§ 9. Спирты

Определения и обозначения

Спирты — органические вещества, содержащие одну или несколько гидроксильных групп, соединённых с углеводородным радикалом. Углеводородный радикал обозначают буквой R, поэтому общую запись спирта можно представить как R−OH. Такое определение помогает отличать спирты от других веществ, в состав которых тоже входит кислород.

Гидроксильная группа — функциональная группа −OH, определяющая многие свойства спиртов. Она включает атом кислорода, связанный с атомом водорода, и придаёт молекуле полярность. По наличию этой группы объясняются растворимость спиртов в воде и их реакции с активными металлами.

Одноатомные спирты — спирты, молекулы которых содержат одну гидроксильную группу. К ним относятся метанол CH₃OH и этанол C₂H₅OH. Число групп −OH важно учитывать при составлении формул и уравнений реакций.

Многоатомные спирты — спирты, молекулы которых содержат две или более гидроксильных групп. Например, в глицерине C₃H₅(OH)₃ их три. Несколько групп −OH усиливают способность вещества взаимодействовать с водой и влияют на его физические свойства.

Как это устроено

Молекулу спирта удобно представлять как углеводородный радикал, соединённый с гидроксильной группой: R−OH. Радикал образован углеродом и водородом, а группа −OH является функциональной частью молекулы. Именно различие между радикалом и функциональной группой позволяет объяснить, почему спирты похожи по некоторым реакциям, но отличаются температурой кипения и растворимостью.

Предельные одноатомные спирты образуют гомологический ряд с общей формулой C_nH_2n+1OH. Она получается из формулы соответствующего алкана C_nH_2n+2, если один атом водорода заменить на группу −OH. Поэтому соседние члены ряда отличаются на фрагмент CH₂: после метанола CH₃OH идёт этанол C₂H₅OH, затем пропанол C₃H₇OH.

Число гидроксильных групп определяет деление спиртов на одноатомные и многоатомные. Одна группа даёт одну возможность реакции по связи O−H, а несколько групп позволяют молекуле образовывать больше водородных связей и вступать в реакцию с большим количеством реагента. Поэтому глицерин обычно менее летуч и более вязок, чем этанол.

Спирты хорошо растворяются в воде благодаря полярной связи O−H. Атом кислорода сильнее притягивает общую электронную пару, поэтому на нём возникает частичный отрицательный заряд, а на водороде — частичный положительный. Между молекулами спирта и воды образуются водородные связи; у низших спиртов небольшой радикал не мешает этому процессу.

С гидроксильной группой связаны важные химические свойства спиртов. Активные металлы замещают водород в группе −OH, образуя алкоголяты и выделяя водород: 2ROH + 2Na → 2RONa + H₂. При горении спирт реагирует с кислородом и обычно превращается в углекислый газ и воду, а при окислении специальными окислителями может образовывать другие органические вещества.

Состав, строение и свойства важнейших спиртов

В таблице сначала определяют класс вещества и число групп −OH, затем сравнивают формулы и свойства. Уравнения с натрием показывают, что количество водорода зависит от числа гидроксильных групп. Для реакции горения проверяйте отдельно число атомов углерода, водорода и кислорода.

Метанол и этанол похожи строением и реакциями, потому что оба одноатомные спирты. Глицерин отличается тремя группами −OH, поэтому его уравнения требуют большего количества натрия и кислорода.

Разбор задач

Задача 1

Определите класс спирта, назовите вещество и укажите число гидроксильных групп в соединении CH₃−CH(OH)−CH₂−OH. Сначала нужно найти фрагменты −OH, а затем определить длину углеродной цепи и положения этих групп.

1. В формуле две группы −OH: одна присоединена ко второму, другая — к третьему атому углерода при выборе нумерации с ближайшего конца.
2. Цепь содержит три атома углерода, значит, основа названия — пропан.
3. Название вещества — пропан-1,2-диол; по числу групп −OH это многоатомный, точнее двухатомный, спирт.

Ответ: пропан-1,2-диол, многоатомный спирт, две гидроксильные группы.

Задача 2

Составьте уравнение реакции этанола с натрием и определите объём водорода при взаимодействии 9,2 г этанола с избытком натрия. Избыток натрия означает, что ограничивающим веществом является этанол.

1. Уравнение: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂.
2. Молярная масса этанола M(C₂H₅OH) = 46 г/моль, поэтому n = 9,2 / 46 = 0,2 моль.
3. По уравнению из 2 моль этанола получается 1 моль H₂, значит, n(H₂) = 0,1 моль.
4. При н. у. Vₘ = 22,4 л/моль, поэтому V(H₂) = 0,1 · 22,4 = 2,24 л.

Ответ: образуется 2,24 л водорода при н. у.

Задача 3

Какую массу углекислого газа можно получить при полном сгорании 23 г этанола? Запишите уравнение реакции. Полное сгорание означает, что весь углерод переходит в CO₂, а водород — в воду.

1. Уравнение реакции: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O.
2. Молярная масса этанола равна 46 г/моль, поэтому n(C₂H₅OH) = 23 / 46 = 0,5 моль.
3. Из 1 моль этанола образуется 2 моль CO₂, следовательно, n(CO₂) = 1 моль.
4. Молярная масса CO₂ равна 44 г/моль, поэтому m(CO₂) = 1 · 44 = 44 г.

Ответ: при сгорании 23 г этанола получится 44 г углекислого газа.

Типичные ошибки

Спиртами считают все вещества, содержащие группу −OH. Ошибка возникает из-за невнимания к связи этой группы: в спиртах −OH соединена именно с углеводородным радикалом, а не, например, с ароматическим атомом углерода в феноле. Проверяйте не только наличие −OH, но и строение всей молекулы.

Число атомов кислорода принимают за число гидроксильных групп. Один атом кислорода может входить в состав не только −OH, поэтому по одной молекулярной формуле без структурной записи легко ошибиться. Нарисуйте структурную формулу и пересчитайте именно фрагменты O−H.

В реакции спирта с натрием забывают водород или ставят неверные коэффициенты. Причина в том, что натрий замещает водород группы −OH, а два атома водорода образуют молекулу H₂. Проверьте, чтобы число атомов каждого элемента и соотношение спирта к водороду совпадали с уравнением.

Горение смешивают с окислением и не уравнивают реакцию. При полном горении конечные продукты — CO₂ и H₂O, а коэффициенты находят последовательной проверкой C, H и O. После расстановки коэффициентов пересчитайте атомы по обе стороны уравнения.

Связь с другими темами

Для изучения спиртов нужны знания о строении органических веществ, углеводородных радикалах, гомологических рядах и правилах записи молекулярных и структурных формул. При объяснении растворимости используются понятия ковалентной полярной связи, электроотрицательности и водородной связи. Позже свойства спиртов помогут понять превращения альдегидов, карбоновых кислот, сложных эфиров, основы органического синтеза и биологическое действие этанола.

Что запомнить

• Функциональная группа спиртов — гидроксильная группа −OH.
• Общая формула предельных одноатомных спиртов — C_nH_2n+1OH.
• Одноатомные спирты содержат одну, а многоатомные — две или более гидроксильных групп.
• Низшие спирты хорошо смешиваются с водой благодаря водородным связям.
• Спирты реагируют с активными металлами с образованием алкоголятов и водорода.
• При полном сгорании спиртов образуются углекислый газ и вода.
• Метанол ядовит, а этанол при употреблении в больших дозах опасен для организма.