Аміни: метанамін і анілін
~20 хв · 8 розділів · 10 тестових запитань
Розглянь будову й основні властивості метанаміну та аніліну, порівняй їхню основність з амоніаком, а також засвої реакції бромування аніліну та його одержання з нітробензену.
Аміни — це органічні похідні амоніаку (NH₃), у молекулі якого один, два або три атоми Гідрогену заміщені на вуглеводневі залишки. Залежно від кількості заміщених атомів Гідрогену розрізняють первинні (RNH₂), вторинні (R₂NH) і третинні (R₃N) аміни. У шкільному курсі хімії та на НМТ основну увагу приділяють первинним амінам — метанаміну (CH₃NH₂) та аніліну (C₆H₅NH₂).
Метанамін (CH₃NH₂) — найпростіший насичений амін. Його також називають метиламіном. Анілін (C₆H₅NH₂) — ароматичний амін, у якому аміногрупа NH₂ безпосередньо зв'язана з бензеновим кільцем. Обидві сполуки належать до первинних амінів, оскільки містять групу NH₂.
Будова і номенклатура
Загальна формула насичених ациклічних моноамінів — CₙH₂ₙ₊₃N, де n ≥ 1. Для n = 1 маємо CH₃NH₂ (метанамін), для n = 2 — CH₃CH₂NH₂ (етанамін). Анілін C₆H₅NH₂ не підпадає під цю формулу, оскільки його вуглеводневий залишок — ароматичне кільце.
Систематичні назви первинних амінів утворюють додаванням суфікса «-амін» до назви відповідного вуглеводню: метанамін (CH₃NH₂), етанамін (C₂H₅NH₂) — за аналогією з «метанолом». Допускаються також назви від вуглеводневого радикала: метиламін, етиламін.
Основні властивості амінів
Атом Нітрогену в амінах має неподілену електронну пару, яка може приєднувати протон (H⁺). Саме ця здатність зумовлює основні властивості амінів. Важливо: аміни не містять гідроксид-іонів OH⁻, тому їх не можна називати лугами. Вони виявляють основні властивості завдяки приєднанню протона, а не дисоціації з вивільненням гідроксид-іонів.
Реакція метанаміну з хлоридною кислотою:
CH₃NH₂ + HCl → [CH₃NH₃]Cl
Утворюється сіль метиламонію (хлорид метиламонію). Продукт — кристалічна речовина, добре розчинна у воді. Це типова реакція нейтралізації основи кислотою.
Взаємодія метанаміну з водою:
CH₃NH₂ + H₂O ⇄ CH₃NH₃⁺ + OH⁻
Рівновага значною мірою зміщена вліво (метанамін — слабка основа), але утворених іонів OH⁻ достатньо, щоб водний розчин метанаміну мав лужне середовище. Він забарвлює фенолфталеїн у малиновий колір, а лакмус — у синій.
Горіння метанаміну
Як і більшість органічних сполук, метанамін горить. Повне окиснення описує рівняння:
4CH₃NH₂ + 9O₂ → 4CO₂ + 10H₂O + 2N₂
Зверни увагу: у молекулі CH₃NH₂ п'ять атомів Гідрогену (три в метильній групі CH₃ і два в аміногрупі NH₂). Під час розрахунку коефіцієнтів це часто стає джерелом помилок. Продуктами повного горіння є вуглекислий газ, вода й молекулярний азот.
Основні властивості амінів визначаються здатністю неподіленої електронної пари атома Нітрогену приєднувати протон. На цю здатність впливає вуглеводневий залишок, зв'язаний з атомом Нітрогену. За однакових умов у водному розчині основність речовин зменшується в ряду:
CH₃NH₂ > NH₃ > C₆H₅NH₂
Тобто метанамін — сильніша основа, ніж амоніак, а анілін — слабша основа, ніж амоніак.
Чому метанамін — сильніша основа, ніж амоніак?
Метильна група (CH₃) є електронодонорною: вона «відштовхує» електронну густину до атома Нітрогену. Це підвищує електронну густину на неподіленій парі N, роблячи її доступнішою для приєднання протона H⁺. Тому метанамін легше, ніж амоніак, приєднує протон і виявляє сильніші основні властивості.
Чому анілін — слабша основа, ніж амоніак?
В аніліні неподілена електронна пара атома Нітрогену взаємодіє з π-електронною системою бензенового кільця. Це явище називають спряженням. Електронна пара частково «відтягується» в бензенове кільце, тому її доступність для приєднання протона зменшується. Унаслідок цього анілін є дуже слабкою основою.
Однак слабша основність не означає повної відсутності реакції з кислотою. Анілін, хоч і слабко, але все ж реагує з хлоридною кислотою:
C₆H₅NH₂ + HCl → [C₆H₅NH₃]Cl
Утворюється сіль анілінію (хлорид анілінію). Ця реакція підтверджує, що анілін зберігає основні властивості, хоча й послаблені бензеновим кільцем.
Дія на індикатори
Розчин метанаміну у воді має лужне середовище: він забарвлює фенолфталеїн у малиновий колір, а лакмус — у синій. Натомість анілін дуже погано розчиняється у воді, і його водний розчин практично не змінює забарвлення індикаторів. Фенолфталеїн у розчині аніліну лишається безбарвним. Це важлива відмінність, яку можуть перевіряти на НМТ.
Речовина | Основність у воді | Дія на фенолфталеїн | Реакція з HCl |
|---|---|---|---|
Метанамін CH₃NH₂ | Найсильніша | Малинове забарвлення | [CH₃NH₃]Cl |
Амоніак NH₃ | Середня | Малинове забарвлення | NH₄Cl |
Анілін C₆H₅NH₂ | Найслабша | Безбарвний | [C₆H₅NH₃]Cl |
Анілін, на відміну від насичених амінів, здатен вступати в реакції електрофільного заміщення в бензеновому кільці. Аміногрупа NH₂ є сильним активатором — вона значно підвищує реакційну здатність бензенового кільця, особливо в положеннях 2, 4 і 6 (орто- та пара-положення).
Бромування аніліну
Реакція аніліну з бромною водою відбувається миттєво за кімнатної температури без каталізатора. Рівняння реакції:
C₆H₅NH₂ + 3Br₂ → C₆H₂Br₃NH₂↓ + 3HBr
Продукт — 2,4,6-трибромоанілін — випадає у вигляді білого осаду. Це одна з найважливіших якісних реакцій на анілін. Атоми Брому заміщують атоми Гідрогену в орто- і пара-положеннях відносно аміногрупи.
Важливо: білий осад з бромною водою дає також фенол (утворюється 2,4,6-трибромофенол). Тому сама лише поява білого осаду не дозволяє розрізнити анілін і фенол — потрібна додаткова реакція, наприклад, з хлоридною кислотою (анілін розчиняється, утворюючи сіль) або з FeCl₃ (фенол дає фіолетове забарвлення).
Одержання аніліну — реакція Зініна
Анілін уперше одержав російський хімік Микола Зінін у 1842 році відновленням нітробензену. Ця реакція має історичне значення і вважається першим промисловим способом синтезу аніліну.
Загальне рівняння відновлення нітробензену до аніліну:
C₆H₅NO₂ + 6[H] → C₆H₅NH₂ + 2H₂O
У ролі відновника [H] можуть виступати різні реагенти: у лабораторії — суміш металевих цинку або заліза з хлоридною кислотою (Zn/HCl або Fe/HCl). У промисловості застосовують каталітичне гідрування воднем:
C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O
Зверни увагу: у першому рівнянні фігурує 6[H] (шість атомів Гідрогену), а в другому — 3H₂ (три молекули водню). Коефіцієнт перед H₂ дорівнює 3, що відповідає стехіометрії відновлення однієї нітрогрупи -NO₂ до аміногрупи -NH₂.
Приклад 1. Ряд зростання основності
Завдання: Визнач правильний ряд зростання основності речовин у водному розчині.
Варіанти відповіді:
анілін < амоніак < метанамін
метанамін < амоніак < анілін
амоніак < анілін < метанамін
анілін < метанамін < амоніак
Розв'язання:
Основність визначається здатністю неподіленої електронної пари Нітрогену приєднувати протон. Метильна група (CH₃) є електронодонором, тому в метанаміні електронна пара N доступніша, ніж в амоніаку. В аніліні електронна пара N взаємодіє з бензеновим кільцем (спряження), тому вона менш доступна. Отже, правильний ряд: анілін (найслабша) < амоніак (середня) < метанамін (найсильніша).
Відповідь: анілін < амоніак < метанамін.
Чому інші варіанти неправильні:
метанамін < амоніак < анілін — хибно, бо метанамін сильніша основа, ніж амоніак, а анілін — найслабша.
амоніак < анілін < метанамін — хибно, бо анілін слабша основа, ніж амоніак.
анілін < метанамін < амоніак — хибно, бо метанамін сильніша основа, ніж амоніак.
Приклад 2. Логічні пари
Завдання: Установи відповідність між реагентами (1–3) і продуктами реакцій (А–Д).
Реагенти:
CH₃NH₂ + HCl
C₆H₅NH₂ + бромна вода
C₆H₅NO₂ + H₂ (каталізатор)
Продукти:
А — анілін і вода
Б — сіль метиламонію
В — білий трибромопохідний осад
Г — етаналь
Д — гліцерол
Розв'язання:
CH₃NH₂ + HCl → [CH₃NH₃]Cl — це сіль метиламонію (хлорид метиламонію). Отже, 1 → Б.
C₆H₅NH₂ + 3Br₂ → C₆H₂Br₃NH₂↓ + 3HBr — утворюється білий осад 2,4,6-трибромоаніліну. Отже, 2 → В.
C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O — нітробензен відновлюється до аніліну, побічний продукт — вода. Отже, 3 → А.
Відповідь: 1Б, 2В, 3А.
Варіанти Г (етаналь) і Д (гліцерол) є зайвими — вони не утворюються в жодній із зазначених реакцій.
Приклад 3. Коефіцієнт у рівнянні відновлення
Завдання: Який коефіцієнт перед H₂ у рівнянні каталітичного відновлення однієї молекули нітробензену до аніліну?
Варіанти відповіді: 1, 2, 3, 6.
Розв'язання:
Рівняння каталітичного гідрування нітробензену: C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O. Нітрогрупа -NO₂ перетворюється на аміногрупу -NH₂. Для цього потрібно приєднати 6 атомів Гідрогену, тобто 3 молекули H₂. Коефіцієнт перед H₂ дорівнює 3.
Відповідь: 3.
Чому інші варіанти неправильні:
1 — недостатньо для відновлення нітрогрупи до аміногрупи.
2 — також недостатньо; потрібно 6 атомів H, а 2 молекули H₂ дають лише 4 атоми H.
6 — це кількість атомів Гідрогену (6[H]), а не коефіцієнт перед молекулярним H₂.
Вважати анілін сильнішою основою через бензенове кільце. Насправді бензенове кільце послаблює основність, оскільки неподілена електронна пара N входить у спряження з π-системою кільця і стає менш доступною для приєднання H⁺.
Плутати аміногрупу NH₂ з гідроксид-іоном лугу. Аміни не містять гідроксид-іонів OH⁻. Їхні основні властивості зумовлені приєднанням протона до неподіленої електронної пари N, а не дисоціацією з вивільненням OH⁻.
Стверджувати, що слабка основа (анілін) не реагує з HCl. Анілін реагує з хлоридною кислотою, утворюючи сіль анілінію [C₆H₅NH₃]Cl. Слабка основність не означає повної відсутності реакції з кислотою.
Вважати, що розчин аніліну забарвлює фенолфталеїн у малиновий колір, як розчин метанаміну. Анілін дуже погано розчиняється у воді, і його водний розчин практично не змінює забарвлення індикаторів. Фенолфталеїн лишається безбарвним.
Відрізняти анілін від фенолу лише білим осадом з Br₂. Обидві речовини дають білий осад з бромною водою (2,4,6-трибромоанілін і 2,4,6-трибромофенол відповідно). Для розрізнення потрібна додаткова реакція, наприклад, з HCl (анілін реагує, фенол — ні) або з FeCl₃ (фенол дає фіолетове забарвлення).
«Аміни» — тема 3.4.1 розділу 3.4 «Нітрогеновмісні органічні сполуки» програми НМТ з хімії. Завдання можуть охоплювати метанамін, анілін, основні властивості амінів, бромування аніліну та способи його одержання.
Стратегія виконання
Оцінюй доступність неподіленої електронної пари Нітрогену: чим вона доступніша, тим сильніша основа. Метильна група підвищує доступність, бензенове кільце — знижує.
Для реакції аміну з кислотою перевіряй, чи приєднався H⁺ до атома N. Продукт має містити амонієву частинку [RNH₃]⁺ з позитивним зарядом на Нітрогені.
Пам'ятай, що анілін реагує з бромною водою без каталізатора, утворюючи білий осад 2,4,6-трибромоаніліну. Такий самий осад дає фенол — для розрізнення потрібна додаткова реакція.
У рівнянні відновлення нітробензену до аніліну коефіцієнт перед H₂ дорівнює 3 (або 6[H] у безводневому записі).
Формати завдань
На НМТ з хімії завдання з теми «Аміни» можуть бути подані в таких форматах:
Вибір однієї правильної відповіді з чотирьох (А–Г) — завдання 1–18 тесту. Оцінюється 0 або 1 бал. Типові формулювання: «Укажи ряд зростання основності…», «Який коефіцієнт перед H₂…», «Яка речовина є аміном…».
Логічні пари (завдання 19–20) — установлення відповідності між трьома реагентами (1–3) і п'ятьма продуктами (А–Д, дві букви зайві). Кожна правильно встановлена пара дає 1 бал, максимально — 3 бали за завдання.
Чому аміни проявляють основні властивості?
Аміни є похідними амоніаку (NH₃). Атом Нітрогену в амінах має неподілену електронну пару, яка здатна приєднувати протон (H⁺). Це й зумовлює основні властивості амінів. На відміну від лугів, аміни не містять гідроксид-іонів OH⁻ — вони не дисоціюють з утворенням OH⁻, а реагують з водою за оборотною реакцією: RNH₂ + H₂O ⇄ RNH₃⁺ + OH⁻. У результаті середовище стає лужним.
Чому анілін слабша основа, ніж амоніак?
В аніліні неподілена електронна пара атома Нітрогену входить у спряження з π-електронною системою бензенового кільця. Це означає, що електронна пара частково «розмивається» по кільцю і стає менш доступною для приєднання протона H⁺. У результаті основність аніліну значно слабша, ніж в амоніаку. Для порівняння: метанамін, навпаки, сильніша основа за амоніак, оскільки метильна група CH₃ «підштовхує» електронну густину до атома N, підвищуючи доступність неподіленої пари.
Чи реагує анілін з кислотою?
Так, реагує. Хоча анілін — дуже слабка основа, він усе ж здатен приєднувати протон від кислоти. Рівняння реакції з хлоридною кислотою: C₆H₅NH₂ + HCl → [C₆H₅NH₃]Cl. Утворюється сіль анілінію (хлорид анілінію). Ця реакція підтверджує, що анілін зберігає основні властивості, хоча й дуже послаблені порівняно з амоніаком та метанаміном.
Чому розчин аніліну не забарвлює фенолфталеїн, хоча анілін — основа?
Анілін дуже погано розчиняється у воді (його розчинність близько 3,5 г на 100 г води за кімнатної температури). Крім того, анілін — надзвичайно слабка основа. Через низьку концентрацію аніліну у водному розчині та дуже малий ступінь його взаємодії з водою концентрація іонів OH⁻ у розчині аніліну є мізерною. Тому фенолфталеїн (який змінює колір за pH > 8,2) лишається безбарвним. Натомість метанамін добре розчиняється у воді й утворює достатньо іонів OH⁻, щоб забарвити фенолфталеїн у малиновий колір.
Аміни є похідними амоніаку, у яких атоми Гідрогену заміщені на вуглеводневі залишки. Первинні аміни мають загальну формулу RNH₂.
Аміни приєднують протон (H⁺) через неподілену електронну пару Нітрогену, утворюючи солі амонію: RNH₂ + HCl → [RNH₃]Cl.
У водному розчині основність зменшується в ряду: метанамін (CH₃NH₂) > амоніак (NH₃) > анілін (C₆H₅NH₂). Метильна група підсилює основність, бензенове кільце — послаблює.
Анілін реагує з бромною водою, утворюючи білий осад 2,4,6-трибромоаніліну: C₆H₅NH₂ + 3Br₂ → C₆H₂Br₃NH₂↓ + 3HBr.
Нітрогрупу нітробензену відновлюють до аміногрупи, одержуючи анілін: C₆H₅NO₂ + 6[H] → C₆H₅NH₂ + 2H₂O (або C₆H₅NO₂ + 3H₂ → C₆H₅NH₂ + 2H₂O).