Для понимания и теоретического предсказания химических свойств различных веществ следует знать их элементарный состав и строение (геометрическое и электронное). Одним из таких соединений является фенол. Структурная формула вещества способна объяснить многие его характеристики и особенности поведения в реакциях.
Бензольное кольцо
Прежде чем говорить о молекулярном строении фенола и феноловых соединений, следует рассмотреть вещество, которое лежит в их основе. Этим соединением является бензол. Это ароматическое вещество имеет состав, соответствующий формуле C6H6. Молярную массу легко вычислить, если сложить величины для 6 атомов углерода и 6 атомов водорода. Получается: M (C6H6) = 6*12 + 6*1 = 78 г/моль.
Бензол был открыт Фарадеем в 1825 году. Однако до конца XIX столетия не существовало четких представлений о структуре вещества. Его рассматривали в следующих геометрических вариантах:
- Шестиугольник, ковалентные связи в котором направлены в центр.
- В виде шестиугольника с двумя двойными связями, лежащими друг напротив друга, и одной центральной связью, соединяющей противоположные вершины.
- Треугольная призма — объемная структура, в основаниях которой лежат правильные треугольники, а 3 боковые поверхности представляют собой квадраты.
Современные представления о геометрическом и электронном строении бензола принадлежат немецкому ученому Фридриху Августу Кекуле. Именно он впервые предложил рассматривать соединение C6H6 в виде шестиугольника, внутри которого чередуются двойные связи. Они образуют бензольное кольцо.
С точки зрения электронного строения, для каждого атома углерода в бензоле характерна sp2 гибридизация. Это означает, что 3 связи углерод образует с помощью энергетически эквивалентных орбиталей:
- 2 связи соединяют атом C с двумя другими углеродами в шестиугольнике;
- 1 связь соединяет C с атомом H.
Поскольку атом C имеет валентность IV, у него остается один свободный электрон. Он расположен на другой по форме и энергии орбитали, чем названные sp2. Она носит название p и имеет форму гантели или объемной восьмерки. 6 p-орбиталей образуют кольцо, создавая внутри него единое электронное пространство. В настоящее время получено численное подтверждение этой теории на основе длины связей между атомами углерода в бензоле. Она приблизительно составляет 1,4 ангстрема, что больше, чем чистая двойная связь, но меньше, чем одинарная ковалентная C-C.
Формула и характеристика фенола
Фенол — производная бензола, в котором один атом водорода замещен гидроксильной группой OH. В итоге получается следующая молекулярная формула соединения: C6H6O.
Поскольку она не содержит в себе информации, какая функциональная группа присутствует в ее составе, формулу фенола часто записывают следующим образом: C6H5OH.
Для получения соединения используют сложные реакции следующих видов:
- Выделение из каменноугольной смолы. Это исторически первый способ получения фенола в грязном виде, который был произведен в 1834 году Фридрихом Фердинандом Рунге.
- С помощью окисления толуола, бензола или восстановления хинона. Все соединения в своем составе содержат бензольное кольцо.
- С использованием кумола, который подвергается кислородному окислению в присутствии серной кислоты.
Происхождение названия
Когда в 1834 году Рунге выделил C6H5OH из угольной смолы, он назвал его карбоксиловой кислотой. Когда был установлен точный состав вещества, оно стало называться гидроксибензолом.
В 1841 году французский ученый Огюст Лоран выделил чистый фенол из коксового газа (газовая смесь, которая горит на воздухе ярким пламенем). Несколькими годами ранее ученый уже использовал название «фон» или «фен» (phene) для обозначения бензола. Этот корень послужил источником термина «фенол», который был дан ароматическому спирту в 1843 году уже другим французом Жераром Шарлем Фредериком.
В настоящее время официальным и общим названием соединения является «фенол». Иногда в литературе можно встретить следующие обозначения вещества:
- карболовая или фениловая кислота;
- фениловый спирт;
- фенилгидроксид, гидроксибензол или оксибензол.
Физические свойства
В отличие от бензола, который при нормальных условиях (температура 25 C и давление 1 атмосфера) является жидкостью, фенол представляет собой кристаллы игольчатой формы и белого цвета. Они быстро розовеют на воздухе из-за процессов окисления. Температура плавления составляет 43 C, а кипения — 182 C. Поскольку первый показатель невысок, при обычных условиях он испытывает возгонку (испаряется).
Плотность кристаллов составляет 1070 кг/м3, эта характеристика практически такая же, как у воды. Фенол имеет среднюю растворимость в H2O (около 8 г на 100 мл). Также он растворим в щелочах и спиртах. Молярная масса вещества составляет 94 г на моль (величину легко получить самостоятельно, если вспомнить формулу C6H5OH и обратиться к справочным данным из таблицы Д. И. Менделеева).
Вещество обладает специфическим запахом. Его можно представить, если вспомнить, как пахнет гуашь.
Химические особенности
Структурная формула фенола позволяет теоретически предсказать его химические свойства. Здесь следует рассмотреть 2 особенности соединения C6H5OH:
- Бензольное кольцо. Оно является сильным концентратором электронной плотности, которую оттягивает на себя от 5 атомов H, связанных с 5 атомами C. Этот факт приводит к тому, что фенол может проявлять свойства слабых кислот. Они слабее, чем у угольной кислоты H2CO3.
- Гидроксильная группа. Наличие ее должно свидетельствовать о существовании щелочных свойств. Однако они не проявляются, поскольку группа OH обладает меньшей электроотрицательностью, чем бензольное кольцо. Этот факт приводит к сильной связи кислорода, который не отщепляется от фенола практически во всех химических реакциях. Наличие группы проявляется в виде свойств спиртов по аналогии, например, с C2H5OH и его взаимодействием со щелочами с образованием растворимых солей этилового спирта (C2H5ONa).
Примеры реакций
Соединение C6H5OH является достаточно активным. Типичными являются следующие реакции с ним:
- Образование фенилформиата: C6H5OH + HCOOH = HCOOC6H5 + H2O. Это реакция этерификации, которая приводит к образованию сложного эфира. В ней фенол проявляет типичные свойства спирта.
- Взаимодействие со щелочами. Здесь образуются соли феноляты, например, натрия и калия: C6H5OH + NaOH = C6H5ONa + H2O, C6H5OH + KOH = C6H5OK + H2O. Это типичные реакции с проявлением кислотных свойств фенола. Однако простое добавление к ним одной из слабых кислот — угольной приводит к образованию гидроксибензола: C6H5ONa + H2O + CO2 = C6H5OH + NaHCO3.
- Если щелочной металл растворить в жидком феноле или в его растворе, можно наблюдать образование газовых пузырьков и выделение их из жидкости. Это молекулярный водород. Описывающая химический процесс реакция выглядит так: 2*C6H5OH + 2*K = 2*C6H5OK + H2.
- Простые эфиры фенола можно получить, если на его соли щелочных металлов подействовать галогеналканами и их гомологами. Примером служит следующая реакция: C6H5OK + C2H5Cl = C6H5OC2H5 + KCl. В результате взаимодействия образуется этилфеноловый эфир.
- В химии часто встречаются взаимодействия двух определенных веществ, которые приводят к специфическому результату. Например, к образованию солей, имеющих конкретный цвет и кристаллическую форму. Эти реакции получили название качественных. Для фенола таковыми служат взаимодействия с бромовой водой или раствором хлорида железа (FeCl3). С бромом получается следующий результат: C6H5OH + 3*Br2 = C6H2Br3OH + 3*HBr. Здесь 3 атома водорода бензольного кольца фенола замещаются соответствующими атомами галогена. C6H2Br3OH — является твердым соединением, имеющим белый цвет.
- По аналогии с бромной водой реагирует фенол с сильными кислотами с замещением атомов водорода бензольного кольца. Например, с азотной получается следующее соединение: C6H5OH + 3*HNO3 = C6H2 (NO2)3OH + 3*H2O.
- Известна реакция получения бензола из фенола. Для этого необходимо перегнать последний в присутствии пыли Zn. Имеет место следующая реакция: C6H5OH + Zn = C6H6 + ZnO.
Химические свойства фенола говорят о его явно выраженной способности замещать атомы водорода в гидроксильной группе и около углерода на металлы и галогены, соответственно.
Направления использования
Гидроксибензол с давних пор использовали в качестве хорошего антисептического средства. В фармацевтике его соединения применяли в качестве бактерицидных и дезинфицирующих препаратов. Например, для полоскания горла. Фенол используют в качестве химического вещества для получения ацетилсалициловой кислоты (аспирин). В настоящее время как антисептик он не применяется по причине того, что вызывает сильное раздражение кожи. Однако его продолжают использовать в качестве заживляющего средства при онихокриптозе.
Помимо медицинской направленности, вещество используют в большом количестве при производстве феноловых резин, нейлоновых нитей и других синтетических тканей.
Феноляты и фениловые эфиры играют большую биологическую роль для формирования и развития растений.
Таким образом, соединение C6H5OH является уникальным ароматическим спиртом. Его структура обеспечивает ярко выраженные свойства донора атомов водорода по бензольному кольцу и слабо проявляющиеся свойства спиртов по гидроксильной группе.
