"Химия (базовый уровень)", Габриелян О.С., Остороумов И.Г., Сладков С.А.
Сложные эфиры образуются из карбоновых кислот и спиртов, а жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших кислот. По строению можно объяснить, почему одни эфиры пахнут фруктами, жиры бывают твёрдыми или жидкими, а мыло помогает смывать жир. Важные процессы темы — этерификация и гидролиз: при омылении жира щёлочью получаются глицерин и соли кислот, то есть мыла.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сложные эфиры — органические вещества с функциональной группой –COO– и общим видом R–COOR′. Буквами R и R′ обозначают углеводородные остатки, которые могут быть одинаковыми или разными. В группе –COO– часть атомов происходит от карбоновой кислоты, а часть связана с остатком спирта. Такая запись помогает распознавать эфиры и отличать их от других кислородсодержащих веществ.
Жиры — сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. Молекула глицерина имеет три гидроксильные группы, поэтому может соединиться с тремя кислотными остатками. Остатки бывают одинаковыми или разными, и это влияет на свойства жира. Такое определение показывает, что жир — не отдельная жирная кислота, а соединение определённого строения.
Омыление — гидролиз сложного эфира в щелочной среде, при котором образуются спирт и соль карбоновой кислоты. Гидролизом называют расщепление вещества при взаимодействии с водой; щёлочь направляет процесс к образованию солей. Для жира спиртом-продуктом служит глицерин. Понятие омыления связывает строение жира с получением мыла.
Мыла — соли высших карбоновых кислот, обычно натриевые или калиевые. Их следует отличать от бытовых моющих средств вообще: синтетические средства могут содержать другие вещества и не быть такими солями. Знание состава помогает не путать мыло как химическое соединение с любым продуктом для стирки или мытья.
При взаимодействии карбоновой кислоты со спиртом образуются сложный эфир и вода. Гидроксильная группа кислоты –OH и атом водорода спиртовой группы соединяются в молекулу воды, а оставшиеся части связываются через –COO–. Эту реакцию называют этерификацией. Она обратима, потому что вода способна гидролизовать эфир обратно до кислоты и спирта.
Свойства эфира связаны с размером его молекулы. Многие низшие эфиры сравнительно легко испаряются, а их молекулы могут воздействовать на обонятельные рецепторы, поэтому они часто имеют характерные запахи. Вода хорошо взаимодействует с небольшими полярными молекулами, но углеводородные части эфира с водой смешиваются плохо. Чем длиннее эти части, тем обычно ниже растворимость эфира в воде.
Жиры относят к сложным эфирам, потому что все три гидроксильные группы глицерина могут этерифицироваться кислотами. В результате одна молекула глицерина соединяется с тремя остатками высших карбоновых кислот. Между остатками могут быть связи разного состава, но общий принцип строения остаётся тем же. Именно три эфирные связи объясняют, почему при полном гидролизе одной молекулы жира образуются три кислотных продукта и одна молекула глицерина.
Твёрдые жиры обычно содержат больше остатков насыщенных кислот, а жидкие масла — ненасыщенных, в которых есть двойные связи. Эти связи изменяют форму углеводородных цепей: молекулам сложнее плотно упаковаться, поэтому такие масла чаще плавятся при более низкой температуре. При гидрировании водород присоединяется по двойным связям, и доля насыщенных остатков возрастает. Поэтому жидкое масло можно превратить в более твёрдый жир.
При гидролизе жира в кислой среде получаются глицерин и высшие карбоновые кислоты. В щелочной среде кислоты сразу превращаются в соли, поэтому продуктами становятся глицерин и мыла. Частица мыла имеет часть, взаимодействующую с водой, и углеводородную часть, которая удерживается в жире. Благодаря этому жир распадается на мелкие капли, распределяется в воде и удаляется при смывании.
| Признак | Сложные эфиры | Жиры | Мыла |
|---|---|---|---|
| Строение и характерные части молекулы | Группа –COO– между остатками | Глицерин и три остатка высших кислот | Ионы металла и остаток высшей кислоты |
| Как образуются | Кислота + спирт | Глицерин + высшие кислоты | Щелочной гидролиз жира или нейтрализация кислоты |
| Гидролиз и его продукты | Спирт и кислота либо её соль в щёлочи | Глицерин и кислоты либо их соли | Не является эфиром; соли могут взаимодействовать с кислотами |
| Отношение к воде и растворимость | Зависит от размеров остатков; низшие эфиры могут быть растворимы | В воде практически не растворяются | Растворяются или распределяются в воде; помогают диспергировать жир |
| Практическое применение | Ароматизаторы, растворители, сырьё для синтеза | Пища, запас энергии, сырьё для производства | Мытьё и удаление жирных загрязнений |
Сравнивайте вещества по строению, а затем прослеживайте, как строение влияет на гидролиз и отношение к воде. Строка об образовании показывает связь между кислотой, спиртом, жиром и мылом. Таблица помогает не смешивать исходный жир и соли, которые получаются при его щелочном расщеплении.
Нужно записать уравнение реакции и назвать эфир. Сначала определяем кислоту CH₃COOH и спирт C₂H₅OH, а затем учитываем, что при этерификации образуется вода. Кислотный остаток CH₃COO– соединяется с этильным остатком C₂H₅–. Проверка атомов помогает убедиться, что формула уравнена.
Ответ: CH₃COOC₂H₅ — этиловый эфир уксусной кислоты; реакция обратима.
Дано 0,20 моль тристеарина, требуется найти количество NaOH. В молекуле жира три остатка стеариновой кислоты, поэтому при полном омылении разрываются три эфирные связи. На каждую связь расходуется один моль щёлочи. Значит, соотношение тристеарина и NaOH равно 1:3.
Ответ: потребуется 0,60 моль NaOH.
Из 8,9 г этилового эфира уксусной кислоты нужно найти количество и массу образовавшегося этанола. Записываем гидролиз: CH₃COOC₂H₅ + H₂O ⇄ CH₃COOH + C₂H₅OH. Коэффициенты эфира и этанола равны единице, поэтому их количества вещества одинаковы при полном превращении. Молярная масса эфира C₄H₈O₂ равна 88 г/моль.
Ответ: около 0,10 моль, или 4,65 г этанола.
Ошибка — записывать при этерификации только кислоту и спирт, не указывая воду. Её допускают, потому что внимание сосредоточено на новом эфирном соединении. Проверьте, какие группы удаляются при соединении кислоты и спирта: –OH кислоты и H спирта дают H₂O. В уравнении должны сохраняться все атомы.
Неверно считать жиром любую маслянистую смесь или отдельную жирную кислоту. В быту жиром называют разные продукты, и это мешает увидеть химическое строение. Проверьте определение: жир — триэфир глицерина, связанный с тремя остатками высших кислот. Если глицерина и трёх эфирных связей нет, перед вами не молекула жира такого типа.
При омылении иногда записывают свободные кислоты вместо солей. Так происходит, если забыть, что реакция идёт в щелочной среде. Проверьте реагенты и условия: при наличии NaOH или KOH кислотные остатки переходят в соли соответствующих металлов. Поэтому продуктами будут глицерин и соли, а не глицерин и свободные кислоты.
Нельзя объяснять действие мыла простым растворением жира в воде. Жир почти не смешивается с водой, поэтому одного размешивания недостаточно. У мыла есть части, взаимодействующие и с водой, и с жиром; они помогают раздробить загрязнение на капли и удержать их в воде. Для самопроверки проследите, как частица мыла связывает обе среды.
Для этой темы нужны знания о строении спиртов и карбоновых кислот, их функциональных группах и составлении уравнений реакций. Понятие сложного эфира опирается на умение распознавать кислородсодержащие группы, а омыление — на общее представление о гидролизе. Позже строение жиров поможет изучать липиды и биологические мембраны. Применение мыл связывает органическую химию с бытовой химией и промышленным производством моющих веществ.
Чем сложный эфир отличается от простого эфира?
В сложном эфире есть группа –COO–, связанная с углеводородными частями; он образуется из кислоты и спирта. У простого эфира атом кислорода соединяет два углеводородных остатка: R–O–R′.
Почему реакция этерификации обратима?
В ходе реакции кислота и спирт образуют эфир и воду, но вода может взаимодействовать с эфиром и снова давать кислоту и спирт. Поэтому реакция идёт в обоих направлениях, а удаление воды способствует образованию эфира.
Почему одни жиры твёрдые, а другие жидкие?
В твёрдых жирах обычно больше остатков насыщенных кислот, а в жидких маслах — ненасыщенных, содержащих двойные связи. Такое строение влияет на упаковку молекул и температуру плавления.
Что образуется при омылении жира?
При щелочном гидролизе жира образуются глицерин и соли высших карбоновых кислот. Эти соли и называют мылами.
Как мыло помогает смывать жир водой?
Частицы мыла взаимодействуют с жиром и одновременно могут оставаться в воде. Они помогают раздробить жир на мелкие капли и распределить их в воде, после чего загрязнение смывается.
§ 16. Сложные эфиры. Жиры. Мыла
