§ 11. Одноатомные спирты

Определения и обозначения

Одноатомный спирт — органическое соединение, в молекуле которого одна гидроксильная группа связана с углеводородным радикалом. Радикал — часть молекулы, образованная углеводородом после удаления атома водорода. Такое определение помогает отличать спирты от веществ с несколькими группами –OH.

Гидроксильная группа –OH — группа из атомов кислорода и водорода, входящая в состав спирта. Связь O–H полярная: кислород сильнее притягивает общую электронную пару, чем водород. Поэтому водород этой группы может участвовать в некоторых реакциях, а кислород — взаимодействовать с другими молекулами.

Гомологический ряд одноатомных предельных спиртов — ряд соединений общей формулы CₙH₂ₙ₊₁OH, соседние представители которого отличаются на группу –CH₂–. Например, за метанолом CH₃OH следует этанол C₂H₅OH. Формула позволяет сравнивать вещества одного ряда и находить состав спирта по числу атомов углерода.

Функциональная группа — группа атомов, которая определяет характерные химические свойства органического вещества. У спиртов такую роль выполняет –OH, поэтому разные спирты могут вступать в похожие типы реакций. Углеводородный радикал при этом влияет на свойства и особенности конкретной молекулы.

Как это устроено

Молекулу спирта удобно представлять как углеводородную часть и присоединённую к ней группу –OH. Углеводородный радикал образует основу молекулы, а кислород гидроксильной группы связывает эту основу с водородом. Такое строение объясняет, почему спирты сохраняют некоторые особенности углеводородов, но приобретают иные физические и химические свойства. Главную роль в их типичных реакциях играет именно полярная группа –OH.

Для предельного спирта радикал CₙH₂ₙ₊₁ получается из предельного углеводорода при замене одного атома водорода на группу –OH. Поэтому весь спирт записывают как CₙH₂ₙ₊₁OH, где n — число атомов углерода. Например, при n = 2 получается C₂H₅OH: в молекуле два атома углерода, шесть атомов водорода и один атом кислорода. Формулу можно проверить, раскрыв скобки: этанол имеет состав C₂H₆O.

Название спирта связано с числом атомов углерода в главной цепи: метанол содержит один атом углерода, этанол — два, пропанол — три. Если группа –OH может занимать разные места, её положение обозначают цифрой, например пропан-1-ол и пропан-2-ол. Нумерацию начинают с ближайшего к –OH конца цепи, чтобы группа получила наименьший возможный номер. Разные положения группы означают разное строение молекул, даже если число атомов углерода одинаково.

Кислород притягивает электроны сильнее водорода, поэтому связь O–H полярна, а между молекулами спирта возникают водородные связи — притяжение между частично заряженными участками соседних молекул. Чтобы молекулы разошлись при кипении, нужно преодолеть это дополнительное притяжение, поэтому температуры кипения спиртов сравнительно высоки. Вода тоже образует водородные связи с группой –OH, что способствует растворению низших спиртов. По мере удлинения углеводородного радикала его неполярная часть становится значительнее и растворимость в воде обычно падает.

Полярность связи O–H позволяет активным металлам замещать её водород: образуется соединение металла со спиртовым остатком и выделяется H₂. Окисление меняет строение спирта и может приводить к альдегидам, кетонам или другим продуктам в зависимости от типа спирта и условий реакции. При полном горении углерод и водород окисляются кислородом воздуха до CO₂ и H₂O. При отщеплении воды от молекулы спирта образуется алкен, а при отщеплении её элементов от двух молекул — простой эфир.

Строение, свойства и характерные реакции одноатомных спиртов

Сначала найдите в таблице формулу или тип реакции, нужные для задачи, затем проверьте, какие вещества стоят слева и справа от стрелки. В уравнениях число атомов каждого элемента должно быть одинаковым с обеих сторон. Примеры показывают типичный результат реакции, но условия могут влиять на продукты.

Разбор задач

Задача 1. Составьте структурную формулу бутан-2-ола и назовите спирт CH₃–CH₂–CH₂–OH. В первом случае дано название, а во втором — формула с готовой цепью из трёх атомов углерода. В обоих случаях нужно определить главную цепь и положение гидроксильной группы.

1. В бутаноле главная цепь содержит четыре атома углерода: C–C–C–C.
2. Цифра 2 означает, что группу –OH ставят у второго атома углерода: CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃.
3. В формуле CH₃–CH₂–CH₂–OH три атома углерода, а группа –OH находится у крайнего атома цепи.
4. Название этого вещества — пропан-1-ол: цепь нумеруют от конца с группой –OH.

Ответ: бутан-2-ол — CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃; CH₃–CH₂–CH₂–OH — пропан-1-ол.

Задача 2. Какой объём водорода выделится при реакции 9,2 г этанола с избытком натрия при нормальных условиях? Запишите уравнение и определите количество вещества газа. Масса натрия не ограничивает реакцию, поэтому расчёт ведём по этанолу.

1. Составляем уравнение: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂.
2. Находим молярную массу этанола: M(C₂H₅OH) = 46 г/моль. Тогда n(этанола) = 9,2 / 46 = 0,2 моль.
3. По коэффициентам уравнения 2 моль этанола дают 1 моль H₂, значит n(H₂) = 0,2 / 2 = 0,1 моль.
4. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Поэтому V(H₂) = 0,1 × 22,4 = 2,24 л.

Ответ: выделится 2,24 л водорода. Деление количества этанола на два необходимо из-за соотношения веществ в уравнении.

Задача 3. При сгорании 9,2 г предельного одноатомного спирта образовались 17,6 г CO₂ и 10,8 г H₂O. Найдите молекулярную формулу спирта. Количества продуктов позволяют установить число атомов углерода и водорода, а затем нужно учесть кислород и проверить общий вид формулы.

1. Количество CO₂ равно 17,6 / 44 = 0,4 моль. Значит, в исходном спирте было 0,4 моль атомов углерода.
2. Количество воды равно 10,8 / 18 = 0,6 моль; в ней содержится 1,2 моль атомов водорода. Отношение H:C равно 1,2:0,4, то есть 3:1.
3. Для предельного одноатомного спирта формула CₙH₂ₙ₊₂O, поэтому отношение H:C равно 2 + 2/n. Приравниваем его к 3: 2 + 2/n = 3, откуда n = 2.
4. Подставляем n = 2: получаем C₂H₆O, или C₂H₅OH. Проверка по молярной массе: 9,2 г соответствуют 0,2 моль спирта, а 0,2 × 2 = 0,4 моль CO₂.

Ответ: C₂H₆O (C₂H₅OH), этанол. Совпадение расчётного количества CO₂ с данным подтверждает найденную формулу.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что спирты с одинаковым числом атомов углерода устроены одинаково. Так происходит, если смотреть только на общую формулу и забывать, что группа –OH может находиться в разных местах. Например, пропан-1-ол и пропан-2-ол имеют одинаковый состав, но различное строение. Проверяйте, указано ли в названии положение группы и соответствует ли ему структурная формула.

Вторая ошибка — нумеровать цепь с дальнего от –OH конца. Тогда спирту присваивают неверный номер, хотя правило требует наименьшего возможного номера для группы. Перед названием мысленно пронумеруйте цепь с обоих концов и выберите вариант, в котором –OH получает меньшую цифру. У пропанола группа у второго атома даёт пропан-2-ол, а не пропан-1-ол.

Третья ошибка — включать группу –OH в углеводородный радикал или терять её при составлении формулы. Это нарушает представление о строении и может привести к неправильному числу атомов или валентности. Разделяйте в записи радикал и группу –OH, а затем проверьте, что кислород связан с углеродом и водородом. В уравнении реакции следите за сохранением всех атомов.

Четвёртая ошибка — полагать, что растворимость спирта в воде не зависит от длины цепи. Растворение объясняют взаимодействием группы –OH с водой, но углеводородная часть с ростом молекулы становится всё значительнее. Поэтому растворимость обычно уменьшается от низших спиртов к высшим. Чтобы проверить вывод, сравните не только наличие –OH, но и размер углеводородного радикала.

Связь с другими темами

Для изучения спиртов нужно уметь изображать углеводородные цепи, учитывать валентность атомов и понимать, что такое гомологический ряд и изомерия. Понятие функциональной группы дальше поможет сравнивать спирты с многоатомными спиртами, фенолами, альдегидами и карбоновыми кислотами. Их свойства различаются в том числе из-за вида и положения функциональных групп. Реакции спиртов с натрием, окисление и дегидратация пригодятся при составлении уравнений получения веществ и цепочек превращений.

Что запомнить

• Одноатомный спирт содержит одну группу –OH, связанную с углеводородным радикалом.
• Общая формула предельных одноатомных спиртов — CₙH₂ₙ₊₁OH.
• Соседние спирты гомологического ряда отличаются на группу –CH₂–.
• Положение группы –OH указывают в названии цифрой.
• Водородные связи влияют на физические свойства спиртов.
• Спирты реагируют с активными металлами с выделением водорода.
• При горении спиртов образуются углекислый газ и вода.