§ 3. Многоатомные спирты

Определения и обозначения

Многоатомный спирт — органическое соединение с двумя или более гидроксильными группами –OH, связанными с атомами углерода. Это определение сразу отделяет спирты от веществ, где –OH входит, например, в состав карбоксильной группы. Число таких групп определяет разновидность спирта и его химическое поведение.

Двухатомный спирт содержит две гидроксильные группы. Пример — этиленгликоль HO–CH₂–CH₂–OH, или C₂H₆O₂. Название показывает, что в молекуле две группы –OH, поэтому в реакциях с металлами могут замещаться два атома водорода.

Трёхатомный спирт содержит три гидроксильные группы. Глицерин имеет строение HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH и формулу C₃H₈O₃. Число «трёхатомный» относится именно к группам –OH, а не к числу атомов углерода.

Качественная реакция на многоатомные спирты — взаимодействие со свежим гидроксидом меди(II), при котором образуется ярко-синий раствор. Она позволяет обнаружить несколько гидроксильных групп в одной молекуле. Этанол такую реакцию не даёт, поэтому проба используется для различения веществ.

Как это устроено

Принадлежность к многоатомным спиртам определяется не общей формулой, а строением молекулы: минимум две группы –OH должны быть присоединены к атомам углерода. Одна группа означает одноатомный спирт, две — двухатомный, три — трёхатомный. Поэтому число групп отражается и в названиях, и в формулах, и в возможном количестве реакций замещения.

В этиленгликоле два атома углерода соединены между собой, а у каждого из них есть группа –OH: HO–CH₂–CH₂–OH. В глицерине три атома углерода образуют цепь, причём гидроксильные группы находятся у первого, второго и третьего атомов: HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH. Отсюда следуют формулы C₂H₆O₂ и C₃H₈O₃ соответственно.

Атом кислорода в группе –OH притягивает электроны сильнее водорода, поэтому между молекулами возникают водородные связи. Чем больше групп –OH, тем больше таких контактов может образоваться с водой и между самими молекулами спирта. Поэтому многоатомные спирты хорошо растворяются в воде, кипят при сравнительно высоких температурах и часто имеют вязкую консистенцию.

Активный металл натрий отнимает водород у группы –OH, образуя алкоголят и водород. В этиленгликоле реагируют две группы: HO–CH₂–CH₂–OH + 2Na → NaO–CH₂–CH₂–ONa + H₂. Для глицерина уравнение записывают так: 2C₃H₅(OH)₃ + 6Na → 2C₃H₅(ONa)₃ + 3H₂.

Несколько групп –OH могут одновременно связываться с ионами меди(II), поэтому свежий Cu(OH)₂ растворяется с образованием ярко-синего комплексного соединения. Это не простое взаимодействие одной спиртовой группы, а результат особого расположения нескольких групп в одной молекуле. Та же особенность проявляется в образовании сложных эфиров и других производных, где могут участвовать разные группы –OH.

Сравнение этиленгликоля и глицерина

Таблица помогает сопоставить строение веществ с их свойствами и применением. При решении задач сначала удобно найти число групп –OH, а затем использовать соответствующее уравнение реакции. Сведения о токсичности нужно учитывать независимо от внешнего вида вещества.

Разбор задач

Задача 1. Определение класса и названий

Даны вещества HO–CH₂–CH₂–OH и HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH. Нужно определить класс каждого соединения, число групп –OH и название. Для ответа достаточно внимательно разобрать структурные формулы.

1. В первой формуле две группы –OH, значит это двухатомный спирт.
2. Цепь содержит два атома углерода, поэтому вещество называется этиленгликолем.
3. Во второй формуле три группы –OH, значит это трёхатомный спирт.
4. Три атома углерода и три группы –OH соответствуют глицерину.

Ответ: HO–CH₂–CH₂–OH — этиленгликоль, двухатомный спирт; HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH — глицерин, трёхатомный спирт.

Задача 2. Водород при реакции с натрием

Пусть с избытком натрия реагирует 0,10 моль этиленгликоля. Требуется найти объём водорода при н. у. Сначала определяем соотношение веществ по уравнению реакции.

1. Уравнение: HO–CH₂–CH₂–OH + 2Na → NaO–CH₂–CH₂–ONa + H₂.
2. 1 моль этиленгликоля даёт 1 моль H₂, поэтому n(H₂) = 0,10 моль.
3. При н. у. молярный объём газа равен 22,4 л/моль: V(H₂) = 0,10 · 22,4 = 2,24 л.

Ответ: выделится 2,24 л водорода. Для 0,10 моль глицерина результат был бы 3,36 л, поскольку 2 моль глицерина дают 3 моль H₂.

Задача 3. Качественная реакция и масса вещества

Неизвестное вещество выбирают среди этанола, этиленгликоля и глицерина. При добавлении свежего Cu(OH)₂ образуется ярко-синий раствор, а количество вещества неизвестного равно 0,20 моль; найдём его массу. Наблюдение сначала позволяет установить состав, затем используется формула m = nM.

1. Ярко-синий раствор означает наличие многоатомного спирта.
2. Если дополнительно при реакции с натрием на 1 моль вещества приходится 1,5 моль H₂, это глицерин: у него три группы –OH.
3. M(C₃H₈O₃) = 3·12 + 8·1 + 3·16 = 92 г/моль.
4. m = 0,20 · 92 = 18,4 г.

Ответ: неизвестное вещество — глицерин, его масса равна 18,4 г. Одной синей окраски достаточно, чтобы исключить этанол, но для различения этиленгликоля и глицерина нужно учитывать число групп –OH или количественный результат реакции с натрием.

Типичные ошибки

Считать спиртом любое соединение с несколькими группами –OH неверно: нужно проверить, связаны ли эти группы именно с атомами углерода. Такая ошибка возникает при смешении спиртов с многоосновными кислотами и основаниями. Проверьте фрагмент каждой группы: у спирта должна быть связь C–OH.

При реакции с натрием часто забывают, что каждая группа –OH может заменить один атом водорода. Поэтому в уравнении для этиленгликоля образуется 1 моль H₂ на 1 моль спирта, а для глицерина — 1,5 моль. Самопроверка: посчитайте группы –OH и только затем расставляйте коэффициенты.

Не следует путать качественную реакцию с реакцией одноатомных спиртов и записывать осадок. Свежий Cu(OH)₂ растворяется, образуя ярко-синий раствор. Если в ответе появился новый осадок, проверьте, не перепутаны ли исходный гидроксид меди и продукт реакции.

Этиленгликоль и глицерин нельзя менять местами: у первого две группы –OH и два атома углерода, у второго три группы –OH и три атома углерода. Ошибка обычно появляется при невнимательном чтении формулы. Сверяйте одновременно молекулярную и структурную формулы.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны строение и номенклатура одноатомных спиртов, функциональная группа –OH, типы химических связей и навыки составления уравнений. Понимание водородной связи объясняет растворимость и физические свойства многоатомных спиртов. Стехиометрические расчёты по уравнениям помогают находить объёмы водорода и массы веществ.

Эти знания используются далее при изучении органического синтеза, жиров и сложных эфиров, полимеров, токсичности органических веществ и качественного анализа. Число функциональных групп связывает строение молекулы с её реакционной способностью.

Что запомнить

• Многоатомные спирты содержат две или более гидроксильные группы.
• Этиленгликоль — двухатомный спирт, а глицерин — трёхатомный.
• Число групп –OH отражается в уравнениях реакций с активными металлами.
• Многоатомные спирты хорошо растворяются в воде благодаря водородным связям.
• Качественный признак многоатомных спиртов — ярко-синий раствор при взаимодействии со свежим гидроксидом меди(II).
• Этиленгликоль и глицерин нельзя считать безопасными веществами: они требуют осторожного обращения.