Номер 3, страница 124 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

3*. Как изменяются свойства водородных атомов гидроксильных групп в ряду веществ: одноатомные спирты, многоатомные спирты, фенолы, карбоновые кислоты? Почему?

Решение

Свойства водородных атомов гидроксильных групп, а именно их подвижность (кислотность), в указанном ряду веществ усиливаются. Это означает, что способность отщеплять протон ($H^+$) возрастает в последовательности: одноатомные спирты < многоатомные спирты < фенолы < карбоновые кислоты. Рассмотрим причины этого явления для каждого класса соединений.

1. Одноатомные спирты (например, этанол $C_2H_5OH$)

В молекулах одноатомных спиртов гидроксильная группа $(–OH)$ связана с алкильным радикалом (например, $-C_2H_5$). Алкильные радикалы проявляют положительный индуктивный эффект $(+I)$, то есть они смещают электронную плотность от себя к атому кислорода. Это приводит к увеличению электронной плотности на атоме кислорода, что, в свою очередь, уменьшает поляризацию связи $O–H$. В результате атом водорода удерживается прочнее, и его кислотные свойства выражены очень слабо. Кислотность спиртов даже меньше, чем у воды.

2. Многоатомные спирты (например, этиленгликоль $HO–CH_2–CH_2–OH$)

В многоатомных спиртах присутствует несколько гидроксильных групп. Сама гидроксильная группа является электроноакцептором и проявляет отрицательный индуктивный эффект $(-I)$. Гидроксильные группы оказывают взаимное влияние друг на друга, оттягивая электронную плотность по цепи $\sigma$-связей. Это приводит к тому, что полярность связи $O–H$ в многоатомных спиртах выше, чем в одноатомных. Следовательно, подвижность атомов водорода и кислотные свойства у многоатомных спиртов выражены сильнее, чем у одноатомных.

3. Фенолы (например, фенол $C_6H_5OH$)

В молекуле фенола гидроксильная группа связана напрямую с бензольным кольцом. Атом кислорода гидроксильной группы имеет неподеленные электронные пары, которые вступают в сопряжение с $\pi$-системой бензольного кольца (положительный мезомерный эффект, $+M$). Электронная плотность от атома кислорода смещается в сторону кольца. Это приводит к значительному ослаблению связи с водородом и сильной её поляризации. Кроме того, образующийся при диссоциации фенолят-анион ($C_6H_5O^−$) стабилизирован за счет делокализации отрицательного заряда по всему бензольному кольцу. Эти два фактора обуславливают значительно более высокую кислотность фенолов по сравнению со спиртами.

4. Карбоновые кислоты (например, уксусная кислота $CH_3COOH$)

В карбоновых кислотах гидроксильная группа входит в состав карбоксильной группы $(–COOH)$, где она связана с карбонильным атомом углерода $(C=O)$. Карбонильная группа обладает мощным электроноакцепторным действием (сильный отрицательный индуктивный $(-I)$ и мезомерный $(-M)$ эффекты). Она сильно стягивает электронную плотность с атома кислорода гидроксильной группы. Это приводит к максимальной поляризации связи $O–H$ в данном ряду. Образующийся в результате диссоциации карбоксилат-анион ($RCOO^−$) очень устойчив, так как отрицательный заряд в нем равномерно распределен (делокализован) между двумя атомами кислорода. Благодаря этим факторам карбоновые кислоты являются наиболее сильными кислотами в рассматриваемом ряду.

Ответ:

В ряду одноатомные спирты → многоатомные спирты → фенолы → карбоновые кислоты подвижность (кислотные свойства) атома водорода гидроксильной группы последовательно возрастает. Это связано с электронными эффектами радикала, связанного с гидроксильной группой. Усиление кислотности происходит из-за увеличения поляризации связи $O–H$ и повышения стабильности образующегося аниона, что обусловлено индуктивными и мезомерными эффектами.