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高校化学フェノールの酸性と呈色—アルコールとの違いを構造と観察で説明する｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.13更新 2026.11.13武蔵野個別指導塾の特徴化学を掘り下げる有機化学

フェノールの塩の生成と二酸化炭素による遊離を式で結び、呈色や臭素水の観察を対照とともに判断します。

よくあるのは、フェノールにもアルコールにもOHがあるので、どちらも水酸化ナトリウム水溶液で同じように中和されると考える場面です。OHが何についているかを見ると、この判断を修正できます。学校での観察記録を読み、塩の生成と遊離、呈色、臭素水の変化を別々の証拠としてつなぎます。実験は学校の指導の下で行い、ここでは操作の記録を紙上で考えます。

OHの行き先を問う問題

出題の入口は3通りあります。構造式を見てフェノール類とアルコールを区別する問い、塩基を加えた後に二酸化炭素を通したときの物質を答える問い、色や沈殿の記録から候補を比較する問いです。同じOHの記号でも、酸として水素イオンを渡す程度や反応の観察は同じではありません。

反応式の問題では、与えられた試薬、反応前の物質、生成物の順に書きます。観察から物質を選ぶ問題では、候補の範囲と試薬の条件を確認します。色が現れたという1行だけでは、候補に含まれない物質まで排除できません。数値問題では、OHの個数と分子の物質量を分けて考えます。

結合先と酸の強さをつなぐ

フェノールC₆H₅OHは、ベンゼン環の炭素にOHが直接結合した物質です。これに対しエタノールCH₃CH₂OHは、OHが鎖の炭素に結合したアルコールです。環を持つ物質でも、OHが側鎖の炭素についていれば、そのOHはフェノール性OHではありません。環があるかどうかでなく、OHの酸素の結合先をたどります。

図1のように、フェノールと水酸化ナトリウムは1対1で反応してフェノキシドナトリウムと水を生じます。ここでナトリウムは酸素を含む陰イオンと対になっています。塩の式で、OHのHを残したままNaを付け足さないようにします。

図1の上段は塩基による塩の生成、下段は水中の二酸化炭素による遊離を表します。いずれも水溶液中の代表的な条件で考えます。式は次のように書けます。

C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O

フェノールは水中で一部がH⁺を放出する弱酸です。フェノキシドイオンC₆H₅O⁻では、負の電荷が酸素だけに固定されず環にも分散して安定化します。このことは、普通のアルコールよりフェノールが酸としてH⁺を渡しやすい理由の1つです。ただし、弱酸という語は反応しないという意味ではありません。水酸化ナトリウムとは塩を作ります。

一方、通常の水溶液中ではエタノールを水酸化ナトリウムでフェノールと同様に定量的に中和するとは扱いません。金属ナトリウムとの反応は別の問いです。アルコールも金属ナトリウムと反応しうるので、その反応の有無だけでフェノールと区別しないでください。

二酸化炭素を水中に通すと炭酸に由来する酸の作用でフェノキシドイオンからフェノールが遊離します。代表的な式を次に示します。

C₆H₅ONa + CO₂ + H₂O → C₆H₅OH + NaHCO₃

この式ではC、H、O、Naの個数が左右で一致します。フェノールは炭酸より弱い酸として扱います。逆に、フェノールに炭酸水素ナトリウムを加えても、カルボン酸のような目立った二酸化炭素の発生は期待しません。反応が進む方向は試薬と条件を含めて読む必要があります。

フェノールの水への溶け方には限りがあります。塩の水溶液から遊離したフェノールが溶けきれなければ濁りが見えますが、薄い液では濁らないこともあります。濁りの有無を生成の有無と完全に同一視せず、濃度や温度の条件も記録します。

中性の塩化鉄(III)水溶液では、フェノールは典型的に紫色を示します。これは鉄(III)とフェノール由来の成分が色のある錯体を作るためです。フェノール類には異なる色を示すものがあり、他にも呈色する物質があります。強い酸性や塩基性、着色した試料などは判定を妨げるため、呈色だけで未知物を一意に決めません。

フェノールに臭素水を作用させると、臭素水の色が薄れ、白色の2,4,6-トリブロモフェノールが生じます。OHを持つ位置を1として、その両隣と向かいの位置のHがBrに置き換わります。十分な臭素があり、この生成物が得られる条件での式です。

C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH + 3HBr

臭素の原子は左に6個、右に沈殿側3個とHBr側3個あります。色が消える現象は他の物質でも起こるので、白色沈殿や呈色の記録、候補の構造と合わせて判断します。臭素水と塩化鉄(III)の試験は別の試料で行った記録として読みます。

基本例題：塩にしてから戻す

フェノール0.020 molに水酸化ナトリウム0.030 molを含む水溶液を加え、完全に反応させました。続いて十分な二酸化炭素を水中に通したとき、フェノールの物質量をmolで有効数字2桁で求めます。二酸化炭素は余った水酸化ナトリウムとも反応し、反応後にフェノールの損失はないものとします。

図2のように、最初にフェノールと塩基の係数比を見ます。水酸化ナトリウムは過剰なので、0.020 molのフェノールが0.020 molの塩になります。0.010 molの水酸化ナトリウムが残ります。

図2の右端では、十分な二酸化炭素が余った塩基にも作用した後、フェノキシドからフェノールを遊離させます。フェノキシドの単位1個からフェノール分子1個が戻るため、答えは0.020 molです。溶けている分と溶けずに現れる分を合わせた量であり、白濁の量をそのまま意味するものではありません。

逆にたどると、0.020 molの生成フェノールは0.020 molのフェノキシドに対応し、その生成には0.020 molのフェノールと0.020 molの水酸化ナトリウムが必要です。初めの0.030 molから引いた残りは非負の0.010 molです。途中の塩基を忘れて二酸化炭素の必要量を計算すると、塩基にも消費される分を落とします。この問題は二酸化炭素が十分なので、その必要量を求める必要はありません。

別の見方はフェニル基を含む単位の収支です。副反応と損失を無視すれば、塩になる前後でその単位は消えず、遊離後にも0.020 mol残ります。これは反応式の係数比からの計算と一致します。

標準例題：臭素の係数を使う

フェノール0.012 molに十分な臭素水を作用させ、フェノールが完全に2,4,6-トリブロモフェノールに変わったとします。消費したBr₂と生じたHBrの物質量をそれぞれmolで有効数字2桁で求めます。他の反応はないものとします。

反応式の係数はフェノール、Br₂、沈殿、HBrの順に1、3、1、3です。したがってBr₂は0.012 molの3倍で0.036 mol、HBrも0.036 molです。白色沈殿の生成量は0.012 molになります。

答えを反応前に戻すと、0.036 molのBr₂はBr原子0.072 molを含みます。生成物側では沈殿中に0.036 mol、HBr中に0.036 molのBr原子があり、合計が一致します。環から置き換わった3個のHはHBr側へ移ります。Br₂の分子数とBr原子の数を混同すると、この確認が合いません。

実際の観察で色が残っていれば、臭素が過剰である可能性があります。ただし色だけから消費量を正確に決めることはできません。試料の量、他に臭素と反応する成分がないか、沈殿の回収が完全かも必要です。生成物が器具に残れば、回収した沈殿量から計算したフェノール量は小さく見えます。

発展例題：対照と記録の読み直し

候補はフェノール、エタノール、安息香酸の3種です。別々の少量試料について、炭酸水素ナトリウム水溶液では気体が目立って発生せず、中性の塩化鉄(III)水溶液で紫色を示しました。この候補の中から物質名を1つ選び、両方の記録に照らして理由を述べます。各試薬は正常で、試料は単一物質とします。

答えはフェノールです。安息香酸はカルボン酸なので、炭酸水素塩と反応して二酸化炭素を発生させる候補です。エタノールはこの条件でフェノールのような紫色を示す候補ではありません。フェノールは気体が目立たない記録と紫色の記録の両方に合います。判定は最初からフェノールと決めるのでなく、3候補を両方の観察に戻して行います。

別解として、候補を行、観察を列にした表を頭の中で作れます。気体発生の列で安息香酸を除き、紫色の列でエタノールを除けば同じ結論です。ただし試薬が劣化していたり、強い色の不純物が混じったりすれば、表通りに見えないことがあります。試料を含まない対照と、既知のフェノールを用いた陽性対照を別に置くと、試薬自体の異常や背景色を調べられます。

陽性対照も発色しなければ、未知試料の陰性を構造の証拠として採用できません。対照が正常でも、未知試料に妨害物質があれば誤る可能性は残ります。確認には別の原理の反応や、条件を整えた再試験が必要です。反応の時間が短すぎた場合も、変化が見えないことを直ちに不反応と断定しません。

例えば横軸に加えた塩基の物質量、縦軸に生成した塩の物質量を取ると、完全反応と損失なしを仮定したモデルでは、初めは傾き1で増え、フェノールを使い切ると横ばいになります。折れ曲がる位置は初めのフェノールの物質量です。実測の点がその線からずれても、すぐに別の反応を断定せず、濃度、読み取り、反応の進行を点検します。グラフの単位をmolとmol/Lで取り違えると、折れ曲がりの意味も変わります。

間違えた式を直す

「C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅OHNa + H₂O」と書く誤答を考えます。Hを残したままNaを付けており、水に移ったHの分も数えられていません。図3のように、OHのHが塩基側へ移り、残った酸素を含む部分がNa⁺と対になると考えます。

図3の正しい側ではC₆H₅ONaとH₂Oを生成物に置きます。左辺のHはフェノールに6個、NaOHに1個の計7個、右辺は塩に5個、水に2個の計7個です。原子数が保存していても結合の書き方が誤る場合はあるので、酸素の結合先とイオンの電荷も見ます。

もう1つの誤りは、フェノールを塩にした水溶液に二酸化炭素を通すと、必ず気体が発生するとするものです。ここでは二酸化炭素は加える側で、遊離するのはフェノールです。炭酸水素塩にカルボン酸を加えるときの気体発生と、塩に二酸化炭素を加えるときの遊離を、矢印の向きから区別します。

さらに、紫色が出なかった試料をすぐアルコールと決めるのも危険です。試料が薄い、試薬の状態が悪い、液性が適切でないなど、観察が成立しない理由を先に点検します。観察と結論の間に、条件の確認を1行置いてください。

練習：条件を変えて試す

次の5問はそれぞれ独立しています。計算では反応が指定通りに完結し、損失や副反応がないものとします。

フェノール0.015 molに水酸化ナトリウム0.0090 molを加えました。生成するフェノキシドナトリウムと未反応フェノールの物質量を、それぞれmolで有効数字2桁で求めてください。
フェノキシドナトリウム0.025 molを含む水溶液に十分な二酸化炭素を通しました。遊離するフェノールと生成する炭酸水素ナトリウムの物質量を、それぞれmolで有効数字2桁で求めてください。
フェノール0.0080 molが十分な臭素水と反応し、2,4,6-トリブロモフェノールを生じました。消費するBr₂と生じる沈殿の物質量を、それぞれmolで有効数字2桁で求めてください。
C₆H₅OHとC₆H₅CH₂OHのうち、フェノール性OHを持つ物質を式で選び、結合先を理由として述べてください。
フェノールとエタノールのどちらか1種が入った無色試料を中性の塩化鉄(III)水溶液で試したところ、変化が見えませんでした。同時に行った既知のフェノールの対照も発色しませんでした。試料をエタノールと確定できるか答え、次に確かめることを1つ述べてください。

解答と考え方

塩は0.0090 mol、未反応フェノールは0.0060 molです。1対1なので不足する塩基の量が生成する塩の量です。0.0090 + 0.0060 = 0.015 molと戻せ、塩基の使用量も与えられた0.0090 molに等しくなります。
フェノールと炭酸水素ナトリウムはいずれも0.025 molです。遊離の式では両者の係数が1です。逆に0.025 molずつの生成にはフェノキシドナトリウム0.025 molが対応し、初めの量に戻ります。
Br₂は0.024 mol、沈殿は0.0080 molです。臭素は3倍、沈殿は1倍です。Br原子について、反応前の0.048 molは沈殿中の0.024 molとHBr中の0.024 molに分かれ、保存します。
C₆H₅OHです。OHの酸素が環の炭素に直接つながっています。C₆H₅CH₂OHでは環とOHの間にCH₂があるため、OHは側鎖の炭素についています。両式の接続をそれぞれたどると区別できます。
確定できません。既知のフェノールも発色していないので、試薬や液性を含む試験条件が成立したとは判断できません。試薬の状態を確認し、条件を整えた上で対照とともに再試験します。対照が正常に発色し、未知試料の結果も得られた場合に、候補を照合します。

量が不足する問題では、最初にどちらが先になくなるかを決めます。遊離の問題では加えた二酸化炭素が十分か、臭素の問題ではBr₂とBr原子のどちらを求めているかを見直します。観察問題では試料そのものの性質と、試験が成立したかどうかを別々に判定します。