§ 10. Химические свойства и получение спиртов

Определения и обозначения

Спирт — органическое вещество, содержащее одну или несколько гидроксильных групп, связанных с углеводородным радикалом. Например, в этаноле C₂H₅OH гидроксильная группа соединена с этильным радикалом C₂H₅−. Это определение помогает отличать спирты от углеводородов и других кислородсодержащих веществ.

Гидроксильная группа — функциональная группа −OH, определяющая характерные химические свойства спиртов. Она состоит из атома кислорода и атома водорода и входит в состав молекулы как единая группа. По её наличию объясняют реакции спиртов с металлами, кислотами и окислителями.

Реакция этерификации — взаимодействие спирта с карбоновой кислотой с образованием сложного эфира и воды. Например, этанол и уксусная кислота дают этилацетат и воду. Эта реакция нужна для получения веществ с приятными запахами, растворителей и других продуктов органического синтеза.

Дегидратация спиртов — отщепление воды от молекулы спирта с образованием алкена или простого эфира. Если вода уходит из одной молекулы, получается алкен, а при взаимодействии двух молекул образуется простой эфир. Поэтому по условиям реакции можно предсказать её продукт.

Как это устроено

Связь O−H в спиртах полярна: кислород сильнее притягивает общую электронную пару, чем водород. Кроме того, атом кислорода может образовывать водородные связи с молекулами воды и соседними молекулами спирта. Поэтому низшие спирты хорошо растворяются в воде, а их кипение требует больше энергии, чем кипение сходных по массе углеводородов.

Водород гидроксильной группы связан с кислородом не так прочно, как атомы водорода в углеводородном фрагменте. Активный металл, например натрий, может вытеснить этот водород, образуя алкоголят и водород. Спирты при этом проявляют очень слабые кислотные свойства, но сильными кислотами не являются.

Гидроксильная группа может замещаться на атом галогена при взаимодействии спирта с галогеноводородом. Так образуются галогеналкан и вода, например из этанола и бромоводорода — бромэтан. Скорость и направление превращения зависят от строения спирта и условий реакции, поэтому одинаковое уравнение нельзя механически переносить на все спирты.

При окислении первичного спирта атом углерода, связанный с группой −OH, сохраняет связь с водородом и переходит сначала в альдегид, а затем в карбоновую кислоту. У вторичного спирта этот атом углерода соединён с двумя углеводородными фрагментами, поэтому образуется кетон. В третичных спиртах у соответствующего атома углерода нет водорода, и их окисление проходит значительно труднее.

В промышленности спирты получают реакциями присоединения воды к алкенам, а этанол также получают брожением глюкозы. При гидратации разрывается двойная связь и к двум атомам углерода присоединяются H и OH. При брожении ферменты дрожжей превращают глюкозу в этанол и углекислый газ, поэтому выбор способа зависит от строения и назначения спирта.

Химические свойства и способы получения спиртов

В таблице собраны основные реакции спиртов и способы получения этанола. Сначала определите тип превращения, затем проверьте условия и сравните строение исходного вещества с продуктом. Символ [O] обозначает окислитель, а стрелка с особыми условиями показывает нагревание или присутствие катализатора.

Разбор задач

Задача 1

Условие: составьте уравнение реакции этанола с натрием и укажите признак реакции. Нужно определить, какой атом участвует в замещении. В этаноле таким атомом является водород гидроксильной группы, а продуктом замещения — алкоголят.

1. Записываем схему: C₂H₅OH + Na → C₂H₅ONa + H₂.
2. Молекула водорода содержит два атома H, поэтому берём два атома натрия и две молекулы этанола.
3. Получаем уравнение: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑. Признак реакции — выделение пузырьков бесцветного водорода.

Ответ: образуются этилат натрия и водород; наблюдается выделение газа.

Задача 2

Условие: какие продукты образуются при нагревании этанола с концентрированной серной кислотой при 170 °C? Запишите уравнение. Высокая температура и одна молекула спирта указывают на внутримолекулярную дегидратацию.

1. Из соседних с группой −OH атомов углерода удаляем водород, а сама гидроксильная группа уходит вместе с ним в составе воды.
2. Между атомами углерода образуется двойная связь, поэтому продуктом становится этен.
3. Записываем: C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O, H₂SO₄, 170 °C.

Ответ: образуются этен и вода. При 140 °C преимущественно шла бы межмолекулярная дегидратация с образованием диэтилового эфира.

Задача 3

Условие: какую массу этанола можно получить при полном спиртовом брожении 180 г глюкозы? Сначала нужно связать массы с коэффициентами уравнения, а не сравнивать их напрямую.

1. Уравнение: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. Молярная масса глюкозы равна 180 г/моль, этанола — 46 г/моль.
2. 180 г глюкозы — это 1 моль. По уравнению из 1 моль глюкозы получается 2 моль этанола.
3. Находим массу продукта: m(C₂H₅OH) = 2 · 46 = 92 г.

Ответ: при полном брожении можно получить 92 г этанола.

Типичные ошибки

Спирты считают сильными кислотами, потому что они реагируют с натрием. Такая ошибка возникает из-за переноса свойства сильных кислот на любую реакцию с активным металлом. Проверка: вспомните, что спирты проявляют очень слабые кислотные свойства и не диссоциируют в воде так, как минеральные кислоты.

Путают виды дегидратации. Если вода отщепляется внутри одной молекулы, образуется алкен, а если взаимодействуют две молекулы спирта — простой эфир. Проверить себя можно по коэффициентам: для эфира обычно нужны две молекулы спирта.

Для любого спирта записывают карбоновую кислоту. Так делают, не учитывая, что первичные и вторичные спирты имеют разное строение. Определите тип спирта по числу углеводородных групп у атома углерода с −OH: первичный даёт альдегид, вторичный — кетон, третичный окисляется труднее.

Нарушают уравнение брожения глюкозы. Часто забывают второй моль этанола или углекислого газа. Проверьте баланс: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ сохраняет 6 атомов углерода, 12 водорода и 6 кислорода.

Связь с другими темами

Для понимания спиртов нужны строение алканов и алкенов, функциональные группы, типы химических связей, окисление и расстановка коэффициентов. Эти знания позволяют объяснить строение −OH, гидратацию и баланс уравнений.

Тема подготавливает изучение альдегидов, карбоновых кислот, сложных эфиров и углеводов. Последовательность окисления спиртов связывает несколько классов органических соединений.

Способы получения этанола связаны с промышленным производством топлива, растворителей и органического сырья. Поэтому реакции спиртов важны не только для расчётов, но и для понимания химической технологии.

Что запомнить

• Характерные свойства спиртов определяет гидроксильная группа −OH.
• Спирты реагируют с активными металлами с образованием алкоголятов и водорода.
• Первичные спирты окисляются сначала до альдегидов, вторичные — до кетонов.
• При внутримолекулярной дегидратации спирта образуется алкен.
• При межмолекулярной дегидратации образуется простой эфир.
• Этерификация спирта кислотой приводит к сложному эфиру и воде.
• Этанол получают гидратацией этена и спиртовым брожением глюкозы.