Номер 1, страница 75 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1*. Сравните химические свойства бензола и толуола и поясните сущность взаимного влияния атомов в молекулах. Вспомните соответствующее положение из теории А. М. Бутлерова и приведите другие примеры.

Для ответа на данный вопрос необходимо рассмотреть строение молекул бензола ($C_6H_6$) и толуола ($C_6H_5CH_3$). Бензол представляет собой ароматическое кольцо из шести атомов углерода, каждый из которых связан с одним атомом водорода. Толуол (метилбензол) является гомологом бензола, в его молекуле один из атомов водорода в бензольном кольце замещен на метильную группу ($–CH_3$). Это различие в строении и определяет разницу в их химических свойствах, что является яркой иллюстрацией взаимного влияния атомов в молекуле.

Сравнение химических свойств бензола и толуола

Общими для бензола и толуола являются реакции, характерные для ароматического кольца, — это реакции электрофильного замещения ($S_E$). Однако наличие метильной группы в молекуле толуола вносит существенные отличия.

1. Реакции электрофильного замещения в бензольном кольце.

   Толуол вступает в реакции электрофильного замещения (нитрование, галогенирование, сульфирование) значительно легче и в более мягких условиях, чем бензол. Метильная группа ($–CH_3$) является электронодонорным заместителем и оказывает активирующее влияние на бензольное кольцо, повышая электронную плотность в нем. Это облегчает атаку электрофильных частиц. Например, реакция нитрования бензола требует использования концентрированной азотной и серной кислот ("нитрующая смесь") и нагревания, в то время как толуол нитруется этой же смесью уже при комнатной температуре.

   $C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t} C_6H_5NO_2 + H_2O$

   $C_6H_5CH_3 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} o,p-CH_3C_6H_4NO_2 + H_2O$

   Более того, метильная группа является ориентантом первого рода, то есть направляет замещение в орто- (положения 2, 6) и пара- (положение 4) положения бензольного кольца. В бензоле все шесть атомов углерода равноценны, и продукт замещения всегда один.

2. Реакции по боковой цепи (метильной группе).

   В отличие от бензола, толуол может вступать в реакции по метильной группе. Эти реакции не характерны для самого бензола.

   а) Галогенирование на свету. При облучении ультрафиолетом (а не в присутствии катализатора, как для кольца) происходит свободнорадикальное замещение атомов водорода в метильной группе:

   $C_6H_5CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_5CH_2Cl + HCl$

   Бензол в таких условиях с хлором не реагирует.

   б) Окисление. Бензольное кольцо чрезвычайно устойчиво к действию окислителей. Толуол же, напротив, легко окисляется сильными окислителями (например, перманганатом калия $KMnO_4$) по метильной группе, которая превращается в карбоксильную группу с образованием бензойной кислоты. Бензольное кольцо при этом не затрагивается.

   $5C_6H_5CH_3 + 6KMnO_4 + 9H_2SO_4 \rightarrow 5C_6H_5COOH + 3K_2SO_4 + 6MnSO_4 + 14H_2O$

Ответ: Толуол химически активнее бензола в реакциях электрофильного замещения в кольце и, в отличие от бензола, способен вступать в реакции по боковой цепи (окисление, радикальное замещение).

Сущность взаимного влияния атомов в молекулах

Различия в свойствах бензола и толуола объясняются взаимным влиянием бензольного кольца (фенильной группы, $–C_6H_5$) и метильной группы ($–CH_3$) в молекуле толуола.

1. Влияние метильной группы на бензольное кольцо. Метильная группа является электронодонорным заместителем и проявляет положительный индуктивный эффект ($+I$). Она "отдает" электронную плотность бензольному кольцу, увеличивая ее в целом и особенно в орто- и пара-положениях. Это приводит к активации кольца в реакциях электрофильного замещения и соответствующей ориентации.

2. Влияние бензольного кольца на метильную группу. Бензольное кольцо, в свою очередь, влияет на свойства метильной группы. Оно поляризует связи $C–H$ в метильной группе, делая атомы водорода более подвижными. Это облегчает их замещение в реакциях свободнорадикального типа и окисление. Стабилизация промежуточного бензильного радикала ($C_6H_5\dot{C}H_2$) за счет сопряжения с $\pi$-системой кольца является ключевым фактором, объясняющим высокую реакционную способность боковой цепи.

Ответ: Сущность взаимного влияния заключается в том, что метильная группа активирует бензольное кольцо и направляет замещение в орто- и пара-положения, а бензольное кольцо, в свою очередь, активирует метильную группу, делая ее способной к реакциям окисления и радикального замещения.

Соответствующее положение из теории А. М. Бутлерова

Рассмотренные явления являются прекрасной иллюстрацией одного из ключевых положений теории химического строения А. М. Бутлерова: "Атомы в молекулах взаимно влияют друг на друга, и это влияние сказывается на их химических свойствах". Это положение утверждает, что свойства атома или группы атомов не являются постоянными, а зависят от их химического окружения в молекуле.

Ответ: Соответствующее положение теории Бутлерова гласит, что атомы и группы атомов в молекулах оказывают взаимное влияние друг на друга, которое определяет реакционную способность молекулы.

Другие примеры взаимного влияния атомов

1. Фенол ($C_6H_5OH$) и этанол ($C_2H_5OH$).

   Влияние фенильной группы ($–C_6H_5$) на гидроксогруппу ($–OH$): фенильная группа оттягивает электронную плотность от атома кислорода, что ослабляет связь $O–H$ и усиливает ее полярность. В результате фенол проявляет слабые кислотные свойства, реагирует со щелочами, в отличие от спиртов (этанола).

   Влияние гидроксогруппы ($–OH$) на фенильную группу: за счет неподеленной электронной пары атома кислорода гидроксогруппа является очень сильным активатором бензольного кольца (сильнее, чем $–CH_3$), резко повышая его реакционную способность в реакциях электрофильного замещения (например, фенол реагирует с бромной водой с образованием осадка 2,4,6-трибромфенола).

2. Анилин ($C_6H_5NH_2$) и метиламин ($CH_3NH_2$).

   Влияние фенильной группы на аминогруппу ($–NH_2$): фенил оттягивает на себя неподеленную электронную пару атома азота, уменьшая ее способность присоединять протон. Поэтому анилин является гораздо более слабым основанием, чем алифатические амины (метиламин).

   Влияние аминогруппы на фенильную группу: аминогруппа является мощным активатором и орто-, пара-ориентантом, как и гидроксогруппа в феноле.

3. Хлоруксусная кислота ($ClCH_2COOH$) и уксусная кислота ($CH_3COOH$).

   В молекуле хлоруксусной кислоты электроотрицательный атом хлора оттягивает на себя электронную плотность по цепи $\sigma$-связей (отрицательный индуктивный эффект, $-I$). Это приводит к дополнительной поляризации связи $O–H$ в карбоксильной группе. В результате отщепление протона $H^+$ облегчается, и хлоруксусная кислота является значительно более сильной кислотой, чем уксусная.

Ответ: Другими примерами взаимного влияния являются молекулы фенола, анилина, хлорбензола, а также замещенных карбоновых кислот, таких как хлоруксусная кислота.