Alkohole i fenole na maturze z chemii: różnice w reaktywności grupy OH
Dział, w którym ta sama grupa hydroksylowa zachowuje się inaczej w zależności od tego, do czego jest przyłączona — i to jest sedno pytania.
Dział obejmuje budowę i nazewnictwo alkoholi i fenoli, różnice w kwasowości i podatności na utlenienie grupy hydroksylowej wynikające z sąsiedztwa pierścienia aromatycznego oraz reakcje pozwalające odróżnić obie grupy związków od siebie i od innych grup funkcyjnych.
Najczęstsza strata punktu to dobór odczynnika, który nie rozróżnia badanych związków, albo poprawny dobór bez wskazania obserwacji, która o rozróżnieniu decyduje. Polecenie pyta zwykle o oba elementy naraz: co dodać i co wtedy zobaczymy.
Druga grupa strat dotyczy uzasadnień: odpowiedź stwierdza, że fenol jest mocniejszym kwasem od alkoholu, ale nie wskazuje, dlaczego pierścień aromatyczny na to wpływa.
Co obejmuje dział
Dział zaczyna się od budowy. Alkohol ma grupę hydroksylową przy nasyconym atomie węgla, a fenol ma ją przyłączoną bezpośrednio do pierścienia aromatycznego. Dlatego alkohol benzylowy, choć zawiera pierścień, jest alkoholem, a nie fenolem. Alkohole dzieli się według rzędowości, czyli liczby atomów węgla połączonych z tym atomem węgla, który niesie grupę hydroksylową: są pierwszorzędowe, drugorzędowe i trzeciorzędowe. Drugi podział idzie według liczby grup hydroksylowych w cząsteczce, na alkohole jednowodorotlenowe i wielowodorotlenowe, takie jak glikol etylenowy i glicerol. Nazwę systematyczną tworzy się od nazwy węglowodoru z końcówką „-ol”, a łańcuch numeruje od strony bliższej grupie hydroksylowej. Do tej części należą też izomery: alkohol i eter o tym samym wzorze sumarycznym mają zupełnie inne właściwości, bo tylko w alkoholu atom tlenu łączy się z wodorem.
Druga grupa zadań dotyczy właściwości. Cząsteczki alkoholi łączą się ze sobą wiązaniami wodorowymi, dlatego alkohole wrą w znacznie wyższej temperaturze niż węglowodory i etery o podobnej masie cząsteczkowej. Alkohole o krótkim łańcuchu mieszają się z wodą bez ograniczeń, a wraz z wydłużaniem łańcucha węglowego rozpuszczalność szybko maleje. Wodór grupy hydroksylowej alkoholu ma bardzo słabe właściwości kwasowe: alkohol reaguje z sodem, wydzielając wodór i tworząc alkoholan, ale z wodnym roztworem wodorotlenku sodu praktycznie nie reaguje. Fenol jest kwasem wyraźnie mocniejszym. Reaguje z zasadą sodową, tworząc fenolan sodu, a jednocześnie jest słabszy od kwasu węglowego, więc tlenek węgla(IV) wprowadzony do roztworu fenolanu odtwarza z niego fenol. Zadania każą porównywać moc tych kwasów i tłumaczyć różnicę budową cząsteczki.
Trzecia grupa to reakcje, w których o produkcie decyduje budowa alkoholu, przede wszystkim jego rzędowość. Alkohol pierwszorzędowy utlenia się do aldehydu, a w ostrzejszych warunkach dalej do kwasu karboksylowego. Drugorzędowy daje keton. Trzeciorzędowy w łagodnych warunkach się nie utlenia, bo przy atomie węgla z grupą hydroksylową nie ma wodoru. Typowym utleniaczem w zadaniach jest tlenek miedzi(II) na gorąco albo dichromian potasu w środowisku kwasowym. Mocne ogrzewanie alkoholu ze stężonym kwasem siarkowym odrywa od cząsteczki grupę hydroksylową razem z wodorem przy sąsiednim węglu i daje alken, więc z metanolu, który sąsiedniego węgla nie ma, alkenu się nie otrzyma. Gdy wodór może odejść od dwóch różnych sąsiadów, przeważa alken powstały po oderwaniu wodoru od tego węgla, który ma go mniej, zgodnie z regułą Zajcewa. W niższej temperaturze z dwóch cząsteczek alkoholu powstaje eter, a reakcja z halogenowodorem daje halogenoalkan. Ta sama wiedza działa w drugą stronę, przy otrzymywaniu: alkohol powstaje w addycji wody do alkenu zgodnie z regułą Markownikowa albo w hydrolizie halogenoalkanu w wodnym roztworze zasady. Z takich przemian układa się ciągi, w których trzeba rozpoznać związki pośrednie i napisać równania kolejnych etapów.
Ostatnia grupa to odróżnianie związków doświadczeniem. Alkohole wielowodorotlenowe, które mają grupy hydroksylowe przy sąsiednich atomach węgla, roztwarzają świeżo strącony wodorotlenek miedzi(II) i tworzą klarowny roztwór o szafirowej barwie. Alkohol jednowodorotlenowy tej reakcji nie daje, więc ten odczynnik pozwala odróżnić glicerol od etanolu. Fenol rozpoznaje się inaczej. Grupa hydroksylowa tak silnie aktywuje pierścień, że fenol odbarwia wodę bromową bez katalizatora i wytrąca biały osad bromowej pochodnej, podczas gdy benzen w tych warunkach nie reaguje. Fenole dają też barwny związek z roztworem chlorku żelaza(III), a alkohole takiego zabarwienia nie dają. Reakcję fenolu z zasadą sodową widać w probówce tylko wtedy, gdy fenolu jest więcej, niż rozpuści woda: mętna mieszanina fenolu z wodą klaruje się po dodaniu zasady, bo powstaje dobrze rozpuszczalny fenolan. Etanol miesza się z wodą bez ograniczeń, więc jego roztwór po dodaniu zasady wygląda tak samo jak przedtem. Polecenie z tej grupy łączy zwykle wybór odczynnika z dalszą częścią: opisem tego, co widać w probówce, albo równaniem reakcji w formie, o którą prosi zadanie.
Za co przepadają punkty
Odwrócona grupa hydroksylowa
We wzorze półstrukturalnym grupę hydroksylową dopisaną na prawym końcu łańcucha zapisuje się jako OH, tak żeby kreska wiązania prowadziła do atomu tlenu. Zapis HO w tym miejscu sugeruje, że węgiel łączy się z wodorem, a wzór, który nie oddaje wiązalności atomów, egzaminator ocenia negatywnie. Ta sama zasada obowiązuje grupę aldehydową, która wraca w zadaniach o utlenianiu alkoholi. Pełny wzór strukturalny w miejscu półstrukturalnego punktu nie odbiera.
Nazwa bez numeru albo z numeracją od złej strony
Nazwy systematycznej nie obroni parafraza, bo zasady oceniania wymagają, żeby była dokładnie poprawna. Nazwa bez numeru atomu węgla z grupą hydroksylową, gdy łańcuch dopuszcza kilka jej położeń, albo z numeracją od złej strony łańcucha jest nazwą błędną i odbiera punkt mimo poprawnej reszty. Błąd liczy się także wtedy, gdy uczeń przepisał go z treści zadania. Poprawny wzór zamiast nazwy punktu nie kosztuje, ale nazwa wpisana tam, gdzie rubryka żąda wzoru, już tak.
Odczynnik, który reaguje z oboma związkami
Odróżnienie wymaga odczynnika, który z jednym z badanych związków daje widoczny efekt, a z drugim nie. Sód wydziela wodór i z alkoholem, i z fenolem, więc ich nie rozróżnia. Zły wybór odczynnika nie kończy się na jednym błędzie, bo przepadają też obserwacje i równania wynikające z tego wyboru, choćby same w sobie były chemicznie prawdziwe. Gdy w doświadczeniu liczy się kolejność dodawania odczynników, jej odwrócenie także bywa oceniane na zero.
Dwa odczynniki na wszelki wypadek
Kto na prośbę o jeden odczynnik wpisuje dwa, z których jeden jest dobry, a drugi zły, nie dostaje punktu za żaden. Reguła obejmuje każde polecenie, na które uczeń odpowiada kilkoma wariantami, jeśli choć jeden z nich jest błędny. Podobnie działa dopisek spoza polecenia, który zdradza brak zrozumienia zagadnienia i zarazem przeczy poprawnej części odpowiedzi: wtedy punkt traci cała odpowiedź. Bezpieczniej napisać mniej, ale jednoznacznie.
Obserwacja bez stanu przed i po
Zapis, że zmieniła się barwa, punktu nie daje. Obserwacja ma pokazać, jak wyglądała zawartość probówki przed zmieszaniem odczynnika z badaną substancją i jak wygląda potem, na przykład: niebieski osad wodorotlenku miedzi(II) znika, a ciecz staje się klarowna i szafirowa. Obserwacja mówi o tym, co widać, czyli o barwie, osadzie albo wydzielającym się gazie. Zdanie, że badany związek jest alkoholem wielowodorotlenowym, jest już wnioskiem i opisu nie zastępuje.
Teza polecenia zamiast przyczyny
Na pytanie, dlaczego fenol jest mocniejszym kwasem od etanolu, odpowiedź, że fenol łatwiej oddaje proton albo silniej dysocjuje, powtarza polecenie innymi słowami. Egzaminator uznaje ją za niewystarczającą, bo przyczyny w niej nie ma, a przyczyną jest wpływ pierścienia na grupę hydroksylową. Druga pułapka dotyczy polecenia, które każe odwołać się do budowy obu cząsteczek. Wtedy opis samego fenolu bez słowa o etanolu nie wystarcza, bo nie pokazuje różnicy, o którą pyta zadanie.
Równanie w miejscu uzasadnienia
Polecenie „uzasadnij” wymaga zdania, które łączy przyczynę ze skutkiem. Odpowiedź złożoną wyłącznie z równań reakcji albo wyłącznie z opisu produktów uznaje się za niewystarczającą, nawet gdy równania są bezbłędne. W tym dziale reguła dotyczy na przykład pytań o rzędowość alkoholu, który powstaje z alkenu. Równanie pokazuje, co powstało, a uzasadnienie ma powiedzieć, dlaczego powstało właśnie to, a nie inny produkt.
Zadania maturalne z chemii: alkohole i fenole — co sprawdzamy w Twoim rozwiązaniu
- Czy dobrany odczynnik rzeczywiście rozróżnia badane związki, a nie reaguje z oboma tak samo.
- Czy uzasadnienie różnicy w kwasowości odwołuje się do wpływu pierścienia aromatycznego.
- Czy wskazana obserwacja zgadza się z podanym odczynnikiem i badanym związkiem.
Przykład: jak wygląda ocena jednego rozwiązania
Zadanie wymyślone na potrzeby tej strony, nie pochodzi z arkusza CKE.
Polecenie. Fenol reaguje z wodnym roztworem wodorotlenku sodu, a etanol w tych samych warunkach praktycznie nie reaguje. Napisz równanie reakcji fenolu z tym roztworem w formie jonowej skróconej. Następnie wyjaśnij, odwołując się do budowy cząsteczek obu związków, dlaczego fenol jest mocniejszym kwasem niż etanol.
Rozwiązanie uczniaC₆H₅OH + OH⁻ → C₆H₅O⁻ + H₂OFenol łatwiej niż etanol oddaje proton, więc w wodzie dysocjuje w większym stopniu i dlatego jest mocniejszym kwasem.
Ocena krok po kroku: 1 z 2 pkt
Równanie w formie jonowej skróconej 1 z 1 pkt
Policzone kodem: Równanie zbilansowane, zgadzają się masa i ładunek. Forma jonowa skrócona, zgodna z poleceniem.
Po każdej stronie strzałki jest 6 atomów węgla, 7 atomów wodoru, 2 atomy tlenu i ładunek −1. Jony sodu, które w reakcji się nie zmieniają, zostały pominięte, czego wymaga forma skrócona, a fenol zapisano cząsteczkowo, bo to słaby kwas. Punkt zostaje.
Wyjaśnienie różnicy w mocy kwasów 0 z 1 pkt
Zdanie jest prawdziwe, ale powtarza polecenie: łatwiejsze oddawanie protonu i silniejsza dysocjacja to właśnie to, co znaczy mocniejszy kwas. Polecenie prosiło o budowę obu cząsteczek, a w odpowiedzi nie ma ani pierścienia, ani grupy etylowej. Przyczynę podaje na przykład takie zdanie: wolna para elektronowa atomu tlenu w fenolu oddziałuje z elektronami pierścienia, wiązanie tlenu z wodorem słabnie, a ładunek powstałego anionu rozkłada się na cały pierścień, podczas gdy w etanolu grupa etylowa takiego rozproszenia nie daje i w anionie etanolanowym ładunek zostaje skupiony na atomie tlenu. Ten krok ocenia model według rubryki zadania.
Gdyby w pierwszym wierszu stały po obu stronach strzałki także jony sodu, bilans nadal by się zgadzał, ale równanie miałoby formę jonową pełną. Polecenie żądało skróconej, a zapisu w innej formie, niż wskazuje polecenie, się nie uznaje, więc przepadłby także punkt za równanie.
Pojęcia z tego działu
- alkohole
- alkohole polihydroksylowe
- fenol
- porównanie alkoholu i fenolu
- utlenianie alkoholi