Задание 12 ЕГЭ по химии: свойства и получение углеводородов и кислородсодержащих соединений

Что проверяет задание

Задание 12 проверяет умение соотносить строение органического вещества с его химическими свойствами и способами получения. Здесь нет длинных цепочек превращений — акцент делается на том, вступает ли конкретное вещество в конкретную реакцию с конкретным реагентом. Проверяются две большие группы объектов:

• углеводороды (алканы, алкены, алкины, диены, арены) — их характерные реакции и методы синтеза;
• кислородсодержащие соединения (спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, сложные эфиры) — их реакции и способы получения.

Задание проверяет не заучивание отдельных уравнений, а понимание логики: наличие кратной связи, функциональной группы или определённого типа атома углерода определяет набор возможных реакций.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка: «Из предложенного перечня выберите все вещества, которые...» — далее указывается условие (реагируют с определённым веществом, можно получить в одну стадию, реагируют со всеми перечисленными реагентами одновременно). Дано пять веществ, из которых нужно выбрать два (иногда больше) правильных.

Ответ записывается как последовательность цифр без разделителей, порядок цифр не имеет значения (система засчитывает оба варианта записи). Задание оценивается в 2 балла: 2 балла — оба номера верны и нет лишних, 1 балл — указан один верный номер без ошибочных дополнений, 0 баллов — во всех остальных случаях. Именно поэтому важно не только найти подходящие вещества, но и не добавить лишние.

Что нужно знать

• Общие формулы классов: алканы $C_nH_{2n+2}$, алкены $C_nH_{2n}$, алкины $C_nH_{2n-2}$, диены $C_nH_{2n-2}$, арены (бензольный ряд) $C_nH_{2n-6}$, одноатомные спирты $C_nH_{2n+1}OH$, альдегиды $C_nH_{2n}O$, карбоновые кислоты $C_nH_{2n+1}COOH$.
• Алканы вступают только в реакции замещения (радикальное галогенирование на свету), устойчивы к бромной воде и раствору $KMnO_4$, не реагируют с щелочами.
• Алкены и алкины (наличие $\pi$-связи) дают реакции присоединения: гидрирование ($+H_2$), гидрогалогенирование ($+HBr$), галогенирование ($+Br_2$), гидратация ($+H_2O$), а также легко окисляются — обесцвечивают бромную воду и раствор $KMnO_4$.
• Диены (сопряжённые двойные связи) присоединяют реагенты как в положение 1,2, так и 1,4.
• Арены дают реакции замещения в кольце (нитрование, галогенирование в присутствии катализатора) и присоединения при жёстких условиях (гидрирование), но не обесцвечивают бромную воду на холоде.
• Получение алканов: гидрирование алкенов и алкинов $C_nH_{2n}+H_2\rightarrow C_nH_{2n+2}$, реакция Вюрца, декарбоксилирование солей карбоновых кислот.
• Получение алкенов: дегидрогалогенирование галогеналканов щёлочью, дегидратация спиртов при нагревании с кислотой, дегидрирование алканов, крекинг.
• Получение спиртов: гидратация алкенов $CH_2=CH_2+H_2O\rightarrow C_2H_5OH$, гидролиз галогеналканов, восстановление альдегидов и кислот.
• Получение альдегидов и кислот: окисление первичных спиртов ($R-CH_2OH \rightarrow R-CHO \rightarrow R-COOH$), окисление алкенов и алкинов при жёстких условиях.
• Реакция этерификации: спирт + кислота $\rightleftharpoons$ сложный эфир + вода; реакция обратима и катализируется кислотой.
• Правило Марковникова: при присоединении $HBr$ или $H_2O$ к несимметричному алкену водород присоединяется к более гидрированному атому углерода.

Методы решения

1. Метод анализа кратных связей и функциональных групп. Прежде чем искать реакцию, определите, есть ли в молекуле $\pi$-связь или функциональная группа — именно они диктуют реакционную способность. Пример: если среди вариантов есть алкан (нет кратной связи и функциональной группы), он автоматически не подходит для реакций присоединения и обесцвечивания бромной воды.

2. Метод «одна стадия». В заданиях на получение важно строго считать число превращений. Если из вещества А вещество Б получается только через промежуточное соединение, это не подходит под условие «в одну стадию». Пример: бутановая кислота при декарбоксилировании даёт пропан (потеря одного атома углерода), а не бутан — значит, это не одностадийный способ получения бутана.

3. Метод общего реагента для нескольких веществ одновременно. Когда нужно найти вещества, реагирующие сразу с несколькими указанными реагентами, стройте таблицу «вещество — реагент 1 — реагент 2 — реагент 3» и отмечайте «да/нет». Оставляют только строки, где везде «да». Пример: если требуется реакция с водой, бромоводородом и водородом одновременно, подходят только алкены (или алкины), так как только они дают все три типа присоединения.

4. Метод сравнения устойчивости к окислителям. Раствор $KMnO_4$ и бромная вода — индикаторы наличия кратной связи или легко окисляемой группы (например, альдегидной). Алканы и предельные одноатомные спирты (в мягких условиях) устойчивы к обесцвечиванию, а альдегиды, алкены, алкины обесцвечивают эти реагенты.

5. Метод определения направления получения кислородсодержащих веществ. Для спиртов, альдегидов и кислот держите в голове цепочку окисления: первичный спирт → альдегид → карбоновая кислота. Зная эту последовательность, легко определить, какой реагент (слабый или сильный окислитель) нужен для конкретного превращения.

Алгоритм решения по шагам

1. Прочитайте условие и выделите ключевое требование: реакция с конкретным реагентом, реакция сразу с несколькими реагентами или способ получения указанного вещества в одну стадию.
2. Определите класс каждого вещества из перечня — по формуле, суффиксу названия и наличию кратных связей или функциональных групп.
3. Для каждого вещества мысленно (или на черновике) отметьте, обладает ли оно свойством, требуемым в задании: возможность присоединения, окисления, замещения или конкретного превращения в одну стадию.
4. Исключите вещества, которые по строению не могут дать требуемую реакцию (например, алкан не присоединяет $Br_2$, алканол-2 при дегидратации не даёт бутан).
5. Проверьте оставшиеся варианты на соответствие всем условиям задания одновременно, если реагентов несколько.
6. Запишите номера всех подходящих веществ без пробелов и лишних символов, дважды проверив, что не пропущено подходящее вещество и не добавлено лишнее.

Разбор примеров

Пример 1. Из предложенного перечня выберите все вещества, из которых можно получить бутан в одну стадию: 1) бутанол-1; 2) бутановая кислота; 3) бутен-1; 4) бутен-2; 5) бутанол-2.

Шаг 1. Бутан — это $C_4H_{10}$, предельный углеводород без кратных связей и функциональных групп. Чтобы получить его в одну стадию, нужно либо добавить водород к веществу с кратной связью того же числа атомов углерода, либо использовать реакцию, не меняющую число атомов углерода.

Шаг 2. Проверяем бутен-1 ($CH_2=CH-CH_2-CH_3$) и бутен-2 ($CH_3-CH=CH-CH_3$): оба содержат четыре атома углерода и одну двойную связь. Гидрирование в одну стадию даёт бутан: $CH_2=CH-CH_2-CH_3+H_2\xrightarrow{Ni}C_4H_{10}$ и аналогично для бутена-2. Это подходящие варианты.

Шаг 3. Проверяем бутанол-1 и бутанол-2 — это спирты $C_4H_9OH$. При дегидратации спирта в одну стадию образуется алкен, а не алкан (отщепляется вода, а не присоединяется водород). Чтобы из спирта получить алкан, нужно как минимум две стадии (сначала дегидратация до алкена, затем гидрирование). Значит, спирты не подходят.

Шаг 4. Проверяем бутановую кислоту $C_3H_7COOH$. При декарбоксилировании (реакция Дюма или сплавление соли с щёлочью) теряется атом углерода карбоксильной группы, и получается пропан $C_3H_8$, а не бутан. По числу атомов углерода это вещество не может дать бутан в одну стадию.

Шаг 5. Итог: подходят только бутен-1 и бутен-2, то есть номера 3 и 4. Ответ: 34.

Пример 2. Из предложенного перечня выберите все вещества, с которыми взаимодействует пентан: 1) хлор на свету; 2) раствор $KMnO_4$; 3) бром на свету; 4) бромная вода; 5) раствор $KOH$.

Шаг 1. Пентан $C_5H_{12}$ — предельный алкан, в молекуле нет кратных связей и функциональных групп, поэтому единственный доступный тип реакции — радикальное замещение атомов водорода под действием света или высокой температуры.

Шаг 2. Хлор на свету инициирует радикальное хлорирование: $C_5H_{12}+Cl_2\xrightarrow{h\nu}C_5H_{11}Cl+HCl$. Реакция идёт, вариант подходит.

Шаг 3. Бром на свету — аналогичная реакция радикального бромирования: $C_5H_{12}+Br_2\xrightarrow{h\nu}C_5H_{11}Br+HBr$. Реакция идёт медленнее, чем с хлором, но она возможна, вариант подходит.

Шаг 4. Раствор $KMnO_4$ — сильный окислитель, обесцвечивающийся при наличии кратных связей или легко окисляемых групп. У пентана таких особенностей нет, алканы устойчивы к окислению в обычных условиях, реакция не идёт.

Шаг 5. Бромная вода — реагент для реакций присоединения по кратной связи (проба на ненасыщенность). Пентан не имеет кратных связей, присоединения не происходит, обесцвечивания нет.

Шаг 6. Раствор $KOH$ реагирует с веществами, содержащими подвижный атом водорода в кислотной группе или галоген в определённых условиях, но не с предельным углеводородом без функциональных групп — реакция не идёт.

Шаг 7. Итог: пентан реагирует только с хлором и бромом на свету, то есть подходят варианты 1 и 3. Ответ: 13.

Пример 3. Из перечня выберите все вещества, которые реагируют с каждым из трёх веществ — водой, бромоводородом и водородом: 1) пропан; 2) этилен; 3) бутен-1; 4) этан; 5) хлорметан.

Шаг 1. Строим таблицу совместимости. Для реакции с водой (гидратация) требуется кратная связь и катализатор (кислота): реакция характерна для алкенов и алкинов. Для реакции с бромоводородом (гидрогалогенирование) требуется тоже кратная связь. Для реакции с водородом (гидрирование) требуется кратная связь и катализатор (никель, платина).

Шаг 2. Проверяем пропан $C_3H_8$ — предельный алкан, нет кратной связи, ни одна из трёх реакций не идёт.

Шаг 3. Проверяем этилен $CH_2=CH_2$ — есть двойная связь. Гидратация: $CH_2=CH_2+H_2O\xrightarrow{H^+}C_2H_5OH$. Гидрогалогенирование: $CH_2=CH_2+HBr\rightarrow C_2H_5Br$. Гидрирование: $CH_2=CH_2+H_2\xrightarrow{Ni}C_2H_6$. Все три реакции идут, этилен подходит.

Шаг 4. Проверяем бутен-1 $CH_2=CH-CH_2-CH_3$ — также есть двойная связь, все три типа присоединения возможны по тому же принципу, как у этилена. Бутен-1 подходит.

Шаг 5. Проверяем этан $C_2H_6$ — предельный алкан, аналогично пропану, ни одна из трёх реакций не идёт.

Шаг 6. Проверяем хлорметан $CH_3Cl$ — нет кратной связи, с водородом и бромоводородом при обычных условиях не реагирует, с водой возможен только гидролиз в жёстких условиях (не совпадает с условием реакции по типу присоединения), поэтому не подходит под требуемый набор реакций.

Шаг 7. Итог: одновременно с водой, бромоводородом и водородом реагируют только этилен и бутен-1 — номера 2 и 3. Ответ: 23.

Типичные ошибки и ловушки

• Путают число стадий: забывают, что дегидратация спирта даёт алкен, а не алкан, и что для получения алкана из спирта нужны две стадии.
• Неверно оценивают устойчивость алканов к окислителям — ошибочно считают, что алканы обесцвечивают раствор $KMnO_4$ или бромную воду.
• Забывают об изменении числа атомов углерода при декарбоксилировании кислот — это меняет итоговый углеводород.
• Не учитывают, что арены не обесцвечивают бромную воду на холоде, хотя формально содержат «ненасыщенность» в структуре.
• Выбирают вещество, подходящее лишь для одного из нескольких требуемых реагентов, забывая проверить остальные условия одновременно.
• Путают правило Марковникова и получают неверный продукт присоединения при выборе структуры промежуточного вещества.
• Забывают, что реакция этерификации обратима, и ошибочно считают сложный эфир устойчивым к гидролизу.

Как готовиться

Составьте для себя компактную таблицу классов органических соединений с указанием характерных реакций (замещение, присоединение, окисление, конденсация) и типовых способов получения каждого класса — эта таблица должна закрывать все восемь-девять основных классов, встречающихся в заданиях. Разбирайте задания блоками: сначала все на углеводороды, затем все на кислородсодержащие соединения, чтобы закрепить логику именно внутри темы, а не перескакивать между классами. При тренировке всегда проверяйте оба направления: и подходящие, и неподходящие варианты — объясняйте себе вслух, почему конкретное вещество не даёт указанную реакцию, это исключает случайные угадывания. Обращайте особое внимание на условие «в одну стадию» — заведите привычку считать число превращений на черновике. Регулярно повторяйте отличия в поведении алканов, алкенов, алкинов, аренов, спиртов, альдегидов и кислот по отношению к типичным реагентам заданий: бромной воде, раствору $KMnO_4$, водороду, галогенам, щелочам и воде — это база, на которой строится почти всё задание 12.