Почему кислотные свойства фенола выражены сильнее чем кислотные свойства воды и спиртов
Химия. 10 класс
§ 28. Химические свойства, получение и применение фенола
Химические свойства фенола
В молекуле фенола имеется гидроксильная группа, следовательно, можно ожидать, что фенол будет проявлять химические свойства, присущие спиртам. В то же время из-за влияния бензольного кольца на гидроксильную группу некоторые свойства фенола отличаются от химических свойств спиртов.
1. Взаимодействие со щелочными металлами
Подобно спиртам, фенол реагирует со щелочными металлами. Если в расплавленный фенол пометить кусочек металлического натрия, наблюдается выделение водорода (температура плавления фенола невысока и составляет всего 41 °С). В ходе реакции атом водорода гидроксильной группы замещается на атом натрия: 
В результате образуется фенолят натрия. Феноляты, подобно алкоголятам, представляют собой твёрдые солеподобные вещества.
Реакция фенола со щелочными металлами свидетельствует о том, что фенол, как и спирты, проявляет слабые кислотные свойства.
2. Взаимодействие со щелочами (отличие фенола от спиртов)
Кислотные свойства фенола выражены сильнее, чем у спиртов. Это проявляется в том, что, в отличие от спиртов, фенол взаимодействует со щелочами:
Образующийся фенолят натрия хорошо растворяется в воде. Таким образом фенол умеренно растворим в воде, но хорошо растворяется в растворе гидроксида натрия, так как при этом образуется растворимый фенолят натрия. Усиление кислотных свойств фенола по сравнению со спиртами обусловлено влиянием бензольного кольца, которое приводит к уменьшению прочности связи О—Н. В результате атом водорода гидроксильной группы молекулы фенола может замещаться на атом металла не только при взаимодействии со щелочными металлами, но и со щелочами.
По кислотным свойствам фенол превосходит не только спирты, но и воду. Поэтому феноляты, в отличие от алкоголятов, не разлагаются водой. Наличие у фенола кислотных свойств отражает его тривиальное название — карболовая кислота.
Тем не менее фенол — очень слабая кислота. Даже угольная кислота сильнее фенола и поэтому вытесняет его из фенолята натрия:
Эту реакцию можно осуществить следующим образом. Через раствор фенолята натрия пропускают углекислый газ, при этом наблюдается помутнение раствора, так как образующийся фенол выпадает в осадок.
3. Взаимодействие с бромной водой (отличие фенола от бензола)
В молекуле фенола содержится бензольное кольцо, следовательно, можно ожидать, что фенол будет проявлять химические свойства, присущие ароматическим углеводородам, например бензолу. Как вы уже знаете, для бензола характерны реакции замещения атомов водорода. Так, бензол в присутствии катализатора реагирует с бромом. При этом протекает реакция замещения одного атома водорода на бром:
Бромную воду бензол не обесцвечивает!
В молекуле фенола гидроксильная группа влияет на свойства бензольного кольца, облегчая замещение атомов водорода, поэтому взаимодействие фенола с бромом легко протекает и без катализатора. Так, при смешивании разбавленного раствора фенола с бромной водой наблюдается обесцвечивание бромной воды и выпадение белого осадка. Уравнение протекающей реакции:
В результате реакции происходит замещение трёх атомов водорода бензольного кольца атомами брома и образуется 2,4,6-трибромфенол. Отметим, что замещение атома водорода бензольного кольца атомом брома возможно и для бензола, но условия протекания реакции гораздо более жёсткие, чем для фенола. Для этого требуется бром, а не бромная вода, а также катализатор. Бромирование фенола протекает в мягких условиях, что свидетельствует о повышенной реакционной способности бензольного кольца фенола. Это обусловлено влиянием гидроксильной группы, которая облегчает замещение атомов водорода в положениях 2, 4, 6 бензольного кольца молекулы фенола.
4. Взаимодействие с азотной кислотой
При взаимодействии фенола со смесью концентрированных азотной и серной кислот можно заместить три атома водорода бензольного кольца на группы —NO2:
В результате реакции образуется 2,4,6-тринитрофенол. Кислотные свойства 2,4,6-тринитрофенола выражены значительно сильнее, чем у фенола. Тривиальное название 2,4,6-тринитрофенола — пикриновая кислота. Пикриновая кислота и её соли являются взрывчатыми веществами.
Рассмотренные химические свойства фенола демонстрируют взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений: бензольное кольцо усиливает кислотность гидроксильной группы молекулы фенола, в свою очередь, гидроксильная группа влияет на бензольное кольцо, облегчая замещение атомов водорода в положениях 2, 4, 6.
3.5. Характерные химические свойства предельных одноатомных и многоатомных спиртов, фенола.
Спиртами называют соединения, в которых гидроксильная группа соединена с углеводородным радикалом, но не присоединена непосредственно к ароматическому ядру, если таковой имеется в структуре радикала.
Если в структуре углеводородного радикала содержится ароматическое ядро и гидроксильная группа, при том соединена непосредственно с ароматическим ядром, такие соединения называют фенолами.
Почему же фенолы выделяют в отдельный от спиртов класс? Ведь, например, формулы
очень похожи и создают впечатление веществ одного класса органических соединений.
Однако непосредственное соединение гидроксильной группы с ароматическим ядром существенно влияет на свойства соединения, поскольку сопряженная система π-связей ароматического ядра сопряжена также и с одной из неподеленных электронных пар атома кислорода. Из-за этого в фенолах связь О-Н более полярна по сравнению со спиртами, что существенно повышает подвижность атома водорода в гидроксильной группе. Другими словами, у фенолов значительно ярче, чем у спиртов выражены кислотные свойства.
Химические свойства спиртов
Одноатомные спирты
Реакции замещения
Замещение атома водорода в гидроксильной группе
1) Спирты реагируют со щелочными, щелочноземельными металлами и алюминием (очищенным от защитной пленки Al2O3), при этом образуются алкоголяты металлов и выделяется водород:
Образование алкоголятов возможно только при использовании спиртов, не содержащих растворенной в них воды, так как в присутствии воды алкоголяты легко гидролизуются:
2) Реакция этерификации
Реакцией этерификации называют взаимодействие спиртов с органическими и кислородсодержащими неорганическими кислотами, приводящее к образованию сложных эфиров.
Такого типа реакции являются обратимыми, поэтому для смещения равновесия в сторону образования сложного эфира, реакцию желательно проводить при нагревании, а также в присутствии концентрированной серной кислоты как водоотнимающего агента:
Замещение гидроксильной группы
1) При действии на спирты галогеноводородных кислот происходит замещение гидроксильной группы на атом галогена. В результате такой реакции образуются галогеналканы и вода:
2) При пропускании смеси паров спирта с аммиаком через нагретые оксиды некоторых металлов (чаще всего Al2O3) могут быть получены первичные, вторичные или третичные амины:
Тип амина (первичный, вторичный, третичный) будет в некоторой степени зависеть от соотношения исходного спирта и аммиака.
Реакции элиминирования (отщепления)
Дегидратация
Дегидратация, фактически подразумевающая отщепление молекул воды, в случае спиртов различается на межмолекулярную дегидратацию и внутримолекулярную дегидратацию.
При межмолекулярной дегидратации спиртов одна молекула воды образуется в результате отщепления атома водорода от одной молекулы спирта и гидроксильной группы — от другой молекулы.
В результате этой реакции образуются соединения, относящиеся к классу простых эфиров (R-O-R):
Внутримолекулярная дегидратация спиртов протекает таким образом, что одна молекула воды отщепляется от одной молекулы спирта. Данный тип дегидратации требует несколько более жестких условий проведения, заключающихся в необходимости использования заметно более сильного нагревания по сравнению с межмолекулярной дегидратацией. При этом из одной молекулы спирта образуется одна молекула алкена и одна молекула воды:
Поскольку молекула метанола содержит только один атом углерода, для него невозможна внутримолекулярная дегидратация. При дегидратации метанола возможно образование только простого эфира (CH3-O-CH3).
Нужно четко усвоить тот факт, что в случае дегидратации несимметричных спиртов внутримолекулярное отщепление воды будет протекать в соответствии с правилом Зайцева, т.е. водород будет отщепляться от наименее гидрированного атома углерода:
Дегидрирование спиртов
а) Дегидрирование первичных спиртов при нагревании в присутствии металлической меди приводит к образованию альдегидов:
б) В случае вторичных спиртов аналогичные условия приведут у образованию кетонов:
в) Третичные спирты в аналогичную реакцию не вступают, т.е. дегидрированию не подвергаются.
Реакции окисления
Горение
Спирты легко вступают в реакцию горения. При этом образуется большое количество тепла:
Неполное окисление
Неполное окисление первичных спиртов может приводить к образованию альдегидов и карбоновых кислот.
В случае неполного окисления вторичных спиртов возможно образование только кетонов.
Неполное окисление спиртов возможно при действии на них различных окислителей, например, таких, как кислород воздуха в присутствии катализаторов (металлическая медь), перманганат калия, дихромат калия и т.д.
При этом из первичных спиртов могут быть получены альдегиды. Как можно заметить, окисление спиртов до альдегидов, по сути, приводит к тем же органическим продуктам, что и дегидрирование:
Следует отметить, что при использовании таких окислителей, как перманганат калия и дихромат калия в кислой среде возможно более глубокое окисление спиртов, а именно до карбоновых кислот. В частности, это проявляется при использовании избытка окислителя при нагревании. Вторичные спирты могут в этих условиях окислиться только до кетонов.
ПРЕДЕЛЬНЫЕ МНОГОАТОМНЫЕ СПИРТЫ
Замещение атомов водорода гидроксильных групп
Многоатомные спирты так же, как и одноатомные реагируют со щелочными, щелочноземельными металлами и алюминием (очищенным от пленки Al2O3); при этом может заместиться разное число атомов водорода гидроксильных групп в молекуле спирта:
2. Поскольку в молекулах многоатомных спиртов содержится несколько гидроксильных групп, они оказывают влияние друг на друга за счет отрицательного индуктивного эффекта. В частности, это приводит к ослаблению связи О-Н и повышению кислотных свойств гидроксильных групп.
Большая кислотность многоатомных спиртов проявляется в том, что многоатомные спирты, в отличие от одноатомных, реагируют с некоторым гидроксидами тяжелых металлов. Например, нужно запомнить тот факт, что свежеосажденный гидроксид меди реагирует с многоатомными спиртами с образованием ярко-синего раствора комплексного соединения.
Так, взаимодействие глицерина со свежеосажденными гидроксидом меди приводит к образованию ярко-синего раствора глицерата меди:
Данная реакция является качественной на многоатомные спирты. Для сдачи ЕГЭ достаточно знать признаки этой реакции, а само уравнение взаимодействия уметь записывать необязательно.
3. Так же, как и одноатомные спирты, многоатомные могут вступать в реакцию этерификации, т.е. реагируют с органическими и кислородсодержащими неорганическими кислотами с образованием сложных эфиров. Данная реакция катализируется сильными неорганическими кислотами и является обратимой. В связи с этим при осуществлении реакции этерификации образующийся сложный эфир отгоняют из реакционной смеси, чтобы сместить равновесие вправо по принципу Ле Шателье:
Если в реакцию с глицерином вступают карбоновые кислоты с большим числом атомов углерода в углеводородном радикале, получающиеся в результате такой реакции, сложные эфиры называют жирами.
В случае этерификации спиртов азотной кислотой используют так называемую нитрующую смесь, представляющую собой смесь концентрированных азотной и серной кислот. Реакцию проводят при постоянном охлаждении:
Сложный эфир глицерина и азотной кислоты, называемый тринитроглицерином, является взрывчатым веществом. Кроме того, 1%-ный раствор данного вещества в спирте обладает мощным сосудорасширяющим действием, что используется при медицинских показаниях для предотвращения приступа инсульта или инфаркта.
Замещение гидроксильных групп
Реакции данного типа протекают по механизму нуклеофильного замещения. К взаимодействиям такого рода относится реакция гликолей с галогеноводородами.
Так, например, реакция этиленгликоля с бромоводородом протекает с последовательным замещением гидроксильных групп на атомы галогена:
Химические свойства фенолов
Как уже было сказано в самом начале данной главы, химические свойства фенолов заметно отличаются от химических свойств спиртов. Связано это с тем, что одна из неподеленных электронных пар атома кислорода в гидроксильной группе сопряжена с π-системой сопряженных связей ароматического кольца.
Реакции с участием гидроксильной группы
Кислотные свойства
Фенолы являются более сильными кислотами, чем спирты, и в водном растворе в очень небольшой степени диссоциированы:
Большая кислотность фенолов по сравнению со спиртами в плане химических свойств выражается в том, что фенолы, в отличие от спиртов, способны реагировать со щелочами:
Однако, кислотные свойства фенола выражены слабее, чем даже у одной из самых слабых неорганических кислот – угольной. Так, в частности, углекислый газ, при пропускании его через водный раствор фенолятов щелочных металлов, вытесняет из последних свободный фенол как еще более слабую, чем угольная, кислоту:
Очевидно, что любой другой более сильной кислотой фенол также будет вытесняться из фенолятов:
3) Фенолы являются более сильными кислотами, чем спирты, а спирты при этом реагируют с щелочными и щелочноземельными металлами. В связи с этим очевидно, что и фенолы будут реагировать с указанными металлами. Единственное, что в отличие от спиртов, реакция фенолов с активными металлами требует нагревания, так как и фенолы, и металлы являются твердыми веществами:
Реакции замещения в ароматическом ядре
Гидроксильная группа является заместителем первого рода, и это значит, что она облегчает протекание реакций замещения в орто- и пара-положениях по отношению к себе. Реакции с фенолом протекают в намного более мягких условиях по сравнению с бензолом.
Галогенирование
Реакция с бромом не требует каких-либо особых условий. При смешении бромной воды с раствором фенола мгновенно образуется белый осадок 2,4,6-трибромфенола:
Нитрование
При действии на фенол смеси концентрированных азотной и серной кислот (нитрующей смеси) образуется 2,4,6-тринитрофенол – кристаллическое взрывчатое вещество желтого цвета:
Реакции присоединения
Поскольку фенолы являются ненасыщенными соединениями, возможно их гидрирование в присутствии катализаторов до соответствующих спиртов:
Химические свойства. 1. Кислотные свойства. Кислотные свойства фенола выражены сильнее, чем у воды и предельных спиртов, что связано с большей полярностью O—H связи и с большей
1. Кислотные свойства. Кислотные свойства фенола выражены сильнее, чем у воды и предельных спиртов, что связано с большей полярностью O—H связи и с большей устойчивостью образующегося при ее разрыве фенолят-иона. В отличие от спиртов, фенолы реагируют не только с щелочными и щелочноземельными металлами, но и с растворами щелочей, образуя феноляты:
2C6H5OH + 2Na  | 2C6H5ONa | + H2 |
| фенолят натрия |
3. C6H5OH + NaOH C6H5ONa + H2O
4.
Однако кислотные свойства фенола выражены слабее, чем у карбоновых кислот и, тем более, у сильных неорганических.
5. Замещение в бензольном кольце. Наличие гидроксильной группы в качестве заместителя в молекуле бензола приводит к перераспределению электронной плотности в сопряженной 
-системе бензольного кольца, при этом увеличивается электронная плотность у 2-го, 4-го и 6-го атомов углерода (орто— и пара-положения) и уменьшается у 3-го и 5-го атомов углерода (мета-положение).
а) Реакция с бромной водой (качественная реакция):
 | + 3Br2 |  | + 3HBr |
б) Нитрование (при комнатной температуре):
7. C6H5—OH + HNO3(разб.) H2O + O2N—C6H4—OH (смесь орто— и пара-изомеров)
| | + 3HNO3(конц.) 3H2O + |  |
По вторй реакции образуется 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота).
10. Поликонденсация фенола с формальдегидом (по этой реакции происходит образование фенолформальдегидной смолы:
11. Качественная реакция с хлоридом железа(III). Образуется комплексное соединение фиолетового цвета.
6. Растворы. Растворимость веществ. Виды растворов: насыщенный и ненасыщенный растворы.(задача на растворимость)
Растворимость сероводорода при 0 °С составляет 4,62 л на 1 л воды. Какой массовой доле, молярной и нормальной концентрации будет соответствовать полученный раствор? (Плотность раствора можно принять за 1 г/мл.)
Растворы имеют важное значение в жизни и практической деятельности человека. Процессы усвоения пищи человеком и животными связаны с переводом питательных веществ в раствор.
Растворами являются все физиологические жидкости. Раствор – твердая или жидкая гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в достаточно широких пределах. Наиболее важный вид растворов – жидкие растворы. Раствор состоит из растворителя, т. е. среды, в которой это вещество равномерно распределено в виде молекул или ионов. Обычно растворителем является тот компонент, который в чистом виде существует в том же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. Если до растворения оба компонента находились в одинаковом агрегатном состоянии ( спирт и вода), растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве. Между растворителем и растворенным веществом происходит химическое взаимодействие, при этом выделяется тепло. Раствор, в котором взятое вещество даже при продолжительном взбалтывании больше не растворяется, называется насыщенным раствором при данной температуре. Насыщенный раствор – это такой раствор, который может неопределенно долго оставаться в равновесии с избытком растворяемого вещества. Чаще используют ненасыщенный раствор. Концентрацией раствора называется весовое (или, в случае газов, объемное) содержание растворенного вещества в определенном весовом количестве или в определенном объеме раствора. Растворы с большой концентрацией растворенного вещества называются концентрированными, с малой – разбавленными.
Три способа выражения концентрации:
1) В процентах растворенного вещества по отношению ко всему количеству раствора. С% = m(растворенного вещества) / m(раствора)
2) Концентрация выражается числом молей растворенного вещества в 1 л раствора. Такие растворы называются молярными ( 2М; 0,3 М)6 СМ = n(растворенного вещества) / V(раствора)
Концентрацию раствора можно выразить числом молей растворенного вещества, содержащих в 100г растворителя. Такие растворы называются моляльными.
Сm = n(растворенного вещества) / m(растворителя)
3) Числом грамм – эквивалентов (количество граммов вещества, равное его эквиваленту) растворенного вещества в 1л раствора (0,5н – полунормальный, 0,1н – децинормальный, 1н – нормальный).
V1 / V2 = С2 / С1 V1 С1 = V2 С2 Титрование – самостоятельно.
Титр раствора – число грамм растворенного вещества, содержащихся в 1 мл раствора. Растворимость – способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях служит концентрация его насыщенного раствора. Поэтому часто растворимость выражают теми же способами, что и концентрацию.
Если при комнатной температуре в 100г воды растворяются более 10г вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым, если растворяется менее 1г – малорастворимым, если менее 0,01г – практически нерастворимым. Абсолютно нерастворимых веществ нет. С увеличением температуры растворимость большинства твердых веществ увеличивается. Эту зависимость выражают графически. В отличие от твердых и жидких в
еществ растворимость газов с увеличением температуры уменьшается (изменение вкуса сырой воды при кипячении). Большое влияние на растворимость газов оказывает давление. Закон Генри: масса газа, растворенного в данном объеме жидкости, прямопропорциональна давлению газа.
Задача
1) Найдем количество вещества сероводорода:
n(H2S) =4,62/22.4 = 0.20 моль
2) Найдем молярную массу газа: M(H2S) = 34 г/моль
3) Найдем массу газа m(H2S) = 0.20* 34 = 7,01 г
4) Найдем массу воды, зная что ее плотность составляет 1 г/мл
m(H2) = 1000 мл * 1г/мл = 1000 г
5) Найдем массовую долю: w(H2S) = 7,01 / (7,01 +1000) *100 % =7,01/1007,01*100= 0.69 %