§ 2. Химические свойства и получение спиртов

Определения и обозначения

Дегидратация спиртов — это отщепление от молекулы спирта молекулы воды. Если вода удаляется из одной молекулы, процесс называют внутримолекулярным; если взаимодействуют две молекулы спирта — межмолекулярным. Различие важно, потому что в первом случае обычно образуется алкен, а во втором — простой эфир.

Окисление спиртов — превращение спирта в продукт окисления при действии окислителя. Строение спирта определяет, каким будет продукт: первичные спирты дают альдегиды, вторичные — кетоны, а третичные окисляются труднее. Это правило позволяет предсказать результат реакции по строению исходного вещества.

Этерификация — взаимодействие спирта с карбоновой кислотой, при котором образуются сложный эфир и вода. В ходе реакции часть молекулы кислоты и часть молекулы спирта соединяются в новую структуру. Этерификация помогает получать вещества с характерными запахами и связывает химию спиртов с химией кислот.

Брожение — биохимическое превращение глюкозы в этанол и углекислый газ под действием ферментов. Ферменты дрожжей ускоряют последовательность превращений, происходящих при подходящих условиях. Этот процесс используют для получения этанола из сырья, содержащего сахар.

Как это устроено

Активный металл, например натрий, реагирует с водородом группы —OH: вместо него в молекуле остаётся атом металла. Так образуется алкоголят, а два вытесненных атома водорода соединяются в молекулу H₂. Спирт при этом не становится сильной кислотой: реакция возможна благодаря высокой активности металла, который связывает водород.

При нагревании спирта с концентрированной серной кислотой вода может отщепиться двумя способами. Если она образуется за счёт атомов одной молекулы спирта, углеродный скелет формирует двойную связь и получается алкен. При более мягком нагревании две молекулы спирта соединяются через атом кислорода, поэтому продуктом становится простой эфир и вода.

Результат окисления связан с тем, сколько атомов водорода и углеродных связей имеет атом углерода при группе —OH. У первичного спирта окисление приводит к альдегиду, а у вторичного — к кетону; дальнейшее окисление альдегида может дать карбоновую кислоту. У третичного спирта нет водорода при этом атоме углерода, поэтому обычное окисление протекает значительно труднее и может сопровождаться разрушением углеродного скелета.

При реакции спирта с галогеноводородом группа —OH замещается атомом галогена, и образуются галогеналкан и вода. Иначе устроена реакция с карбоновой кислотой: спиртовая и кислотная части соединяются, образуя сложный эфир, а вода выделяется. Этерификация обычно обратима, поэтому условия реакции влияют на соотношение исходных веществ и продуктов.

Спирты получают гидратацией алкенов, то есть присоединением воды по двойной связи, и гидролизом галогеналканов, где галоген замещается группой —OH. Этанол также образуется при брожении глюкозы под действием ферментов. Метанол производят промышленно из угарного газа и водорода: CO + 2H₂ → CH₃OH; катализатор, температура и давление помогают ускорить процесс и получить нужный выход продукта.

Химические свойства и способы получения спиртов

В таблице собраны основные реакции спиртов и способы их получения. Сначала определите исходные вещества и условия, затем проследите, какая группа или связь изменяется. Это помогает отличать сходные реакции и предсказывать основной продукт.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение реакции этанола с натрием и назовите продукты. Сначала установим, что металл замещает водород группы —OH, а не весь гидроксил. Затем учтём, что молекула водорода состоит из двух атомов, поэтому для её образования нужны две молекулы этанола.

1. Записываем схему: C₂H₅OH + Na → C₂H₅ONa + H₂.
2. Уравниваем водород и натрий, поставив коэффициенты 2 перед этанолом, натрием и алкоголятом.
3. Получаем уравнение: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂.

Ответ: образуются этилат натрия (этоксид натрия) и водород. Проверка баланса показывает, что атомов каждого элемента слева и справа поровну. Выделение газа согласуется с образованием молекул H₂.

Задача 2. При нагревании этанола с концентрированной серной кислотой получить этен. Запишите уравнение и укажите тип реакции. Чтобы получить алкен, необходимо удалить воду из одной молекулы спирта и создать двойную связь между соседними атомами углерода. Для этого выбираем сильное нагревание с концентрированной кислотой.

1. Записываем формулу этанола: C₂H₅OH.
2. Отщепляем от молекулы воду, оставляя два атома углерода соединёнными двойной связью.
3. Получаем уравнение: C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O; концентрированная H₂SO₄ используется как водоотнимающее средство при нагревании.

Ответ: образуются этен и вода, реакция называется внутримолекулярной дегидратацией. Число атомов углерода сохраняется, а формула продуктов показывает баланс атомов. Если вместо сильного нагревания выбрать условия межмолекулярного отщепления воды, продуктом был бы простой эфир.

Задача 3. Предложите способы получения этанола из этена и из глюкозы, запишите уравнения. В первом случае нужно присоединить воду к двойной связи этена. Во втором — провести брожение сахара при участии ферментов, учитывая, что из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы этанола.

1. Гидратация этена: C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH; нужны кислотный катализатор и подходящие условия реакции.
2. Брожение глюкозы: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂; процесс идёт под действием ферментов дрожжей.
3. Сверяем продукты: в первом уравнении получается одна молекула этанола, во втором — две, а также выделяется углекислый газ.

Ответ: этанол получают гидратацией этена или брожением глюкозы. Эти способы различаются исходными веществами и механизмом, но приводят к одному целевому спирту. Уравнения также показывают, что брожение сопровождается выделением CO₂.

Типичные ошибки

Ошибка: считать спирты кислотами, которые легко отдают протон. Её допускают, потому что при реакции с натрием действительно исчезает водород группы —OH, однако сам факт замещения не делает спирт сильной кислотой. Проверьте себя: в уравнении должен быть активный металл, а спирт не следует приравнивать по свойствам к сильной кислоте.

Ошибка: путать внутримолекулярную и межмолекулярную дегидратацию. В обоих случаях выделяется вода, поэтому легко не заметить, сколько молекул спирта участвует в реакции. Проверьте число исходных молекул: одна даёт алкен, две дают простой эфир.

Ошибка: приписывать всем спиртам один и тот же продукт окисления. Это происходит, если не учитывать строение атома углерода при группе —OH. Проверьте тип спирта до записи уравнения: первичный даёт альдегид, вторичный — кетон, третичный окисляется труднее.

Ошибка: записывать брожение как превращение этанола в глюкозу. Такую путаницу вызывает обратимость многих химических реакций, но брожение направлено от глюкозы к этанолу и углекислому газу. Проверьте направление по уравнению: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂.

Связь с другими темами

Для понимания реакций спиртов нужно знать строение их молекул, группу —OH и различия между первичными, вторичными и третичными спиртами. Пригодятся представления о реакциях замещения и отщепления, а также об окислительно-восстановительных процессах и химическом равновесии. Эти знания помогают объяснить и предсказать, как условия меняют состав продуктов. Тема ведёт к изучению альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и сложных эфиров.

Что запомнить

• Активные металлы замещают водород группы —OH с образованием алкоголята и водорода.
• Внутримолекулярная дегидратация спирта приводит к алкену.
• Межмолекулярная дегидратация двух молекул спирта приводит к простому эфиру.
• Первичные спирты при окислении дают альдегиды, вторичные — кетоны.
• Этерификация спирта карбоновой кислотой приводит к сложному эфиру и воде.
• Этанол можно получить гидратацией этена или брожением глюкозы.