Задание 26 ЕГЭ по химии 2025

Теоретические основы

Химические свойства алканов

Алканы (предельные углеводороды) – это углеводороды с общей формулой C_nH_2n+2, в которых атомы углерода соединены только одинарными связями.

1. Реакции замещения (галогенирование)

Алканы вступают в реакции замещения с галогенами (Cl₂, Br₂) при облучении ультрафиолетовым светом или нагревании. Происходит замещение атома водорода на атом галогена.

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (хлорметан)

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl (дихлорметан)

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl (трихлорметан)

CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl (тетрахлорметан)

Реакция протекает по радикальному механизму:

1. Инициирование: Cl₂ → 2Cl• (под действием УФ-света)
2. Развитие цепи:
   • Cl• + CH₄ → HCl + •CH₃
   • •CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•
3. Обрыв цепи:
   • Cl• + Cl• → Cl₂
   • •CH₃ + •CH₃ → C₂H₆
   • •CH₃ + Cl• → CH₃Cl

2. Реакции окисления

Алканы окисляются кислородом воздуха при нагревании с образованием углекислого газа и воды (горение).

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + Q

C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O + Q

При недостатке кислорода образуются оксид углерода(II) и вода:

2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O + Q

3. Реакции дегидрирования

При высоких температурах (500-600°C) и в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni) алканы подвергаются дегидрированию с образованием алкенов:

C₂H₆ → C₂H₄ + H₂

C₃H₈ → C₃H₆ + H₂

4. Реакции изомеризации

При нагревании в присутствии катализаторов (AlCl₃, AlBr₃) алканы с неразветвленной цепью превращаются в изомеры с разветвленной цепью:

n-C₄H₁₀ → i-C₄H₁₀ (изобутан)

n-C₅H₁₂ → i-C₅H₁₂ (изопентан)

5. Реакции крекинга

При высоких температурах (450-550°C) и в присутствии катализаторов происходит расщепление молекул алканов на более короткие фрагменты:

C₁₀H₂₂ → C₅H₁₂ + C₅H₁₀

C₁₀H₂₂ → C₄H₁₀ + C₆H₁₂

Химические свойства циклоалканов

Циклоалканы – это циклические углеводороды с общей формулой C_nH_2n, в которых атомы углерода образуют замкнутый цикл.

1. Реакции присоединения

Малые циклы (циклопропан, циклобутан) из-за напряжения в цикле легко вступают в реакции присоединения с разрывом цикла:

C₃H₆ (циклопропан) + H₂ → C₃H₈ (пропан)

C₃H₆ (циклопропан) + Br₂ → C₃H₆Br₂ (1,3-дибромпропан)

2. Реакции замещения

Циклоалканы с большими циклами (циклопентан, циклогексан) по химическим свойствам близки к алканам и вступают в реакции замещения:

C₆H₁₂ (циклогексан) + Cl₂ → C₆H₁₁Cl + HCl

3. Реакции окисления

Циклоалканы окисляются кислородом воздуха при нагревании с образованием углекислого газа и воды:

C₆H₁₂ + 9O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + Q

4. Реакции дегидрирования

При высоких температурах и в присутствии катализаторов циклоалканы подвергаются дегидрированию с образованием ароматических соединений:

C₆H₁₂ (циклогексан) → C₆H₆ (бензол) + 3H₂

Химические свойства алкенов

Алкены (олефины) – это ненасыщенные углеводороды с общей формулой C_nH_2n, содержащие двойную связь C=C.

1. Реакции присоединения

а) Гидрирование – присоединение водорода в присутствии катализаторов (Pt, Pd, Ni):

C₂H₄ + H₂ → C₂H₆

C₃H₆ + H₂ → C₃H₈

б) Галогенирование – присоединение галогенов:

C₂H₄ + Br₂ → C₂H₄Br₂ (1,2-дибромэтан)

C₃H₆ + Cl₂ → C₃H₆Cl₂ (1,2-дихлорпропан)

в) Гидрогалогенирование – присоединение галогеноводородов:

C₂H₄ + HCl → C₂H₅Cl (хлорэтан)

C₃H₆ + HBr → C₃H₇Br (2-бромпропан)

Присоединение галогеноводородов к несимметричным алкенам происходит по правилу Марковникова: атом водорода присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода (имеющему больше атомов водорода).

г) Гидратация – присоединение воды в присутствии кислотных катализаторов (H₂SO₄):

C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH (этанол)

C₃H₆ + H₂O → C₃H₇OH (пропанол-2)

Гидратация также подчиняется правилу Марковникова.

2. Реакции окисления

а) Горение – окисление кислородом воздуха:

C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O + Q

б) Мягкое окисление – окисление перманганатом калия в нейтральной или слабощелочной среде (реакция Вагнера):

3C₂H₄ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3C₂H₄(OH)₂ + 2MnO₂ + 2KOH

Эта реакция используется как качественная реакция на двойную связь – происходит обесцвечивание фиолетового раствора перманганата калия и выпадение бурого осадка MnO₂.

в) Жесткое окисление – окисление перманганатом калия в кислой среде или дихроматом калия в кислой среде:

C₂H₄ + [O] → CO₂ + H₂O

3. Реакции полимеризации

Алкены способны к полимеризации – реакции соединения множества молекул мономера с образованием высокомолекулярного соединения (полимера):

nC₂H₄ → (-CH₂-CH₂-)_n (полиэтилен)

nC₃H₆ → (-CH₂-CH(CH₃)-)_n (полипропилен)

Химические свойства диенов

Диены – это ненасыщенные углеводороды с двумя двойными связями C=C.

1. Реакции присоединения

а) Гидрирование – присоединение водорода:

CH₂=CH-CH=CH₂ + 2H₂ → CH₃-CH₂-CH₂-CH₃

б) Галогенирование – присоединение галогенов:

CH₂=CH-CH=CH₂ + 2Br₂ → CH₂Br-CHBr-CHBr-CH₂Br

Для сопряженных диенов (с чередующимися двойными и одинарными связями) характерно 1,4-присоединение наряду с 1,2-присоединением:

CH₂=CH-CH=CH₂ + HCl → CH₃-CH=CH-CH₂Cl (1,4-присоединение)

CH₂=CH-CH=CH₂ + HCl → CH₂Cl-CH=CH-CH₃ (1,2-присоединение)

2. Реакции полимеризации

Диены способны к полимеризации с образованием каучуков:

nCH₂=CH-CH=CH₂ → (-CH₂-CH=CH-CH₂-)_n (полибутадиен)

Химические свойства алкинов

Алкины – это ненасыщенные углеводороды с общей формулой C_nH_2n-2, содержащие тройную связь C≡C.

1. Реакции присоединения

а) Гидрирование – присоединение водорода:

C₂H₂ + H₂ → C₂H₄ (в присутствии катализатора Pd/CaCO₃)

C₂H₂ + 2H₂ → C₂H₆ (в присутствии катализатора Ni)

б) Галогенирование – присоединение галогенов:

C₂H₂ + Br₂ → C₂H₂Br₂ (дибромэтен)

C₂H₂ + 2Br₂ → C₂H₂Br₄ (тетрабромэтан)

в) Гидрогалогенирование – присоединение галогеноводородов:

C₂H₂ + HCl → C₂H₃Cl (хлорэтен, винилхлорид)

C₂H₂ + 2HCl → C₂H₄Cl₂ (1,1-дихлорэтан)

г) Гидратация – присоединение воды (реакция Кучерова):

C₂H₂ + H₂O → CH₃CHO (ацетальдегид)

CH₃-C≡CH + H₂O → CH₃-CO-CH₃ (ацетон)

Гидратация алкинов происходит в присутствии солей ртути(II) и серной кислоты.

2. Реакции замещения

Терминальные алкины (с тройной связью на конце цепи) проявляют слабые кислотные свойства и способны к реакциям замещения атома водорода при тройной связи:

C₂H₂ + NaNH₂ → C₂HNa + NH₃ (ацетиленид натрия)

C₂H₂ + AgNO₃ → C₂HAg↓ + HNO₃ (ацетиленид серебра)

C₂H₂ + Cu₂Cl₂ → C₂HCu↓ + HCl (ацетиленид меди)

Образование нерастворимых ацетиленидов серебра и меди используется как качественная реакция на терминальные алкины.

3. Реакции окисления

а) Горение – окисление кислородом воздуха:

2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O + Q

Ацетилен горит коптящим пламенем из-за высокого содержания углерода.

б) Окисление перманганатом калия – обесцвечивание раствора KMnO₄ (качественная реакция на кратные связи):

3C₂H₂ + 8KMnO₄ + 4H₂O → 6CO₂ + 8MnO₂ + 8KOH

4. Реакции полимеризации

Алкины способны к полимеризации:

3C₂H₂ → C₆H₆ (бензол) (в присутствии активированного угля при 600°C)

nC₂H₂ → (-CH=CH-)_n (полиацетилен)

Химические свойства ароматических углеводородов

Ароматические углеводороды – это циклические соединения с особой электронной структурой, обеспечивающей ароматичность (правило Хюккеля: 4n+2 π-электронов).

1. Реакции замещения

Для ароматических соединений характерны реакции электрофильного замещения (S_E):

а) Галогенирование – замещение атома водорода на галоген:

C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr (в присутствии катализатора FeBr₃)

C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl + HCl (в присутствии катализатора AlCl₃)

б) Нитрование – введение нитрогруппы -NO₂:

C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O (в присутствии H₂SO₄)

в) Сульфирование – введение сульфогруппы -SO₃H:

C₆H₆ + H₂SO₄ → C₆H₅SO₃H + H₂O (в присутствии SO₃)

г) Алкилирование – введение алкильной группы (реакция Фриделя-Крафтса):

C₆H₆ + CH₃Cl → C₆H₅CH₃ + HCl (в присутствии AlCl₃)

д) Ацилирование – введение ацильной группы (реакция Фриделя-Крафтса):

C₆H₆ + CH₃COCl → C₆H₅COCH₃ + HCl (в присутствии AlCl₃)

2. Реакции присоединения

Ароматические соединения вступают в реакции присоединения в жестких условиях:

а) Гидрирование – присоединение водорода:

C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂ (циклогексан) (в присутствии Ni, при высоком давлении и температуре)

б) Галогенирование – присоединение галогенов:

C₆H₆ + 3Cl₂ → C₆H₆Cl₆ (гексахлорциклогексан) (при УФ-облучении)

3. Реакции окисления

а) Горение – окисление кислородом воздуха:

2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O + Q

Бензол горит коптящим пламенем из-за высокого содержания углерода.

б) Окисление боковой цепи – в гомологах бензола боковая цепь окисляется до карбоксильной группы:

C₆H₅CH₃ + 3[O] → C₆H₅COOH + H₂O

Особенности химических свойств толуола

Толуол (метилбензол) – C₆H₅CH₃ – гомолог бензола, содержащий метильную группу.

1. Реакции по ароматическому кольцу

Метильная группа является электронодонорным заместителем, активирующим ароматическое кольцо и направляющим заместители в орто- и пара-положения:

а) Галогенирование:

C₆H₅CH₃ + Br₂ → o-BrC₆H₄CH₃ + p-BrC₆H₄CH₃ + HBr (в присутствии FeBr₃)

б) Нитрование:

C₆H₅CH₃ + HNO₃ → o-NO₂C₆H₄CH₃ + p-NO₂C₆H₄CH₃ + H₂O (в присутствии H₂SO₄)

в) Сульфирование:

C₆H₅CH₃ + H₂SO₄ → o-CH₃C₆H₄SO₃H + p-CH₃C₆H₄SO₃H + H₂O

2. Реакции по боковой цепи

а) Галогенирование боковой цепи:

C₆H₅CH₃ + Cl₂ → C₆H₅CH₂Cl + HCl (при УФ-облучении или нагревании)

C₆H₅CH₂Cl + Cl₂ → C₆H₅CHCl₂ + HCl

C₆H₅CHCl₂ + Cl₂ → C₆H₅CCl₃ + HCl

б) Окисление боковой цепи:

C₆H₅CH₃ + 3[O] → C₆H₅COOH + H₂O (в присутствии KMnO₄ или K₂Cr₂O₇ в кислой среде)

Механизмы реакций присоединения в органической химии

1. Электрофильное присоединение (A_E)

Электрофильное присоединение характерно для алкенов, алкинов и других ненасыщенных соединений. Механизм включает следующие стадии:

а) Образование π-комплекса – электрофил (H⁺, Br⁺ и др.) атакует π-связь, образуя нестабильный π-комплекс.

б) Образование σ-комплекса (карбокатиона) – π-комплекс превращается в σ-комплекс, при этом один из атомов углерода приобретает положительный заряд (карбокатион).

в) Присоединение нуклеофила – нуклеофил (Cl^-, Br^-, OH^- и др.) атакует карбокатион, образуя продукт присоединения.

Пример: механизм гидрогалогенирования алкена

CH₂=CH₂ + H⁺ → CH₃-CH₂⁺ (карбокатион)

CH₃-CH₂⁺ + Cl^- → CH₃-CH₂-Cl

Для несимметричных алкенов направление присоединения определяется правилом Марковникова: протон присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода, а электроотрицательная группа – к менее гидрогенизированному.

CH₃-CH=CH₂ + HBr → CH₃-CHBr-CH₃

2. Радикальное присоединение (A_R)

Радикальное присоединение происходит с участием свободных радикалов. Механизм включает следующие стадии:

а) Инициирование – образование свободных радикалов.

б) Развитие цепи – радикал атакует π-связь, образуя новый радикал, который затем реагирует с другой молекулой, продолжая цепь.

в) Обрыв цепи – взаимодействие радикалов между собой.

Пример: механизм присоединения HBr к алкенам в присутствии пероксидов (эффект Хараша)

ROOR → 2RO• (инициирование)

RO• + HBr → ROH + Br• (образование бромного радикала)

Br• + CH₂=CH-CH₃ → CH₂Br-CH•-CH₃ (атака радикалом π-связи)

CH₂Br-CH•-CH₃ + HBr → CH₂Br-CH₂-CH₃ + Br• (продолжение цепи)

В случае радикального присоединения HBr к несимметричным алкенам в присутствии пероксидов наблюдается присоединение против правила Марковникова.

3. Нуклеофильное присоединение (A_N)

Нуклеофильное присоединение характерно для соединений с поляризованными кратными связями (альдегиды, кетоны). Механизм включает следующие стадии:

а) Атака нуклеофила – нуклеофил атакует электрофильный центр (атом углерода карбонильной группы).

б) Образование промежуточного соединения – образуется промежуточное соединение с отрицательным зарядом на атоме кислорода.

в) Протонирование – присоединение протона к атому кислорода.

Пример: механизм присоединения HCN к альдегидам

CH₃-CHO + CN^- → CH₃-CH(O^-)-CN

CH₃-CH(O^-)-CN + H⁺ → CH₃-CH(OH)-CN

Типовые задания и алгоритмы решения

Алгоритм решения задач на химические свойства углеводородов

1. Определить класс углеводорода (алкан, алкен, алкин, арен и т.д.).
2. Вспомнить характерные реакции для данного класса соединений.
3. Учесть особенности строения конкретного соединения (наличие заместителей, их влияние на реакционную способность).
4. Записать уравнения реакций с учетом условий их протекания (температура, давление, катализаторы).
5. Учесть правила и закономерности (правило Марковникова, эффект Хараша и др.).

Примеры заданий

Типичные ошибки и рекомендации

Типичные ошибки

• Путаница в условиях протекания реакций (например, условия для замещения и присоединения в ароматических соединениях).
• Неправильное применение правила Марковникова.
• Ошибки в определении продуктов реакций (особенно в случаях, когда возможно образование нескольких продуктов).
• Неучет влияния заместителей на направление реакций в ароматических соединениях.
• Путаница в механизмах реакций.

Рекомендации

• Выучите основные типы реакций для каждого класса углеводородов.
• Обратите особое внимание на условия протекания реакций (температура, давление, катализаторы, освещение).
• Помните о правиле Марковникова и случаях, когда оно не соблюдается (эффект Хараша).
• Учитывайте влияние заместителей на реакционную способность и направление реакций в ароматических соединениях.
• Тренируйтесь в определении продуктов реакций и механизмов на различных примерах.

Задание 26 ЕГЭ: ПРАКТИКА

Закрепите теорию на практике! Попробуйте решить несколько вариантов задания 26.