Качественная реакция на кратную связь: бромная вода

Бромная вода это водный раствор брома, окрашенный в характерный жёлто-оранжевый цвет. Стоит капнуть её в пробирку с веществом, у которого есть двойная или тройная связь между атомами углерода, как окраска быстро пропадает. Именно это исчезновение цвета и служит признаком кратной связи. Реакция простая по выполнению, но на ЕГЭ и контрольных её часто путают: то записывают замещение вместо присоединения, то приписывают обесцвечивание веществам, которые на бром не реагируют. Ниже разберём, что именно происходит на уровне молекул, как правильно записать уравнения и где обычно теряют баллы. Если нужно проверить конкретное вещество или составить уравнение, соберите запрос в форме под этим абзацем.

Что такое кратная связь и почему её надо обнаруживать

Кратная связь это двойная ($\text{C}=\text{C}$) или тройная ($\text{C}\equiv\text{C}$) связь между атомами углерода. В одинарной связи $\text{C}-\text{C}$ электроны образуют одну прочную сигма-связь, которую разорвать трудно. В двойной и тройной связи поверх сигма-связи появляются дополнительные пи-связи. Пи-электроны расположены сбоку от линии, соединяющей атомы, держатся слабее и легко вступают в реакции присоединения.

Именно слабость пи-связи делает кратную связь реакционноспособной. Соединения с двойной связью называют алкенами (этилен, пропилен), с тройной алкинами (ацетилен). К непредельным относят и алкадиены с двумя двойными связями. Все они в той или иной мере обесцвечивают бромную воду, тогда как предельные углеводороды (алканы) при обычных условиях этого не делают. Подробнее про набор превращений непредельных соединений мы писали в материале про химические свойства алкенов и реакции присоединения.

Рассчитать для своей задачи

Как ставится сама реакция

Опыт элементарен. В пробирку наливают исследуемое вещество и приливают несколько капель бромной воды, затем встряхивают. Если в молекуле есть кратная связь, оранжевая окраска исчезает за секунды, раствор становится бесцветным или почти бесцветным. Если кратной связи нет, цвет сохраняется.

Чтобы вывод был корректным, важно соблюдать условия:

• реакцию ведут на холоду, без нагревания и без яркого света;
• бром берут именно в виде водного раствора (бромной воды), а не сухого брома;
• встряхивают пробирку, чтобы вещества перемешались, ведь многие органические соединения плохо смешиваются с водой.

При нагревании или освещении к простому присоединению может добавиться замещение, и картина исказится, поэтому школьная качественная проба всегда проводится в мягких условиях.

Несколько слов о том, что считать положительным результатом. Обесцвечивание должно быть быстрым и полным: если вы добавляете каплю бромной воды и оранжевый оттенок исчезает за пару секунд, перед вами вещество с кратной связью. Если же окраска держится, или бледнеет очень медленно, или меняется на бурую муть, это уже не однозначный признак присоединения, и вывод делать нельзя. Поэтому количество бромной воды берут небольшим: при избытке брома часть его может остаться непрореагировавшей, и раствор покажется лишь чуть посветлевшим.

Почему раствор обесцвечивается: механизм присоединения

Окраска бромной воды обусловлена молекулами брома $\text{Br}_2$. Когда молекула с кратной связью встречается с бромом, пи-связь раскрывается, и два атома брома присоединяются к соседним атомам углерода. Свободного брома в растворе больше нет, значит, нет и окраски. Это и есть видимый эффект.

Для этилена реакция записывается так:

$\text{CH}_2{=}\text{CH}_2 + \text{Br}_2 \rightarrow \text{CH}_2\text{Br}{-}\text{CH}_2\text{Br}$

Продукт это 1,2-дибромэтан, бесцветная жидкость. Обратите внимание: двойная связь превратилась в одинарную, а два атома брома встали на соседние углероды. Никакой бромоводород $\text{HBr}$ при этом не выделяется, потому что это присоединение, а не замещение.

Рассчитать для своей задачи

Алкены, алкины и диены: уравнения

Для каждого класса непредельных соединений уравнение немного отличается числом присоединяемых молекул брома.

Алкены присоединяют одну молекулу $\text{Br}_2$ на одну двойную связь. На примере пропилена:

$\text{CH}_2{=}\text{CH}{-}\text{CH}_3 + \text{Br}_2 \rightarrow \text{CH}_2\text{Br}{-}\text{CHBr}{-}\text{CH}_3$

Алкины с тройной связью могут присоединять две молекулы брома, потому что тройная связь это одна сигма- и две пи-связи. Ацетилен сначала даёт дибромэтилен, затем тетрабромэтан:

$\text{CH}{\equiv}\text{CH} + 2\,\text{Br}_2 \rightarrow \text{CHBr}_2{-}\text{CHBr}_2$

Поэтому при равном числе молей алкин обесцвечивает больше бромной воды, чем алкен. Про получение и реакции тройной связи есть отдельный разбор о свойствах ацетилена.

Алкадиены с двумя двойными связями тоже непредельны и присоединяют до двух молекул брома; детали присоединения к сопряжённым диенам разобраны в статье про химические свойства алкадиенов.

Что бромная вода НЕ обесцвечивает

Качественная проба полезна именно тем, что разделяет вещества. Не обесцвечивают бромную воду при обычных условиях:

• алканы (метан, этан, пропан) и циклоалканы с большими циклами: у них только одинарные связи;
• бензол: его ароматическое кольцо устойчиво, и без катализатора с бромом он не реагирует присоединением;
• спирты, простые эфиры, насыщенные карбоновые кислоты, если в них нет кратной связи углерод-углерод.

Есть и важные исключения с другим механизмом. Фенол и анилин обесцвечивают бромную воду, но не по кратной связи, а за счёт замещения водорода в кольце с выпадением белого осадка трибромфенола или триброманилина. Это тоже качественная реакция, но на другую функциональную группу, и путать её с пробой на кратную связь нельзя. Про неё подробнее в материале о качественных реакциях органических веществ для ЕГЭ.

Как отличить присоединение от замещения

Это ключевая граница, на которой теряют баллы. Сравнение по двум признакам:

• При присоединении (алкены, алкины) молекула брома целиком входит в продукт, побочных газов нет, раствор просто обесцвечивается.
• При замещении (алканы при освещении, бензол с катализатором, фенол) один атом брома уходит в молекулу, а второй образует бромоводород $\text{HBr}$; для фенола виден белый осадок.

В качественной пробе на кратную связь нас интересует именно присоединение на холоду без катализатора. Если в условии задачи стоит свет, нагрев или катализатор $\text{FeBr}_3$, речь уже о замещении, и уравнение пишется иначе.

Удобный мысленный тест: посмотрите, что происходит с молекулой брома. При присоединении она входит в продукт целиком, оба её атома остаются связанными с углеродным скелетом, и баланс по брому в уравнении сходится без побочных частиц. При замещении один атом брома уходит на органическую молекулу, а второй неизбежно образует $\text{HBr}$, потому что освободившийся водород некуда деть. Если в вашем уравнении появляется бромоводород, значит, вы написали замещение, и для пробы на кратную связь это неверно.

Частые ошибки

• Записывают замещение вместо присоединения. Для этилена нельзя писать выделение $\text{HBr}$: оба атома брома встают на соседние углероды, побочного газа нет.
• Путают признак. Обесцвечивание это исчезновение оранжевого цвета, а не выпадение осадка. Осадок (белый) характерен для фенола или анилина по другому механизму.
• Считают, что бензол обесцвечивает бромную воду. Без катализатора бензол с бромом не реагирует, окраска сохраняется.
• Берут одну молекулу $\text{Br}_2$ для алкина. Тройная связь способна присоединить две молекулы брома, это нужно учитывать в расчётах.
• Ведут реакцию при нагревании. Тогда к присоединению добавляется замещение, и проба перестаёт быть однозначной.

FAQ

Почему именно бромная вода, а не раствор брома в другом растворителе? Вода удобна и безопаснее, окраска брома в ней хорошо заметна, а исчезновение цвета фиксируется на глаз. Аналогично работает раствор брома в органическом растворителе, но в школьной практике стандарт это именно бромная вода.

Чем качественная проба бромной водой отличается от пробы с перманганатом калия? Обе обнаруживают кратную связь. Бромная вода обесцвечивается за счёт присоединения брома, а розовый раствор $\text{KMnO}_4$ обесцвечивается за счёт окисления кратной связи (реакция Вагнера) с выпадением бурого осадка $\text{MnO}_2$. Перманганат окисляет шире, поэтому реагирует и с некоторыми веществами, на которые бром не действует.

Обесцвечивает ли бромную воду крахмал или глюкоза? Крахмал нет, у него нет кратных углерод-углеродных связей. Глюкоза в открытой форме содержит альдегидную группу и медленно окисляется бромной водой, но это окисление функциональной группы, а не проба на $\text{C}=\text{C}$, и в школьном курсе её обычно определяют другими реакциями.

Коротко

Качественная реакция на кратную связь это обесцвечивание бромной воды: оранжевый раствор брома мгновенно теряет цвет, когда бром присоединяется по двойной или тройной связи углерод-углерод. Реакция идёт на холоду без катализатора, продукт это дибром- или тетрабромпроизводное, а бромоводород не выделяется. Алканы, бензол и насыщенные соединения окраску не снимают, а фенол с анилином обесцвечивают по другому, замещающему механизму с осадком. Главное при записи уравнения не перепутать присоединение с замещением и учесть, что алкин присоединяет две молекулы брома.