Задание 15 ЕГЭ по химии: свойства спиртов, альдегидов, кислот и эфиров

Что проверяет задание

Задание 15 проверяет знание химических свойств кислородсодержащих органических соединений: спиртов, альдегидов, карбоновых кислот, сложных эфиров и фенола. От школьника требуется не пересказ теории, а умение работать со схемой реакции: по реагенту и условиям определить, какое вещество X вступает в реакцию, либо какой продукт образуется. Здесь проверяются два ключевых навыка — узнавание типа реакции по внешним признакам (реагент, катализатор, температура) и знание конкретных превращений: окисление, дегидратация, дегидрирование, этерификация, гидролиз, качественные реакции.

Задание строится на принципе множественного соответствия: одна и та же реакция может протекать по-разному в зависимости от строения исходного вещества (первичный, вторичный, третичный спирт), поэтому важно уметь классифицировать структуру, а не просто помнить отдельные уравнения.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка: "Установите соответствие между схемой реакции и веществом X, принимающим в ней участие: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой". Даются четыре схемы реакций (А, Б, В, Г) с указанием реагента и условий над стрелкой и известным продуктом справа, а также список из шести веществ, из которых нужно выбрать подходящее X для каждой схемы.

Задание оценивается в 2 балла: 2 балла — если все четыре соответствия установлены верно, 1 балл — если допущена ровно одна ошибка, 0 баллов — при двух и более ошибках. Важная особенность: одно и то же вещество из списка может использоваться в ответе несколько раз, если оно подходит к разным схемам одновременно (например, один и тот же спирт может и дегидратироваться, и окисляться разными способами).

Что нужно знать

• Первичный спирт при мягком окислении даёт альдегид: $R\text{-}CH_2OH \xrightarrow{[O]} R\text{-}CHO$
• Альдегид при окислении даёт карбоновую кислоту: $R\text{-}CHO \xrightarrow{KMnO_4,\,H^+} R\text{-}COOH$
• Вторичный спирт при окислении даёт кетон: $R\text{-}CH(OH)\text{-}R' \xrightarrow{[O]} R\text{-}CO\text{-}R'$
• Третичный спирт не окисляется в обычных условиях (нет атома H у гидроксильного углерода)
• Внутримолекулярная дегидратация спирта (конц. $H_2SO_4$, $t$) даёт алкен по правилу Зайцева: отщепление воды идёт так, что водород уходит от менее гидрогенизированного соседнего атома углерода
• Межмолекулярная дегидратация двух молекул спирта (более низкая температура) даёт простой эфир: $2R\text{-}OH \xrightarrow{H_2SO_4,\,t} R\text{-}O\text{-}R + H_2O$
• Каталитическая дегидратация-дегидрирование этанола по методу Лебедева ($ZnO,\,Al_2O_3,\,t$) даёт бутадиен-1,3: $2C_2H_5OH \rightarrow CH_2{=}CH{-}CH{=}CH_2 + 2H_2O + H_2$
• Реакция серебряного зеркала — качественная реакция на альдегиды: $R\text{-}CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow R\text{-}COONH_4 + 2Ag + 3NH_3 + H_2O$
• Реакция Кучерова: гидратация алкинов даёт альдегид (для ацетилена) или кетон (для гомологов ацетилена)
• Карбонилирование метанола (промышленный синтез уксусной кислоты): $CH_3OH + CO \xrightarrow{t,\,P,\,кат.} CH_3COOH$
• Этерификация: спирт + карбоновая кислота $\rightarrow$ сложный эфир + вода, катализатор $H_2SO_4$
• Гидролиз сложного эфира (обратная этерификации реакция) в кислой или щелочной среде даёт спирт и кислоту (или соль кислоты при щелочном гидролизе)
• Фенол реагирует с щёлочью как слабая кислота, даёт качественную реакцию с $FeCl_3$ (фиолетовое окрашивание) и с бромной водой (белый осадок трибромфенола)
• При определении числа атомов углерода в продукте и реагенте помните: дегидратация и дегидрирование не меняют число атомов C, а окисление до кислоты также сохраняет число атомов C (при мягком окислении альдегидной группы)

Методы решения

Метод "от условий к классу реакции". Реагент и условия над стрелкой почти всегда однозначно указывают на тип превращения. $H_2SO_4$ при нагревании со спиртом — дегидратация (алкен или эфир, зависит от температуры и структуры); $KMnO_4/H^+$ — жёсткое окисление; $[Ag(NH_3)_2]OH$ — реакция серебряного зеркала, работает только с альдегидами; $ZnO, Al_2O_3, t$ — специфическая реакция Лебедева именно для этанола. Пример: если видите схему $X \xrightarrow{[Ag(NH_3)_2]OH} R\text{-}COONH_4$, сразу понятно, что X — альдегид с тем же радикалом R.

Метод анализа продукта "в обратную сторону". Если дан конечный продукт, нужно восстановить структуру исходного вещества, применив обратную логику реакции. Пример: продукт — кетон бутанон $CH_3\text{-}CO\text{-}CH_2\text{-}CH_3$. Кетоны получаются только из вторичных спиртов, значит X — вторичный спирт с тем же скелетом: $CH_3\text{-}CH(OH)\text{-}CH_2\text{-}CH_3$ (бутанол-2).

Метод подсчёта атомов углерода. Число атомов углерода в цепи должно совпадать у X и у продукта (если реакция не меняет углеродный скелет). Пример: продукт — диэтиловый эфир $C_2H_5\text{-}O\text{-}C_2H_5$, в каждой "половине" эфира 2 атома углерода, значит спирт-предшественник тоже имеет 2 атома углерода — это этанол, а не пропанол.

Метод определения первичности/вторичности спирта по продукту окисления. Если продукт окисления — альдегид (группа $\text{-}CHO$), исходный спирт первичный. Если продукт — кетон (группа $\text{C=O}$ между двумя углеродными радикалами), спирт вторичный. Пример: продукт ацетон $CH_3\text{-}CO\text{-}CH_3$ получен только из вторичного изопропанола $CH_3\text{-}CH(OH)\text{-}CH_3$, никакой первичный спирт такого дать не может.

Метод исключения по формулам списка. Когда после анализа реакции понятен класс и число атомов углерода искомого вещества, из шести предложенных формул сразу отбрасываются те, что относятся к другому классу или имеют иное число атомов C. Это резко сужает выбор и часто оставляет только один вариант.

Алгоритм решения по шагам

1. Для каждой схемы (А, Б, В, Г) прочитайте реагент и условия над стрелкой — определите тип реакции (дегидратация, окисление, этерификация, качественная реакция и т.д.).
2. Посмотрите на указанный продукт реакции — определите его класс (алкен, эфир, кислота, кетон, альдегид, соль и т.п.) и число атомов углерода.
3. Восстановите строение X, применив обратную логику найденной реакции (первичный/вторичный спирт, альдегид с тем же R, спирт с тем же скелетом при дегидратации).
4. Сопоставьте полученную структуру X с формулами из списка веществ, отбросив явно неподходящие по классу или числу атомов C.
5. Проверьте, не повторяется ли одно и то же вещество для нескольких схем — это допустимо, если структура действительно подходит под разные условия.
6. Запишите цифры под соответствующими буквами в требуемом порядке.

Разбор примеров

Пример 1 (и идентичный пример 2). Даны схемы:

А) $X \xrightarrow{H_2SO_4,\,t}$ бутен-2

Б) $X \xrightarrow{ZnO,\,Al_2O_3,\,t}$ бутадиен-1,3

В) $X \xrightarrow{H_2SO_4,\,t}$ метилпропен

Г) $X \xrightarrow{KMnO_4,\,H^+}$ бутанон

Список веществ: 1) $CH_3CH_2OH$; 2) $CH_3CH_2CH_2COOH$; 3) $(CH_3)_2CHCH_2OH$; 4) $CH_3CHO$; 5) $CH_3CH_2CH(OH)CH_3$; 6) $CH_3CH_2CH_2CHO$.

Шаг 1 (А). Реагент $H_2SO_4, t$ со спиртом — внутримолекулярная дегидратация, продукт алкен по правилу Зайцева. Бутен-2 $CH_3{-}CH{=}CH{-}CH_3$ образуется из бутанола-2 $CH_3{-}CH(OH){-}CH_2{-}CH_3$ (вещество 5), так как отщепление воды идёт с образованием более замещённой двойной связи в середине цепи.

Шаг 2 (Б). Условия $ZnO, Al_2O_3, t$ — это специфическая реакция Лебедева, применимая только к этанолу, дающая бутадиен-1,3: $2C_2H_5OH \rightarrow CH_2{=}CH{-}CH{=}CH_2 + 2H_2O + H_2$. X = этанол, вещество 1.

Шаг 3 (В). Снова $H_2SO_4, t$, но продукт — метилпропен (изобутилен) $(CH_3)_2C{=}CH_2$. Дегидратация первичного спирта изобутанола $(CH_3)_2CH{-}CH_2OH$ (вещество 3) идёт через промежуточную перегруппировку карбокатиона, давая более стабильный третичный алкен. X = 3.

Шаг 4 (Г). $KMnO_4, H^+$ — жёсткое окисление. Продукт бутанон $CH_3{-}CO{-}CH_2{-}CH_3$ — кетон, значит исходный спирт вторичный с тем же скелетом: бутанол-2, то есть вновь вещество 5.

Ответ: АБВГ = 5, 1, 3, 5. Обратите внимание — вещество 5 использовано дважды, это допустимо, поскольку бутанол-2 действительно даёт разные продукты в зависимости от условий (дегидратация в А, окисление в Г).

Пример 3. Даны схемы:

А) $X \xrightarrow{CO,\,t,\,P,\,кат.}$ уксусная кислота

Б) $X \xrightarrow{[Ag(NH_3)_2]OH}$ пропионат аммония

В) $X \xrightarrow{H_2SO_4,\,t}$ диэтиловый эфир

Г) $X \xrightarrow{KMnO_4,\,H^+}$ ацетон

Список веществ: 1) $CH_3OH$; 2) $CH_3CH_2OH$; 3) $CH_3CH(OH)CH_3$; 4) $CH_3CH_2CH{=}O$; 5) $CH_3CH_2COOH$; 6) $HCOOCH_3$.

Шаг 1 (А). Реакция карбонилирования метанола — промышленный способ получения уксусной кислоты: $CH_3OH + CO \xrightarrow{t,P,кат.} CH_3COOH$. X = метанол, вещество 1.

Шаг 2 (Б). Реактив Толленса $[Ag(NH_3)_2]OH$ реагирует только с альдегидами, окисляя их до солей аммония соответствующих кислот. Продукт — пропионат аммония $CH_3CH_2COONH_4$, значит исходный альдегид — пропаналь $CH_3CH_2CH{=}O$, вещество 4.

Шаг 3 (В). $H_2SO_4, t$ с образованием простого эфира — межмолекулярная дегидратация спирта: $2C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4,t} C_2H_5{-}O{-}C_2H_5 + H_2O$. X = этанол, вещество 2.

Шаг 4 (Г). $KMnO_4, H^+$ окисляет вторичный спирт до кетона. Продукт ацетон $CH_3{-}CO{-}CH_3$ получается из изопропанола $CH_3CH(OH)CH_3$, вещество 3.

Ответ: АБВГ = 1, 4, 2, 3.

Типичные ошибки и ловушки

Частая ошибка — перепутать продукт мягкого и жёсткого окисления первичного спирта: при мягком окислении получается альдегид, при жёстком (например, $KMnO_4$) — сразу кислота, минуя альдегидную стадию в условиях задачи. Нужно внимательно смотреть на реагент.

Вторая распространённая ошибка — не учитывать разницу между внутримолекулярной и межмолекулярной дегидратацией спирта под действием одного и того же реагента $H_2SO_4$: при более высокой температуре преимущественно образуется алкен, при более низкой — простой эфир. В задании это обычно уточняется продуктом, а не температурой явно, поэтому смотреть нужно на итоговое вещество справа от схемы.

Третья ошибка — забывать, что третичные спирты не окисляются в обычных условиях $KMnO_4/H^+$ без разрыва углеродного скелета, поэтому если в списке предложен третичный спирт как ответ на схему с окислением до кетона или кислоты, это неверный выбор.

Четвёртая ошибка — путать правило Зайцева при дегидратации: отрыв воды идёт так, что образуется наиболее замещённый (термодинамически стабильный) алкен, а не тот, что кажется "проще" по расположению групп.

Пятая ошибка — не допускать повторного использования одной цифры в ответе, если задание позволяет использовать вещество несколько раз для разных схем; отказ от повтора из-за привычки "одна цифра — одна буква" приводит к неверному ответу.

Шестая ошибка — при работе с реактивом Толленса или реактивом Фелинга забывать, что они реагируют только с альдегидами (и муравьиной кислотой/её эфирами как исключением), но не с кетонами, спиртами или обычными карбоновыми кислотами.

Как готовиться

Составьте таблицу характерных реагентов и условий для каждого типа реакции: окисление мягкое/жёсткое, дегидратация внутри- и межмолекулярная, дегидрирование, качественные реакции на альдегиды и фенол, этерификация и гидролиз. Рядом с каждым реагентом запишите общий вид продукта в общем виде через радикалы R.

Отдельно проработайте вопрос первичных, вторичных и третичных спиртов: для каждого типа выучите, что получается при окислении, и потренируйтесь распознавать тип спирта по структурной формуле за несколько секунд.

Решайте задания на соответствие в обе стороны: не только "по реагенту определить продукт", но и "по продукту восстановить реагент и исходное вещество" — именно этот навык чаще всего требуется в задании 15.

Обращайте внимание на именные реакции (Лебедева, Кучерова, реакция серебряного зеркала, карбонилирование метанола) — они часто встречаются в заданиях и имеют уникальные, легко запоминаемые условия, которые сразу указывают на класс исходного вещества.

После разбора каждого задания сверяйте не только финальный набор цифр, но и полную логическую цепочку: реагент → тип реакции → класс продукта → структура X. Это помогает находить место, где допущена ошибка, и закреплять правильный алгоритм рассуждения на будущее.