( \mathrm{4H_2O} \) для уравнивания водорода и заряда) 6. Умножим полуреакции на найденные коэффициенты и сложим их: Окисление: \[ \mathrm{5(CH \equiv C - CH(CH_3) - CH_3 + 4H_2O \rightarrow CO_2 + CH_3 - CH(CH_3) - COOH + 8H^+ + 8e^-)} \] \[ \mathrm{5CH \equiv C - CH(CH_3) - CH_3 + 20H_2O \rightarrow 5CO_2 + 5CH_3 - CH(CH_3) - COOH + 40H^+ + 40e^-} \] Восстановление: \[ \mathrm{8(MnO_4^- + 8H^+ + 5e^- \rightarrow Mn^{2+} + 4H_2O)} \] \[ \mathrm{8MnO_4^- + 64H^+ + 40e^- \rightarrow 8Mn^{2+} + 32H_2O} \] Складываем обе полуреакции: \[ \mathrm{5CH \equiv C - CH(CH_3) - CH_3 + 20H_2O + 8MnO_4^- + 64H^+ + 40e^- \rightarrow 5CO_2 + 5CH_3 - CH(CH_3) - COOH + 40H^+ + 40e^- + 8Mn^{2+} + 32H_2O} \] Сокращаем одинаковые члены (электроны, \( \mathrm{H^+} \), \( \mathrm{H_2O} \)): \[ \mathrm{5CH \equiv C - CH(CH_3) - CH_3 + 8MnO_4^- + 24H^+ \rightarrow 5CO_2 + 5CH_3 - CH(CH_3) - COOH + 8Mn^{2+} + 12H_2O} \] Теперь добавим ионы \( \mathrm{K^+} \) и \( \mathrm{SO_4^{2-}} \) для получения полного молекулярного уравнения: * \( \mathrm{8MnO_4^-} \) соответствует \( \mathrm{8KMnO_4} \). * \( \mathrm{24H^+} \) соответствует \( \mathrm{12H_2SO_4} \). * \( \mathrm{8Mn^{2+}} \) соответствует \( \mathrm{8MnSO_4} \). * Остается \( \mathrm{8K^+} \) и \( \mathrm{12SO_4^{2-}} \). Из них образуется \( \mathrm{4K_2SO_4} \) и еще \( \mathrm{8SO_4^{2-}} \) уже учтены в \( \mathrm{8MnSO_4} \). Итоговое молекулярное уравнение: \[ \mathrm{5CH \equiv C - CH(CH_3) - CH_3 + 8KMnO_4 + 12H_2SO_4 \rightarrow 5CH_3 - CH(CH_3) - COOH + 5CO_2 + 8MnSO_4 + 4K_2SO_4 + 12H_2O} \] Это и есть полное ОВР для пятого уравнения.