Задание 32 ЕГЭ по химии: взаимосвязь органических соединений

Что проверяет задание

Задание 32 проверяет умение видеть генетическую связь между классами органических соединений и грамотно записывать уравнения последовательных превращений веществ (обычно пять стадий). Проверяются: знание способов получения и характерных реакций алканов, алкенов, алкинов, диенов, ароматических углеводородов, спиртов, фенолов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, сложных эфиров, аминов и аминокислот; умение по описанным в тексте признакам (цвет осадка, изменение окраски индикатора, выделение газа, запах, взаимодействие с определённым реактивом) определить неизвестное вещество и восстановить всю цепочку; навык записи структурных формул и подбора коэффициентов с указанием условий реакции (катализатор, температура, среда, освещение).

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка: «Вещество А при взаимодействии с ... образует вещество Б, которое обладает свойством ... . Вещество Б реагирует с ... с образованием вещества В ... Составьте уравнения описанных реакций, используя структурные формулы органических веществ». В условии обычно называется исходное вещество и даётся 4–5 описаний превращений, при этом хотя бы одно промежуточное вещество нужно определить самостоятельно по качественному признаку.

За задание можно получить максимум 4 балла: балл начисляется за каждое верно составленное уравнение реакции, но не более четырёх баллов суммарно, даже если правильно записаны все пять уравнений. Уравнение засчитывается только тогда, когда правильно определено вещество, верно записана структурная формула и указаны необходимые условия. Молекулярная формула вместо структурной или отсутствие условий может привести к тому, что балл за уравнение не будет засчитан.

Что нужно знать

• Функциональные группы: гидроксильная $-OH$, карбонильная $>\!C=O$, карбоксильная $-COOH$, аминогруппа $-NH_2$, нитрогруппа $-NO_2$, галоген $-Hal$.
• Общие формулы гомологических рядов: алканы $C_nH_{2n+2}$, алкены $C_nH_{2n}$, алкины $C_nH_{2n-2}$, арены $C_nH_{2n-6}$, спирты $C_nH_{2n+1}OH$, альдегиды $C_nH_{2n}O$, кислоты $C_nH_{2n}O_2$.
• Правило Марковникова: при присоединении $HX$ к несимметричному алкену водород идёт к более гидрированному атому углерода.
• Правило Зайцева: при отщеплении атом водорода уходит от наименее гидрированного соседнего атома углерода, образуя более замещённый алкен.
• Качественные реакции: «серебряное зеркало» $CH_3CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow CH_3COONH_4 + 2Ag\downarrow + 3NH_3 + H_2O$ — на альдегиды; красный осадок $Cu_2O$ с гидроксидом меди(II) при нагревании — на альдегиды; обесцвечивание бромной воды и раствора $KMnO_4$ — на кратные связи; фиолетовое окрашивание с $FeCl_3$ — на фенолы; выделение газа с $Na_2CO_3$ — на кислоты.
• Условия типичных реакций: гидратация алкенов — $H_2O$, $H_3PO_4$, $t$; дегидрирование — катализатор, $t$; окисление спиртов до альдегидов — $CuO$, $t$; окисление альдегидов до кислот — $[O]$; этерификация — $H_2SO_4$(конц.), $t$, обратимо; гидролиз эфиров — вода/кислота или щёлочь (омыление).
• Сохранение числа атомов углерода в цепочке, если реакция не предполагает присоединения или отщепления углеродного фрагмента.

Методы решения

1. Метод прямого синтеза. Если исходное вещество известно, последовательно применяем реакцию, указанную в условии. Пример: этан при дегидрировании (катализатор, $t$) даёт этилен $CH_2=CH_2$.

2. Метод обратного анализа. Если в середине цепочки дан качественный признак, сначала определяем класс вещества, а затем восстанавливаем цепочку в обе стороны. Пример: вещество даёт реакцию «серебряного зеркала» — значит это альдегид, а предшествующее ему вещество — первичный спирт.

3. Метод сохранения углеродного скелета. Считаем число атомов углерода на каждой стадии, если реакция не меняет скелет (гидратация, гидрирование, замещение галогена). Пример: пропен $C_3H_6$ при гидратации даёт пропанол, а не вещество с иным числом атомов углерода.

4. Метод анализа степени окисления функционального атома углерода. В цепочке «спирт → альдегид → кислота» степень окисления атома углерода последовательно возрастает: $-CH_2OH \rightarrow -CHO \rightarrow -COOH$. Пример: этанол с $CuO$ при нагревании даёт этаналь, а не сразу кислоту.

5. Метод учёта региоселективности. При присоединении/отщеплении к несимметричным субстратам применяем правила Марковникова и Зайцева. Пример: пропен $CH_3-CH=CH_2$ с $HBr$ даёт 2-бромпропан $CH_3-CHBr-CH_3$.

Алгоритм решения по шагам

1. Прочитать условие целиком — важный признак может находиться в конце текста.
2. Выписать известные вещества и буквенные обозначения, отметить, где формула дана, а где её нужно определить.
3. Для каждого неизвестного сопоставить описанный признак с классом соединений.
4. Определить структурную формулу каждого вещества, проверяя изменение числа атомов углерода и типа функциональной группы.
5. Записать уравнения реакций структурными формулами, расставить коэффициенты.
6. Указать над стрелкой условия: катализатор, температуру, среду, освещение.
7. Проверить баланс атомов в каждом уравнении и согласованность всей цепочки с описанными признаками.

Разбор примеров

Пример 1. Цепочка «алкан — алкен — спирт — альдегид — кислота — эфир».

Условие: этан при дегидрировании образует вещество А, обесцвечивающее бромную воду. Вещество А при гидратации образует вещество Б. Вещество Б при окислении оксидом меди(II) образует вещество В, дающее реакцию «серебряного зеркала». Вещество В окисляется до вещества Г. Вещество Г реагирует с этанолом в присутствии концентрированной серной кислоты, образуя эфир Д.

Шаг 1. $CH_3-CH_3 \xrightarrow{kat,\,t} CH_2=CH_2 + H_2$. Продукт обесцвечивает бромную воду — А это этилен.

Шаг 2. $CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{kat} CH_3-CH_2-OH$. Б — этанол.

Шаг 3. $CH_3-CH_2-OH + CuO \xrightarrow{t} CH_3-CHO + Cu + H_2O$. Реакция «серебряного зеркала» подтверждает: В — этаналь.

Шаг 4. $2CH_3-CHO + O_2 \xrightarrow{kat} 2CH_3-COOH$. Г — уксусная кислота.

Шаг 5. $CH_3-COOH + C_2H_5OH \xrightarrow{H_2SO_4,\,t} CH_3-COO-C_2H_5 + H_2O$. Д — этилацетат.

Пример 2. Цепочка с определением фенола по реакции с $FeCl_3$.

Условие: бензол реагирует с хлором в присутствии $AlCl_3$, образуя вещество А. Вещество А с горячим раствором $NaOH$ образует вещество Б. При добавлении к Б хлорида железа(III) наблюдается фиолетовое окрашивание. Вещество Б реагирует с бромной водой, образуя осадок В. Отдельно бензол при нитровании образует вещество Г.

Шаг 1. $C_6H_6 + Cl_2 \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5Cl + HCl$. А — хлорбензол.

Шаг 2. $C_6H_5Cl + NaOH \xrightarrow{t,\,p} C_6H_5OH + NaCl$. Фиолетовое окрашивание с $FeCl_3$ — признак фенола: Б — фенол.

Шаг 3. $C_6H_5OH + 3Br_2 \rightarrow C_6H_2Br_3OH\downarrow + 3HBr$. В — 2,4,6-трибромфенол.

Шаг 4. $C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4,\,t} C_6H_5NO_2 + H_2O$. Г — нитробензол.

Ключевую роль здесь играет фиолетовое окрашивание с $FeCl_3$ — однозначный признак фенольной гидроксогруппы, отличающий фенол от обычного спирта.

Пример 3. Цепочка с определением кетона по отсутствию реакции «серебряного зеркала».

Условие: пропан-2-ол при дегидрировании образует вещество А, которое не вступает в реакцию «серебряного зеркала». Вещество А с водородом снова образует исходный спирт. Отдельно пропан-2-ол с $HBr$ образует вещество Б, а Б со спиртовым раствором щёлочи образует вещество В.

Шаг 1. $CH_3-CH(OH)-CH_3 \xrightarrow{kat,\,t} CH_3-CO-CH_3 + H_2$. Отсутствие реакции «серебряного зеркала» указывает на кетон: А — пропанон.

Шаг 2. $CH_3-CO-CH_3 + H_2 \xrightarrow{kat} CH_3-CH(OH)-CH_3$ — согласуется с условием.

Шаг 3. $CH_3-CH(OH)-CH_3 + HBr \rightarrow CH_3-CHBr-CH_3 + H_2O$. Б — 2-бромпропан.

Шаг 4. $CH_3-CHBr-CH_3 + NaOH \xrightarrow{спирт.,\,t} CH_3-CH=CH_2 + NaBr + H_2O$. В — пропен.

Типичные ошибки и ловушки

• Путают альдегиды и кетоны: забывают, что кетоны не дают реакции «серебряного зеркала» и не окисляются мягкими окислителями.
• Игнорируют правило Марковникова или Зайцева, получая неверный изомер продукта.
• Записывают молекулярную формулу вместо структурной — уравнение не засчитывается.
• Не указывают условия реакции (катализатор, температуру, среду).
• Не проверяют баланс атомов углерода в цепочке, «теряя» или «добавляя» атом там, где скелет должен сохраняться.
• Путают качественные реакции разных классов (бромная вода реагирует и с алкенами, и с фенолами, но по-разному).
• Забывают, что этерификация и гидратация обратимы, и неверно расставляют стрелки.
• Не учитывают ориентацию заместителей при электрофильном замещении в ароматическом кольце.

Как готовиться

Систематизировать материал стоит в виде таблицы «класс соединения — способы получения — характерные реакции — качественные реакции», охватывающей алканы, алкены, алкины, диены, арены, спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, сложные эфиры, амины и аминокислоты. Отдельно нужно выучить блок качественных реакций и связать каждую с однозначным визуальным признаком — именно они служат подсказкой для определения неизвестного вещества.

Далее важно наработать навык быстрого написания структурных формул без ошибок в валентности и порядке связей, а также автоматически вспоминать условия типичных реакций — их отсутствие в ответе часто становится причиной потери балла. Полезно решать цепочки превращений разной сложности, начиная с простых углеводородных и переходя к смешанным с несколькими классами соединений и ароматическими фрагментами.

При самопроверке стоит спрашивать себя: соответствует ли определённое вещество всем перечисленным в условии признакам одновременно, а не только одному из них. Регулярно повторяйте правила Марковникова и Зайцева и тренируйтесь применять их на несимметричных субстратах — ошибки в региоселективности одна из самых частых причин потери баллов в этом задании.