Спирты
Одна группа OH меняет всё: одноатомные и многоатомные спирты, водород с натрием, дегидратация по температуре и ярко-синяя проба глицерина — с квизом и тренажёром.
В аптеке антисептик — этанол, в зимнем стеклоомывателе — изопропанол, в креме на полке — глицерин. Три жидкости с одним общим признаком: группа OH, прицепленная к углеродной цепи. Этанол кипит при 78,4 °C — заметно выше, чем пропан с похожей по массе молекулой, который при такой температуре давно газ: за это отвечает водородная связь через гидроксогруппу. Спирты — первый класс, где одна маленькая группа перестраивает характер целого вещества.
Одна группа OH и её последствия
Спирты — производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксогруппу OH. Одна группа — одноатомные спирты: метанол CH3OH и этанол C2H5OH, ближайшие гомологи. Две и больше — многоатомные: этиленгликоль несёт две группы OH, глицерин — три. Чем больше групп, тем крепче молекулы держатся друг за друга водородными связями: глицерин густой и почти нелетучий, а этиленгликоль замерзает далеко за минус тридцать — поэтому он основа антифризов. Небольшие спирты смешиваются с водой в любых пропорциях. У этанола есть изомер — диметиловый эфир: та же формула C2H6O, но группы OH у эфира нет, и характер вещества совсем другой.
Метанол и этанол: похожие братья, разная цена
Метанол CH3OH — ближайший гомолог этанола: на один атом CH2 короче, а на вкус и запах не различит даже специалист. Организм, однако, различает их быстро: метанол превращается в формальдегид и муравьиную кислоту, которые поражают зрительный нерв, — считаные десятки миллилитров стоят зрения, большие дозы убивают. Этанол окисляется печенью до уксусного альдегида и дальше до уксусной кислоты, но остаётся ядом при избытке. Отсюда железное правило техники безопасности: технические жидкости и спирты без маркировки не пробуют никогда — стеклоомыватель на метаноле выглядит как питьевой. В лаборатории их различают продуктами окисления: метанол даёт формальдегид, этанол — уксусный альдегид. Получают метанол промышленно из синтез-газа, смеси CO и водорода, над оксидными катализаторами при температуре около 250 °C и высоком давлении.
- Метанол: растворитель и техническое сырьё, сильный яд — слепота и смерть.
- Этанол: антисептик и растворитель лекарств, сырьё для эфиров и синтеза.
- Изопропанол: стеклоомыватели и дезинфекция, тоже не для питья.
- Неизвестную жидкость не пробуют и не нюхают — опознают пробами и маркировкой.
Гомологический ряд одноатомных спиртов короток и обозрим: метанол, этанол, пропанолы и бутанолы. Каждое звено CH2 в цепи поднимает температуру кипения на полтора-два десятка градусов: метанол кипит при 64,7 °C, этанол при 78,4 °C, пропанол-1 при 97 °C, бутанол-1 при 117 °C. Лестница ровная, потому что с ростом цепи растёт часть молекулы, которая держится только слабыми межмолекулярными силами, а водородные связи групп OH остаются прежними. Начиная с пропанола появляется изомерия положения группы: пропанол-1 и пропанол-2 различаются тем, к какому атому цепи прицеплена OH, и это разные вещества с разными температурами кипения — номер в названии пиши всегда.
Химия спиртов: натрий, температура, кислоты
Гидроксогруппа только выглядит пассивной, но активный водород в ней настоящий: натрий выталкивает его в газ. 2C2H5OH + 2Na → 2C2H5ONa + H2 — так получают этилат натрия, а водород считают по числу групп OH. При окислении этанол превращается в уксусный альдегид, а дальше — в уксусную кислоту. Дегидратация чувствительна к температуре: при 180 °C этанол отдаёт воду и даёт этилен, а при 140 °C две молекулы сшиваются в простой эфир. С карбоновыми кислотами спирты идут на сложные эфиры — реакция этерификации обратима, её равновесие двигают избытком кислоты. Получают этанол гидратацией этилена и брожением глюкозы: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2, а метанол — из синтез-газа: CO + 2H2 → CH3OH.
| Спирт | Групп OH | Где работает |
|---|---|---|
| Метанол | 1 | технический растворитель — пить нельзя |
| Этанол | 1 | антисептик, растворитель лекарств |
| Пропанол-2 | 1 | изопропиловый спирт, стеклоомывайки |
| Этиленгликоль | 2 | антифриз и тосол, ядовит при питье |
| Глицерин | 3 | косметика, фарма, увлажнители |
Многоатомные спирты: гликоль и глицерин
Одна группа OH делает молекулу спиртом, две или три — меняют вещество целиком. Этиленгликоль с двумя группами OH получают из этилена: окисляют до этиленоксида и гидролизуют водой. Водородные связи сшивают молекулы в вязкую сладковатую жидкость — и сладость обманчива: этиленгликоль ядовит, пить его нельзя ни при какой жажде, а хранят его только в маркированной таре. Зато замерзает он лишь около минус сорока, и водные растворы не кристаллизуются на морозе — отсюда роль основы антифризов и тосола. Глицерин с тремя группами OH ещё гуще и гигроскопичнее: он тянет влагу из воздуха, поэтому работает в кремах, мазях и сиропах от кашля, а в пище значится как добавка E422. В производстве глицерин выделяют гидролизом жиров — он одновременно сырьё для нитроглицерина и спутник мыловарения. Качественная проба у класса общая: свежеосаждённый голубой гидроксид меди(II) при добавлении многоатомного спирта растворяется, и раствор вспыхивает ярко-синим цветом глицерата меди.
При 180 °C этанол отщепляет воду и превращается в , а при 140 °C межмолекулярная дегидратация даёт . Свежеосаждённый гидроксид меди с глицерином даёт раствор.
Банк слов
Окисление: спирт становится альдегидом
Гидроксогруппа — ворота для окисления. Пропусти пары этанола над нагретым оксидом меди(II): чёрный порошок краснеет до металлической меди, а этанол отдаёт два атома водорода и превращается в уксусный альдегид — этаналь. Дальше цепочка продолжается: этаналь окисляется до уксусной кислоты, и маршрут спирт — альдегид — кислота становится главной лестницей кислородсодержащей органики. Организм идёт тем же путём: печень окисляет этанол сначала до этаналя, и именно альдегидная ступень виновата в плохом самочувствии после излишков. Первичные спирты дают альдегиды и кислоты, вторичные — кетоны, метанол окисляется до формальдегида. На каждой ступени молекула теряет водород и обзаводится связью с кислородом.
Откуда берут этанол: два маршрута
Первый маршрут старше письменности — спиртовое брожение: дрожжи перерабатывают глюкозу винограда или зерна в этанол и углекислый газ, получая из реакции энергию для себя. Один моль глюкозы даёт два моля спирта и два моля CO2 — этой реакцией сделано всё вино и пиво человечества. Второй маршрут — промышленная гидратация этилена: газ из крекинга присоединяет воду над кислотным катализатором, реакция идёт непрерывно и в огромных масштабах. Пропен при этом даёт пропанол-2 — тот самый изопропиловый спирт стеклоомывателей. Пищевое производство ценит брожение, химический синтез — гидратацию: в итоге оба маршрута сходятся в одной бочке технического этанола.
Разбор типовой задачи
- У глицерина три группы OH, и каждая отдаёт натрию по атому водорода — пишем уравнение.
- По коэффициентам уравнения на каждые 2 моль глицерина приходится 3 моль водорода.
- Подставляем наше количество: 3 моль глицерина умножаем на полтора.
- Переводим количество в массу: молярная масса водорода равна 2 г/моль.
- Ответ: 9 граммов водорода. Избыток натрия расчёту не мешает — считаем по глицерину.
Словарь урока
- Спирты#
- органические вещества, в которых гидроксогруппа OH сидит на атоме углерода.
- Гидроксогруппа#
- группа OH: источник водородных связей и активного водорода.
- Этилат натрия#
- алкоголят — соль, образуется при реакции этанола с натрием.
- Этерификация#
- обратимая реакция спирта с кислотой: сложный эфир плюс вода.
- Дегидратация#
- отщепление воды: при 140 °C даёт простой эфир, при 180 °C — алкен.
- Глицерат меди(II)#
- ярко-синий комплекс многоатомного спирта с Cu(OH)2 — качественная проба.
Спирты — стартовая площадка кислородсодержащей органики: окислил этанол — получил альдегид, окислил дальше — кислоту, соединил кислоту со спиртом — эфир с фруктовым запахом. В быту выбирай жидкости по этикетке: антисептик — этанол или изопропанол, антифриз — этиленгликоль, и всё это не для питья. Закрепи класс на квизе, а в тренажёре посчитай водород и натрий — числа там дружелюбные.
Проверь себя
Клавиши 1–9 выбирают вариант, Enter — «Проверить»
1 Какая функциональная группа определяет спирты?
2 2C2H5OH + 2Na → 2C2H5ONa + H2. Сколько моль водорода выделится при реакции 4 моль этанола с избытком натрия?
3 Верно ли: метанол безопаснее этанола, потому что его молекула меньше?
4 Какие вещества — многоатомные спирты?
5 Сопоставь процесс и результат.
Нажми на элемент слева, затем на его пару справа. Повторное нажатие отменяет связь.
6 Расставь спирты по росту числа групп OH.
7 Дополни.
Выбери подходящее слово в каждом пропуске.
Глицерин с гидроксидом меди(II) даёт окрашивание, а этанол с натрием выделяет .
Было понятно? Скажи — так мы видим, какие темы переписать.
Частые вопросы
Чем отличается этанол от метанола?
Формально — на один атом углерода: это гомологи одного ряда. По сути метанол — сильный яд, вызывающий слепоту и смерть, а по запаху и вкусу их отличить невозможно.
Какая качественная реакция на многоатомные спирты?
Свежеосаждённый гидроксид меди(II) с глицерином или этиленгликолем даёт ярко-синий раствор. Одноатомные спирты такой окраски не дают.
Почему спирты жидкие, а алканы при похожей массе — газы?
Группа OH образует водородные связи между молекулами, и им труднее разлететься. Поэтому этанол кипит при 78,4 °C, хотя по массе молекулы близок к пропану.
Как получить этанол в промышленности?
Двумя путями: гидратацией этилена с водой над катализатором или брожением глюкозы дрожжами. Первый путь быстрый и непрерывный, второй старше — ему тысячи лет.