Химические свойства предельных одноатомных спиртов

Определения и обозначения

Гидроксильная группа — группа –OH, определяющая характерные химические свойства спиртов. Связь O–H полярна, а потому в реакциях может изменяться или разрываться. Это обозначение помогает понять, какая часть молекулы участвует в превращениях спирта.

Дегидратация — отщепление молекулы воды от спирта; она бывает внутримолекулярной и межмолекулярной. В первом случае реагирует одна молекула, во втором соединяются две молекулы спирта. Различие нужно учитывать, чтобы определить, получится алкен или простой эфир.

Дегидрирование — отщепление водорода от молекулы спирта с образованием карбонильного соединения. Карбонильными называют вещества с группой C=O, например альдегиды и кетоны. Термин помогает отличать потерю водорода от отщепления воды.

Окисление спирта — превращение спирта в более окисленное соединение; результат зависит от строения спирта и условий. При этом меняются связи атомов углерода, а не только присутствие кислорода в молекуле. Это определение позволяет заранее оценить, какой органический продукт возникнет.

Как это устроено

Атом кислорода сильнее притягивает общую электронную пару в связи O–H, поэтому на водороде возникает частичный положительный заряд. Активный металл, например натрий, способен заменить этот водород, а атомы металла связываются с кислородом. Образуются алкоголят и молекулярный водород: 2ROH + 2Na → 2RONa + H₂. Для выделения одной молекулы H₂ нужны два атома водорода, поэтому в уравнении стоят коэффициенты 2 перед спиртом и натрием.

Галогеноводород приносит в реакцию атом галогена, а группа –OH в итоге уходит вместе с водородом в составе воды. Поэтому углеродный скелет спирта превращается в галогеналкан: ROH + HX → RX + H₂O. Такое замещение не означает, что от молекулы просто отрывается вся группа –OH без других изменений. Важно проследить, какие атомы переходят в каждый продукт.

При нагревании с концентрированной серной кислотой спирт может потерять воду, но результат зависит от того, откуда именно удаляются атомы водорода и кислорода. Если они уходят из одной молекулы, между соседними атомами углерода образуется двойная связь и получается алкен. Если взаимодействуют две молекулы, их остатки соединяются через атом кислорода и дают простой эфир. Температура влияет на то, какое из этих направлений становится преимущественным.

При окислении первичного спирта группа у крайнего атома углерода превращается в альдегидную группу –CHO. У вторичного спирта атом углерода с –OH связан с двумя другими атомами углерода, поэтому при окислении возникает кетонная группа C=O внутри цепи. Третичный спирт устроен иначе: у такого атома углерода нет атома водорода, который можно было бы удалить при обычном окислении. Поэтому третичные спирты в привычных школьных условиях окисляются значительно труднее.

При полном сгорании органический скелет спирта разрушается, а углерод и водород переходят в наиболее устойчивые продукты — CO₂ и H₂O. Сначала по формуле спирта определяют число атомов углерода и водорода, а затем ставят нужное число молекул углекислого газа и воды. В конце уравнивают кислород с учётом кислорода, уже содержащегося в спирте. Избыток кислорода и нагревание обеспечивают полное сгорание.

Химические свойства предельных одноатомных спиртов

Сначала найдите в таблице тип превращения, затем проверьте реагенты и условия: они помогают выбрать продукт. При решении задачи отдельно проследите за атомами, которые переходят в продукты, и уравняйте число атомов с обеих сторон.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение реакции этанола с натрием и укажите, какое вещество выделяется.

1. Записываем формулу этанола: C₂H₅OH. При реакции с натрием замещается водород именно гидроксильной группы, поэтому образуется C₂H₅ONa.
2. Второй продукт — водород H₂. Для его молекулы нужны два атома водорода, значит, реагируют две молекулы этанола и два атома натрия.
3. Проверяем число атомов и записываем уравнение: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂.

Ответ: образуется этилат натрия и выделяется водород H₂.

Задача 2. Для этанола запишите уравнения внутримолекулярной и межмолекулярной дегидратации, указав условия и продукты.

1. У этанола формула C₂H₅OH. При внутримолекулярном отщеплении воды от одной молекулы остаётся два атома углерода, между которыми возникает двойная связь.
2. При нагревании с концентрированной H₂SO₄ примерно до 170 °C записываем: C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O. Органический продукт — этен (этилен).
3. При межмолекулярной дегидратации соединяются остатки двух молекул этанола через атом кислорода. При более низкой температуре, примерно 140 °C, уравнение такое: 2C₂H₅OH → C₂H₅–O–C₂H₅ + H₂O.

Ответ: при внутримолекулярной реакции получается этен, при межмолекулярной — диэтиловый эфир. Для обоих превращений нужна концентрированная серная кислота, но температура различается.

Задача 3. При окислении пропан-1-ола и пропан-2-ола определите органические продукты и запишите уравнения превращений.

1. Определяем положение –OH. В пропан-1-оле она находится у крайнего атома углерода, поэтому это первичный спирт, а в пропан-2-оле — у среднего, поэтому он вторичный.
2. Первичный спирт при окислении даёт альдегид, пропаналь CH₃CH₂CHO. Для записи используем CuO как окислитель: CH₃CH₂CH₂OH + CuO → CH₃CH₂CHO + Cu + H₂O.
3. Вторичный спирт окисляется до кетона — пропанона CH₃COCH₃: CH₃CHOHCH₃ + CuO → CH₃COCH₃ + Cu + H₂O.

Ответ: из пропан-1-ола образуется пропаналь, из пропан-2-ола — пропанон. Тип продукта определяют по положению гидроксильной группы в исходном спирте.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что спирты реагируют со щелочами так же, как фенолы. Её допускают, потому что и у спиртов, и у фенолов есть группа –OH, но кислотные свойства спиртов недостаточны для обычной реакции со щёлочью. Проверьте себя: не переносите свойства фенола на спирт только из-за общего фрагмента –OH.

Ошибка — забывать о выделении водорода при реакции с натрием или ставить неверные коэффициенты. Часто учитывают образование алкоголята, но не замечают, что два атома водорода образуют молекулу H₂. Проверка проста: пересчитайте атомы каждого элемента слева и справа, включая водород.

Ошибка — путать продукты двух видов дегидратации. В обоих случаях отщепляется вода, поэтому кажется, что результат должен быть одинаковым, но при внутримолекулярном процессе получается алкен, а при межмолекулярном — простой эфир. Сверьте, участвует одна молекула спирта или две, и учитывайте условия реакции.

Ошибка — утверждать, что любой спирт при окислении даёт альдегид. Так рассуждают, если запомнили только пример с первичным спиртом, но не определили положение группы –OH. Сначала установите тип спирта: первичный даёт альдегид, вторичный — кетон, а третичный в обычных условиях окисляется труднее.

Связь с другими темами

Для изучения реакций спиртов нужно знать их строение, функциональную группу –OH, типы химических связей и правила составления уравнений. Превращения спиртов связывают тему с галогеналканами, алкенами и простыми эфирами, а окисление ведёт к изучению альдегидов и кетонов. Сравнение строения и свойств помогает увидеть различия спиртов, фенолов и карбоновых кислот. Так знакомая группа атомов становится отправной точкой для объяснения разных свойств веществ.

Что запомнить

• Химические свойства спиртов во многом связаны с гидроксильной группой.
• Активные металлы замещают водород группы –OH; выделяется водород.
• При дегидратации спирта могут образоваться алкен или простой эфир.
• Первичные спирты при окислении дают альдегиды, вторичные — кетоны.
• При полном сгорании спирта образуются углекислый газ и вода.
• Условия реакции влияют на направление превращения спирта.