Страница 70 - гдз по химии 10 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Приведите молекулярную и структурную формулы фенола. Найдите черты сходства и различия в строении молекул фенола и этанола.

Формулы фенола

Молекулярная формула фенола, показывающая состав вещества: $C_6H_6O$.
Рациональная формула, отражающая наличие функциональной группы: $C_6H_5OH$.

Структурная формула фенола, изображающая порядок соединения атомов в молекуле:

Сравнение строения молекул фенола и этанола

Для сравнения приведем формулы этанола (этилового спирта):

• Рациональная формула: $C_2H_5OH$
• Структурная формула: $CH_3-CH_2-OH$

Черты сходства:

• Основное сходство заключается в наличии в обеих молекулах одной и той же функциональной группы — гидроксильной (гидроксогруппы) $-OH$. Это позволяет классифицировать оба вещества как гидроксильные соединения.
• Наличие гидроксогруппы обусловливает некоторые общие химические свойства, например, способность реагировать со щелочными металлами с выделением водорода.
• Связь $O-H$ в гидроксогруппе является полярной в обеих молекулах.

Черты различия:

• Тип углеводородного радикала. В молекуле фенола гидроксильная группа связана напрямую с атомом углерода ароматического бензольного кольца (фенильный радикал $C_6H_5-$). В молекуле этанола гидроксогруппа связана с атомом углерода насыщенного (алифатического) углеводородного радикала (этильный радикал $C_2H_5-$).
• Гибридизация атома углерода. Атом углерода, соединенный с группой $-OH$, в феноле находится в состоянии $sp^2$-гибридизации. В этаноле аналогичный атом углерода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации.
• Взаимное влияние атомов. Это ключевое различие, определяющее существенную разницу в химических свойствах.
  • В феноле: неподеленная электронная пара атома кислорода гидроксогруппы вступает в сопряжение с единой $\pi$-системой бензольного кольца. Это приводит к смещению электронной плотности от кислорода к кольцу. Как следствие: 1) связь $O-H$ становится более полярной, протон ($H^+$) легче отщепляется, что обусловливает кислотные свойства фенола (в отличие от этанола, он реагирует со щелочами); 2) увеличивается электронная плотность в бензольном кольце (в орто- и пара-положениях), что делает его значительно более активным в реакциях электрофильного замещения (например, с бромной водой).
  • В этаноле: этильный радикал $C_2H_5-$ проявляет положительный индуктивный эффект (+I-эффект), то есть смещает электронную плотность к атому кислорода. Это, наоборот, уменьшает полярность связи $O-H$, делая этанол практически нейтральным соединением, кислотные свойства которого выражены даже слабее, чем у воды.

Ответ: Молекулярная формула фенола - $C_6H_5OH$. Его структурная формула представляет собой бензольное кольцо, соединенное с гидроксильной группой ($-OH$). Сходство строения фенола и этанола ($C_2H_5OH$) заключается в наличии у обоих гидроксильной группы. Различия обусловлены природой радикала, с которым эта группа связана: у фенола это ароматический фенил ($C_6H_5-$), у этанола — алифатический этил ($C_2H_5-$). Это приводит к различиям в гибридизации атома углерода ($sp^2$ у фенола, $sp^3$ у этанола) и к принципиально разному взаимному влиянию атомов. Взаимодействие гидроксогруппы и бензольного кольца в феноле обусловливает его кислотные свойства и высокую реакционную способность кольца, в то время как этанол является нейтральным соединением.

В молекуле фенола ($C_6H_5OH$) фенильный радикал ($C_6H_5-$) и гидроксильная группа ($-OH$) оказывают друг на друга сильное взаимное влияние, что коренным образом изменяет их свойства по сравнению с бензолом и предельными одноатомными спиртами.

Влияние фенильного радикала на гидроксильную группу

Фенильный радикал, обладающий отрицательным индуктивным эффектом ($-I$), оттягивает электронную плотность от атома кислорода гидроксильной группы. Кроме того, неподеленная электронная пара атома кислорода вступает в сопряжение с $\pi$-системой бензольного кольца ($p, \pi$-сопряжение). Это приводит к смещению электронной плотности от атома кислорода в бензольное кольцо. В результате этого смещения:

• Связь $O-H$ в гидроксильной группе становится более полярной.
• Подвижность атома водорода в гидроксильной группе увеличивается.

Эти эффекты обуславливают более сильные кислотные свойства фенола по сравнению с водой и спиртами. В отличие от спиртов, фенол реагирует не только с активными металлами, но и со щелочами, образуя соли — феноляты. Это свойство доказывает, что фенил-радикал усиливает кислотность гидроксогруппы.

Уравнение реакции с гидроксидом натрия:

$C_6H_5OH + NaOH \leftrightarrow C_6H_5ONa + H_2O$

Ответ: Влияние фенильного радикала заключается в усилении кислотных свойств гидроксильной группы, что позволяет фенолу реагировать со щелочами. Пример: $C_6H_5OH + NaOH \rightarrow C_6H_5ONa + H_2O$.

Влияние гидроксильной группы на фенильный радикал

Гидроксильная группа, в свою очередь, также оказывает сильное влияние на бензольное кольцо. За счет $p, \pi$-сопряжения, упомянутого выше, электронная плотность в бензольном кольце увеличивается. Этот эффект ($+M$, положительный мезомерный эффект) значительно сильнее, чем отрицательный индуктивный эффект ($-I$) гидроксогруппы. Повышение электронной плотности происходит неравномерно: она максимальна в орто- и пара-положениях (атомы углерода 2, 4, 6).

В результате этого влияния:

• Бензольное кольцо в молекуле фенола становится более активным в реакциях электрофильного замещения по сравнению с бензолом.
• Гидроксильная группа является ориентантом первого рода, направляя замещение в орто- и пара-положения.

Эта активация настолько сильна, что реакции, которые для бензола требуют жестких условий (катализаторы, нагревание), для фенола протекают в мягких условиях. Характерным примером является реакция с бромной водой, которая идет мгновенно при комнатной температуре с образованием белого осадка 2,4,6-трибромфенола. Бензол с бромной водой не реагирует.

Уравнение реакции с бромной водой:

$C_6H_5OH + 3Br_2 \rightarrow C_6H_2Br_3OH \downarrow + 3HBr$

Ответ: Влияние гидроксильной группы заключается в активации бензольного кольца в реакциях электрофильного замещения, особенно в орто- и пара-положениях. Пример: $C_6H_5OH + 3Br_2 \rightarrow C_6H_2Br_3OH \downarrow + 3HBr$.

3. Для получения 2,4,6-трихлорфенола из бензола необходимо провести многостадийный синтез. Прямое хлорирование бензола с последующим введением гидроксильной группы не является оптимальным путем, так как хлор является ориентантом первого рода, но дезактивирует кольцо, а последующее введение -OH группы в кольцо, содержащее три атома хлора, затруднено. Более рациональный путь — сначала получить фенол из бензола, а затем провести его хлорирование. Гидроксильная группа в феноле является сильным активатором бензольного кольца и ориентантом первого рода, направляя заместители в орто- и пара-положения (положения 2, 4, 6), что позволяет легко и селективно получить целевой продукт.

Решение

Синтез можно осуществить в две основные стадии: получение фенола из бензола и последующее хлорирование фенола.

Стадия I. Получение фенола из бензола

Классический лабораторный способ получения фенола из бензола включает следующую последовательность реакций:

1. Нитрование бензола с помощью нитрующей смеси (смесь концентрированных серной и азотной кислот) для получения нитробензола.

$C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4, 50-60^\circ C} C_6H_5NO_2 + H_2O$

2. Восстановление нитробензола до анилина. Чаще всего для этого используют реакцию Зинина — восстановление железом или оловом в соляной кислоте.

$C_6H_5NO_2 + 3Fe + 6HCl \rightarrow C_6H_5NH_2 + 3FeCl_2 + 2H_2O$

3. Диазотирование анилина. Получение соли диазония путем реакции анилина с нитритом натрия в кислой среде при низкой температуре (0–5 °C).

$C_6H_5NH_2 + NaNO_2 + 2HCl \xrightarrow{0-5^\circ C} [C_6H_5N_2]^+Cl^- + NaCl + 2H_2O$

4. Гидролиз соли диазония. При нагревании водного раствора хлорида бензолдиазония диазогруппа замещается на гидроксильную группу, образуя фенол.

$[C_6H_5N_2]^+Cl^- + H_2O \xrightarrow{t^\circ} C_6H_5OH + N_2 \uparrow + HCl$

Стадия II. Хлорирование фенола

Полученный фенол вводят в реакцию с избытком хлора (например, пропуская газообразный хлор через раствор фенола или используя хлорную воду). Благодаря сильному активирующему действию гидроксильной группы, замещение происходит сразу по трем положениям: двум орто- и одному пара-, с образованием 2,4,6-трихлорфенола.

$C_6H_5OH + 3Cl_2 \rightarrow C_6H_2Cl_3OH + 3HCl$

Ответ:

Способ получения 2,4,6-трихлорфенола из бензола включает следующие реакции:

1. $C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_5NO_2 + H_2O$

2. $C_6H_5NO_2 + 3Fe + 6HCl \rightarrow C_6H_5NH_2 + 3FeCl_2 + 2H_2O$

3. $C_6H_5NH_2 + NaNO_2 + 2HCl \xrightarrow{0-5^\circ C} [C_6H_5N_2]^+Cl^- + NaCl + 2H_2O$

4. $[C_6H_5N_2]^+Cl^- + H_2O \xrightarrow{t^\circ} C_6H_5OH + N_2 + HCl$

5. $C_6H_5OH + 3Cl_2 \rightarrow C_6H_2Cl_3OH + 3HCl$

Дано:

$m_{р-ра}(C_6H_5OH) = 47 \text{ г}$

$m_{осадка}(C_6H_2Br_3OH) = 1,655 \text{ г}$

Найти:

$\omega(C_6H_5OH) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции взаимодействия фенола с избытком бромной воды. Фенол реагирует с бромом с образованием белого осадка – 2,4,6-трибромфенола.

$C_6H_5OH + 3Br_2 \rightarrow C_6H_2Br_3OH \downarrow + 3HBr$

2. Рассчитаем молярные массы фенола ($C_6H_5OH$) и продукта реакции – 2,4,6-трибромфенола ($C_6H_2Br_3OH$), который является осадком.

$M(C_6H_5OH) = 6 \cdot Ar(C) + 6 \cdot Ar(H) + Ar(O) = 6 \cdot 12 + 6 \cdot 1 + 16 = 94 \text{ г/моль}$

$M(C_6H_2Br_3OH) = 6 \cdot Ar(C) + 3 \cdot Ar(H) + 3 \cdot Ar(Br) + Ar(O) = 6 \cdot 12 + 3 \cdot 1 + 3 \cdot 80 + 16 = 331 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества (в молях) выпавшего осадка (2,4,6-трибромфенола), используя его массу и молярную массу.

$n(C_6H_2Br_3OH) = \frac{m(C_6H_2Br_3OH)}{M(C_6H_2Br_3OH)} = \frac{1,655 \text{ г}}{331 \text{ г/моль}} = 0,005 \text{ моль}$

4. Согласно стехиометрии уравнения реакции, из 1 моль фенола образуется 1 моль 2,4,6-трибромфенола. Следовательно, их количества веществ равны.

$n(C_6H_5OH) = n(C_6H_2Br_3OH) = 0,005 \text{ моль}$

5. Рассчитаем массу фенола, которая содержалась в исходном растворе.

$m(C_6H_5OH) = n(C_6H_5OH) \cdot M(C_6H_5OH) = 0,005 \text{ моль} \cdot 94 \text{ г/моль} = 0,47 \text{ г}$

6. Наконец, рассчитаем массовую долю фенола в исходном водном растворе. Массовая доля вещества в растворе – это отношение массы растворенного вещества к массе всего раствора.

$\omega(C_6H_5OH) = \frac{m(C_6H_5OH)}{m_{р-ра}} \cdot 100\%$

$\omega(C_6H_5OH) = \frac{0,47 \text{ г}}{47 \text{ г}} \cdot 100\% = 0,01 \cdot 100\% = 1\%$

Ответ: массовая доля фенола в исходном растворе составляет 1%.

Дано:
Три пробирки с водными растворами:
1. Пропанол-1 ($C_3H_7OH$)
2. Глицерин ($C_3H_5(OH)_3$)
3. Фенол ($C_6H_5OH$)

Найти:
Реагенты и методику для определения содержимого каждой пробирки.

Решение:
Для распознавания данных веществ необходимо провести качественные реакции, основанные на различиях в их строении. Пропанол-1 является одноатомным насыщенным спиртом, глицерин – многоатомным спиртом, а фенол относится к классу ароматических соединений с гидроксильной группой, непосредственно связанной с бензольным кольцом, что придает ему особые химические свойства. Распознавание можно провести в два этапа.

На первом этапе определим фенол. Для этого в каждую из трех пробирок добавим по несколько капель раствора хлорида железа(III) ($FeCl_3$). В той пробирке, где находится фенол, появится характерное интенсивное фиолетовое окрашивание из-за образования комплексного соединения фенолята железа. В пробирках с пропанолом-1 и глицерином, которые являются алифатическими спиртами, видимых изменений не будет.

На втором этапе различим пропанол-1 и глицерин в двух оставшихся пробирках. Для этого воспользуемся качественной реакцией на многоатомные спирты – реакцией со свежеосажденным гидроксидом меди(II) ($Cu(OH)_2$). Его получают при взаимодействии раствора соли меди(II) (например, $CuSO_4$) и раствора щелочи ($NaOH$). Полученный голубой осадок $Cu(OH)_2$ добавляют в обе пробирки.
– В пробирке с глицерином (многоатомный спирт) голубой осадок $Cu(OH)_2$ растворится, и образуется прозрачный раствор ярко-синего цвета – глицерат меди(II).
– В пробирке с пропанолом-1 (одноатомный спирт) реакции не произойдет, и голубой осадок $Cu(OH)_2$ останется без изменений.

Уравнения ключевых реакций:
1. Качественная реакция на фенол:
$6C_6H_5OH + FeCl_3 \rightarrow H_3[Fe(OC_6H_5)_6] + 3HCl$ (образуется комплекс фиолетового цвета)
2. Качественная реакция на многоатомные спирты (глицерин):
$2C_3H_5(OH)_3 + Cu(OH)_2 \rightarrow [C_3H_5(OH)_2O]_2Cu + 2H_2O$ (образуется раствор синего цвета)

Ответ:
Для определения каждого из растворов можно использовать два реагента последовательно:
1. Раствор хлорида железа(III) ($FeCl_3$): при добавлении к содержимому пробирок только фенол даст реакцию в виде появления фиолетового окрашивания.
2. Свежеосажденный гидроксид меди(II) ($Cu(OH)_2$): при добавлении к двум оставшимся растворам, в пробирке с глицерином голубой осадок растворится с образованием ярко-синего раствора, а в пробирке с пропанолом-1 видимых изменений не произойдет.

Решение

Данная химическая реакция иллюстрирует общее правило, согласно которому более сильная кислота вытесняет более слабую кислоту из её соли. Проанализируем представленное уравнение:

$C_6H_5ONa + CO_2 + H_2O \rightarrow C_6H_5OH + NaHCO_3$

В левой части уравнения находятся:

• Фенолят натрия ($C_6H_5ONa$) – соль, образованная слабой кислотой, фенолом ($C_6H_5OH$).
• Углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$), которые вместе образуют угольную кислоту ($H_2CO_3$).

В правой части уравнения образуются:

• Фенол ($C_6H_5OH$) – слабая кислота, вытесненная из своей соли.
• Гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$) – кислая соль, образованная угольной кислотой.

Таким образом, угольная кислота ($H_2CO_3$) вступает в реакцию с солью фенола (фенолятом натрия) и вытесняет из нее фенол. Это возможно только в том случае, если угольная кислота является более сильной кислотой, чем фенол. Сила кислоты определяется её способностью отдавать протон (диссоциировать), и в данном случае $H_2CO_3$ проявляет эту способность в большей степени, чем $C_6H_5OH$.

Ответ: На основании этой реакции можно сделать вывод, что угольная кислота ($H_2CO_3$) является более сильной кислотой, чем фенол ($C_6H_5OH$).

Решение

1. Описание физических свойств фенола

Фенол (гидроксибензол, карболовая кислота) с химической формулой $C_6H_5OH$ является одним из простейших представителей класса фенолов. Его физические свойства следующие:

Агрегатное состояние: при стандартных условиях фенол — это твёрдое вещество, представляющее собой бесцветные игольчатые кристаллы.

Цвет и запах: чистый фенол бесцветен. Однако при хранении на воздухе и под действием света он постепенно окисляется, приобретая розоватый или красный оттенок. Обладает характерным резким, сладковатым запахом (иногда описываемым как "запах гуаши" или "карболовый").

Температура плавления: $t_{пл} = 40,5 \text{ °C}$.

Температура кипения: $t_{кип} = 181,7 \text{ °C}$.

Плотность: $\rho = 1,07 \text{ г/см}^3$ (при $20 \text{ °C}$).

Растворимость: фенол имеет ограниченную растворимость в холодной воде, но она значительно возрастает с повышением температуры. При температуре выше $65,3 \text{ °C}$ фенол и вода смешиваются в любых пропорциях. Он хорошо растворим в большинстве органических растворителей (спиртах, эфирах, ацетоне) и в водных растворах щелочей (с образованием солей — фенолятов).

Прочие свойства: фенол — летучее вещество. Он токсичен и является едким веществом, вызывающим сильные химические ожоги при контакте с кожей.

Ответ: Фенол — это бесцветное кристаллическое вещество с характерным резким запахом, плавящееся при $40,5 \text{ °C}$ и кипящее при $181,7 \text{ °C}$. Он ограниченно растворим в холодной воде, но его растворимость сильно увеличивается с температурой. Фенол хорошо растворяется в органических растворителях и растворах щелочей, является токсичным и едким.

2. Данные о растворимости фенола в воде

Растворимость фенола в воде сильно зависит от температуры. Ниже представлена таблица данных, показывающая, сколько граммов фенола может раствориться в 100 граммах воды при различных температурах.

Температура $65,3 \text{ °C}$ называется верхней критической температурой растворения для системы фенол-вода. Выше этого значения фенол и вода становятся взаимно растворимыми в любых отношениях.

Ответ: Растворимость фенола в воде увеличивается с ростом температуры: от $6,7$ г/100 г H₂O при $0-10 \text{ °C}$ до $25,0$ г/100 г H₂O при $60 \text{ °C}$. При температуре выше $65,3 \text{ °C}$ фенол и вода смешиваются неограниченно.

3. График температурной зависимости растворимости фенола в воде

На основе приведенных выше данных построен график зависимости растворимости фенола (S) от температуры (T). Такой график называется кривой растворимости.

График показывает, что кривая растворимости является восходящей. Рост растворимости сначала умеренный, но становится все более резким по мере приближения к верхней критической температуре ($65,3 \text{ °C}$, на графике отмечена пунктирной линией), после которой два компонента смешиваются в любых пропорциях.

Ответ: График зависимости растворимости фенола в воде от температуры представляет собой восходящую кривую, демонстрирующую медленный рост растворимости при низких температурах и его резкое ускорение при приближении к критической температуре $65,3 \text{ °C}$.

Перевод латинского названия

Латинское название Alkohol dehydrogenatus, данное Юстусом Либихом, дословно переводится на русский язык как «спирт, лишённый водорода» или, используя научную терминологию, «дегидрогенизированный спирт».

Этот термин точно описывает суть химического превращения: альдегид был получен из этилового спирта ($C_2H_6O$) путём отщепления (удаления) двух атомов водорода. Этот процесс называется дегидрированием. Сравнение молекулярных формул исходного этанола ($C_2H_6O$) и полученного продукта — этаналя, или уксусного альдегида ($C_2H_4O$) — наглядно это демонстрирует.

Ответ: Название Alkohol dehydrogenatus переводится как «спирт, лишённый водорода» или «дегидрогенизированный спирт».

Функциональная группа альдегидов

Альдегиды — это класс органических соединений, которые содержат в своей молекуле одну или несколько альдегидных (или формильных) групп. Эта функциональная группа состоит из атома углерода, связанного двойной связью с атомом кислорода (карбонильная группа) и одинарной связью с атомом водорода. Общая формула альдегидной группы: $-CHO$.

Таким образом, общая формула альдегидов выглядит как $R-CHO$, где $R$ — это атом водорода (в случае простейшего альдегида — формальдегида, $HCHO$) или любой углеводородный радикал (например, метил $-CH_3$ в уксусном альдегиде $CH_3CHO$).

Ответ: Альдегиды содержат альдегидную (формильную) функциональную группу $-CHO$.

Характерные свойства альдегидов, определяемые функциональной группой

Наличие альдегидной группы $-CHO$ обуславливает высокую реакционную способность альдегидов и определяет их характерные химические свойства.

1. Реакции окисления. Альдегиды очень легко окисляются, превращаясь в соответствующие карбоновые кислоты. В этих реакциях они выступают в роли сильных восстановителей. Это одно из ключевых свойств, отличающих их от кетонов.
Общая схема реакции: $R-CHO \xrightarrow{[O]} R-COOH$
На этой способности основаны качественные реакции на альдегидную группу:

• Реакция «серебряного зеркала» с аммиачным раствором оксида серебра (реактивом Толленса). Альдегид восстанавливает ионы серебра до металлического $Ag$, которое оседает на стенках пробирки в виде зеркального налёта.
  $R-CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow R-COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 + H_2O$
• Реакция с гидроксидом меди(II) (реактивом Фелинга) при нагревании. Альдегид восстанавливает ионы меди($II$) из синего раствора гидроксида меди($II$) до оксида меди($I$) — осадка кирпично-красного цвета.
  $R-CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} R-COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$

2. Реакции восстановления (гидрирования). Альдегиды могут восстанавливаться до первичных спиртов. Реакция происходит при присоединении водорода по двойной связи $C=O$ в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd) или под действием сильных восстановителей (например, $NaBH_4$).
$R-CHO + H_2 \xrightarrow{кат.} R-CH_2OH$

3. Реакции нуклеофильного присоединения. Из-за сильной поляризации связи в карбонильной группе ($C^{\delta+}=O^{\delta-}$) атом углерода является электрофильным центром и легко атакуется нуклеофилами (частицами с отрицательным зарядом или неподелённой электронной парой). Это основной тип реакций для альдегидов.

Ответ: Альдегидная группа определяет такие характерные свойства, как способность к лёгкому окислению до карбоновых кислот (что используется в качественных реакциях «серебряного зеркала» и с гидроксидом меди(II)), способность к восстановлению до первичных спиртов, а также склонность к реакциям нуклеофильного присоединения по карбонильной группе.