Номер 74, страница 94 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.74. При мягком нитровании фенола образуется смесь орmо- и naрa-нитрофенолов. Элегантным способом разделения этой смеси является перегонка с водяным паром. Для этого через горячий водный раствор смеси изомеров пропускают водяной пар, который затем конденсируют. При этом орmо-изомер отгоняется вместе с паром, а naрa-изомер остаётся в исходной колбе. Объясните наблюдаемое различие в поведении изомеров.

Решение

Наблюдаемое различие в поведении орто- и пара-нитрофенолов при перегонке с водяным паром объясняется различием в характере водородных связей, которые могут образовывать эти изомеры. Летучесть вещества, то есть его способность переходить в газообразное состояние, напрямую зависит от сил межмолекулярного взаимодействия: чем слабее эти силы, тем летучее вещество и тем ниже его температура кипения.

1. Орто-нитрофенол

В молекуле орто-нитрофенола гидроксильная группа (-OH) и нитрогруппа (-NO₂) находятся в соседних положениях бензольного кольца. Такое близкое расположение позволяет образоваться внутримолекулярной водородной связи между атомом водорода гидроксильной группы и одним из атомов кислорода нитрогруппы.

Эта внутримолекулярная связь как бы "запирает" гидроксильный водород, не давая ему участвовать в образовании межмолекулярных водородных связей с другими молекулами орто-нитрофенола или воды. В результате, молекулы орто-нитрофенола слабо связаны друг с другом (в основном за счет слабых сил Ван-дер-Ваальса), что обуславливает его относительно низкую температуру кипения ($214^\circ C$) и высокую летучесть. Поэтому он легко уносится с водяным паром.

2. Пара-нитрофенол

В молекуле пара-нитрофенола гидроксильная и нитрогруппа расположены на противоположных концах бензольного кольца. Из-за большого расстояния между ними образование внутримолекулярной водородной связи невозможно. Вместо этого, атом водорода гидроксильной группы одной молекулы образует прочную межмолекулярную водородную связь с атомом кислорода нитрогруппы соседней молекулы.

Такие связи приводят к образованию прочных ассоциатов (цепочек или сеток) из молекул пара-нитрофенола. Чтобы разрушить эти сильные межмолекулярные взаимодействия и перевести вещество в пар, требуется значительно больше энергии. Это является причиной его высокой температуры кипения ($279^\circ C$) и низкой летучести. Поэтому пара-нитрофенол не перегоняется с водяным паром и остается в исходной колбе.

Таким образом, элегантное разделение смеси нитрофенолов основано на фундаментальном различии в их молекулярной структуре, которое приводит к формированию разных типов водородных связей и, как следствие, к кардинально разной летучести.

Ответ: Различие в поведении изомеров объясняется разными типами водородных связей. В орто-нитрофеноле образуется внутримолекулярная водородная связь, что ослабляет межмолекулярное взаимодействие и делает его летучим (перегоняется с паром). В пара-нитрофеноле образуются прочные межмолекулярные водородные связи, которые сильно связывают молекулы друг с другом, делая его нелетучим (остается в колбе).