Страница 109 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Какие вещества относят к фенолам, а какие — к ароматическим спиртам? Изобразите структурные формулы двух-трёх представителей:

а) фенолов;

б) ароматических спиртов.

К фенолам относят органические соединения, в молекулах которых гидроксильная группа ($-OH$) связана непосредственно с атомом углерода ароматического кольца (например, бензольного). Общая формула фенолов — $Ar-OH$, где $Ar$ — арильная группа.

К ароматическим спиртам относят органические соединения, в которых гидроксильная группа ($-OH$) находится в боковой цепи, связанной с ароматическим кольцом, но не присоединена к нему напрямую. Общая формула ароматических спиртов — $Ar-R-OH$, где $R$ — алкиленовая группа (например, $-CH_2-$, $-CH_2-CH_2-$).

Ключевое различие между этими классами соединений заключается в положении гидроксильной группы. У фенолов она связана с $sp^2$-гибридизованным атомом углерода ароматического кольца, что обуславливает их характерные кислотные свойства. У ароматических спиртов гидроксильная группа связана с $sp^3$-гибридизованным атомом углерода в боковой цепи, поэтому по своим химическим свойствам они близки к алифатическим спиртам.

а) фенолов;

Примеры структурных формул представителей фенолов:

1. Фенол (гидроксибензол). Простейший представитель класса. Его структурная формула $C_6H_5OH$ представляет собой бензольное кольцо, к которому напрямую присоединена одна гидроксильная группа.

2. Крезол (метилфенол). Структурная формула $CH_3C_6H_4OH$. Это производное фенола, в котором, помимо гидроксильной группы, к бензольному кольцу присоединена метильная группа ($-CH_3$). В зависимости от взаимного расположения групп существуют три изомера: орто-, мета- и пара-крезол.

3. 1-Нафтол (α-нафтол). Структурная формула $C_{10}H_7OH$. В этом соединении гидроксильная группа присоединена к атому углерода нафталинового ядра (состоящего из двух конденсированных бензольных колец).

Ответ: К фенолам относятся вещества, в которых гидроксильная группа ($-OH$) непосредственно связана с ароматическим ядром. Примеры: фенол ($C_6H_5OH$), крезолы ($CH_3C_6H_4OH$), нафтолы ($C_{10}H_7OH$).

б) ароматических спиртов.

Примеры структурных формул представителей ароматических спиртов:

1. Бензиловый спирт (фенилметанол). Структурная формула $C_6H_5CH_2OH$. В его молекуле гидроксильная группа ($-OH$) присоединена к атому углерода метиленовой группы ($-CH_2-$), которая, в свою очередь, связана с бензольным кольцом.

2. 2-Фенилэтанол. Структурная формула $C_6H_5CH_2CH_2OH$. В этом спирте гидроксильная группа отделена от бензольного кольца двумя атомами углерода в боковой цепи (этиленовой группой $-CH_2CH_2-$).

3. Коричный спирт (циннамиловый спирт). Структурная формула $C_6H_5CH=CHCH_2OH$. Это пример ненасыщенного ароматического спирта, где гидроксильная группа также находится в боковой цепи, отделенной от кольца.

Ответ: К ароматическим спиртам относятся вещества, в которых гидроксильная группа ($-OH$) находится в боковой углеводородной цепи, присоединенной к ароматическому кольцу. Примеры: бензиловый спирт ($C_6H_5CH_2OH$), 2-фенилэтанол ($C_6H_5CH_2CH_2OH$).

2. Составьте электронную формулу фенола и поясните, почему атом водорода в гидроксильной группе более подвижен, чем в молекулах одноатомных спиртов.

Молекула фенола имеет химическую формулу $C_6H_5OH$. Она состоит из бензольного кольца, с атомом углерода которого напрямую связана гидроксильная группа (–OH).

Электронная формула фенола (структурная формула Льюиса) показывает, что у атома кислорода в гидроксильной группе есть две неподеленные электронные пары. Ключевой особенностью электронного строения фенола является то, что одна из этих электронных пар находится на p-орбитали, параллельной p-орбиталям атомов углерода бензольного кольца. Это создает условия для p,$\pi$-сопряжения: неподеленная электронная пара кислорода вступает во взаимодействие с единой $\pi$-системой бензольного кольца, становясь ее частью.

Именно это явление сопряжения объясняет, почему атом водорода в гидроксильной группе фенола более подвижен, чем в молекулах одноатомных спиртов. Подвижность (или кислотность) атома водорода определяется полярностью связи O–H.

1. В молекуле фенола. В результате p,$\pi$-сопряжения электронная плотность от неподеленной пары кислорода смещается в сторону бензольного кольца. Это приводит к уменьшению электронной плотности на самом атоме кислорода. Вследствие этого атом кислорода сильнее притягивает к себе общую электронную пару связи O–H. Это усиливает полярность связи O–H, ослабляет ее и, как следствие, облегчает отщепление атома водорода в виде протона ($H^+$). Дополнительным фактором является высокая стабильность образующегося при диссоциации фенолят-аниона ($C_6H_5O^−$), в котором отрицательный заряд не сконцентрирован на атоме кислорода, а делокализован (распределен) по всей $\pi$-системе бензольного кольца, что энергетически выгодно.

2. В молекулах одноатомных спиртов (например, в этаноле $C_2H_5OH$). Гидроксильная группа здесь связана с алкильным радикалом (например, этилом $-C_2H_5$), который не имеет $\pi$-системы и не может участвовать в сопряжении. Напротив, алкильные группы проявляют положительный индуктивный эффект (+I), то есть являются донорами электронной плотности. Они смещают электронную плотность по $\sigma$-связи к атому кислорода, увеличивая на нем электронную плотность. Это, в свою очередь, уменьшает полярность связи O–H, делая ее более прочной, а атом водорода – менее подвижным.

Ответ: Электронная формула фенола характеризуется наличием p,$\pi$-сопряжения, при котором одна из неподеленных электронных пар атома кислорода взаимодействует с $\pi$-системой бензольного кольца. Это взаимодействие оттягивает электронную плотность от атома кислорода, что сильно увеличивает полярность связи O–H и делает атом водорода в гидроксильной группе более подвижным. В одноатомных спиртах, напротив, алкильный радикал проявляет положительный индуктивный эффект (+I), насыщая атом кислорода электронами, что уменьшает полярность связи O–H и подвижность атома водорода.

3*. В результате каких опытов можно убедиться, что в молекуле фенола бензольное кольцо и гидроксильная группа взаимно влияют друг на друга? Напишите уравнения реакций.

Взаимное влияние атомов в молекуле фенола можно доказать, сравнивая его химические свойства со свойствами бензола (для демонстрации влияния гидроксильной группы на кольцо) и свойствами одноатомных спиртов (для демонстрации влияния кольца на гидроксильную группу).

1. Влияние гидроксильной группы (-ОН) на бензольное кольцо

Гидроксильная группа является заместителем первого рода, она повышает электронную плотность в бензольном кольце, особенно в орто- и пара-положениях (2, 4, 6). Это приводит к значительному облегчению реакций электрофильного замещения по сравнению с бензолом.

Экспериментальным подтверждением служит реакция фенола с бромной водой. В отличие от бензола, который реагирует с бромом только в присутствии катализатора ($FeBr_3$), фенол легко реагирует с бромной водой при комнатной температуре без катализатора с образованием белого осадка 2,4,6-трибромфенола. Это качественная реакция на фенол.

Уравнение реакции:

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

Ответ: Экспериментом, доказывающим влияние гидроксильной группы на бензольное кольцо, является реакция фенола с бромной водой. Легкость протекания этой реакции (в отличие от бензола) свидетельствует о том, что -OH группа активирует бензольное кольцо.

2. Влияние бензольного кольца на гидроксильную группу (-ОН)

Бензольное кольцо (фенильный радикал $C_6H_5$-) оттягивает электронную плотность от атома кислорода гидроксильной группы. В результате этого смещения полярность связи O-H увеличивается, и атом водорода становится более подвижным. Это приводит к тому, что фенол проявляет более сильные кислотные свойства, чем вода и предельные одноатомные спирты (например, этанол).

Экспериментально это доказывается реакцией фенола со щелочами, например, с гидроксидом натрия. Спирты, будучи нейтральными соединениями, с растворами щелочей не реагируют. Фенол же реагирует, образуя соль — фенолят натрия.

Уравнение реакции:

$C_6H_5OH + NaOH \rightarrow C_6H_5ONa + H_2O$

Ответ: Экспериментом, доказывающим влияние бензольного кольца на гидроксильную группу, является реакция фенола с раствором щелочи (например, NaOH). Способность фенола вступать в эту реакцию, в отличие от спиртов, демонстрирует усиление кислотных свойств -OH группы под влиянием бензольного кольца.

4. Почему мутнеет водный раствор фенолята натрия:

а) если к нему добавляют соляную кислоту;

б) если через него пропускают оксид углерода$(IV)$?

Приведите уравнения соответствующих реакций.

Помутнение водного раствора фенолята натрия ($C_6H_5ONa$) в обоих случаях связано с образованием малорастворимого в воде фенола ($C_6H_5OH$), который выпадает в осадок в виде белой эмульсии. Фенолят натрия — это соль, образованная слабой кислотой (фенолом) и сильным основанием. Общий принцип заключается в том, что более сильная кислота вытесняет более слабую из её соли.

а) если к нему добавляют соляную кислоту
Соляная кислота ($HCl$) является сильной кислотой, гораздо более сильной, чем фенол. При добавлении соляной кислоты к раствору фенолята натрия происходит реакция обмена, в которой $HCl$ вытесняет фенол из его соли.

Уравнение соответствующей реакции: $C_6H_5ONa + HCl \rightarrow C_6H_5OH\downarrow + NaCl$

Образующийся в результате реакции свободный фенол плохо растворим в воде, что и приводит к помутнению раствора.

Ответ: Раствор мутнеет из-за образования малорастворимого фенола, который вытесняется из соли (фенолята натрия) более сильной соляной кислотой.

б) если через него пропускают оксид углерода(IV)
Оксид углерода(IV) ($CO_2$) при растворении в воде образует угольную кислоту ($H_2CO_3$). Угольная кислота, хоть и является слабой, но ее кислотные свойства выражены сильнее, чем у фенола. Поэтому угольная кислота также способна вытеснять фенол из его соли.

Уравнение соответствующей реакции: $C_6H_5ONa + CO_2 + H_2O \rightarrow C_6H_5OH\downarrow + NaHCO_3$

Как и в предыдущем случае, причиной помутнения является образование свободного фенола, который имеет низкую растворимость в воде и выпадает в виде эмульсии.

Ответ: Раствор мутнеет, так как оксид углерода(IV) реагирует с водой с образованием угольной кислоты, которая, будучи более сильной кислотой, чем фенол, вытесняет его из фенолята натрия, что приводит к образованию осадка фенола.