Кислотні й основні властивості органічних сполук: порівняння класів

Кислотність органічної сполуки — це її здатність відщеплювати протон (H⁺). У шкільному курсі хімії порівняння кислотних властивостей проводять у водному середовищі за однакових умов. Для чотирьох типових речовин — етанолу, води, фенолу й етанової кислоти — ряд зростання кислотності виглядає так:

C₂H₅OH < H₂O < C₆H₅OH < CH₃COOH

Етанол — найслабша кислота з перелічених. Його гідроксильна група –OH міцно тримає протон, тому він практично не дисоціює у воді. Вода дисоціює трохи краще (іонний добуток 10⁻¹⁴), тому вона є слабшою кислотою, ніж фенол, але сильнішою, ніж етанол.

Чому фенол сильніший за етанол? У фенолі гідроксильна група безпосередньо зв'язана з бензеновим кільцем. Після відщеплення протона утворюється фенолят-йон C₆H₅O⁻. Негативний заряд у цьому йоні делокалізується (розподіляється) по бензеновому кільцю завдяки спряженню π-електронної системи. Це стабілізує фенолят-йон, тому рівновага дисоціації фенолу зміщена вправо сильніше, ніж у випадку етанолу, де алкільний замісник (C₂H₅–) лише відштовхує електронну густину, дестабілізуючи алкоголят-йон.

Чому карбонова кислота сильніша за фенол? У карбоксилат-йоні RCOO⁻ негативний заряд розподілений між двома атомами Оксигену. Це вдвічі збільшує площу, на якій «розмазаний» заряд, і робить карбоксилат-йон значно стабільнішим за фенолят. Саме тому типова карбонова кислота (наприклад, етанова CH₃COOH) є сильнішою кислотою, ніж фенол, хоча обидві належать до слабких електролітів.

Порівняння всередині класу карбонових кислот

Метанова кислота HCOOH у водному розчині сильніша за етанову CH₃COOH. Причина — метильна група (–CH₃) в етановій кислоті виявляє електронодонорний ефект, трохи підвищуючи електронну густину на карбоксилаті й послаблюючи кислотність. Обидві кислоти — слабкі електроліти, їхні константи дисоціації (Kₐ) малі.

Сила кислоти ≠ концентрація

Сила кислоти — це термодинамічна характеристика (константа дисоціації), а концентрація — кількість речовини в одиниці об'єму. За однакової молярної концентрації розчин слабкої кислоти містить значно менше йонів H⁺, ніж розчин сильної кислоти. Наприклад, у розбавлених водних розчинах хлоридна кислота HCl є сильною (дисоціює практично повністю) і тому сильніша за HCOOH та CH₃COOH. Однак не переноси це порівняння на всі неорганічні кислоти: серед них є слабкі (H₂CO₃, H₂S, H₃BO₃ тощо).

Щоб порівняти кислотні властивості органічних сполук на практиці, використовують три ключові реагенти: металічний натрій (Na), водний розчин натрій гідроксиду (NaOH) і натрій гідрогенкарбонат (NaHCO₃). Кожен з них «відчуває» кислоту по-різному, і це дає змогу розрізнити речовини.

Реакція з металічним натрієм

Металічний Na реагує з водою, етанолом, фенолом і карбоновими кислотами з виділенням водню H₂. Наприклад:

2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑ (етанол)

2C₆H₅OH + 2Na → 2C₆H₅ONa + H₂↑ (фенол)

2CH₃COOH + 2Na → 2CH₃COONa + H₂↑ (етанова кислота)

Сам факт виділення H₂ не доводить однакової сили кислот! Швидкість реакції залежить від умов (температура, подрібнення металу, концентрація) і не є прямою мірою кислотності. Етанол реагує з Na повільніше, ніж етанова кислота, але обидві реагують.

Реакція з водним NaOH (нейтралізація)

Фенол і карбонові кислоти реагують з водним розчином NaOH, утворюючи сіль і воду. Це реакція нейтралізації, яка свідчить про те, що речовина виявляє помітні кислотні властивості у водному середовищі:

C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O (фенол → натрій фенолят)

CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O (етанова кислота → натрій ацетат)

Етанол не дає типової нейтралізації з водним NaOH. Його гідроксильна група недостатньо кислотна, щоб протон відщеплювався під дією гідроксид-йонів у водному розчині. Тому реакція C₂H₅OH + NaOH у воді практично не відбувається.

Проба з натрій гідрогенкарбонатом (NaHCO₃)

Карбонові кислоти реагують з NaHCO₃ з виділенням вуглекислого газу:

CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + CO₂↑ + H₂O

Це характерна ознака карбонових кислот: жодна інша з розглянутих речовин (етанол, вода, фенол) не дає помітного виділення CO₂ за стандартної шкільної проби з NaHCO₃. Фенол для цього надто слабка кислота — його константа дисоціації недостатня, щоб змістити рівновагу в бік утворення CO₂.

Не плутай гідрогенкарбонат (NaHCO₃) з карбонатом (Na₂CO₃). Фенол може реагувати з Na₂CO₃ у певних умовах (рівноважна взаємодія можлива), але з NaHCO₃ — ні. Для розпізнавання карбонових кислот зручно використовувати саме NaHCO₃: CO₂ з ним виділяють лише кислоти, сильніші за карбонатну.

Основність органічної сполуки — це її здатність приєднувати протон (H⁺). Для амінів ця здатність зумовлена наявністю неподіленої електронної пари на атомі Нітрогену. У водному середовищі за порівнюваних умов ряд основності для трьох типових речовин такий:

C₆H₅NH₂ < NH₃ < CH₃NH₂

Чому метанамін — найсильніша основа?

Метильна група (–CH₃) у метанаміні CH₃NH₂ виявляє електронодонорний (індуктивний) ефект: вона «підштовхує» електронну густину до атома Нітрогену, підвищуючи доступність неподіленої пари для приєднання протона. Тому метанамін є сильнішою основою, ніж амоніак NH₃.

Чому анілін — найслабша основа?

В аніліні C₆H₅NH₂ аміногрупа безпосередньо зв'язана з бензеновим кільцем. Неподілена електронна пара Нітрогену бере участь у спряженні з π-електронною системою кільця, тобто частково «відтягується» в кільце. Це знижує її доступність для протона, тому анілін — найслабша основа серед порівнюваних. Однак анілін, хоч і слабка основа, все одно реагує з хлоридною кислотою, утворюючи сіль — феніламоній хлорид:

C₆H₅NH₂ + HCl → C₆H₅NH₃⁺Cl⁻

Індикатори та кислотність

Серед етанолу, води, фенолу й етанової кислоти лише етанова кислота помітно змінює забарвлення індикаторів (лакмус червоніє) і виділяє CO₂ з карбонатів. Фенол для цього надто слабка кислота — його pH у водному розчині недостатньо низький, щоб змінити колір лакмусу або витіснити вуглекислоту з карбонату.

Амфотерність гліцину

Гліцин H₂NCH₂COOH — найпростіша амінокислота — виявляє амфотерні властивості. У його молекулі є одночасно кислотна група (–COOH) і основна група (–NH₂). Залежно від середовища гліцин реагує і як кислота, і як основа:

• З хлоридною кислотою (HCl): H₂NCH₂COOH + HCl → HOOCCH₂NH₃⁺Cl⁻ — утворюється амонієва сіль (основна група –NH₂ приєднує протон).

• З натрій гідроксидом (NaOH): H₂NCH₂COOH + NaOH → H₂NCH₂COONa + H₂O — утворюється карбоксилат (кислотна група –COOH відщеплює протон).

Амфотерність гліцину — це поєднання кислотної й основної груп в одній молекулі, а не те, що він одночасно є сильною кислотою та сильною основою. У водному розчині гліцин існує переважно у формі внутрішньої солі (цвітер-йона) ⁺H₃NCH₂COO⁻.

Приклад 1. Ряд зростання кислотності

Завдання: Визнач правильний ряд зростання кислотних властивостей у водному середовищі.

Розв'язання: У шкільному порівнянні за однакових умов етанол — найслабша кислота, вода — слабша за фенол, фенол — слабший за етанову кислоту. Отже, правильний ряд: етанол < вода < фенол < етанова кислота.

Відповідь: C₂H₅OH < H₂O < C₆H₅OH < CH₃COOH.

Чому інші варіанти неправильні?

• Якщо фенол поміняли місцями з етанолом — не враховано стабілізацію фенолят-йона бензеновим кільцем.

• Якщо воду поставили після етанової кислоти — не враховано, що карбоксилат-йон стабільніший за гідроксид-йон.

• Обернений ряд (кислота < фенол < вода < етанол) суперечить реальним константам дисоціації.

Приклад 2. Логічні пари: реагенти та речовини

Завдання: Установи відповідність між речовиною (1–3) та набором реагентів, з якими вона реагує (А–Д).

1 — етанол; 2 — фенол; 3 — етанова кислота.

А — реагує з Na, NaOH і виділяє CO₂ з NaHCO₃; Б — реагує з Na, але не нейтралізує водний NaOH; В — реагує з Na і NaOH, без помітного CO₂ з NaHCO₃; Г — не реагує з жодним з цих реагентів; Д — утворює амонієву сіль з HCl.

Розв'язання: Етанол (1) реагує з Na (виділяє H₂), але не реагує з водним NaOH і не дає CO₂ з NaHCO₃ — це опис Б. Фенол (2) реагує з Na і NaOH, але не дає CO₂ з NaHCO₃ — це опис В. Етанова кислота (3) реагує з Na, NaOH і виділяє CO₂ з NaHCO₃ — це опис А.

Відповідь: 1 — Б, 2 — В, 3 — А.

Пояснення дистракторів: Г не підходить жодній речовині, бо всі три реагують з Na. Д описує реакцію амінів, а не спиртів, фенолів чи кислот.

Приклад 3. Найсильніша основа

Завдання: Серед перелічених речовин обери ту, що виявляє найсильніші основні властивості у водному розчині.

Розв'язання: Порівнюємо основність у воді: анілін < амоніак < метанамін. Метильна група в метанаміні підвищує електронну густину на Нітрогені, роблячи його сильнішою основою. Анілін — найслабший, бо неподілена пара Нітрогену спряжена з бензеновим кільцем. Етанол не виявляє основних властивостей у воді.

Відповідь: метанамін (CH₃NH₂).

Чому дистрактори неправильні?

• Анілін — найслабша основа через спряження пари N з бензеновим кільцем.

• Амоніак — слабша основа, ніж метанамін, бо не має електронодонорного замісника.

• Етанол — не основа, він виявляє слабкі кислотні властивості.

Приклад 4. Амфотерна речовина

Завдання: Яка з перелічених речовин реагує і з хлоридною кислотою, і з натрій гідроксидом?

Розв'язання: Гліцин H₂NCH₂COOH містить і кислотну (–COOH), і основну (–NH₂) групи. З HCl реагує як основа (аміногрупа приєднує H⁺), з NaOH — як кислота (карбоксильна група віддає H⁺). Етанол реагує лише з Na, але не з HCl чи NaOH у воді. Етан і бензен — вуглеводні, хімічно інертні за цих умов.

Відповідь: гліцин (H₂NCH₂COOH).

Чому дистрактори неправильні?

• Етанол — слабка кислота, реагує з Na, але не з HCl і не з NaOH у воді.

• Етан — насичений вуглеводень, не реагує ні з кислотами, ні з лугами за звичайних умов.

• Бензен — ароматичний вуглеводень, не реагує з HCl чи NaOH без каталізатора.

• Поширювати порядок етанол < вода на всі спирти без умов. Насправді кислотність спиртів залежить від будови вуглеводневого радикала. Наприклад, 2-метилпропан-2-ол — слабша кислота, ніж етанол, а 2,2,2-трифлуороетанол CF₃CH₂OH — сильніша кислота, ніж вода. Завжди називай конкретний спирт і зазначай умови порівняння.

• Плутати силу кислоти з її концентрацією. Сила кислоти — це константа дисоціації (Kₐ), а концентрація — це кількість речовини в одиниці об'єму. Концентрована етанова кислота має нижчий pH, ніж розбавлена, але вона не стає від цього «сильнішою» в термодинамічному сенсі.

• Оцінювати кислотність лише за швидкістю реакції з Na. Швидкість залежить від багатьох чинників: температури, подрібнення металу, наявності води, перемішування. Етанол реагує з Na повільніше за воду; він справді слабша кислота, але висновок про силу кислоти роблять за константою дисоціації, а не за швидкістю реакції.

• Називати фенол неспроможним до будь-якої реакції з карбонатом на підставі проби з NaHCO₃. Фенол не дає помітного виділення CO₂ з NaHCO₃ за стандартних шкільних умов, але може рівноважно взаємодіяти з Na₂CO₃. Не плутай гідрогенкарбонат і карбонат.

• Вважати анілін нездатним реагувати з кислотою. Хоча анілін — найслабша основа серед порівнюваних, він все одно реагує з HCl, утворюючи феніламоній хлорид C₆H₅NH₃⁺Cl⁻. Слабка основа — це не «не основа».

• Приписувати індикатору сталий колір без даних про pH. Наприклад, не можна стверджувати, що лакмус у фенолі «синій» або «червоний», не знаючи точного pH розчину. Фенол надто слабка кислота, щоб помітно змінити колір лакмусу, але в дуже концентрованому розчині ефект може бути іншим.

Тема 3.6 програми НМТ з хімії передбачає порівняння органічних сполук за будовою та властивостями. Кислотність і основність органічних речовин спираються на теми 3.3.1–3.4.2 (спирти, фенол, карбонові кислоти, аміни). У тесті можуть трапитися завдання, де потрібно впорядкувати речовини за кислотністю або основністю, вибрати правильний набір реагентів для розпізнавання або встановити відповідність між речовиною та її реакційною здатністю.

Стратегія виконання

• Зафіксуй речовини, середовище та реагент. Кислотність порівнюють у водному середовищі за однакових умов — не перенось автоматично порядок на інші розчинники.

• Розрізняй термодинамічну силу кислоти (константа дисоціації), швидкість реакції (кінетика) і колір індикатора (pH). Це різні характеристики, які не завжди збігаються.

• У завданнях на логічні пари спочатку визнач, з якими реагентами реагує кожна речовина, а потім шукай відповідний опис.

Формати завдань

Вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г) — завдання 1–18 тесту: 0 або 1 бал за кожне. У таких завданнях можуть запропонувати визначити правильний ряд кислотності, найсильнішу основу або речовину з певними властивостями.

Логічні пари — завдання 19–20 тесту: три позиції ліворуч (1–3) треба зіставити з п'ятьма варіантами праворуч (А–Д), дві з яких зайві. Кожна правильна пара дає 1 бал, максимум 3 бали за завдання. У цій темі типовий приклад — установлення відповідності між органічною речовиною та набором реагентів, з якими вона взаємодіє.

• Кислотність і основність порівнюють за однакових умов — у водному середовищі, за однакової температури.

• Етанол слабший за фенол, фенол слабший за типові карбонові кислоти: C₂H₅OH < H₂O < C₆H₅OH < CH₃COOH.

• Na, NaOH і NaHCO₃ перевіряють різні аспекти реакційної здатності: Na реагує з усіма, NaOH — з фенолом і кислотами, NaHCO₃ — лише з карбоновими кислотами.

• У воді основність зростає в ряду: анілін < амоніак < метанамін.

• Амінокислоти (наприклад, гліцин) амфотерні завдяки двом функціональним групам — кислотній (–COOH) і основній (–NH₂).