Реакция альдегидов с гидроксидом меди: уравнение и осадок

Качественная реакция с гидроксидом меди на альдегиды - один из самых наглядных опытов школьного и вузовского курса органической химии. Если к свежеосаждённому голубому гидроксиду меди(II) добавить альдегид и нагреть смесь, голубой осадок исчезает, а вместо него выпадает кирпично-красный осадок оксида меди(I). Именно этот эффектный переход цвета и служит признаком альдегидной группы. Ниже разберём, как протекает окисление, как правильно написать уравнение, чем эта проба отличается от реакции серебряного зеркала и как посчитать массу осадка по стехиометрии. Чтобы сразу связать массу взятого альдегида с массой выпавшего осадка, покрути калькулятор ниже: он считает количество вещества, расход реагента и массу Cu2O для разных альдегидов.

Суть качественной реакции с гидроксидом меди

Гидроксид меди(II) $Cu(OH)_2$ - слабый окислитель, но при нагревании его вполне хватает, чтобы окислить альдегидную группу $-CHO$ до карбоксильной $-COOH$. Сам же гидроксид меди при этом восстанавливается: степень окисления меди понижается с $+2$ до $+1$, и образуется оксид меди(I) $Cu_2O$ - нерастворимое вещество характерного красного цвета.

Реакцию проводят так: к раствору соли меди(II) добавляют щёлочь, получают голубой студенистый осадок $Cu(OH)_2$, затем приливают раствор альдегида и нагревают. Голубая окраска сменяется сначала жёлтой (промежуточный гидроксид меди(I) $CuOH$), а затем кирпично-красной - это и есть выпавший $Cu_2O$. Появление красного осадка однозначно говорит о присутствии в молекуле альдегидной группы.

Рассчитать для своей задачи

Уравнение реакции

Общее уравнение для альдегида $R-CHO$ записывают так:

$R-CHO + 2\,Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} R-COOH + Cu_2O\downarrow + 2\,H_2O.$

Ключевые коэффициенты - двойка перед гидроксидом меди и единица перед оксидом меди(I): на одну молекулу альдегида расходуется две молекулы $Cu(OH)_2$ и образуется одна молекула $Cu_2O$. Для уксусного альдегида уравнение приобретает конкретный вид:

$CH_3CHO + 2\,Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CH_3COOH + Cu_2O\downarrow + 2\,H_2O.$

Чтобы не путаться с коэффициентами, удобно сначала записать схему окисления-восстановления. Углерод альдегидной группы повышает степень окисления (отдаёт два электрона), а каждый атом меди принимает один электрон, понижая степень окисления с $+2$ до $+1$. Поскольку медь принимает по одному электрону, а альдегид отдаёт два, на одну молекулу альдегида и приходится два атома меди - отсюда коэффициент 2 перед $Cu(OH)_2$.

Рассчитать для своей задачи

Почему выпадает красный осадок

Красный цвет осадка - это окраска оксида меди(I) $Cu_2O$. В отличие от чёрного оксида меди(II) $CuO$, который получился бы при простом прокаливании $Cu(OH)_2$, здесь медь восстанавливается органическим веществом и останавливается на степени окисления $+1$. Именно эта «промежуточная» степень окисления и даёт яркий кирпично-красный цвет.

Важно использовать свежеосаждённый гидроксид меди(II): постоявший осадок частично переходит в чёрный $CuO$ и теряет реакционную способность. Нагревание тоже обязательно - без него реакция не идёт или идёт крайне медленно, и красный осадок не появляется. Эти два условия (свежий реагент и нагрев) чаще всего и оказываются причиной неудачного опыта.

Как считать массу осадка

Расчётные задачи на эту реакцию решаются по стандартной схеме «масса → количество вещества → стехиометрия → масса». Сначала находят количество вещества альдегида:

$n(R{-}CHO) = \frac{m}{M}.$

Затем по коэффициентам уравнения определяют количества остальных участников. На $n$ моль альдегида приходится $2n$ моль $Cu(OH)_2$ и $n$ моль $Cu_2O$. Массу осадка считают через молярную массу оксида меди(I) $M(Cu_2O) = 144$ г/моль:

$m(Cu_2O) = n \cdot M(Cu_2O) = \frac{m(R{-}CHO)}{M(R{-}CHO)} \cdot 144.$

Например, для $8{,}8$ г уксусного альдегида ($M = 44$ г/моль) количество вещества равно $0{,}2$ моль, значит образуется $0{,}2$ моль $Cu_2O$, то есть $28{,}8$ г красного осадка. Калькулятор выше повторяет эту цепочку для любого из четырёх альдегидов и сразу показывает соотношение количеств на столбчатой диаграмме.

Чем проба отличается от серебряного зеркала

Реакция с гидроксидом меди(II) и реакция серебряного зеркала (с аммиачным раствором оксида серебра) - две родственные качественные пробы на альдегидную группу. Обе основаны на окислении $-CHO$ до $-COOH$, но дают разный внешний эффект: в пробе Толленса на стенках пробирки образуется блестящий слой металлического серебра, а с гидроксидом меди выпадает красный осадок $Cu_2O$. Медная проба проще в исполнении (не нужен аммиачный комплекс серебра) и нагляднее по цвету, поэтому в учебных опытах её используют чаще.

Обе реакции дают и муравьиная кислота, и формальдегид, поскольку у них тоже есть альдегидная группа. А вот кетоны с гидроксидом меди(II) не реагируют - у них нет атома водорода при карбонильном углероде, который можно было бы окислить, и красный осадок не образуется. Это и позволяет качественно отличать альдегиды от кетонов.

Частые ошибки

• Путают продукт восстановления: пишут $CuO$ (чёрный) или металлическую медь $Cu$ вместо $Cu_2O$. Правильный осадок - именно красный оксид меди(I).
• Ставят коэффициент 1 перед гидроксидом меди. По электронному балансу нужно 2 молекулы $Cu(OH)_2$ на одну молекулу альдегида.
• Забывают про воду в правой части: на каждый моль альдегида выделяется 2 моль $H_2O$.
• Берут несвежий гидроксид меди или не нагревают смесь, поэтому красный осадок не выпадает, и делают вывод об отсутствии альдегида.
• Применяют пробу к кетонам и ждут осадок: кетоны с $Cu(OH)_2$ не реагируют.

FAQ

Какого цвета осадок при реакции альдегида с гидроксидом меди? Кирпично-красный. Это оксид меди(I) $Cu_2O$. Голубой $Cu(OH)_2$ при нагревании с альдегидом сначала желтеет (промежуточный $CuOH$), затем переходит в красный $Cu_2O$.

Реагируют ли спирты с гидроксидом меди(II)? Многоатомные спирты (например, глицерин) дают с $Cu(OH)_2$ ярко-синий раствор комплекса без нагревания, но это другая качественная реакция и осадок не выпадает. Одноатомные спирты и этанол при нагревании красный осадок не дают, поэтому проба позволяет отличить альдегид от спирта.

Можно ли этой реакцией отличить альдегид от кетона? Да. Альдегиды дают красный осадок $Cu_2O$, а кетоны с гидроксидом меди(II) не реагируют, потому что у них нет водорода при карбонильном углероде.

Коротко

Качественная реакция на альдегиды с гидроксидом меди - это окисление группы $-CHO$ до $-COOH$ при нагревании, в ходе которого голубой $Cu(OH)_2$ восстанавливается до красного осадка $Cu_2O$ по уравнению $R-CHO + 2\,Cu(OH)_2 \to R-COOH + Cu_2O\downarrow + 2\,H_2O$. Появление кирпично-красного осадка служит признаком альдегидной группы; массу осадка считают через $n = m/M$ и коэффициент 1 моль $Cu_2O$ на 1 моль альдегида.