Страница 84 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Напишите структурные формулы двух гомологов фенола состава $C_7H_8O$.

Гомологи – это органические соединения, принадлежащие к одному классу, имеющие сходное строение и химические свойства, но отличающиеся друг от друга по составу на одну или несколько групп $-CH_2-$.

Молекулярная формула фенола – $C_6H_5OH$, его состав – $C_6H_6O$.

Соединения состава $C_7H_8O$ являются ближайшими гомологами фенола, так как их состав отличается от состава фенола на одну метиленовую группу ($-CH_2-$). Такие соединения называются крезолами (или метилфенолами). В их молекулах к бензольному кольцу присоединены одна гидроксогруппа ($-OH$) и одна метильная группа ($-CH_3$).

В зависимости от взаимного расположения этих двух групп в кольце, существует три изомера: орто-крезол, мета-крезол и пара-крезол. Для ответа нужно привести структурные формулы двух любых из них.

Пример 1: орто-крезол (o-крезол, или 2-метилфенол)

В этом изомере гидроксогруппа и метильная группа находятся у соседних атомов углерода бензольного кольца (в положениях 1 и 2).

Пример 2: мета-крезол (м-крезол, или 3-метилфенол)

В этом изомере гидроксогруппа и метильная группа разделены одним атомом углерода бензольного кольца (находятся в положениях 1 и 3).

Ответ:

Два гомолога фенола состава $C_7H_8O$:

1. Орто-крезол (2-метилфенол): структурная формула представляет собой бензольное кольцо, в котором к соседним атомам углерода присоединены гидроксогруппа ($-OH$) и метильная группа ($-CH_3$).

2. Мета-крезол (3-метилфенол): структурная формула представляет собой бензольное кольцо, в котором гидроксогруппа ($-OH$) и метильная группа ($-CH_3$) расположены через один атом углерода (в положениях 1 и 3).

2. Фенол отличается от бензола по составу на один атом кислорода. Как этот атом влияет на физические и химические свойства фенола? Объясните.

Молекула фенола ($C_6H_5OH$) отличается от молекулы бензола ($C_6H_6$) наличием гидроксильной группы (–OH) вместо одного из атомов водорода. Этот атом кислорода, входящий в состав гидроксильной группы, коренным образом изменяет как физические, так и химические свойства вещества.

Влияние на физические свойства

Появление полярной гидроксильной группы (–OH) в неполярной молекуле бензола приводит к значительным изменениям физических свойств.

1. Агрегатное состояние и температуры плавления/кипения: Бензол – это летучая жидкость (температура кипения 80,1 °C), в то время как фенол при комнатной температуре – это твёрдое кристаллическое вещество (температура плавления 40,5 °C, температура кипения 181,7 °C). Столь существенное повышение температур фазовых переходов объясняется тем, что молекулы фенола, в отличие от молекул бензола, способны образовывать между собой прочные межмолекулярные водородные связи за счет гидроксильных групп. На разрыв этих связей требуется дополнительная энергия.

2. Растворимость в воде: Бензол практически нерастворим в воде, так как его молекулы неполярны. Фенол же ограниченно растворяется в холодной воде и хорошо – в горячей. Это также связано со способностью гидроксильной группы фенола образовывать водородные связи с молекулами воды.

Влияние на химические свойства

Атом кислорода в молекуле фенола оказывает взаимное влияние: гидроксильная группа влияет на бензольное кольцо, а кольцо — на гидроксильную группу.

Влияние гидроксильной группы на бензольное кольцо. Атом кислорода имеет неподеленные электронные пары, которые вступают в сопряжение с $\pi$-системой бензольного кольца. Это приводит к смещению электронной плотности от атома кислорода к кольцу, в результате чего электронная плотность в самом кольце повышается, особенно в орто- и пара-положениях (атомы углерода в положениях 2, 4 и 6). Следствием этого является то, что бензольное кольцо в феноле становится гораздо более активным в реакциях электрофильного замещения (например, галогенирования, нитрования) по сравнению с бензолом. Реакции проходят в более мягких условиях и преимущественно по орто- и пара-положениям. Например, фенол легко реагирует с бромной водой при комнатной температуре с образованием белого осадка 2,4,6-трибромфенола, в то время как для бромирования бензола требуется катализатор (например, $FeBr_3$).

Влияние бензольного кольца на гидроксильную группу. Бензольное кольцо (фенильный радикал $C_6H_5$–), оттягивая на себя электронную плотность от атома кислорода, в свою очередь, заставляет кислород сильнее притягивать электроны от атома водорода в группе –OH. Следствием этого является то, что связь O–H становится более полярной и ослабленной, что облегчает отщепление протона ($H^+$). В результате фенол проявляет слабые кислотные свойства, которых нет у бензола и которые выражены значительно сильнее, чем у предельных одноатомных спиртов (например, этанола). Фенол реагирует не только с активными металлами (как спирты), но и со щелочами, образуя соли – феноляты.

Пример реакции со щелочью: $C_6H_5OH + NaOH \rightarrow C_6H_5ONa + H_2O$

Ответ: Атом кислорода в составе гидроксильной группы в молекуле фенола оказывает ключевое влияние на его свойства по сравнению с бензолом. Физические свойства: благодаря способности образовывать водородные связи, фенол является твёрдым веществом с высокими температурами плавления и кипения и ограниченно растворим в воде, в отличие от жидкого и нерастворимого бензола. Химические свойства: проявляется взаимное влияние. С одной стороны, гидроксильная группа активирует бензольное кольцо, облегчая реакции электрофильного замещения в орто- и пара-положения. С другой стороны, бензольное кольцо усиливает полярность связи O–H, придавая фенолу слабые кислотные свойства, что позволяет ему реагировать со щелочами.

3. Как можно отличить этиловый спирт от водного раствора фенола? Ответ подтвердите уравнением реакции.

Решение

Этиловый спирт ($C_2H_5OH$) и фенол ($C_6H_5OH$) можно различить с помощью качественной реакции, которая характерна для фенолов, но не для алифатических спиртов. Таким реагентом является хлорид железа(III) ($FeCl_3$).

Суть метода заключается в следующем: в две пробирки с образцами этилового спирта и водного раствора фенола необходимо добавить несколько капель раствора хлорида железа(III).

В пробирке с водным раствором фенола наблюдается появление интенсивного фиолетового окрашивания. Это происходит из-за образования комплексного соединения — фенолята железа(III).

В пробирке с этиловым спиртом никаких видимых изменений не произойдет. Этиловый спирт не реагирует с хлоридом железа(III) таким образом, и раствор останется желтовато-коричневым (цвет исходного раствора $FeCl_3$).

Уравнение реакции для фенола, которое подтверждает его наличие:
$6C_6H_5OH + FeCl_3 \rightarrow H_3[Fe(OC_6H_5)_6] + 3HCl$

Для этилового спирта реакция не протекает:
$C_2H_5OH + FeCl_3 \rightarrow$ реакция не идет

Таким образом, по появлению фиолетового окрашивания можно однозначно определить пробирку с раствором фенола.

Ответ: Этиловый спирт можно отличить от водного раствора фенола при помощи раствора хлорида железа(III) ($FeCl_3$). При добавлении $FeCl_3$ к раствору фенола появляется характерное фиолетовое окрашивание, в то время как с этиловым спиртом видимых изменений не происходит. Уравнение реакции: $6C_6H_5OH + FeCl_3 \rightarrow H_3[Fe(OC_6H_5)_6] + 3HCl$.

4. Почему фенол проявляет кислотные свойства в большей степени, чем спирты? Какой реакцией это можно подтвердить?

Фенол ($C_6H_5OH$) проявляет кислотные свойства в большей степени, чем спирты (например, этанол $C_2H_5OH$), из-за особенностей электронного строения его молекулы.

В молекуле фенола гидроксильная группа ($–OH$) напрямую связана с атомом углерода бензольного кольца, находящимся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Неподеленная электронная пара атома кислорода втягивается в единую сопряженную $\pi$-систему бензольного кольца. Этот эффект называется p,$\pi$-сопряжением. В результате сопряжения электронная плотность смещается от атома кислорода к кольцу, что приводит к увеличению положительного заряда на атоме кислорода и, как следствие, к сильной поляризации связи $O–H$. Протон ($H^+$) становится более "подвижным" и легче отщепляется. Кроме того, образующийся при диссоциации анион — фенолят-ион ($C_6H_5O^−$) — оказывается очень стабильным, так как отрицательный заряд на атоме кислорода делокализуется (рассредотачивается) по всей $\pi$-системе бензольного кольца.

В молекулах предельных одноатомных спиртов гидроксильная группа связана с алкильным радикалом (например, $C_2H_5–$). Алкильные группы проявляют положительный индуктивный эффект (+I), то есть являются электронодонорами. Они "отталкивают" электронную плотность к атому кислорода, что, наоборот, уменьшает полярность связи $O–H$ и затрудняет отщепление протона. Образующийся алкоголят-ион (например, $C_2H_5O^−$) менее стабилен, так как отрицательный заряд на кислороде не делокализован, а наоборот, усиливается донорным эффектом алкильной группы.

Подтвердить более высокую кислотность фенола по сравнению со спиртами можно с помощью реакции с раствором щелочи, например, с гидроксидом натрия ($NaOH$). Фенол, в отличие от спиртов, является достаточно сильной кислотой (его историческое название — карболовая кислота), чтобы реагировать со щелочами с образованием солей — фенолятов.

Реакция для фенола:
$C_6H_5OH + NaOH \rightarrow C_6H_5ONa + H_2O$

Спирты, будучи более слабыми кислотами, чем вода, в реакцию со щелочами не вступают:
$C_2H_5OH + NaOH \nrightarrow$

Ответ: Кислотные свойства фенола обусловлены p,$\pi$-сопряжением неподеленной электронной пары атома кислорода с $\pi$-системой бензольного кольца. Это приводит к поляризации связи $O–H$ и стабилизации образующегося фенолят-иона за счет делокализации отрицательного заряда. У спиртов алкильный радикал проявляет положительный индуктивный эффект, ослабляющий кислотные свойства. Экспериментально это подтверждается реакцией с раствором щелочи ($NaOH$), в которую фенол вступает, а спирты — нет.

5. Сравните свойства фенола и бензола. Какой реакцией это можно подтвердить?

Свойства фенола и бензола существенно различаются из-за наличия гидроксильной группы (–OH) в молекуле фенола, которая напрямую связана с бензольным кольцом. Это приводит к взаимному влиянию атомов в молекуле.

1. Влияние гидроксильной группы на бензольное кольцо. Неподеленная электронная пара атома кислорода в гидроксильной группе вступает в сопряжение с π-системой бензольного кольца ($p, \pi$-сопряжение). Это приводит к перераспределению электронной плотности: она увеличивается в бензольном кольце, особенно в орто- и пара-положениях (атомы углерода в положениях 2, 4, 6). В результате этого бензольное кольцо в молекуле фенола становится значительно более активным в реакциях электрофильного замещения (галогенирование, нитрование) по сравнению с бензолом. Гидроксильная группа является активирующим заместителем.

2. Влияние бензольного кольца на гидроксильную группу. Бензольное кольцо, оттягивая на себя электронную плотность от атома кислорода, увеличивает поляризацию связи O–H. Это делает атом водорода в гидроксильной группе более подвижным и способным отщепляться в виде протона $H^+$. Поэтому фенол проявляет слабые кислотные свойства (его тривиальное название — карболовая кислота), в отличие от бензола (нейтрален) и предельных спиртов (которые являются еще более слабыми кислотами). Фенол реагирует с растворами щелочей, образуя соли — феноляты. Бензол в такие реакции не вступает.

Подтвердить различия в реакционной способности бензольного кольца фенола и бензола можно с помощью качественной реакции с бромной водой ($Br_2(водн.)$).

При добавлении бромной воды к раствору фенола происходит быстрая реакция даже при комнатной температуре и без катализатора. Наблюдается обесцвечивание желто-оранжевой бромной воды и выпадение белого осадка 2,4,6-трибромфенола:
$C_6H_5OH + 3Br_2 \rightarrow C_6H_2Br_3OH \downarrow + 3HBr$

Бензол в аналогичных условиях с бромной водой не реагирует. Для проведения реакции бромирования бензола требуются жесткие условия: безводный бром и катализатор (например, $FeBr_3$).

Таким образом, реакция с бромной водой наглядно демонстрирует, что гидроксильная группа значительно активирует бензольное кольцо, облегчая реакции электрофильного замещения.

Ответ: Свойства фенола и бензола различны из-за взаимного влияния бензольного кольца и гидроксильной группы в молекуле фенола. Гидроксильная группа повышает реакционную способность бензольного кольца в реакциях электрофильного замещения и придает молекуле слабые кислотные свойства. Бензольное кольцо, в свою очередь, усиливает поляризацию связи O-H, делая фенол кислотой (в отличие от спиртов). Подтвердить это различие можно качественной реакцией с бромной водой: фенол реагирует с ней с образованием белого осадка 2,4,6-трибромфенола, а бензол — нет.