Вопрос: Чем отличается проведение реакции с перманганатом калия в водном растворе и в присутствии серной кислоты?
Ответ:
Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть, как изменяется продукт окисления органических соединений перманганатом калия в зависимости от среды реакции (нейтральная/щелочная или кислая).
Перманганат калия (\(\text{KMnO}_4\)) является сильным окислителем. Степень окисления марганца в перманганате калия равна +7. В зависимости от среды, марганец восстанавливается до разных степеней окисления:
- В нейтральной или слабощелочной среде: Марганец восстанавливается до степени окисления +4, образуя диоксид марганца (\(\text{MnO}_2\)), который выпадает в виде бурого осадка.
- В кислой среде (например, в присутствии серной кислоты): Марганец восстанавливается до степени окисления +2, образуя бесцветные ионы марганца (\(\text{Mn}^{2+}\)), которые находятся в растворе.
Теперь рассмотрим, как это влияет на окисление органических соединений, в частности, бензойной кислоты или её производных, как это подразумевается в вариантах ответа.
Вариант a. В водном растворе окисление протекает с образованием соли бензойной кислоты и в кислой среде, выпадает осадок диоксида марганца; в присутствии серной кислоты сразу образуется в чистом виде бензойная кислота и сульфаты марганца и калия.
Анализ: В водном растворе (нейтральная/слабощелочная среда) действительно образуется соль бензойной кислоты (если исходное вещество окисляется до бензойной кислоты, а среда щелочная, то образуется её соль). Однако в нейтральной/слабощелочной среде выпадает осадок диоксида марганца (\(\text{MnO}_2\)), а не в кислой. В кислой среде образуются ионы \(\text{Mn}^{2+}\). Поэтому первая часть утверждения не совсем точна, а вторая часть про осадок в кислой среде неверна.
Вариант b. В водном растворе окисление протекает с образованием соли бензойной кислоты; в присутствии серной кислоты реакция окисления не протекает.
Анализ: Утверждение о том, что в присутствии серной кислоты реакция окисления не протекает, является неверным. Наоборот, в кислой среде перманганат калия является очень сильным окислителем, и реакции протекают активно.
Вариант c. В водном растворе окисление протекает с образованием соли бензойной кислоты и в щелочной среде, выпадает осадок диоксида марганца; в присутствии серной кислоты образуется смесь ароматических карбоновых кислот.
Анализ: В водном растворе (нейтральная/слабощелочная среда) действительно образуется соль бензойной кислоты (если исходное вещество окисляется до бензойной кислоты) и выпадает осадок диоксида марганца. В кислой среде (в присутствии серной кислоты) окисление также происходит, и если исходное вещество может быть окислено до бензойной кислоты, то она образуется. Утверждение про "смесь ароматических карбоновых кислот" может быть верным, если исходное вещество имеет несколько окисляемых групп или если окисление неполное, но это не является ключевым отличием среды.
Вариант d. В водном растворе окисление протекает с образованием соли бензойной кислоты и в щелочной среде, выпадает осадок диоксида марганца; в присутствии серной кислоты образуется в чистом виде бензойная кислота и сульфаты марганца и калия.
Анализ: Этот вариант наиболее точно описывает различия:
- В водном растворе (нейтральная/щелочная среда): Если исходное вещество окисляется до бензойной кислоты, то в щелочной среде она будет существовать в виде соли (бензоата). Марганец (\(\text{Mn}^{+7}\)) восстанавливается до \(\text{Mn}^{+4}\), образуя бурый осадок диоксида марганца (\(\text{MnO}_2\)).
- В присутствии серной кислоты (кислая среда): Окисление также происходит. Если образуется бензойная кислота, то в кислой среде она будет существовать в виде свободной кислоты. Марганец (\(\text{Mn}^{+7}\)) восстанавливается до \(\text{Mn}^{+2}\), образуя растворимые сульфаты марганца (\(\text{MnSO}_4\)) и калия (\(\text{K}_2\text{SO}_4\)).
Таким образом, ключевое отличие заключается в форме продукта окисления (соль или свободная кислота) и в продукте восстановления перманганата (осадок \(\text{MnO}_2\) или растворимые ионы \(\text{Mn}^{2+}\)).
Вывод: Наиболее точным и полным является вариант d.
Пример реакции (общее представление):
Пусть у нас есть толуол (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3\)), который окисляется до бензойной кислоты (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{COOH}\)).
1. В щелочной/нейтральной среде:
\[\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + 2\text{KMnO}_4 \xrightarrow{\text{OH}^- / \text{H}_2\text{O}} \text{C}_6\text{H}_5\text{COOK} + 2\text{MnO}_2 \downarrow + \text{KOH} + \text{H}_2\text{O}\]
Образуется бензоат калия (соль) и осадок диоксида марганца.
2. В кислой среде (с \(\text{H}_2\text{SO}_4\)):
\[5\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + 6\text{KMnO}_4 + 9\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 5\text{C}_6\text{H}_5\text{COOH} + 6\text{MnSO}_4 + 3\text{K}_2\text{SO}_4 + 14\text{H}_2\text{O}\]
Образуется бензойная кислота и растворимые сульфаты марганца и калия.
Окончательный ответ: d.