Задание 16 ЕГЭ по химии: цепочки углеводородов и кислородсодержащих веществ

Что проверяет задание

Задание 16 проверяет умение видеть логику органической химии: как один класс соединений превращается в другой при действии конкретных реагентов и условий. В цепочке даны три вещества, а между ними — два «пустых места» X и Y, которые нужно заполнить, выбрав подходящие реагенты из предложенного списка. Проверяется знание характерных реакций углеводородов (алканов, алкенов, алкинов, диенов, аренов) и кислородсодержащих соединений (спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, эфиров), а также умение определять тип превращения на каждом шаге — присоединение, отщепление, окисление, восстановление или замещение.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка: «Задана следующая схема превращений веществ: $A \xrightarrow{X} B \xrightarrow{Y} C$. Определите, какие из указанных веществ являются веществами X и Y». Далее приводится список из пяти реагентов или условий, пронумерованных от 1 до 5. Нужно выбрать номер для X и номер для Y и записать их подряд в виде двузначного числа, например «52».

Задание относится к части 1 экзамена, уровень сложности — повышенный. За полностью верный ответ (обе позиции угаданы правильно) даётся 2 балла. Если верно определена только одна из двух позиций, начисляется 1 балл. При полностью неверном ответе — 0 баллов. На выполнение обычно уходит не более 3–4 минут, если хорошо знать типовые реакции.

Что нужно знать

• Общие формулы рядов: алканы $C_nH_{2n+2}$, алкены $C_nH_{2n}$, алкины и диены $C_nH_{2n-2}$, арены $C_nH_{2n-6}$.
• Формулы кислородсодержащих соединений: одноатомные спирты $C_nH_{2n+1}OH$, альдегиды и кетоны $C_nH_{2n}O$, одноосновные предельные кислоты $C_nH_{2n}O_2$.
• Гидратация кратной связи: присоединение $H_2O$ по правилу Марковникова (катализатор $H_2SO_4$); для алкинов — реакция Кучерова с катализатором $HgSO_4$, продукт — альдегид (из ацетилена) или кетон (из прочих алкинов).
• Дегидратация спиртов: концентрированная $H_2SO_4$ при нагревании выше 140 °C — внутримолекулярная дегидратация с образованием алкена; при более низкой температуре и избытке спирта — межмолекулярная дегидратация с образованием простого эфира.
• Дегидрогалогенирование: спиртовой раствор $KOH$ отщепляет $HX$ с образованием кратной связи (правило Зайцева).
• Гидролиз галогенопроизводных: водный раствор $KOH$ замещает галоген на гидроксильную группу, образуя спирт.
• Окисление первичных спиртов: мягкий окислитель ($CuO$, слабый $KMnO_4$) даёт альдегид; более сильный окислитель ($KMnO_4$ или $K_2Cr_2O_7$ в кислой среде) доводит до карбоновой кислоты.
• Окисление вторичных спиртов даёт кетоны; дальнейшее окисление кетонов в обычных условиях не идёт, разрыв цепи возможен только в жёстких условиях.
• Окисление альдегидов до кислот: $KMnO_4$, $K_2Cr_2O_7$ (кислая среда), реактив Толленса $Ag(NH_3)_2OH$, реактив Фелинга — качественные реакции.
• Мягкое окисление алкенов (разбавленный $KMnO_4$, нейтральная или слабощелочная среда, без нагрева) даёт двухатомные спирты (гликоли), связь $C=C$ не разрывается.
• Жёсткое окисление алкенов и алкинов (концентрированный $KMnO_4$, кислая среда, нагревание) разрывает кратную связь с образованием карбоновых кислот, кетонов или $CO_2$.
• Восстановление: $H_2$ в присутствии $Ni$, $Pt$ или $Pd$ превращает альдегиды и кетоны в спирты, алкины и алкены — в алканы.
• Специфические реакции (тримеризация ацетилена, реакция Вюрца) встречаются реже, но нужно узнавать их по структуре продукта.

Методы решения

Метод 1. Анализ изменения состава. Сравните формулы соседних веществ: что прибавилось или убавилось. Если прибавилась вода — гидратация; если убавилась — дегидратация; если прибавился галогеноводород — гидрогалогенирование, если убавился — дегидрогалогенирование. Пример: $C_2H_4 \to C_2H_5OH$ — состав увеличился на $H_2O$, значит реагент — вода при кислотном катализе, реакция гидратации.

Метод 2. Оценка степени окисления углерода функциональной группы. Если степень окисления углерода растёт — нужен окислитель ($KMnO_4$, $K_2Cr_2O_7$, $O_2$, $CuO$); если падает — нужен восстановитель ($H_2$). Пример: переход $CH_3CHO \to C_2H_5OH$ — степень окисления углерода альдегидной группы уменьшается, значит требуется восстановитель $H_2$ с катализатором $Ni$.

Метод 3. Определение типа реакции по разрыву и образованию связей. Отщепление атомов от соседних атомов углерода с образованием кратной связи — элиминирование (спиртовой $KOH$); присоединение атомов к кратной связи — присоединение ($H_2O$, $H_2$, $HX$); замена группы без изменения кратности связей — замещение (водный $KOH$). Пример: $CH_3CH_2Cl \to CH_2=CH_2$ — отщепление $HCl$, реагент спиртовой $KOH$.

Метод 4. «Обратный ход» от конечного продукта. Иногда проще понять реагент, посмотрев не на исходное вещество, а на конечный продукт, и подумав, какой реакцией его можно получить из предполагаемого промежуточного вещества. Пример: если в конце цепочки стоит карбоновая кислота, а перед ней — альдегид, последний реагент почти всегда окислитель.

Метод 5. Узнавание «именных» реакций по структурным признакам. Тройная связь и вода в присутствии соли ртути — реакция Кучерова; спирт и концентрированная кислота при нагревании — дегидратация по Зайцеву; галогеналкан и спиртовая щёлочь — дегидрогалогенирование. Пример: $CH_3-C\equiv CH \xrightarrow{H_2O,\,HgSO_4} CH_3-CO-CH_3$ — гидратация несимметричного алкина по Кучерову даёт кетон.

Алгоритм решения по шагам

1. Определить структурную формулу и класс каждого вещества в цепочке: посчитать атомы углерода, найти функциональные группы и кратные связи.
2. Для каждой стрелки выявить, что именно изменилось: число атомов углерода, тип функциональной группы, степень окисления, количество атомов водорода, кислорода или галогена.
3. Определить тип превращения: присоединение, отщепление, замещение, окисление или восстановление.
4. Из предложенного списка выбрать реагент, реализующий именно этот тип превращения, учитывая концентрацию кислоты, среду и катализатор.
5. Проверить совместимость выбранного реагента со структурой исходного вещества.
6. Записать номера реагентов для X и Y в требуемом порядке.

Разбор примеров

Пример 1. Схема: $C_2H_2 \xrightarrow{X} CH_3CHO \xrightarrow{Y} C_2H_5OH$. Список: 1) $O_2$; 2) $H_2$; 3) $KMnO_4$; 4) $KOH$; 5) $H_2O$.

Шаг 1. Ацетилен $C_2H_2$ содержит тройную связь. Переход к уксусному альдегиду $CH_3CHO$ означает присоединение воды по тройной связи — это реакция Кучерова, катализатор на основе ртути в кислой среде. Значит X — вода, вариант 5.

Шаг 2. Переход $CH_3CHO \to C_2H_5OH$: альдегидная группа превращается в спиртовую, степень окисления углерода уменьшается, значит нужен восстановитель. Из списка это водород $H_2$ (катализатор $Ni$), вариант 2.

Ответ: X = 5, Y = 2, итоговая запись «52» — совпадает с эталоном.

Пример 2. Схема: $CH_3CH_2CH_2OH \xrightarrow{X} CH_3CH=CH_2 \xrightarrow{Y} CH_3COOH$. Список: 1) $O_2$; 2) $H_2SO_4$ (конц.); 3) $KMnO_4$ (кислая среда); 4) $KOH$; 5) $H_2O$.

Шаг 1. Пропанол-1 переходит в пропен — это внутримолекулярная дегидратация спирта, реагент — концентрированная серная кислота при нагревании. X — вариант 2.

Шаг 2. Пропен переходит в уксусную кислоту. Число атомов углерода в основном продукте уменьшилось с трёх до двух, значит произошёл разрыв связи $C=C$. Это жёсткое окисление: концентрированный $KMnO_4$ в кислой среде при нагревании разрывает двойную связь, замещённый атом углерода даёт карбоновую кислоту, а концевой $CH_2$ окисляется до $CO_2$. Y — вариант 3.

Ответ: X = 2, Y = 3, итоговая запись «23» — совпадает с эталоном.

Пример 3. Схема: $CH_3CHClCH_2Cl \xrightarrow{X} CH_3C\equiv CH \xrightarrow{Y} CH_3COOH$. Список: 1) $KOH$ (водн.); 2) $KOH$ (спирт.); 3) $KMnO_4$ ($H_2SO_4$); 4) $KMnO_4$ ($H_2O$); 5) $Zn$.

Шаг 1. 1,2-дихлорпропан переходит в пропин. Нужно отщепить сразу две молекулы $HCl$ от соседних атомов углерода, чтобы получить тройную связь. Такое двойное элиминирование идёт под действием избытка щёлочи в спиртовом растворе. X — вариант 2.

Шаг 2. Пропин переходит в уксусную кислоту. Число атомов углерода уменьшилось, значит произошёл разрыв тройной связи — жёсткое окисление, для которого нужен $KMnO_4$ в кислой среде, а не в нейтральной. Y — вариант 3.

Ответ: X = 2, Y = 3, итоговая запись «23» — совпадает с эталоном.

Типичные ошибки и ловушки

• Путают водный и спиртовой раствор $KOH$: водный работает как нуклеофил и заменяет галоген на гидроксогруппу, спиртовой — сильное основание, которое отщепляет галогеноводород и образует кратную связь.
• Забывают о правиле Марковникова при присоединении $H_2O$ или $HX$ к несимметричным алкенам и алкинам.
• Не учитывают, что гидратация ацетилена и его гомологов идёт только с катализатором на основе ртути.
• Путают мягкое и жёсткое окисление перманганатом: без нагрева в нейтральной среде связь не разрывается, а в кислой среде при нагревании — разрывается.
• Забывают, что при окислении первичного спирта важно не давать избытка сильного окислителя, иначе реакция дойдёт до карбоновой кислоты, а не остановится на альдегиде.
• Не проверяют изменение числа атомов углерода в цепочке — уменьшение числа атомов явно указывает на разрыв связи.
• Путают восстановление и окисление, ориентируясь только на «прибавление кислорода» без учёта реальной степени окисления углерода.
• Забывают про разницу между внутримолекулярной и межмолекулярной дегидратацией спиртов.

Как готовиться

• Составить и выучить таблицу типовых переходов «класс соединения — реагент — класс продукта» для всех связок: углеводороды, спирты, альдегиды и кетоны, кислоты, эфиры.
• Отдельно проработать условия для похожих по названию, но разных по действию реагентов: $KOH$ водный и спиртовой, $KMnO_4$ в разных средах, концентрированная и разбавленная $H_2SO_4$.
• Решать цепочки превращений из тренировочных, диагностических и реальных экзаменационных вариантов, каждый раз проговаривая тип реакции.
• После решения каждого примера проверять баланс атомов — количество углерода, водорода и кислорода должно совпадать с учётом добавленного или отнятого реагента.
• Обратить внимание на «именные» реакции (Кучерова, Зайцева, Марковникова) — в заданиях они часто маскируются под простые формулы реагентов из списка.
• Регулярно повторять степени окисления углерода в разных функциональных группах, чтобы быстро определять направление окислительно-восстановительного процесса.
• Тренироваться решать задание на время, чтобы быстро узнавать тип превращения по внешнему виду формул без построения полного механизма реакции.