Разработка занятия «Установление кратной связи алкинов по продуктам их окисления»

Автор: Абдрахманова Гульназ Мидхатовна

Организация: МБУ ДО «Детский эколого-биологический центр» НМР РТ

Населенный пункт: Республика Татарстан, г.Нижнекамск

Пояснительная записка

Актуальность. Эксперимент — важнейший путь связи теории с практикой при обучении химии, путь превращения знаний в убеждения. Он знакомит учащихся с методами химической науки, лабораторным оборудованием, реактивами, правилами безопасности. При выполнении опытов учащиеся учатся наблюдать, анализировать, делать выводы, обращаться с оборудованием и реактивами. Они убеждаются, что сложными химическими процессами можно управлять, что в явлениях нет ничего таинственного, они подчиняются естественным законам. Исследовательский вид химического эксперимента направлен на развитие у учащихся навыков научного исследования: постановку гипотезы, планирование и проведение эксперимента, анализ полученных данных и формулирование выводов. Проблемный вид эксперимента создаёт проблемные ситуации, требует от учащихся выдвижения гипотез, их проверки и формулирования выводов на основе собственных наблюдений. Такой подход развивает исследовательское мышление. При этом выполняет функции: корректирующую (выдвижения гипотезы и её подтверждения на основании проведённого опыта) и обобщающую (выработка предпосылок для построения различных типов эмпирических обобщений. Например, с помощью серии опытов можно сделать вывод о принадлежности различных классов веществ к определённым классам неорганических соединений). Конечно, важным при проведении химического эксперимента является постоянное приучение обучающихся необходимости строго соблюдать правила техники безопасности.

На протяжении более 25 лет преподавания химии учащимся профильных классов химико-биологического и медицинского профилей всегда актуальным стоял вопрос понимания учащимися зависимости продуктов окисления от характера процесса (строение окисляемой молекулы, силы окислителя, кислотности среды, температуры). Наименее освещенным в литературе и методических пособиях оказался раздел по окислению алкинов. С этой целью интересным представляется эксперимент по изучению продуктов окисления алкинов в зависимости от характера реакции, который также позволит и предположить и/или установить местоположение кратной связи.

Тема: Установление кратной связи алкинов по продуктам их окисления.

Цель: получение и изучение продуктов окисления алкинов различными окислителями.

Задачи:

• Обучающая – получение и изучение продуктов окисления алкинов для установления положения кратной связи, а также влияние условий окисления на характер протекания процесса;
• Развивающая – привитие лабораторных навыков грамотного проведения эксперимента, анализ и обсуждение полученных результатов, умение выдвигать предположения и гипотезы для предсказания подобных реакций;
• Воспитательная – способность к индивидуальной и коллективной работе, привитие устойчивого интереса к химии, воспитание экологического сознания.

Предмет - химия

Класс – 10, 11

Форма – практическое занятие - научный эксперимент

Технологии – развивающее обучение, метод проблемного изучения

Основная часть

1. Теоретическая часть.

Ацетилен и его гомологи легко окисляются различными окислителями (перманганатом калия в кислой и щелочной среде, дихроматом калия в кислой среде и др.). Строение продуктов окисления зависит от природы окислителя и условий проведения реакций.

Алкины окисляются в несколько более жестких условиях, чем алкены, поэтому они обычно окисляюся с разрывом углеродной цепи по тройной связи. Как и в случае алкенов, атомы-восстановители здесь - атомы углерода, связанные кратной связью. В результате образуются карбоновые кислоты и углекислый газ:

KMnO₄

RC¹ ≡ C²R RC¹OOH + RC²OOH

H₂O, t ^oC

Алкины обесцвечивают разбавленный раствор перманганата калия, что используется для доказательства их ненасыщенности. В этих условиях происходит мягкое окисление без разрыва σ-связи С–С (разрушаются только π-связи) и образуются 1,2-дикарбонильные соединения:

KMnO₄

CH₃(CH₃)₇C≡ C(CH₂)₇COOH CH₃(CH₃)₇ C –C (CH₂)₇COOH

H₂O, pH 7.5, 5^oC O O

В большинстве же случаев окисление сопровождается расщеплением тройной связи и образованием карбоновых кислот.

Историческая справка. Алкины с неконцевой тройной связью служат потенциальным источником для синтеза 1,2-дикетонов при действии подходящего окислителя. Однако до сих пор не найдено универсального реагента, вызывающего окисление тройной углерод–углеродной связи до 1,2-дикарбонильной группы. Предлагавшийся для этой цели RuO₄– оксид рутения (VIII) – слишком дорог и часто вызывает дальнейшую окислительную деструкцию 1,2-дикетонов до карбоновых кислот.

Озонолиз алкинов также протекает с расщеплением тройной углерод-углеродной связи:

1. O₃

RC¹ ≡ C²R RC¹OOH + RC²OOH

2. H₂O₂

Под действием кислорода воздуха в спирте, пиридине и др. растворителях или гексацианоферрата (III) калия K3[Fe(CN)6] в диметоксиэтане или ДМФА ацетилениды меди (I) окисляются в 1,3-диины (реакция Глазера):

NH₃ O₂

PhC ≡ CH + Cu₂Cl₂ PhC ≡ CCu PhC ≡ С- С ≡ CPh

спирт спирт 90%

Эглинтон предложил значительно более удобную модификацию окислительной конденсации алкинов. Алкин-1 окисляют ацетатом меди (I) в растворе пиридина при 60-70 ⁰С.

Для получения несимметричных диинов используют конденсацию

галогенацетиленов с алкином-1 в присутствии солей меди (I) и первичного амина (сочетание по Кадио-Ходкевичу):

 

Cu₂Cl₂

RC ≡ CBr + HC ≡ CR¹ RC ≡ C - C ≡ CR¹

C₂H₅NH₂, CH ₃OH

2. Экспериментальная часть.

Оборудование. Комплект «Микролаборатория по химии».

Реактивы. Растворы KMnO₄, K₂Cr₂O₇, H₂O₂, H₂SO₄, NaOH, H₂O.

Опыт №1.

Окисление раствором KMnO₄ .

• Пропускаем алкин с неизвестным положением кратной связи через кислый раствор KMnO₄.

Если кратная связь концевая, то при окислении выделяется углекислый газ:

5 CH₃C≡ CH + 8KMnO₄ + 12H₂SO₄ = 5СН₃СООН + 5СО₂↑+ 8MnSO₄ + 4K₂SO₄ + 12H₂O,

который вызывает помутнение известковой воды:

CО₂ + Са(ОН)₂ = СаСО₃↓+ H₂O.

Отличие: Ацетилен в при таких же условиях образует щавелевую кислоту:

5НC ≡СН + 8 KMnO₄ + 12H₂SO₄ = 5HООС – СООН + 8MnSO₄ + 4K₂SO₄ + 12H₂O.

При увеличении концентрации окислителя из ацетилена образуется диоксид углерода:

НC ≡СН + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 2 CО₂↑ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 4H₂O.

• При окислении алкина через нейтральный раствор KMnO₄, выпадает бурый осадок MnO₂ образуется соль карбоновой кислоты:

H₃C-C≡ C-СH₃ + 2KMnO₄ = 2СH₃ – СООК + 2MnO₂↓

Ацетилен в этих условиях образует оксалат калия:

3НC ≡СН + 8KMnO₄ = 3КООС – СООК + 8MnO₂↓+ 2KOН + 2H₂O.

Мы попробовали снизить температуру процесса до 0∞С и точно выдержать нейтральную среду (рН=7), при этом получили дикетон:

3H₃C-C≡ C-СH₃ + 4KMnO₄ + 2H₂O = 3H₃C- C- C-СH₃ + 4MnO₂↓ + 4КОН

О О

Вывод. По продуктам окисления алкина перманганатом калия (очень разбавленный раствор) мы может установить положение кратной связи: в кислой среде выделение углекислого газа говорит о концевом ее расположении, а образование α-дикетона в совершенно нейтральной среде (рН 7–8, 0∞С) свидетельствует об окислении дизамещенных ацетиленов.

Опыт №2.

Окисление озоном.

Получаем озон, пропуская кислород воздуха через озонатор.

Далее сравниваем продукты озонолиза различных алкинов:

• При окислении алкина-1 озоном образуются карбоновая кислоты и углекислый газ:

3H₃C-C≡ CH +4O₃ 3H₃C-CООН + 3СO₂↑

• Окисление дизамещенных алкинов озоном приводит к образованию карбоновых кислот:

H₃C-C≡ C-СH₃ + O₃ + H₂O 2H₃C-CООН

Вывод. Продукты окисления алкина озоном позволяют установить положение кратной связи: выделение углекислого газа говорит о концевом ее расположении, а образование карбоновых кислот свидетельствует об окислении дизамещенных ацетиленов.

Учащиеся заполняют в тетради практическую часть и полученные результаты заносят в таблицу.

№ эксперимента	Схема процесса (уравнения реакций)	Особенности процесса (условия, продукты, качественные изменения)	Выводы по процессу (установление/предположение положения кратной связи)
1.
2.

 

В конце занятия педагог с учащимися проводит совместное обсуждение полученных результатов.

Дополнительно к экспериментальной части педагог планирует закрепление материала с помощью решения расчетных задач по данной теме [9,11,12]

Заключение

Таким образом, химический эксперимент —многофункциональный инструмент, который значительно повышает эффективность усвоения материала, формирует научное мышление учащихся и способствует их всестороннему развитию.

В ходе выполнения и по завершению данного химического эксперимента учащиеся будут знать:

• Влияние условий на характер протекания ОВР;
• Зависимость продуктов от строения органической молекулы;
• Исторически более ранние и современные способы окисления алкинов, применении этих способов в органическом синтезе;
• Использование научно-исследовательского подхода при изучении строения и свойств органических веществ.

Учащиеся будут уметь:

• Грамотно планировать эксперимент: подбор реактивов, условий реакций, необходимого оборудования, соблюдать ТБ и ППБ;
• Анализировать, обобщать и обсуждать полученные в ходе эксперимента результаты;
• Приобретут навыки индивидуальной и коллективной работы, умению высказывать как собственные мнения и суждения, так и выслушивать, анализировать, обсуждать точку зрения оппонентов;
• Бережно относиться к окружающей среде, применении современных методов утилизации отработанных веществ, взаимопомощи. • Список использованной литературы

Основная литература

1. Дьякович, С.В. Внеурочная работа по химии / С.В. Дьякович, Г.С. Качалова. – Новосибирск: Изд-во НГПУ, 1997.
2. Зайцев, О.С. Методика обучения химии: Теоретические и прикладные аспекты / О.С. Зайцев. – М.: ВЛАДОС, 1999.
3. Качалова Г.С. Обучение решению экспериментальных химических задач на компетентностной основе: монография. - Новосибирск: Изд-во НГПУ, 2016. - 163 с.
4. Качалова Г.С., Багавиева Т.К., Бутаков В.В. Лабораторные домашние работы по химии в условиях смешанного обучения: практикум для школьников. - Новосибирск: Изд-во НГПУ, 2021. - 92 с.
5. Пак, М.С. Основы дидактики химии: Учебное пособие / М.С. Пак. – СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И.Герцена, 2004.
6. Общая методика обучения химии / Под ред. Л.А.Цветкова. В 2-х тт. – М.: Просвещение. Т.1, 1981. Т.2, 1982.
7. Обучение химии в 10 классе. В 2-х ч. / Под ред. И.Н.Черткова. – М.: Просвещение, 1992.
8. Обучение химии в 11 классе. Ч.1 / Под ред. И.Н.Черткова. – М.: Просвещение, 1992.
9. Скворцов А.В. Курс лекций по органической химии: Учебное пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. – Ч. 1. Общая органическая химия. Углеводороды. – 96 с.

Дополнительная литература

1. 10.Большой энциклопедический словарь. Химия / Под ред. И.Л. Кнунянца. – М.: Изд-во «Большая Российская энциклопедия», 1998. – 792 с.
2. 11.Каррер П. Курс органической химии. – Л.: Госхимиздат, 1962. – 1216 с.
3. 12.Ким А.М. Органическая химия: Учебное пособие. – Новосибирск: Сибирское университетское изд-во, 2001. – 814 с.
4. 13.Краткая химическая энциклопедия. – М.: Сов. энциклопедия, 1961. – Т.1. – 1262 с.; 1963. – Т.2. – 1086 с.; 1964. – Т. 3. – 1112 с.; 1965. – Т.4. – 1182 с.; 1967. – Т.5. – 1184 с.
5. 14.Левитина Т.П. Справочник по органической химии: Учебное пособие. – СПб.: «Паритет», 2002. – 448 с.