Страница 116 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Предположите, как влияет функциональная группа на свойства альдегидов.

Функциональная группа альдегидов, называемая альдегидной или формильной группой ($-CHO$), определяет их характерные физические и химические свойства. Эта группа состоит из карбонильной группы ($C=O$), в которой атом углерода связан с атомом водорода и углеводородным радикалом ($R$).

Строение альдегидной группы и её влияние на свойства

Ключевым элементом альдегидной группы является карбонильная группа $C=O$. Двойная связь между углеродом и кислородом является сильно полярной, так как кислород — более электроотрицательный элемент, чем углерод. В результате на атоме кислорода возникает частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а на карбонильном атоме углерода — частичный положительный заряд ($\delta+$). Атом углерода находится в состоянии $sp^2$-гибридизации, что обуславливает плоское строение этого фрагмента молекулы.

Это электронное и пространственное строение определяет все основные свойства альдегидов.

1. Влияние на физические свойства

• Температуры кипения. Из-за полярности карбонильной группы между молекулами альдегидов существуют диполь-дипольные взаимодействия. Они сильнее, чем межмолекулярные силы (силы Ван-дер-Ваальса) у неполярных алканов сравнимой молекулярной массы. Однако, в отличие от спиртов, альдегиды не могут образовывать водородные связи между своими молекулами (нет атома водорода, связанного с сильно электроотрицательным атомом). Поэтому температуры кипения альдегидов выше, чем у соответствующих алканов, но ниже, чем у спиртов.

• Растворимость. Низшие альдегиды (метаналь, этаналь) хорошо растворимы в воде. Это объясняется способностью их атома кислорода образовывать водородные связи с молекулами воды. С увеличением длины углеводородного радикала (неполярной части молекулы) растворимость в воде уменьшается.

• Запах. Низшие альдегиды имеют резкий, часто неприятный запах. Высшие альдегиды, напротив, часто обладают приятным цветочным или фруктовым ароматом и используются в парфюмерии.

2. Влияние на химические свойства

Высокая реакционная способность альдегидов обусловлена наличием в их молекуле полярной карбонильной группы и связанного с ней атома водорода.

• Реакции окисления. Это наиболее характерная особенность альдегидов, отличающая их от кетонов. Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот даже под действием слабых окислителей. Эта способность лежит в основе качественных реакций на альдегидную группу:

  • Реакция «серебряного зеркала» (с аммиачным раствором оксида серебра):
    $R-CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \rightarrow R-COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 + H_2O$
  • Реакция с гидроксидом меди(II) (реактив Фелинга):
    $R-CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} R-COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O$

• Реакции восстановления. Альдегидная группа восстанавливается до первичной спиртовой группы при действии восстановителей (например, $H_2$ на катализаторах Ni, Pt, Pd или $NaBH_4$, $LiAlH_4$):
  $R-CHO + H_2 \rightarrow R-CH_2OH$

• Реакции нуклеофильного присоединения по карбонильной группе. Частичный положительный заряд на атоме углерода делает его уязвимым для атаки нуклеофилов (частиц с отрицательным зарядом или неподеленной электронной парой). Реакция идет по двойной связи $C=O$ с её разрывом. Примеры: присоединение воды, спиртов, синильной кислоты, реактивов Гриньяра.

• Реакции полимеризации. Низшие альдегиды (особенно формальдегид) склонны к полимеризации с образованием как линейных, так и циклических полимеров (например, параформ, триоксан).

Ответ: Функциональная альдегидная группа ($-CHO$) кардинально влияет на свойства альдегидов, делая их полярными соединениями с относительно высокими температурами кипения (выше, чем у алканов, но ниже, чем у спиртов) и хорошей растворимостью низших представителей в воде. В химическом отношении альдегидная группа обуславливает высокую реакционную способность. Наиболее характерными являются реакции окисления (качественные реакции «серебряного зеркала» и с гидроксидом меди(II)), восстановления до первичных спиртов и многочисленные реакции нуклеофильного присоединения по полярной связи $C=O$.

Что такое качественная реакция?

Качественная реакция — это химическая реакция, которая используется в аналитической химии для обнаружения (идентификации) определённых химических веществ, ионов или функциональных групп в исследуемом образце. Главное требование к качественной реакции — она должна сопровождаться чётко наблюдаемым внешним эффектом, который однозначно свидетельствует о присутствии искомого компонента.

Такие реакции должны быть:

- Специфичными или селективными: в идеале, реактив должен взаимодействовать только с одним определённым веществом (специфичная реакция) или с небольшой группой веществ со схожими свойствами (селективная реакция), позволяя отличить их от других.

- Чувствительными: реакция должна протекать даже при очень малых концентрациях определяемого вещества, чтобы можно было обнаружить его следовые количества.

- Легко выполнимыми и давать быстрый, ясный результат.

Характерными признаками (аналитическими сигналами) качественных реакций являются:

- Образование или растворение осадка определённого цвета и характера (например, творожистый, кристаллический, аморфный). Пример: Обнаружение хлорид-ионов ($Cl^−$) с помощью нитрата серебра ($AgNO_3$). Выпадает белый творожистый осадок хлорида серебра ($AgCl$), нерастворимый в азотной кислоте. Уравнение реакции: $Ag^+ + Cl^− \rightarrow AgCl\downarrow$.

- Изменение окраски раствора. Пример: Обнаружение ионов железа(III) ($Fe^{3+}$) с помощью роданид-ионов ($SCN^−$). Раствор приобретает кроваво-красную окраску из-за образования комплексного иона. Уравнение реакции: $Fe^{3+} + 3SCN^− \rightarrow Fe(SCN)_3$ (или в виде комплекса $[Fe(SCN)(H_2O)_5]^{2+}$).

- Выделение газа с характерным запахом, цветом или определёнными химическими свойствами. Пример: Обнаружение карбонат-ионов ($CO_3^{2−}$) действием сильных кислот. Выделяется углекислый газ ($CO_2$), который вызывает помутнение известковой воды ($Ca(OH)_2$). Уравнения реакций: $CO_3^{2−} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2\uparrow$ и $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$.

- Появление характерного окрашивания пламени при внесении в него пробы вещества. Пример: Соли натрия окрашивают пламя в интенсивный жёлтый цвет, соли калия — в фиолетовый, соли бария — в жёлто-зелёный.

Таким образом, качественные реакции являются фундаментальным инструментом качественного химического анализа, позволяющим установить состав вещества, не прибегая к количественным измерениям.

Ответ: Качественная реакция — это экспериментальный метод в химии, позволяющий обнаружить присутствие конкретных ионов, атомов или молекул в образце по характерному и легко наблюдаемому признаку, такому как выпадение цветного осадка, изменение окраски раствора, выделение газа или окрашивание пламени.

Лабораторный опыт. Окисление метаналя (этаналя) оксидом серебра(I)

1) Тщательно вымойте пробирку. Для этого налейте в неё концентрированный раствор гидроксида натрия и несколько минут нагревайте до кипения. Затем вылейте гидроксид натрия, охладите пробирку и несколько раз промойте её дистиллированной водой.

2) В чистую пробирку налейте 2 мл свежеприготовленного раствора с массовой долей нитрата серебра(I) 0,02 и к нему добавьте по каплям разбавленный раствор аммиака до растворения появившегося осадка. К полученному раствору добавьте несколько капель раствора метаналя (или этаналя). Пробирку поместите в стакан с горячей водой.

• Что происходит в пробирке? Напишите уравнение протекающей реакции.

В пробирке протекает качественная реакция на альдегидную группу, известная как реакция «серебряного зеркала». При добавлении к свежеприготовленному аммиачному раствору оксида серебра(I) (реактиву Толленса) раствора альдегида (метаналя или этаналя) и последующем слабом нагревании происходит химическая реакция. Визуально наблюдается образование на внутренней поверхности чистой пробирки блестящего налёта металлического серебра, напоминающего зеркало.

Это происходит потому, что альдегиды являются сильными восстановителями. Они восстанавливают ионы серебра $Ag^+$ из аммиачного комплекса $[Ag(NH_3)_2]^+$ до металлического серебра $Ag^0$. Сами альдегиды при этом окисляются до соответствующих карбоновых кислот. Так как реакция протекает в щелочной среде (за счет раствора аммиака), образующаяся карбоновая кислота сразу же реагирует с аммиаком, образуя аммонийную соль этой кислоты.

Уравнение реакции зависит от того, какой альдегид используется — метаналь или этаналь.

Окисление метаналя (формальдегида):

Метаналь окисляется до муравьиной кислоты, которая в аммиачном растворе образует формиат аммония. $HCHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} HCOONH_4 + 2Ag\downarrow + 3NH_3\uparrow + H_2O$

Окисление этаналя (ацетальдегида):

Этаналь окисляется до уксусной кислоты, которая в аммиачном растворе образует ацетат аммония. $CH_3CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} CH_3COONH_4 + 2Ag\downarrow + 3NH_3\uparrow + H_2O$

Ответ: В пробирке происходит реакция «серебряного зеркала»: при нагревании на стенках образуется налёт металлического серебра. Альдегид окисляется до соли соответствующей карбоновой кислоты, восстанавливая серебро из аммиачного комплекса. Уравнение для метаналя: $HCHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} HCOONH_4 + 2Ag\downarrow + 3NH_3\uparrow + H_2O$. Уравнение для этаналя: $CH_3CHO + 2[Ag(NH_3)_2]OH \xrightarrow{t} CH_3COONH_4 + 2Ag\downarrow + 3NH_3\uparrow + H_2O$.