§ 12. Многоатомные спирты

Определения и обозначения

Многоатомные спирты — органические вещества, в молекулах которых несколько гидроксильных групп связаны с углеводородным радикалом, то есть с углеродным скелетом. Гидроксильная группа — это группа –OH, характерная для спиртов. Именно число таких групп позволяет отличить многоатомный спирт от одноатомного и понять, какие свойства обусловлены его строением.

В спирте группа –OH связана с атомом углерода углеродного скелета. Она влияет на химические свойства молекулы и на её взаимодействие с водой и другими веществами. Поэтому при определении класса соединения важно найти именно группы –OH, связанные с углеродом, а не просто подсчитать все атомы кислорода в формуле.

Этиленгликоль — простейший двухатомный спирт, содержащий две гидроксильные группы. Его структурную формулу записывают так: HO–CH₂–CH₂–OH. Такая запись показывает, что каждая группа –OH присоединена к своему атому углерода, и помогает связать число групп с названием спирта.

Глицерин — трёхатомный спирт, в молекуле которого три гидроксильные группы. Его структурная формула — HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH. Формула показывает расположение групп –OH и служит основой для объяснения свойств и реакций глицерина.

Как это устроено

У одноатомного спирта одна группа –OH, а у многоатомного — две или более. Число групп определяет, сколько участков молекулы может вступать в характерные взаимодействия и реакции. Например, этиленгликоль содержит две группы, а глицерин — три, поэтому оба вещества относятся к многоатомным спиртам, но имеют разное число функциональных групп.

В структурных формулах группы –OH показывают при атомах углерода, с которыми они связаны. Несколько групп обычно располагаются у разных атомов углерода: например, в этиленгликоле они находятся у двух соседних атомов, а в глицерине — у трёх атомов углеродной цепи. При записи формулы нужно проверять валентность каждого атома углерода: он не может образовать больше четырёх связей, поэтому нельзя механически приписывать ему дополнительные группы.

Кислород в группе –OH притягивает общие электроны сильнее, чем водород и углерод, поэтому связь получается полярной. Между молекулами многоатомных спиртов возникают водородные связи — притяжение между группами –OH соседних молекул. С водой их группы тоже образуют такие связи, поэтому многие многоатомные спирты хорошо растворяются; для разрыва межмолекулярных притяжений требуется значительная энергия, что способствует сравнительно высоким температурам кипения.

Многоатомные спирты, как и одноатомные, реагируют с активными металлами, например с натрием. Металл замещает атомы водорода в группах –OH, а водород выделяется в виде газа; если реагируют все группы, расход металла и количество выделившегося водорода зависят от их числа. Следовательно, в уравнении реакции нужно учитывать каждую группу –OH, а не только одну на всю молекулу.

Есть и отличие: одноатомный спирт обычно не растворяет свежеполученный гидроксид меди(II), а многоатомный спирт с соседними группами –OH может растворить его с образованием ярко-синего раствора. Группы, расположенные рядом, способны взаимодействовать с ионами меди и удерживать их в растворе. Появление ярко-синей окраски поэтому используют как качественную реакцию — признак определённого типа строения, а не доказательство присутствия именно этиленгликоля или глицерина.

Состав, свойства и применение этиленгликоля и глицерина

Сначала сравнивайте структурные формулы: по ним видно число и взаимное расположение групп –OH. Затем сопоставляйте физические свойства и реакции, помня, что ярко-синий раствор с Cu(OH)₂ указывает на подходящее строение, но не различает эти два спирта. Сведения о применении рассматривайте вместе с опасностью: этиленгликоль ядовит.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие вещества относятся к многоатомным спиртам: CH₃OH, HO–CH₂–CH₂–OH, HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH. Назовите два последних вещества. Для решения достаточно внимательно найти группы –OH и подсчитать их в каждой формуле. Затем число групп поможет определить, одноатомный это спирт или многоатомный.

1. В CH₃OH одна группа –OH, поэтому это одноатомный спирт.
2. В HO–CH₂–CH₂–OH две группы –OH; это многоатомный спирт, этиленгликоль.
3. В HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH три группы –OH; это многоатомный спирт, глицерин.

Ответ: многоатомные спирты — HO–CH₂–CH₂–OH (этиленгликоль) и HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH (глицерин).

Задача 2. Составьте уравнение реакции глицерина с натрием, если реагируют все три гидроксильные группы. Каждая группа –OH отдаёт атом водорода, который соединяется с таким же атомом и образует H₂. Поэтому нельзя записать образование только одной молекулы водорода: нужно учесть все три группы и подобрать целые коэффициенты.

1. Запишите формулу глицерина: C₃H₅(OH)₃.
2. При замещении трёх атомов водорода образуется C₃H₅(ONa)₃, для чего требуется 3Na.
3. Три атома водорода дают ³⁄₂H₂; умножьте всё уравнение на 2, чтобы коэффициенты стали целыми.

Ответ: 2C₃H₅(OH)₃ + 6Na → 2C₃H₅(ONa)₃ + 3H₂↑. Проверка показывает, что из двух молекул глицерина замещаются шесть атомов водорода, а шесть атомов натрия образуют три молекулы водорода.

Задача 3. К раствору вещества добавили свежеполученный гидроксид меди(II); осадок растворился с образованием ярко-синего раствора. Какое заключение о веществе можно сделать и чем оно обосновано? Здесь наблюдают характерное изменение, связанное с образованием растворимого комплекса меди с соединением, в котором группы –OH расположены рядом. Но качественная реакция не позволяет установить единственное конкретное вещество.

1. Отметьте наблюдение: осадок Cu(OH)₂ исчез, раствор стал ярко-синим.
2. Сопоставьте его с признаком многоатомных спиртов, имеющих соседние группы –OH.
3. Сделайте вывод о возможном классе вещества, не называя конкретный спирт без дополнительных данных.

Ответ: вещество может быть многоатомным спиртом с соседними группами –OH. Ярко-синий раствор служит качественным признаком такого строения, но сам по себе не доказывает, что это именно этиленгликоль или глицерин.

Типичные ошибки

Ошибка — считать многоатомным спиртом любое органическое вещество, в котором есть несколько атомов кислорода. Кислород может входить в другие функциональные группы, не связанные с углеродом как –OH, поэтому одного подсчёта атомов O недостаточно. Проверьте структурную формулу: группы –OH должны быть связаны с углеродным скелетом.

Иногда несколько групп –OH приписывают одному атому углерода, не проверяя его валентность. Такую запись допускают, если считают группы, но не прослеживают все связи атома. Для проверки изобразите связи: у каждого атома углерода их должно быть не больше четырёх.

Ярко-синюю реакцию с Cu(OH)₂ могут ошибочно приписать любому спирту или считать доказательством конкретного вещества. Однако признак характерен для многоатомных спиртов с подходящим, обычно соседним, расположением групп –OH; обычный одноатомный спирт так себя не проявляет. Проверьте число и расположение групп и формулируйте вывод только о возможном классе соединения.

Сходство внешнего вида этиленгликоля и глицерина иногда заставляет считать их одинаково безопасными. Но этиленгликоль ядовит, и внешний вид не сообщает о токсичности вещества. Проверьте сведения об опасности отдельно и не пробуйте неизвестные жидкости на вкус.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в многоатомных спиртах, нужно знать, что такое углеводородный радикал, функциональная группа и спирт, а также уметь читать структурные формулы. Объяснение растворимости и температур кипения опирается на знания о химических связях и водородных связях. Позже эти понятия пригодятся при изучении других кислородсодержащих органических веществ, качественных реакций и применения органических соединений.

Что запомнить

• Многоатомный спирт содержит в молекуле несколько гидроксильных групп –OH.
• Этиленгликоль — двухатомный спирт HO–CH₂–CH₂–OH.
• Глицерин — трёхатомный спирт HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH.
• Многочисленные группы –OH способствуют образованию водородных связей.
• Многоатомные спирты с соседними группами –OH растворяют свежеполученный Cu(OH)₂ с образованием ярко-синего раствора.
• Этиленгликоль ядовит.