"Химия (базовый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Спирты — органические вещества, в которых гидроксильная группа –OH связана с углеродным радикалом. Их строение объясняет характерные свойства: водородные связи повышают температуры кипения, а реакции с металлами, замещение, дегидратация и окисление позволяют получать другие вещества. Важно различать одноатомные и многоатомные спирты, правильно называть их и не путать со сходными по виду фенолами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Спирт — органическое соединение, в котором одна или несколько гидроксильных групп связаны с углеводородным радикалом, то есть частью молекулы, образованной из углеводорода. Например, в этаноле CH₃CH₂OH группа –OH связана с углеродом, а не с бензольным кольцом. Если –OH непосредственно соединена с таким кольцом, вещество относят к фенолам. Это различие помогает верно определить класс соединения и предсказать его свойства.
Гидроксильная группа — функциональная группа –OH, определяющая характерные свойства спиртов. Она состоит из атомов кислорода и водорода и присоединяется к углеродному скелету молекулы. В школьных структурных формулах её обычно записывают как –OH или помещают в скобки после нужного атома углерода. Распознавая эту группу, можно находить спирты в формулах и отличать их от веществ других классов.
Предельный одноатомный спирт содержит одну группу –OH и насыщенный углеродный скелет, в котором между атомами углерода нет двойных или тройных связей. Его общая формула — CₙH₂ₙ₊₁OH, где n — число атомов углерода. Например, при n = 2 получается этанол C₂H₅OH. Формула описывает целый ряд веществ и помогает проверять состав конкретного спирта.
Многоатомный спирт — соединение, содержащее две или более группы –OH. Этиленгликоль HO–CH₂–CH₂–OH имеет две такие группы, а глицерин HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH — три. Число гидроксильных групп можно определить по структурной формуле. Это важно, потому что несколько групп –OH влияют на физические и химические свойства вещества.
В группе –OH кислород сильнее притягивает общую электронную пару, чем водород и углерод. Поэтому связи O–H и C–O полярны: на атоме кислорода возникает частичный отрицательный заряд, а на водороде — частичный положительный. Положительно заряженный водород одной молекулы притягивается к кислороду другой, и образуется водородная связь. Такое межмолекулярное притяжение объясняет особенности физических свойств спиртов.
Классифицировать спирты можно по числу групп –OH и по строению углеродного атома, к которому присоединена группа. Одна гидроксильная группа означает одноатомный спирт, две или больше — многоатомный. Если углерод с –OH связан с одним другим атомом углерода, спирт первичный; если с двумя — вторичный; если с тремя — третичный. Такое деление позволяет сравнивать строение веществ и учитывать его при обсуждении реакций.
Название спирта строят от названия соответствующего углеводорода, добавляя суффикс «-ол». Сначала выбирают самую длинную углеродную цепь, в которую входит атом углерода с группой –OH. Затем цепь нумеруют с того конца, от которого гидроксильная группа получает наименьший номер, и этот номер указывают в названии. Например, CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃ называется бутан-2-ол: четыре атома углерода образуют цепь, а –OH находится у второго.
Водородные связи удерживают молекулы спирта друг возле друга сильнее, чем молекулы соответствующего углеводорода. Чтобы перевести спирт в газ, нужно затратить энергию на преодоление этих притяжений, поэтому спирты кипят при более высоких температурах. В воде полярная группа –OH может образовывать связи с молекулами воды, что способствует растворению. Но углеводородная часть молекулы неполярна, и при удлинении цепи её влияние растёт, поэтому растворимость спиртов в воде обычно уменьшается.
В химических реакциях спиртов могут разрываться связи O–H или C–O, и результат зависит от того, какая связь изменяется. При взаимодействии с активным металлом замещается водород группы –OH и образуется алкоголят; при замещении –OH галогеном получается галогенопроизводное. При дегидратации от молекулы спирта отщепляется вода: если отщепление происходит внутри одной молекулы, может образоваться алкен. Окисление также меняет строение спирта, причём продукт зависит от типа спирта и условий реакции.
| Признак | Одноатомные спирты | Многоатомные спирты |
|---|---|---|
| Число групп –OH | Одна | Две или более |
| Пример и структурная формула | Этанол: CH₃–CH₂–OH | Этиленгликоль: HO–CH₂–CH₂–OH; глицерин: HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH |
| Растворимость в воде | Низшие спирты хорошо растворяются; с увеличением углеродной цепи растворимость падает | Обычно хорошо растворяются благодаря нескольким группам –OH |
| Характерное качественное взаимодействие | Для этанола характерно окисление, например до альдегида | Этиленгликоль и глицерин дают ярко-синий раствор с гидроксидом меди(II) |
| Взаимодействие с активными металлами | Образуются алкоголят и водород: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂ | Гидроксильные группы могут замещать водород металла с образованием алкоголята и H₂ |
| Дегидратация или другие характерные реакции | Этанол при дегидратации даёт этен или диэтиловый эфир; возможны замещение и окисление | Возможны реакции по одной или нескольким группам –OH; свойства зависят от строения вещества |
Сначала сравните число групп –OH и приведённые примеры, затем проследите, как строение связано с растворимостью и реакциями. Качественное взаимодействие с гидроксидом меди(II) характерно именно для многоатомных спиртов с соседними группами –OH. Таблица показывает общие закономерности, поэтому для конкретного вещества учитывайте также длину углеродной цепи и условия реакции.
Задача 1. Назовите соединение CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃ и определите тип спирта. В формуле четыре атома углерода, а группа –OH присоединена ко второму атому при нумерации с ближайшего конца. Нужно также посмотреть, со сколькими атомами углерода связан этот атом.
Задача 2. Запишите реакцию этанола с натрием и найдите массу натрия, нужную для реакции с 9,2 г этанола. Один атом натрия замещает водород группы –OH, а водород выделяется молекулами H₂. Поэтому перед этанолом и натрием ставят коэффициент 2, а затем используют соотношение веществ из уравнения.
Задача 3. При дегидратации 23 г этанола получили этен с выходом 80%. Найдите объём этена при нормальных условиях. Сначала вычисляют количество продукта по уравнению для полного превращения спирта, а затем уменьшают результат с учётом выхода. Для газа при нормальных условиях используют молярный объём 22,4 л/моль.
Ошибка: считать спиртом любое соединение с –OH. Её допускают, потому что ориентируются только на наличие группы, не проверяя, к чему она присоединена. Если –OH связана непосредственно с бензольным кольцом, это фенол. Для проверки проследите связь от кислорода: между группой –OH и кольцом должен быть атом углерода радикала, чтобы соединение относилось к спиртам.
Ошибка: начинать нумерацию цепи с дальнего от –OH конца. Так можно случайно перенести в название принцип нумерации заместителей, забыв о главной функциональной группе. Группа –OH должна получить наименьший возможный номер. Проверьте оба направления нумерации и выберите то, где номер при –OH меньше.
Ошибка: считать водородные связи в спиртах внутримолекулярными. Это происходит из-за того, что в формуле каждой молекулы есть группа O–H. Однако характерное притяжение возникает преимущественно между молекулами: водород одной группы притягивается к кислороду другой. Проверка простая: именно межмолекулярное притяжение помогает объяснить повышенную температуру кипения вещества.
Ошибка: забывать, что при реакции с натрием выделяется H₂. Иногда записывают отдельные атомы водорода или не уравнивают количество атомов в левой и правой частях. Водород образует двухатомные молекулы, поэтому формулу газа записывают H₂, а затем подбирают коэффициенты. В конце пересчитайте атомы каждого элемента по обе стороны уравнения.
Для изучения спиртов нужны знания о строении углеводородов и ковалентных связях: они помогают читать формулы и понимать, как соединена группа –OH. Правила составления формул органических веществ позволяют записывать строение и называть соединения. Позже свойства спиртов пригодятся при изучении альдегидов, карбоновых кислот, фенолов и многоатомных органических веществ. Реакции спиртов также показывают, как из одного класса органических соединений получают вещества другого класса.
Чем спирт отличается от фенола?
У спирта группа –OH связана с атомом углерода углеводородного радикала. У фенола она присоединена непосредственно к бензольному кольцу. Поэтому фенолы и спирты относят к разным классам веществ.
Почему спирты кипят при более высокой температуре, чем соответствующие углеводороды?
Между молекулами спирта образуются водородные связи за счёт полярных групп –OH. На их разрыв требуется дополнительная энергия, поэтому температура кипения спирта выше, чем у углеводорода близкой молярной массы.
Как определить, первичный, вторичный или третичный спирт?
Посчитай, с каким количеством других атомов углерода связан тот атом углерода, к которому присоединена группа –OH. Связь с одним углеродом означает первичный спирт, с двумя — вторичный, с тремя — третичный.
Почему низшие спирты хорошо растворяются в воде?
Группа –OH спирта полярна и может образовывать водородные связи с молекулами воды. У коротких спиртов её влияние заметно сильнее влияния углеводородной части, поэтому такие спирты хорошо смешиваются с водой.
Какие вещества образуются при дегидратации этанола?
При внутримолекулярной дегидратации этанола отщепляется вода и образуется этен: C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O. При других условиях возможна межмолекулярная дегидратация с образованием диэтилового эфира.
§ 1. Спирты
