Номер 447, страница 101 - гдз по химии 10 класс сборник задач Матулис, Матулис

447. Найдите в сети Интернет и внимательно посмотрите видеоопыты, иллюстрирующие реакцию различных насыщенных одноатомных спиртов с натрием. Какой спирт, метанол или 2-метилбутанол-2, будет активнее взаимодействовать с натрием? Поясните свой ответ.

Для того чтобы определить, какой из спиртов — метанол или 2-метилбутанол-2 — будет активнее взаимодействовать с натрием, необходимо сравнить их химические свойства, в частности, кислотность гидроксильной группы.

Взаимодействие спиртов с натрием — это реакция замещения, в которой спирт выступает в роли очень слабой кислоты. Скорость этой реакции напрямую зависит от подвижности атома водорода в гидроксильной группе ($–OH$). Чем легче отщепляется протон ($H^+$), то есть чем выше кислотные свойства спирта, тем активнее идет реакция.

Уравнение реакции в общем виде: $2 R–OH + 2 Na \rightarrow 2 R–ONa + H_2 \uparrow$

Рассмотрим строение и свойства сравниваемых спиртов:

1. Метанол ($CH_3OH$). Это простейший первичный спирт.

2. 2-метилбутанол-2. Это третичный спирт, так как гидроксильная группа присоединена к третичному атому углерода (атому, связанному с тремя другими атомами углерода). Его структурная формула:

$CH_3$
|
$CH_3–C–CH_2–CH_3$
|
$OH$

На активность спиртов в реакции с натрием влияют два основных фактора:

1. Электронные эффекты (индуктивный эффект)
Алкильные группы (например, метил $–CH_3$, этил $–C_2H_5$) являются электронными донорами и проявляют положительный индуктивный эффект (+I). Они смещают электронную плотность по цепи $\sigma$-связей к атому кислорода гидроксильной группы.

В молекуле метанола ($CH_3OH$) одна метильная группа оказывает относительно слабый положительный индуктивный эффект.

В молекуле 2-метилбутанола-2 с атомом углерода, несущим гидроксильную группу, связаны три алкильных радикала (два метильных и один этильный). Их суммарный положительный индуктивный эффект значительно сильнее.

Это приводит к тому, что атом кислорода в 2-метилбутаноле-2 гораздо сильнее насыщен электронной плотностью. В результате связь $O–H$ становится менее полярной и более прочной, а атом водорода — менее подвижным («менее кислым»).

2. Пространственные препятствия (стерический фактор)
Для протекания реакции необходимо, чтобы атом натрия смог физически приблизиться к гидроксильной группе.

В молекуле метанола гидроксильная группа пространственно доступна.

В молекуле 2-метилбутанола-2 три объёмных алкильных радикала создают значительные пространственные препятствия, экранируя гидроксильную группу и затрудняя подход к ней атомов натрия.

Таким образом, и электронные, и пространственные факторы делают 2-метилбутанол-2 значительно менее реакционноспособным по сравнению с метанолом.

В целом, кислотные свойства и, следовательно, активность в реакции с натрием для насыщенных одноатомных спиртов уменьшается в ряду:
метанол > первичные спирты > вторичные спирты > третичные спирты

Метанол является самым активным спиртом в этом ряду, а 2-метилбутанол-2, будучи третичным спиртом, одним из наименее активных. Экспериментально это подтверждается: реакция метанола с натрием протекает бурно, а 2-метилбутанол-2 реагирует очень медленно.

Ответ: Активнее с натрием будет взаимодействовать метанол. Это объясняется двумя основными причинами. Во-первых, из-за более слабого положительного индуктивного эффекта от одной метильной группы в метаноле по сравнению с суммарным эффектом от трех алкильных радикалов в 2-метилбутаноле-2, связь $O–H$ в метаноле более полярна, а водород более подвижен (обладает более выраженными кислотными свойствами). Во-вторых, объёмные алкильные группы в 2-метилбутаноле-2 создают существенные пространственные препятствия (стерический фактор), которые затрудняют доступ атомов натрия к гидроксильной группе, в то время как в метаноле она легкодоступна.