"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Спирты — органические вещества, в которых одна или несколько гидроксильных групп –OH связаны с углеводородным радикалом. Именно группа –OH во многом определяет их характерные реакции, а её полярность помогает объяснить взаимодействие молекул с водой и друг с другом. Между молекулами спирта возникают водородные связи, поэтому спирты кипят при сравнительно высоких температурах. При этом свойства зависят и от углеводородной части: чем длиннее радикал, тем обычно хуже спирт растворяется в воде.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Спирты — органические соединения, в молекулах которых одна или несколько гидроксильных групп связаны с углеводородным радикалом. Если группа –OH одна, спирт называют одноатомным, если их несколько — многоатомным. Это различие помогает описывать состав молекул и предсказывать, сколько групп может участвовать в характерных реакциях.
Гидроксильная группа — группа атомов –OH, которая определяет характерные свойства спиртов. В молекуле спирта она соединена с углеродным атомом радикала, поэтому не существует как отдельный ион OH⁻. Знание положения группы помогает отличить спирт от других органических веществ и понять его реакции.
Функциональная группа — группа атомов, определяющая характерные химические свойства вещества. Для спиртов такую роль играет –OH: например, атом водорода этой группы может замещаться металлом. Понятие функциональной группы позволяет связывать строение разных веществ с их реакционной способностью.
Водородная связь — взаимодействие между атомом водорода одной молекулы и атомом кислорода другой. В спиртах такие связи возникают между молекулами благодаря полярности группы –OH. Они помогают объяснить свойства вещества, в частности его сравнительно высокую температуру кипения.
В группе –OH атом кислорода соединён с водородом, а в молекуле спирта — также с углеродом. Кислород притягивает общие электронные пары сильнее, чем водород и углерод, поэтому электронная плотность распределяется неравномерно. У кислорода возникает частичный отрицательный заряд, а у связанных с ним атомов — частичные положительные заряды. Из-за этого связи O–H и C–O полярны, а группа –OH может вступать в характерные взаимодействия и реакции.
Полярные группы соседних молекул спирта притягиваются: атом водорода одной группы –OH взаимодействует с атомом кислорода другой молекулы. Это взаимодействие называют водородной связью; оно слабее ковалентной связи внутри молекулы, но заметно влияет на свойства вещества. На разъединение молекул требуется дополнительная энергия, поэтому спиртам нужно сильнее нагреться, чем многим неполярным веществам, чтобы перейти в газообразное состояние. Этим объясняются сравнительно высокие температуры кипения спиртов.
Группа –OH помогает молекулам низших спиртов взаимодействовать с водой: обе частицы полярны и могут образовывать водородные связи. Углеводородный радикал, напротив, не притягивается к воде так же хорошо и затрудняет смешивание. Пока радикал короткий, влияние группы –OH достаточно велико, поэтому низшие спирты хорошо растворяются. При удлинении радикала его влияние усиливается, и растворимость спирта обычно уменьшается.
Связь O–H полярна, поэтому её водород может замещаться активным металлом. При взаимодействии этанола с натрием образуется этилат натрия, который также называют алкоголятом, и выделяется водород: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑. Коэффициенты показывают, что для образования одной молекулы H₂ нужны два атома водорода из двух групп –OH. Таким образом, реакция подтверждает, что атом водорода в группе способен замещаться.
Гидроксильная группа участвует и в реакциях замещения и отщепления. При реакции спирта с галогеноводородом группа –OH замещается атомом галогена, и получается галогеналкан; например, из этанола и HBr образуются бромэтан и вода. При дегидратации, то есть отщеплении воды, продукт зависит от условий: между молекулами спирта может образоваться простой эфир, а внутри молекулы — алкен. Поэтому при записи реакции важно учитывать не только наличие –OH, но также условия превращения.
В таблице причина показывает, какая особенность строения приводит к свойству, а проявление — как это свойство наблюдается или используется. Сравнивая строки, можно проследить связь от строения молекулы к поведению спирта. При решении задач ищи в таблице не только группу –OH, но и влияние углеводородного радикала.
| Особенность строения или свойство | Причина | Проявление |
|---|---|---|
| Полярность связей O–H и C–O | Кислород сильнее притягивает общие электронные пары, чем водород и углерод. | Неравномерное распределение электронной плотности; водород группы –OH может замещаться активным металлом. |
| Водородные связи между молекулами | Полярные группы –OH соседних молекул притягиваются. | Молекулы спирта удерживаются друг возле друга сильнее, чем при одних лишь слабых межмолекулярных взаимодействиях. |
| Температуры кипения | На разъединение молекул, связанных водородными связями, требуется дополнительная энергия. | Температуры кипения спиртов сравнительно высоки по сравнению со многими углеводородами. |
| Растворимость в воде | Группа –OH взаимодействует с водой, а углеводородный радикал затрудняет это взаимодействие. | Низшие спирты растворяются хорошо; с увеличением радикала растворимость обычно уменьшается. |
| Реакция с активными металлами | Атом водорода в полярной связи O–H способен замещаться металлом. | Образуются алкоголят и водород, например при реакции этанола с натрием. |
| Реакции замещения и отщепления | Группа –OH участвует в превращениях, зависящих от реагентов и условий. | С галогеноводородами получаются галогеналканы, при дегидратации — алкены или простые эфиры. |
Условие. Запишите уравнение реакции этанола с натрием и укажите образующиеся вещества. Нужно определить, какая часть молекулы меняется, а затем проверить баланс атомов. Натрий замещает водород именно в группе –OH, а не весь углеводородный радикал.
Ответ. Образуются этилат натрия C₂H₅ONa и водород H₂. Уравнение реакции: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑.
Условие. Объясните, почему температура кипения этанола выше, чем у углеводорода с близкой молярной массой. Сравнивать нужно не только размеры молекул, но и взаимодействия между ними. У этанола есть полярная группа –OH, а у углеводорода её нет.
Ответ. Этанол кипит при более высокой температуре из-за водородных связей между его молекулами, на разъединение которых нужна дополнительная энергия.
Условие. Сравните растворимость метанола и бутанола в воде и объясните различие строением молекул. У обоих веществ есть группа –OH, которая способствует взаимодействию с водой. Отличается длина углеводородного радикала.
Ответ. Метанол растворяется в воде лучше бутанола: при удлинении углеводородного радикала влияние гидрофильной группы –OH становится относительно слабее.
Считать, что спирт содержит свободный гидроксид-ион OH⁻. Такое представление возникает из-за похожей записи группы –OH и иона, но в спирте –OH ковалентно связана с углеродным радикалом и не имеет заряда. Проверяй формулу: в C₂H₅OH группа входит в состав нейтральной молекулы, тогда как OH⁻ записывают с зарядом.
Приписывать все свойства спирта только группе –OH. Так легко сделать, потому что именно она считается функциональной группой. Однако углеводородный радикал тоже влияет на свойства, особенно на растворимость: при удлинении цепи она обычно уменьшается. Проверяй объяснение вопросом: изменится ли свойство, если оставить –OH, но удлинить радикал?
Путать внутримолекулярную связь O–H с межмолекулярной водородной связью. Ошибка возникает потому, что в обоих случаях говорят о водороде и кислороде. Связь O–H соединяет атомы внутри одной молекулы, а водородная связь возникает между разными молекулами. Проверяй, указаны ли две отдельные молекулы, когда объясняешь высокую температуру кипения.
Записывать реакцию с натрием без водорода или с неверными коэффициентами. Иногда учитывают замещение водорода натрием, но забывают, что два атома H образуют молекулу H₂. Проверь уравнение подсчётом атомов по обе стороны: правильная запись — 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑. Водород должен присутствовать среди продуктов.
Чтобы понять свойства спиртов, пригодятся знания о ковалентной связи, электроотрицательности и полярности молекул. Они объясняют, почему электронная плотность в группе –OH распределена неравномерно и как возникают водородные связи. Понятие углеводородного радикала помогает увидеть, почему спирты с разной длиной цепи неодинаково растворяются в воде.
Эти знания пригодятся при изучении альдегидов, карбоновых кислот и простых эфиров: у каждого класса есть характерные группы и реакции. Реакция спирта с натрием также помогает понять взаимодействие органических веществ с активными металлами. Умение связывать строение с химическими свойствами станет основой для сравнения разных классов органических соединений.
Почему спирты кипят при более высокой температуре, чем многие углеводороды?
Молекулы спирта образуют друг с другом водородные связи благодаря полярной группе –OH. Чтобы разделить молекулы при кипении, требуется дополнительная энергия. У большинства углеводородов таких связей нет.
Чем гидроксильная группа спирта отличается от гидроксид-иона?
В спирте группа –OH ковалентно связана с углеродным атомом углеводородного радикала. Это не свободный ион OH⁻: у него есть заряд, а в молекуле спирта группа –OH входит в состав нейтральной молекулы.
Почему метанол и этанол хорошо смешиваются с водой?
Их полярные группы –OH могут взаимодействовать с молекулами воды и образовывать с ними водородные связи. У коротких углеводородных радикалов влияние, мешающее растворению, невелико.
Почему растворимость спиртов в воде уменьшается с увеличением углеводородного радикала?
Группа –OH способствует взаимодействию с водой, а углеводородный радикал — нет. Чем длиннее радикал, тем сильнее его влияние на свойства всей молекулы и тем обычно ниже растворимость спирта.
Какой газ выделяется при реакции спирта с натрием?
При реакции выделяется водород H₂. Атомы водорода из групп –OH объединяются в молекулы газа, а вместо них в составе продукта оказывается натрий.
§ 31. Гидроксильная группа определяет свойства спиртов
