πЕГЭ · ИИ-репетитор12 предметов · задания ФИПИ
Главная → Химия → Курс теории → №14

№14. Механизмы реакций: ионный, радикальный и активные частицы

Задание №14 — соответствие между схемой реакции и механизмом или активной промежуточной частицей. Чтобы решать его, нужно по условиям (свет, нагревание, катализатор) и по природе реагентов определить, рвётся ли связь с образованием радикалов или заряженных частиц, и знать правила Марковникова и Зайцева. Самая частая ошибка — принять радикальный процесс за ионный и наоборот.

Любая реакция начинается с разрыва связи, и способ разрыва задаёт механизм. Если связь рвётся гомолитически — электронная пара делится пополам, — образуются частицы с неспаренным электроном, то есть радикалы. Если связь рвётся гетеролитически — электронная пара целиком уходит к одному атому, — образуются ионы: карбкатион и анион. Отсюда два больших механизма: радикальный, идущий через радикалы, и ионный, идущий через заряженные частицы. В записи радикал помечают точкой (Cl·, CH3·), а карбкатион — знаком плюс (CH3^+, C2H5^+).

Cl2 → (свет) 2Cl· · CH4 + Cl· → CH3· + HCl · CH3-CH=CH2 + H^+ → CH3-CH^+-CH3

Когда какой механизм? Радикальный путь выбирают условия, которые создают радикалы: ультрафиолетовый свет, высокая температура, пероксиды. Так идут хлорирование и нитрование алканов, присоединение галогеноводородов к алкенам в присутствии пероксидов, полимеризация. Ионный путь — там, где работают полярные реагенты и катализаторы: кислоты, щёлочи, кислоты Льюиса (AlCl3, FeBr3). Так идут гидратация алкенов и алкинов, присоединение галогенов к алкенам в водной среде, алкилирование и нитрование бензола, гидролиз галогеналканов.

Признак в условииМеханизмАктивная частицаПример
свет, высокая температура, без катализаторарадикальныйCl·, CH3·, NO2·, H·CH4 + Cl2 → (свет) CH3Cl + HCl
катализатор AlCl3 или FeBr3ионный, электрофильное замещениеCH3^+, NO2^+, Br^+C6H6 + CH3Cl → (AlCl3) C6H5CH3 + HCl
кислота H^+ или H3PO4, водная средаионный, электрофильное присоединениекарбкатион C2H5^+CH2=CH2 + H2O → (H3PO4) CH3CH2OH
водный раствор щёлочи и галогеналканионный, нуклеофильное замещениеOH^− атакует атом углеродаC6H11Cl + NaOH → (водн.) C6H11OH + NaCl
спиртовой раствор щёлочи, нагреваниеэлиминирование (отщепление)основание отрывает H^+CH3-CHCl-CH3 + KOH → (спирт.) CH3-CH=CH2 + KCl + H2O

В ионных процессах всё решает устойчивость карбкатиона: третичный устойчивее вторичного, а вторичный устойчивее первичного, потому что алкильные группы отдают электронную плотность и разгружают положительный заряд. Отсюда правило Марковникова: при присоединении галогеноводорода или воды к несимметричному алкену водород идёт к тому атому углерода, где атомов водорода больше, а гидроксил или галоген — к более замещённому атому, где карбкатион устойчивее. Поэтому из пропена и воды получается пропанол-2, а не пропанол-1.

CH3-CH=CH2 + H2O → (H^+) CH3-CH(OH)-CH3 (пропанол-2, правило Марковникова)

Обратное правило работает при отщеплении: по правилу Зайцева при дегидратации спирта или при дегидрогалогенировании водород уходит от того соседнего атома углерода, где водородов меньше, поэтому образуется более замещённый и более устойчивый алкен. Так из бутанола-2 получается бутен-2, а не бутен-1. Катализатор в этих процессах ничего не меняет: он ускоряет и прямую, и обратную реакцию, а направление присоединения задают правила Марковникова и Зайцева.

CH3-CH(OH)-CH2-CH3 → (H2SO4, t) CH3-CH=CH-CH3 + H2O (правило Зайцева)

Стадия цепного радикального процессаЧто происходитПример
инициирование (зарождение) цепиустойчивая молекула распадается на две частицы с неспаренным электрономCl2 → (свет) 2Cl·
развитие цепирадикал реагирует с молекулой и снова даёт радикалCH4 + Cl· → CH3· + HCl, затем CH3· + Cl2 → CH3Cl + Cl·
обрыв цепидва радикала соединяются в устойчивую молекулуCH3· + CH3· → C2H6 или Cl· + Cl· → Cl2

Типичные ошибки. 1) Присоединение брома к алкену относят к радикальному механизму по аналогии с бромированием алканов: в водной среде бром атакует двойную связь как электрофил, то есть по ионному механизму. 2) Нитрование алкана считают электрофильным замещением, как у бензола: при нагревании алкан реагирует через радикал NO2·. 3) Путают заряженную и незаряженную частицу: NO2· — радикал, NO2^+ — катион, и в одной реакции они не взаимозаменяемы. 4) Считают, что при алкилировании бензола образуется карбкатион кольца: алкилирующая частица приходит из галогеналкана, поэтому это CH3^+, а не C2H5^+. 5) Применяют правило Марковникова к отщеплению: при присоединении заместитель идёт к более замещённому атому углерода, а при отщеплении более замещённый алкен даёт правило Зайцева. 6) Забывают про катализатор: вода, кислота и щёлочь означают ионный путь, а не радикальный.

Проверь себя

  1. Почему присоединение бромоводорода к пропену в присутствии пероксидов идёт против правила Марковникова?
  2. Как по условиям реакции понять, ионный перед тобой механизм или радикальный?
  3. Чем стадия развития цепи отличается от стадии инициирования в реакции хлорирования метана и как узнать обрыв цепи?
  4. Какой алкен образуется при дегидратации бутанола-2 и почему так получается по правилу Зайцева?
  5. Почему третичный карбкатион устойчивее первичного и как это объясняет правило Марковникова?

Показательные решения

Разбор из банка: какая частица образуется в реакции
Установите соответствие между схемой реакции и активной промежуточной частицей, образующейся в ходе реакции. К каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой. СХЕМА РЕАКЦИИ А) CH₂=CHCH₃ + H₂→ t °, Pt CH₃CH₂CH₃; Б) C₆H₆ + CH₃Cl → AlCl₃ C₆H₅CH₃ + HCl; В) CH₄ + HNO₃ → t ° CH₃NO₂ + H₂O; Г) CH₂=CH₂ + H₂O → H₃PO₄ CH₃CH₂OH. АКТИВНАЯ ЧАСТИЦА 1) NO₂⁺; 2) NO₂⁻; 3) H ·; 4) CH₃ ·; 5) CH₃⁺; 6) C₂H₅⁺. Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам: А | Б | В | Г
Решение по шагам
  1. Условие: соотнести четыре схемы реакций с активной промежуточной частицей из списка (NO2^+, NO2^−, H·, CH3·, CH3^+, C2H5^+).
  2. А) CH2=CHCH3 + H2 при нагревании на платине: водород присоединяется по двойной связи, связь H-H разрывается пополам, поэтому активная частица — атомарный водород H·, цифра 3.
  3. Б) C6H6 + CH3Cl в присутствии AlCl3: катализатор Льюиса поляризует связь C-Cl, отрыв даёт метил-катион CH3^+, который и атакует кольцо, цифра 5.
  4. В) CH4 + HNO3 при нагревании: это радикальное нитрование, и активная частица — метил-радикал CH3·, образовавшийся при отрыве водорода от метана, цифра 4.
  5. Г) CH2=CH2 + H2O на H3PO4: идёт электрофильное присоединение, протон встаёт к атому углерода двойной связи и рождается этил-катион C2H5^+, цифра 6.
  6. Собираем цифры по порядку букв и получаем ответ 3546.

Ответ: 3546

Официальное решение из банка ФИПИ

А) В реакции гидрирования алкенов, протекающей по радикальному механизму, образуется активная частица — H · (3). Б) В реакции алкилирования бензола, протекающей по механизму электрофильного замещения, образуется активная частица — метил-катион (5). В) В реакции нитрования метана при нагревании, протекающей по радикальному механизму, образуется активная частица — метил-радикал (4). Г) В реакции гидратации этилена, протекающей по механизму электрофильного присоединения, образуется активная частица — C₂H₅⁺ (6). Ответ: 3546.

Разбор из банка: стадии цепной реакции хлорирования метана
Установите соответствие между процессом, протекающим при взаимодействии метана с хлором, и его соответствием стадии: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой. СХЕМА ПРОЦЕССА А) · CH₃ + · CH₃ → CH₃ − CH₃; Б) Cl₂ → Cl · + Cl ·; В) CH₄ → CH₃ · + H ·; Г) · CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + · Cl. СТАДИЯ 1) инициирование (зарождение) цепи; 2) развитие цепи; 3) обрыв цепи; 4) данный процесс не протекает при хлорировании метана. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. А | Б | В | Г
Решение по шагам
  1. Условие: соотнести четыре схемы процесса хлорирования метана со стадиями: инициирование, развитие цепи, обрыв цепи или «такой процесс не протекает».
  2. А) ·CH3 + ·CH3 → CH3-CH3: две частицы с неспаренными электронами соединились в устойчивую молекулу, значит цепь оборвалась, цифра 3.
  3. Б) Cl2 → Cl· + Cl·: из устойчивой молекулы получились два радикала — это инициирование, то есть зарождение цепи, цифра 1.
  4. В) CH4 → CH3· + H·: здесь из молекулы метана сразу получаются метильный радикал и атомарный водород. Связь C-H очень прочна, в условиях хлорирования такой разрыв не идёт, поэтому этот процесс стадией не является, цифра 4.
  5. Г) ·CH3 + Cl2 → CH3Cl + ·Cl: радикал прореагировал с молекулой и снова дал радикал, цепь продолжается, цифра 2.
  6. Собираем ответ по буквам А, Б, В, Г и получаем 3142.

Ответ: 3142

Официальное решение из банка ФИПИ

А) Образование молекулы этана из двух метильных радикалов является стадией обрыва цепи (3). Б) Образование двух радикалов хлора из молекулы хлора является стадией инициирования (зарождения) цепи (1). В) Образование радикала водорода и метильного радикала из молекулы метана не является стадией хлорирования метана (4). Г) Образование молекулы хлорметана и радикала хлора из двух метильного радикала и молекулы хлора является стадией развития цепи (2). Ответ: 3142.

Разбор из банка: механизм реакции по реагентам и условиям
Установите соответствие между реагирующими веществами и механизмом реакции: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой. РЕАГИРУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА А) толуол + хлор (на свету); Б) пропен + бромная вода; В) хлорциклогексан + щелочь (водный раствор); Г) пропан + азотная кислота (нагревание). МЕХАНИЗМ РЕАКЦИИ 1) радикальное замещение; 2) радикальное присоединение; 3) электрофильное замещение; 4) электрофильное присоединение; 5) нуклеофильное замещение; 6) элиминирование. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. А | Б | В | Г
Решение по шагам
  1. Условие: для четырёх наборов реагентов выбрать механизм из списка: радикальное замещение, радикальное присоединение, электрофильное замещение, электрофильное присоединение, нуклеофильное замещение, элиминирование.
  2. А) толуол + хлор на свету: свет создаёт радикалы, а в этих условиях у ароматического соединения замещается водород боковой цепи, значит это радикальное замещение, цифра 1.
  3. Б) пропен + бромная вода: двойная связь раскрывается и бром присоединяется, а водная среда и полярная молекула брома ведут процесс через заряженную частицу — электрофильное присоединение, цифра 4.
  4. В) хлорциклогексан + водный раствор щёлочи: гидроксид-ион замещает хлор у насыщенного атома углерода, атаку ведёт нуклеофил, значит это нуклеофильное замещение, цифра 5.
  5. Г) пропан + азотная кислота при нагревании: как и хлорирование алканов, это радикальное замещение, цифра 1, такая же, как у реакции под буквой А.
  6. Ответ: 1451 — цифра 1 повторяется дважды, потому что механизм у этих двух реакций одинаковый.

Ответ: 1451

Официальное решение из банка ФИПИ

А) Толуол реагирует с хлором на свету по механизму радикального замещения (1). Б) Пропен реагирует с бромной водой по механизму электрофильного присоединения (4). В) Хлорциклогексан реагирует с водным раствором щелочи по механизму нуклеофильного замещения (5). Г) Пропан реагирует с азотной кислотой при нагревании по механизму радикального замещения (1). Ответ: 1451.

Открыть раздел в тренажёре

← Все разделы курса по химии · Решать задания №14