ВИЗНАЧЕННЯ
Спирти– сполуки, що містять одну або кілька гідроксильних груп –ОН, пов'язаних із вуглеводневим радикалом.
Загальна формулагомологічного ряду граничних одноатомних спиртів CnH2n+1OH. У назві спиртів є суфікс – ол.
Залежно від числа гідроксильних груп спирти ділять на одно-(CH 3 OH - метанол, C 2 H 5 OH - етанол), двох- (CH 2 (OH)-CH 2 -OH - етиленгліколь) і триатомні (CH 2 (OH )-CH(OH)-CH 2 -OH - гліцерин). Залежно від того, при якому вуглецевому атомі знаходиться гідроксильна група, розрізняють первинні (R-CH 2 -OH), вторинні (R 2 CH-OH) та третинні спирти (R 3 C-OH).
Для граничних одноатомних спиртів характерна ізомерія вуглецевого скелета (починаючи з бутанолу), а також ізомерія положення гідроксильної групи (починаючи з пропанолу) та міжкласова ізомерія з простими ефірами.
СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -ВІН (бутанол - 1)
СН 3 -СН(СН 3)- СН 2 -ОН (2-метилпропанол - 1)
СН 3 -СН(ОН)-СН 2 -СН 3 (бутанол - 2)
СН 3 -СН 2 -О-СН 2 -СН 3 (діетиловий ефір)
Хімічні властивості спиртів
1. Реакція, що протікають із розривом зв'язку О-Н:
— кислотні властивостіспиртів виражені дуже слабко. Спирти реагують з лужними металами
2C 2 H 5 OH + 2K → 2C 2 H 5 OK + H 2
але не реагують із лугами. У присутності води алкоголяти повністю гідролізуються:
C 2 H 5 OK + Н 2 О → C 2 H 5 OH + KOH
Це означає, що спирти – більше слабкі кислотиніж вода
- Освіта складних ефірівпід дією мінеральних та органічних кислот:
CH 3 -CO-OH + H-OCH 3 ↔ CH 3 COOCH 3 + H 2 O
- Окислення спиртів під дією дихромату або перманганату калію до карбонільних сполук. Первинні спирти окислюються в альдегіди, які, своєю чергою, можуть окислюватися в карбонові кислоти.
R-CH 2 -OH + [O] → R-CH = O + [O] → R-COOH
Вторинні спирти окислюються в кетони:
R-CH(OH)-R' + [O] → R-C(R') = O
Третичні спирти стійкіші до окислення.
2. Реакція із розривом зв'язку С-О.
- внутрішньомолекулярна дегідратація з утворенням алкенів (відбувається при сильному нагріванні спиртів з водовіднімними речовинами (концентрована сірчана кислота)):
CH 3 -CH 2 -CH 2 -OH → CH 3 -CH = CH 2 + H 2 O
- міжмолекулярна дегідратація спиртів з утворенням простих ефірів (відбувається при слабкому нагріванні спиртів з водовіднімними речовинами (концентрована сірчана кислота)):
2C 2 H 5 OH → C 2 H 5 -O-C 2 H 5 + H 2 O
- слабкі основні властивості спиртів проявляються у оборотних реакціях з галогеноводородами:
C 2 H 5 OH + HBr →C 2 H 5 Br + H 2 O
Фізичні властивості спиртів
Нижчі спирти (до 15) – рідини, вищі – тверді речовини. Метанол та етанол змішуються з водою у будь-яких співвідношеннях. Зі зростанням молекулярної масирозчинність спиртів в оді падає. Спирти мають високі температурикипіння та плавлення за рахунок утворення водневих зв'язків.
Одержання спиртів
Отримання спиртів можливе за допомогою біотехнологічного (бродіння) способу з деревини або цукру.
До лабораторним способамотримання спиртів відносяться:
- гідратація алкенів (реакція протікає при нагріванні та у присутності концентрованої сірчаної кислоти)
СН 2 = СН 2 + Н 2 О → СН 3 ВІН
- гідроліз алкілгалогенідів під дією водних розчинів лугів
СН 3 Br + NaOH → CH 3 OH + NaBr
СН 3 Br + Н 2 Про → CH 3 OH + HBr
- відновлення карбонільних сполук
CH 3 -CH-O + 2 [H] → CH 3 - CH 2 -OH
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | Масові частки вуглецю, водню та кисню в молекулі граничного одноатомного спирту 51,18, 13,04 та 31, 18%, відповідно. Виведіть формулу спирту. |
| Рішення | Позначимо кількість елементів, що входять до молекули спирту індексами x, y, z. Тоді, формула спирту в загальному виглядібуде виглядати - З x H y O z . Запишемо співвідношення: x:y:z = ω(С)/Ar(C): ω(Н)/Ar(Н) : ω(О)/Ar(О); x: y: z = 51,18/12: 13,04/1: 31,18/16; x: y: z = 4,208: 13,04: 1,949. Розділимо значення, що вийшло, на найменше, тобто. на 1,949. Отримаємо: x: y: z = 2: 6: 1. Отже, формула спирту - 2 H 6 O 1 . Або C 2 H 5 OH – це етанол. |
| Відповідь | Формула граничного одноатомного спирту - C2H5OH. |
Зміст статті
СПИРТИ(алкоголі) – клас органічних сполук, що містять одну або кілька угруповань С-ОН, при цьому гідроксильна група ВІН пов'язана з аліфатичним атомом вуглецю (з'єднання, у яких атом вуглецю в угрупуванні С-ОН входить до складу ароматичного ядра, називаються фенолами)
Класифікація спиртів різноманітна і залежить від того, яку ознаку будови взято за основу.
1. Залежно кількості гідроксильних груп у молекулі спирти ділять на:
а) одноатомні (містять одну гідроксильну ОН-групу), наприклад, метанол СН 3 ОН, етанол С 2 Н 5 ОН, пропанол С 3 Н 7 ОН
б) багатоатомні (дві та більше гідроксильних груп), наприклад, етиленгліколь
HO–СH 2 –CH 2 –OH, гліцерин HO–СH 2 –СН(ОН)–CH 2 –OH, пентаеритрит С(СН 2 ОН) 4 .
З'єднання, в яких один атом вуглецю має дві гідроксильні групи, в більшості випадків нестабільні і легко перетворюються на альдегіди, відщеплюючи при цьому воду: RCH(OH) 2 ® RCH=O + H 2 O
2. За типом атома вуглецю, з яким пов'язана група ВІН, спирти поділяють на:
а) первинні, у яких ОН-група пов'язані з первинним атомом вуглецю. Первинним називають атом вуглецю (виділений червоним кольором), пов'язаний лише з одним вуглецевим атомом. Приклади первинних спиртів – етанол СH 3 – C H 2 -OH, пропанол СH 3 -CH 2 - C H 2 -OH.
б) вторинні, у яких ОН-група пов'язані з вторинним атомом вуглецю. Вторинний атом вуглецю (виділений синім кольором) пов'язаний одночасно з двома атомами вуглецю, наприклад, вторинний пропанол, вторинний бутанол (рис. 1).
Мал. 1. БУДОВА ВТОРИННИХ СПИРТІВ
в) третинні, у яких ОН-група пов'язана з третинним атомом вуглецю. Третичний вуглецевий атом (виділено зеленим кольором) пов'язаний одночасно з трьома сусідніми атомами вуглецю, наприклад, третинний бутанол та пентанол (рис. 2).
Мал. 2. БУДОВА ТРЕТИЧНИХ СПИРТІВ
Відповідно до типу вуглецевого атома приєднану до нього спиртову групу також називають первинною, вторинною або третинною.
У багатоатомних спиртів, що містять дві або більше ОН-груп, можуть бути одночасно одночасно первинні, так і вторинні НО-групи, наприклад, в гліцерині або ксиліті (рис. 3).
Мал. 3. ПОЄДНАННЯ У СТРУКТУРІ БАГАТОАТОМНИХ СПИРТІВ ПЕРВИННИХ І ВТОРИННИХ ВІН-ГРУП.
3. За будовою органічних груп, пов'язаних ОН-групою, спирти поділяють на граничні (метанол, етанол, пропанол), ненасичені, наприклад, аліловий спирт СН 2 =СН–СН 2 –ОН, ароматичні (наприклад, бензиловий спирт С 6 Н 5 СН 2 ОН), що містять у складі групи R ароматичну групу.
Ненасичені спирти, у яких ОН-група «примикає» до подвійного зв'язку, тобто. пов'язана з атомом вуглецю, що бере участь одночасно в утворенні подвійного зв'язку (наприклад, вініловий спирт СН 2 =СН–ОН), вкрай нестабільні і відразу ж ізомеризуються ( см.ІЗОМЕРІЗАЦІЯ) в альдегіди або кетони:
CH 2 =CH-OH ® CH 3 -CH=O
Номенклатура спиртів.
Для поширених спиртів, що мають просту будову, використовують спрощену номенклатуру: назву органічної групи перетворюють на прикметник (за допомогою суфікса та закінчення овий») і додають слово «спирт»:
У тому випадку, коли будова органічної групи складніша, використовують загальні для всієї органічної хіміїправила. Назви, складені за такими правилами, називають систематичними. Відповідно до цих правил, вуглеводневий ланцюг нумерують з того кінця, до якого ближче розташована ОН-група. Далі використовують цю нумерацію, щоб вказати положення різних заступників уздовж основного ланцюга, наприкінці назви додають суфікс «ол» і цифру, що вказує положення ОН-групи (рис. 4):
Мал. 4. СИСТЕМАТИЧНІ НАЗВИ СПИРТІВ. Функціональні (ОН) і заміщаючі (СН 3) групи, а також відповідні їм цифрові індекси виділені кольорами, що розрізняються.
Систематичні назви найпростіших спиртів становлять за тими самими правилами: метанол, етанол, бутанол. Для деяких спиртів збереглися тривіальні (спрощені) назви, що склалися історично: пропаргіловий спирт НСє С–СН 2 –ОН, гліцерин HO–СH 2 –СН(ОН)–CH 2 –OH, пентаеритрит С(СН 2 ОН) 4 , фенетиловий спирт 6 Н 5 -CH 2 -CH 2 -OH.
Фізичні властивості спиртів.
Спирти розчиняються в більшості органічних розчинників, перші три найпростіші представники - метанол, етанол і пропанол, а також третинний бутанол (Н 3 С) 3 СОН - змішуються з водою в будь-яких співвідношеннях. При збільшенні кількості атомів С в органічній групі починає позначатися гідрофобний (водовідштовхувальний) ефект, розчинність у воді стає обмеженою, а при R, що містить понад 9 атомів вуглецю, практично зникає.
Завдяки наявності ОН-груп між молекулами спиртів виникають водневі зв'язки.
Мал. 5. Водневі зв'язки в спіртах(показані пунктиром)
В результаті у всіх спиртів вища температура кипіння, ніж у відповідних вуглеводнів, наприклад, Т. кип. етанолу +78 ° С, а Т. кіп. етану -88,63 ° С; Т. кіп. бутанолу та бутану відповідно +117,4°С та –0,5°С.
Хімічні характеристики спиртів.
Спирти відрізняються різноманітними перетвореннями. Реакції спиртів мають деякі загальні закономірності: реакційна здатністьпервинних одноатомних спиртів вище, ніж вторинних, своєю чергою, вторинні спирти хімічно активніші, ніж третинні. Для двоатомних спиртів, у тому випадку, коли ОН-групи знаходяться у сусідніх атомів вуглецю, спостерігається підвищена (порівняно з одноатомними спиртами) реакційна здатність через взаємний вплив цих груп. Для спиртів можливі реакції, що проходять із розривом як С–О, так і О–Н – зв'язків.
1. Реакції, що протікають по зв'язку О-Н.
При взаємодії з активними металами(Na, K, Mg, Al) спирти виявляють властивості слабких кислот і утворюють солі, які називаються алкоголятами або алкоксидами:
2CH 3 OH + 2Na ® 2CH 3 OK + H 2
Алкоголяти хімічно не стабільні і при дії води гідролізуються з утворенням спирту та гідроксиду металу:
C 2 H 5 OК + H 2 O ® C 2 H 5 OH + КOH
Ця реакція показує, що спирти в порівнянні з водою є більш слабкими кислотами ( сильна кислотавитісняє слабку), крім того, при взаємодії з розчинами лугів спирти не утворюють алкоголяти. Тим не менш, у багатоатомних спиртах (у тому випадку, коли ОН-групи приєднані до сусідніх атомів С) кислотність спиртових груп набагато вища, і вони можуть утворювати алкоголяти не тільки при взаємодії з металами, але й з лугами:
HO–CH 2 –CH 2 –OH + 2NaOH ® NaO–CH 2 –CH 2 –ONa + 2H 2 O
Коли в багатоатомних спиртах АЛЕ-групи приєднані до несумісних атомів С, властивості спиртів близькі до одноатомних, оскільки взаємовплив АЛЕ-груп не виявляється.
При взаємодії з мінеральними або органічними кислотамиспирти утворюють складні ефіри - сполуки, що містять фрагмент R-O-A (А - залишок кислоти). Утворення складних ефірів відбувається і при взаємодії спиртів з ангідридами та хлорангідридами карбонових кислот (рис. 6).
При дії окислювачів (К 2 Cr 2 O 7 KMnO 4) первинні спирти утворюють альдегіди, а вторинні - кетони (рис.7)
Мал. 7. ОСВІТА АЛЬДЕГІДІВ І КЕТОНІВ ПРИ ОКИСЛЕННІ СПИРТІВ
Відновлення спиртів призводить до утворення вуглеводнів, що містять ту саму кількість атомів, що молекула вихідного спирту (рис.8).
Мал. 8. ВІДНОВЛЕННЯ БУТАНОЛУ
2. Реакції, які відбуваються у зв'язку С–О.
У присутності каталізаторів чи сильних мінеральних кислотвідбувається дегідратація спиртів (відщеплення води), при цьому реакція може йти у двох напрямках:
а) міжмолекулярна дегідратація за участю двох молекул спирту, при цьому зв'язки С–О в одній із молекул розриваються, у результаті утворюються прості ефіри – сполуки, що містять фрагмент R–О–R (рис. 9А).
б) при внутрішньомолекулярній дегідратації утворюються алкени - вуглеводні з подвійним зв'язком. Часто обидва процеси – утворення простого ефіру та алкену – протікають паралельно (рис. 9Б).
У разі вторинних спиртів при утворенні алкену можливі два напрями реакції (рис. 9В), переважний напрямок те, при якому в процесі конденсації відщеплюється водень від найменш гідрогенізованого атома вуглецю (відзначений цифрою 3), тобто. оточеного меншою кількістю атомів водню (порівняно з атомом 1). Показані на рис. 10 реакції використовують для отримання алкенів та простих ефірів.
Розрив зв'язку С–О у спиртах відбувається також при заміщенні ОН-групи галогеном, або аміногрупою (рис. 10).
Мал. 10. ЗАМІНА ВІН-ГРУПИ У СПИРТАХ ГАЛОГЕНОМ ЧИ АМІНОГРУПОЮ
Реакції, показані на рис. 10 використовують для отримання галогенвуглеводнів і амінів.
Одержання спиртів.
Деякі з наведених вище реакцій (рис. 6,9,10) оборотні і при зміні умов можуть протікати в протилежному напрямку, Приводячи до отримання спиртів, наприклад при гідролізі складних ефірів і галогенвуглеводнів (рис.11А і Б, відповідно), а також гідратацією алкенів - приєднанням води (рис.11В).
Мал. 11. ОТРИМАННЯ СПИРТІВ ГІДРОЛІЗОМ І ГІДРАТАЦІЄЮ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК
Реакція гідролізу алкенів (рис. 11, схема) лежить в основі промислового виробництванижчих спиртів, що містять до 4 атомів.
Етанол утворюється і за так званого спиртовому бродінніцукрів, наприклад, глюкози З 6 Н 12 Про 6 . Процес протікає в присутності дріжджових грибків і призводить до утворення етанолу та СО 2:
З 6 Н 12 Про 6 ® 2С 2 Н 5 ВІН + 2СО 2
Бродінням можна отримати не більше ніж 15% водний розчин спирту, оскільки при вищій концентрації спирту дріжджові грибки гинуть. Розчини спирту більш високої концентрації одержують перегонкою.
Метанол отримують у промисловості відновленням монооксиду вуглецю при 400° З під тиском 20–30 МПа у присутності каталізатора, що складається з оксидів міді, хрому та алюмінію:
СО + 2 Н 2 ® Н 3 СОН
Якщо замість гідролізу алкенів (рис. 11) проводити окислення, то утворюються двоатомні спирти (рис. 12)
Мал. 12. ОТРИМАННЯ ДВОХАТОМНИХ СПИРТІВ
Застосування спиртів.
Здатність спиртів брати участь у різноманітних хімічних реакціяхдозволяє їх використовувати для отримання всіляких органічних сполук: альдегідів, кетонів, карбонових кислотпростих і складних ефірів, що застосовуються як органічні розчинники, при виробництві полімерів, барвників та лікарських препаратів.
Метанол СН 3 ВІН використовують як розчинник, а також у виробництві формальдегіду, що застосовується для отримання фенолформальдегідних смол, останнім часомметанол розглядають як перспективне паливо моторне. Великі обсяги метанолу використовують при видобутку та транспорті природного газу. Метанол – найбільш токсична сполука серед усіх спиртів, смертельна дозапри вживанні – 100 мл.
Етанол З 2 Н 5 ВІН – вихідна сполука для отримання ацетальдегіду, оцтової кислоти, а також для виробництва складних ефірів карбонових кислот, що використовуються як розчинники. Крім того, етанол – основний компонент усіх спиртних напоїв, його широко застосовують і в медицині як дезінфікуючий засіб.
Бутанол використовують як розчинник жирів і смол, крім того, він служить сировиною для отримання запашних речовин (бутилацетату, бутилсаліцилат та ін). У шампунях він використовується як компонент, що підвищує прозорість розчинів.
Бензиловий спирт З 6 Н 5 -CH 2 -OH у вільному стані (і у вигляді складних ефірів) міститься в ефірних оліяхжасмину та гіацинту. Він має антисептичні (знезаражуючі) властивості, в косметиці він використовується як консервант кремів, лосьйонів, зубних еліксирів, а в парфумерії - як запашна речовина.
Фенетиловий спирт З 6 Н 5 -CH 2 -CH 2 -OH має запах троянди, міститься в рожевому маслі, його використовують у парфумерії.
Етиленгліколь HOCH 2 -CH 2 OH використовують у виробництві пластмас і як антифриз (добавка, що знижує температуру замерзання водних розчинів), крім того, при виготовленні текстильних та друкарських фарб.
Діетиленгліколь HOCH 2 –CH 2 OCH 2 –CH 2 OH використовують для заповнення гальмівних гідравлічних пристроїв, а також у текстильній промисловості при обробці та фарбуванні тканин.
Гліцерин HOCH 2-CH(OH)-CH 2 OH застосовують для отримання поліефірних гліфталевих смол, крім того, він є компонентом багатьох косметичних препаратів. Нітрогліцерин (рис. 6) – основний компонент динаміту, що застосовується в гірській справі та залізничному будівництві як вибухова речовина.
Пентаеритрит (HOCH 2) 4 С застосовують для отримання поліефірів (пентафталеві смоли), як затверджувача синтетичних смол, як пластифікатор полівінілхлориду, а також у виробництві вибухової речовини тетранітропентаеритриту.
Багатоатомні спирти ксиліт НОСН2–(СНОH)3–CН2ОН та сорбіт НОСН2– (СНОН)4–СН2OН мають солодкий смак, їх використовують замість цукру у виробництві кондитерських виробів для хворих на діабет та людей, які страждають від ожиріння. Сорбіт міститься в ягодах горобини та вишні.
Михайло Левицький
Спирти – різноманітний та великий клас хімічних сполук.
Спирти – це хімічні сполукимолекули яких містяться гідроксильні групи ВІН, з'єднані з вуглеводневим радикалом
Вуглеводневий радикал складається з атомів вуглецю та водню. Приклади вуглеводневих радикалів СН 3 - метил, 2 Н 5 - етил. Часто вуглеводневий радикал позначають просто буквою R. Але якщо у формулі є різні радикали, їх позначають R", R", R""" і т.д.
Назви спиртів утворюються шляхом додавання суфікса-ол до назви відповідного вуглеводню.
Класифікація спиртів
Спирти бувають одноатомні та багатоатомні. Якщо в молекулі спирту лише одна гідроксильна група, такий спирт називається одноатомним. Якщо кількість гідроксильних груп 2, 3, 4 і т.д., це багатоатомний спирт.
Приклади одноатомних спиртів: СН 3 -ВІН - метанол або метиловий спирт, СН 3 СН 2 -ВІН - етанол або етиловий спирт.
Відповідно, у молекулі двоатомного спиртуприсутні дві гідроксильні групи, в молекулі тритомного – три тощо.
Одноатомні спирти
Загальну формулу одноатомних спиртів можна як R-OH.
За типом вільного радикала, що входить у молекулу, одноатомні спиртиділяться на граничні (насичені), ненасичені (ненасичені) та ароматичні спирти.
У насичених вуглеводневих радикалах атоми вуглецю з'єднані простими зв'язкамиС – С. У ненасичених радикалах є одна або кілька пар атомів вуглецю, з'єднаних подвійними С = С або потрійними С ≡ З зв'язками.
До складу граничних спиртів входять граничні радикали.
CH 3 CH 2 CH 2 -OH - граничний спирт пропанол-1 або пропіленовий спирт.
Відповідно, ненасичені спирти містять ненасичені радикали.
CH 2 = CH - CH 2 - OH - Ненасичений спирт пропенол 2-1 (аліловий спирт)
А в молекулу ароматичних спиртів входить бензольне кільце C6H5.
C 6 H 5 -CH 2 -OH – ароматичний спирт фенілметанол (бензиловий спирт).
Залежно від типу атома вуглецю, пов'язаного з гідроксильною групою, спирти діляться на первинні ((R-CH 2 -OH), вторинні (R-CHOH-R") і третинні (RR"R""C-OH) спирти.
Хімічні властивості одноатомних спиртів
1. Спирти горять, утворюючи вуглекислий газта воду. При горінні виділяється тепло.
C 2 H 5 OH + 3O 2 → 2CO 2 + 3H 2 O
2. При реакції спиртів із лужними металами утворюється алкоголят натрію та виділяється водень.
C 2 H 5 -OH + 2Na → 2C 2 H 5 ONa + H 2
3. Реакція з галогеноводородом. В результаті реакції утворюється галогеноалкан (брометан та вода).
C 2 H 5 OH + HBr → C 2 H 5 Br + H 2 O
4. Внутрішньомолекулярна дегідратація відбувається при нагріванні та під впливом концентрованої сірчаної кислоти. В результаті виходить ненасичений вуглеводень і вода.
Н 3 - СН 2 - ВІН → СН 2 = СН 2 + Н 2 О
5. Окислення спиртів. За нормальної температури спирти не окислюються. Але за допомогою каталізаторів та при нагріванні окислення відбувається.
Багатоатомні спирти
Як речовини, що містять гідроксильні групи, багатоатомні спирти мають хімічні властивості, схожі з властивостями одноатомних спиртів, але реакція вони йде відразу по кількох гидроксильным групам.
Багатоатомні спирти вступають у реакцію з активними металами, галогеноводородними кислотами, з азотною кислотою.
Одержання спиртів
Розглянемо способи отримання спиртів на прикладі етанолу, формула якого 2 Н 5 ОН.
Найбільш старий з них - відгін спирту з вина, де він утворюється в результаті бродіння цукристих речовин. Сировиною для отримання етилового спиртуслужать також крохмалевмісні продукти, які за допомогою процесу бродіння перетворюють на цукор, який потім зброджують у спирт. Але виробництво етилового спирту у такий спосіб вимагає великої витрати харчової сировини.
Набагато досконаліший синтетичний спосіб одержання етилового спирту. У цьому випадку проводять гідратацію етилену водяною парою.
С 2 Н 4 + Н 2 О → С 2 Н 5 ВІН
Серед багатоатомних спиртів найбільш відомий гліцерин, який одержують розщепленням жирів або синтетичним способом із пропілену, який утворюється при високотемпературній переробці нафти.
ВИЗНАЧЕННЯ
Граничні одноатомні спиртиможна розглядати як похідні вуглеводнів ряду метану, у молекулах яких один атом водню заміщений на гідроксильну групу.
Отже, граничні одноатомні спирти складаються з вуглеводневого радикалу та функціональної групи -OH. У назви спиртів гідроксильна група позначається суфіксом -ол.
Загальна формула граничних одноатомних спиртів C n H 2 n +1 OH або R-OH або C n H 2 n +2 O. Молекулярна формула спирту не відображає будови молекули, оскільки одній і тій же брутто-формулі можуть відповідати два абсолютно різних речовиннаприклад, молекулярна формула C 2 H 5 OH є загальною і для етилового спирту і для ацетону (диметилкетону):
CH 3 -CH 2 -OH (етанол);
CH 3 -O-CH 3 (ацетон).
Як і вуглеводні ряду метану граничні одноатомні спирти утворюють гомологічний рядметанолу.
Складемо цей ряд гомологів та розглянемо закономірності зміни фізичних властивостей сполук цього ряду залежно від збільшення вуглеводневого радикалу (табл. 1).
Гомологічний ряд (неповний) граничних одноатомних спиртів
Таблиця 1. Гомологічний ряд (неповний) граничних одноатомних спиртів.
Граничні одноатомні спирти легші за воду, оскільки їх щільність менше одиниці. Нижчі спирти поєднуються з водою в усіх відношеннях, зі збільшенням вуглеводневого радикалу ця здатність зменшується. Більшість спиртів добре розчиняються в органічних розчинниках. Спирти мають вищі температури кипіння і плавлення, ніж відповідні вуглеводні або галогенпохідні, що обумовлено можливістю утворення ними міжмолекулярних зв'язків.
Найважливішими представниками граничних одноатомних спиртів є метанол (CH 3 OH) та етанол (C 2 H 5 OH).
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | У натуральних перлях масові відносини кальцію, вуглецю та кисню дорівнюють 10:3:12. Яка найпростіша формулаперли? |
| Рішення | Для того, щоб дізнатися, в яких стосунках перебувають хімічні елементиу складі молекули необхідно визначити їх кількість речовини. Відомо, що для знаходження кількості речовини слід використовувати формулу: Знайдемо молярні масикальцію, вуглецю та кисню (значення відносних атомних мас, взятих з Періодичної таблиціД.І. Менделєєва, округлим до цілих чисел). Відомо, що M = Mr означає M(Ca)= 40 г/моль, Ar(C)=12 г/моль, а М(O) = 32 г/моль. Тоді, кількість речовини цих елементів дорівнює: n(Ca) = m(Ca)/M(Ca); n(Ca) = 10/40 = 0,25моль. n(C) = m(C)/M(C); n(C) = 3/12 = 0,25 моль. n(O) = m(O)/M(O); n(O) = 12/16 = 0,75 моль. Знайдемо молярне ставлення: n(Ca) :n(C):n(O) = 0,25: 0,25: 0,75= 1: 1: 3, тобто. Формула сполуки перлів має вигляд CaCO 3 . |
| Відповідь | CaCO 3 |
ПРИКЛАД 2
| Завдання | Оксид азоту містить 63,2% кисню. Яка формула оксиду |
| Рішення | Масова частка елемента Х у молекулі складу НХ розраховується за наступною формулою:
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Обчислимо масову часткуазоту в оксиді: ω(N) = 100% - ω(O) = 100% - 63,2% = 36,8%. Позначимо кількість моль елементів, що входять до складу з'єднання за «х» (азот) та «у» (кисень). Тоді, мольне ставлення виглядатиме в такий спосіб(Значення відносних атомних мас, взятих з Періодичної таблиці Д.І. Менделєєва, округлим до цілих чисел): x:y = ω(N)/Ar(N) : ω(O)/Ar(O); x: y = 36,8/14: 63,2/16; x: y = 2,6: 3,95 = 1: 2. Значить формула сполуки азоту та кисню матиме вигляд NO 2 . Це оксид азоту (ІV). |
| Відповідь | NO 2 |
Етиловий спирт чи винний є широко поширеним представником спиртів. Відомо багато речовин, до складу яких поряд з вуглецем та воднем входить кисень. Серед кисневмісних сполукмені цікавий насамперед клас спиртів.
Етиловий спирт
Фізичні властивості спирту . Етиловий спирт С 2 Н 6 О - безбарвна рідина зі своєрідним запахом, легша за воду (питома вага 0,8), кипить при температурі 78°,3, добре розчиняє багато неорганічних і органічні речовини. Спирт «ректифікат» містить 96% етилового спирту та 4% води.
Будова молекули спирту .Відповідно до валентності елементів, формулі С 2 Н 6 Про відповідають дві структури:
Щоб вирішити питання, яка з формул відповідає спирту насправді, звернемося до досвіду.
Помістимо в пробірку зі спиртом шматочок натрію. Відразу розпочнеться реакція, що супроводжується виділенням газу. Неважко встановити, що це газ - водень.
Тепер поставимо досвід так, щоб можна було визначити скільки атомів водню виділяється при реакції з кожної молекули спирту. Для цього в колбу з дрібними шматочками натрію (рис. 1) додамо по краплях з вирви певну кількість спирту, наприклад, 0,1 г-молекули (4,6 г). Водень, що виділяється зі спирту, витісняє воду з двогорлої склянки в вимірювальний циліндр. Об'єм витісненої води в циліндрі відповідає обсягу водню, що виділився.
Рис.1. Кількісний досвід одержання водню з етилового спирту.
Так як для досвіду була взята 0,1 г молекули спирту, то водню вдається отримати (у перерахунку на нормальні умови) близько 1,12 літри.Це означає, що з грам молекули спирту натрій витісняє 11,2 літра, тобто. половину грам-молекули, інакше кажучи 1 грам-атом водню. Отже, із кожної молекули спирту натрієм витісняється лише один атом водню.
Очевидно, у молекулі спирту цей атом водню перебуває у особливому становищі проти іншими п'ятьма атомами водню. Формула (1) не дає такого пояснення. Відповідно до неї, всі атоми водню однаково пов'язані з атомами вуглецю і, як відомо, не витісняються металевим натрієм (натрій зберігають у суміші вуглеводнів - у гасі). Навпаки, формула (2) відбиває наявність одного атома, що у особливому становищі: він з'єднаний з вуглецем через атом кисню. Можна зробити висновок, що саме цей атом водню пов'язаний з атомом кисню менш міцно; він виявляється рухливішим і витісняється натрієм. Отже, структурна формулаетилового спирту:
Незважаючи на велику рухливість атома водню гідроксильної групи в порівнянні з іншими атомами водню, етиловий спирт не є електролітом і водному розчиніне дисоціює на іони.
Щоб підкреслити, що в молекулі спирту міститься гідроксильна група - ВІН, сполучена з вуглеводневим радикалом, молекулярну формулуетилового спирту пишуть так:
Хімічні властивості спирту . Вище ми бачили, що етиловий спирт реагує із натрієм. Знаючи будову спирту, ми можемо цю реакцію виразити рівнянням:
Продукт заміщення водню в спирті натрієм зветься етилату натрію. Він може бути виділений після реакції (шляхом випаровування надлишку спирту) у вигляді твердої речовини.
При підпалюванні на повітрі спирт горить синюватим, ледь помітним полум'ям, виділяючи багато тепла:
Якщо в колбі з холодильником нагрівати етиловий спирт з галогеноводородной кислотою, наприклад з НВг (або сумішшю NаВг і Н 2 SО 4 , що дає при реакції бромистий водень), то відганятиметься масляниста рідина - бромистий етил З 2 Н 5 Вг:
Ця реакція підтверджує наявність гідроксильної групи у молекулі спирту.
При нагріванні з концентрованою сірчаною кислотою як каталізатор спирт легко дегідратується, тобто відщеплює воду (приставка де вказує на відділення чого-небудь):
Ця реакція використовується для одержання етилену у лабораторії. При більш слабкому нагріванні спирту із сірчаною кислотою (не вище 140°) кожна молекула води відщеплюється від двох молекул спирту, внаслідок чого утворюється діетиловий ефір - летюча легкозаймиста рідина:
Діетиловий ефір (іноді званий сірчаним ефіром) застосовується як розчинник (чистка тканин) і в медицині для наркозу. Він належить до класу простих ефірів - органічних речовин, молекули яких складаються з двох вуглеводневих радикалів, з'єднаних за допомогою атома кисню: R - Про - R1
Застосування етилового спирту . Етиловий спирт має велике практичне значення. Багато етилового спирту витрачається отримання синтетичного каучукуза способом академіка С. В. Лебедєва. Пропускаючи пари етилового спирту через спеціальний каталізатор, отримують дивініл:
який потім може полімеризуватися в каучук.
Спирт йде на вироблення барвників, діетилового ефіру, різних «фруктових есенцій» та інших органічних речовин. Спирт як розчинник застосовується виготовлення парфумерних продуктів, багатьох ліків. Розчиняючи у спирті смоли, готують різні лаки. Висока теплотворна здатністьспирту обумовлює застосування його як пального (автомобільного палива = етанолу).
Одержання етилового спирту . Світове виробництвоспирту вимірюється мільйонами тонн на рік.
Поширеним способом одержання спирту є бродіння цукристих речовин у присутності дріжджів. У цих нижчих рослинних організмах(Грибки) виробляються спеціальні речовини - ферменти, які служать біологічними каталізаторами реакції бродіння.
Як вихідні матеріали у виробництві спирту беруть насіння злаків або бульби картоплі, багаті крохмалем. Крохмаль за допомогою солоду, що містить фермент діастаз, спочатку перетворюють на цукор, який потім зброджують на спирт.
Вчені багато працювали над тим, щоб замінити харчову сировину для отримання спирту дешевшою нехарчовою сировиною. Ці пошуки мали успіх.
Останнім часом у зв'язку з тим, що при крекінгу нафти утворюється багато етилену, стали
Реакція гідратації етилену (у присутності сірчаної кислоти) була вивчена ще А. М. Бутлеровим та В. Горяїновим (1873), який передбачив і її промислове значення. Розроблено та впроваджено в промисловість також метод прямої гідратації етилену пропусканням його в суміші з парами води над твердими каталізаторами. Одержання спирту з етилену дуже економічно, оскільки етилен входить до складу газів крекінгу нафти та інших промислових газів і, отже, є широкодоступною сировиною.
Інший спосіб заснований на використанні як вихідний продукт ацетилену. Ацетилен піддається гідратації реакції Кучерова, а утворений оцтовий альдегід каталітично відновлюють воднем у присутності нікелю в етиловий спирт. Весь процес гідратації ацетилену з подальшим відновленням воднем на нікелевому каталізаторі етиловий спирт може бути представлений схемою.
Гомологічний ряд спиртів
Крім етилового спирту, відомі й інші спирти, подібні до нього за будовою та властивостями. Усі вони можуть розглядатися як похідні відповідних граничних вуглеводнів, у молекулах яких один атом водню замінений гідроксильною групою:
Таблиця
|
Вуглеводні |
Спирти |
Температура кипіння спиртів у ºС |
| Метан СН 4 | Метиловий СН 3 ВІН | 64,7 |
| Етан З 2 Н 6 | Етиловий З 2 Н 5 ВІН абоСН 3 - СН 2 - ВІН | 78,3 |
| Пропан З 3 Н 8 | Пропіловий З 4 Н 7 ВІН або СН 3 - СН 2 - СН 2 - ВІН | 97,8 |
| Бутан З 4 Н 10 | Бутиловий З 4 Н 9 ВІН абоСН 3 - СН 2 - СН 2 - ВІН | 117 |
Будучи подібні за хімічними властивостями і відрізняючись один від одного за складом молекул на групу атомів СН 2 ці спирти складають гомологічний ряд. Порівнюючи фізичні властивостіспиртів, ми в цьому ряду, так само як і в ряді вуглеводнів, спостерігаємо перехід кількісних змінзміни якісні. Загальна формула спиртів даного ряду R - ВІН (де R - вуглеводневий радикал).
Відомі спирти, молекули яких входить кілька гідроксильних груп, наприклад:
Групи атомів, що зумовлюють характерні хімічні властивості сполук, тобто їх хімічну функцію, називаються функціональними групами.
Спиртами називаються органічні речовини, молекули яких містять одну або кілька функціональних гідроксильних груп, з'єднаних із вуглеводневим радикалом .
За своїм складом спирти відрізняються від вуглеводнів, відповідних їм за кількістю вуглецевих атомів, наявністю кисню (наприклад, 2Н6 і 2Н6О або 2Н5ОН). Тому спирти можна як продукти часткового окислення вуглеводнів.
Генетичний зв'язок між вуглеводнями та спиртами
Здійснити безпосереднє окислення вуглеводню в спирт досить складно. Практично простіше це зробити через галогенопохідне вуглеводню. Наприклад, щоб отримати етиловий спирт, виходячи з етану С 2 Н 6 можна спочатку отримати бромистий етил по реакції:
а потім бромистий етил перетворити на спирт нагріванням з водою в присутності луги:
Луг при цьому потрібна, щоб нейтралізувати бромистий водень, що утворюється, і усунути можливість реакції його зі спиртом, тобто. зрушити цю оборотну реакціюправоруч.
Подібним чином метиловий спирт може бути отриманий за схемою:
Таким чином, вуглеводні, їх галогенопохідні та спирти знаходяться між собою в генетичного зв'язку(Звязки за походженням).