"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Гара Н.Н.
Предельные одноатомные спирты — органические вещества с одной группой −OH и одинарными связями в углеводородной части молекулы. Их состав описывает формула CₙH₂ₙ₊₁OH: соседние представители отличаются на группу −CH₂−. Полярная группа −OH помогает спиртам взаимодействовать друг с другом и с водой, а углеводородная часть влияет на растворимость. По строению можно объяснить, почему с удлинением цепи обычно растёт температура кипения, но падает растворимость в воде.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Предельные одноатомные спирты — класс органических веществ, молекулы которых содержат одну гидроксильную группу −OH, а углеводородный радикал имеет только одинарные связи. «Предельные» означает, что углеродная цепь не содержит двойных или тройных связей. Это определение помогает отличить такие спирты от непредельных соединений и веществ с несколькими группами −OH.
Гидроксильная группа −OH состоит из атомов кислорода и водорода и входит в состав молекулы спирта, присоединяясь к углеродному атому. Её нельзя считать отдельной молекулой или частью, не учитываемой в формуле вещества. Именно присутствие группы −OH определяет принадлежность соединения к спиртам и влияет на его физические свойства.
Гомологический ряд спиртов — последовательность соединений одного класса с общей формулой и сходным строением, в которой соседние представители отличаются на группу −CH₂−. При переходе к следующему веществу углеродная цепь удлиняется на один атом углерода. Понятие ряда помогает предсказывать изменения состава и свойств веществ.
Общая формула предельных одноатомных спиртов — CₙH₂ₙ₊₁OH, или CₙH₂ₙ₊₂O, где n — число атомов углерода. Она применима к спиртам с одной группой −OH и насыщенной углеродной цепью; для метанола n = 1, для этанола n = 2. Первая запись наглядно отделяет радикал от группы −OH, а вторая показывает общий состав молекулы.
Молекулу предельного одноатомного спирта удобно представить как алкан, в котором один атом водорода заменён на группу −OH. У алкана с n атомами углерода формула CₙH₂ₙ₊₂, поэтому после замены остаётся радикал CₙH₂ₙ₊₁, а к нему присоединяется −OH. Получается формула CₙH₂ₙ₊₁OH; число водородов в записи с учётом группы даёт CₙH₂ₙ₊₂O.
В молекуле различают углеводородный радикал и полярную группу −OH. Кислород сильнее притягивает общую электронную пару, чем водород, поэтому связь O−H полярна: на атоме кислорода возникает частичный отрицательный заряд, а на водороде — частичный положительный. Между молекулами спирта и молекулами воды могут возникать водородные связи — притяжение между такими участками; на их разрыв требуется энергия.
Подставляя n = 1, 2, 3 и 4 в общую формулу, получаем метанол CH₃OH, этанол C₂H₅OH, пропан-1-ол C₃H₇OH и бутан-1-ол C₄H₉OH. В названиях число перед окончанием «-ол» указывает на длину цепи, а «1» показывает, что группа −OH находится у первого атома углерода. От каждого вещества к следующему добавляется фрагмент −CH₂−, поэтому ряд называют гомологическим.
Температуры кипения и плавления обычно повышаются с увеличением молекулярной массы: более крупные молекулы сильнее притягиваются друг к другу. У спиртов к этому добавляются водородные связи между группами −OH, поэтому для кипения нужно преодолеть заметное межмолекулярное притяжение. Группа −OH объясняет сравнительно высокие температуры кипения спиртов по сравнению с углеводородами близкой молекулярной массы.
Низшие спирты хорошо смешиваются с водой, потому что группа −OH может образовывать водородные связи с её молекулами. Чем длиннее углеводородная часть, тем большую долю молекулы составляет неполярный фрагмент, плохо взаимодействующий с водой. Поэтому растворимость снижается; первые представители ряда при комнатной температуре являются жидкостями.
В таблице видно, как состав молекул и физические свойства меняются при переходе от одного гомолога к следующему. Значения температур кипения и растворимости приблизительны и относятся к обычному давлению и комнатным условиям. Сопоставляйте их не только с числом атомов углерода, но и с тем, как меняется соотношение полярной и неполярной частей.
| Показатель | Метанол | Этанол | Пропан-1-ол | Бутан-1-ол | Изменение в гомологическом ряду |
|---|---|---|---|---|---|
| Молекулярная формула | CH₄O | C₂H₆O | C₃H₈O | C₄H₁₀O | Добавляется −CH₂− |
| Сокращённая структурная формула | CH₃OH | CH₃CH₂OH | CH₃CH₂CH₂OH | CH₃CH₂CH₂CH₂OH | Удлиняется углеродная цепь |
| Число атомов углерода | 1 | 2 | 3 | 4 | Увеличивается на 1 |
| Молярная масса | 32 г/моль | 46 г/моль | 60 г/моль | 74 г/моль | Увеличивается примерно на 14 г/моль |
| Агрегатное состояние при комнатной температуре | Жидкость | Жидкость | Жидкость | Жидкость | Все перечисленные — жидкости |
| Растворимость в воде | Смешивается | Смешивается | Смешивается | Ограниченная, около 8 г на 100 г воды | В целом уменьшается |
| Температура кипения | 64,7 °C | 78,4 °C | 97,2 °C | 117,7 °C | В целом повышается |
| Изменение углеводородной части и физические свойства | Самая короткая | На один C больше | Цепь длиннее | Самая длинная | Растут молярная масса и температура кипения, снижается растворимость в воде |
Задача 1. Для формулы C₃H₇OH определите название спирта, число атомов каждого элемента и принадлежность к гомологическому ряду. Сначала узнаём, есть ли характерная группа −OH, затем определяем число атомов углерода. Это позволяет назвать вещество и проверить, соответствует ли его состав общей формуле.
Ответ: пропан-1-ол, C₃H₈O; в молекуле 3 атома углерода, 8 атомов водорода и 1 атом кислорода. Это представитель гомологического ряда предельных одноатомных спиртов.
Задача 2. Составьте молекулярную и сокращённую структурную формулы пентан-1-ола и вычислите его относительную молекулярную массу. Приставка «пентан-» означает пять атомов углерода, а цифра 1 указывает положение группы −OH. Сначала подставим n = 5 в общую формулу, затем посчитаем массу по относительным атомным массам.
Ответ: молекулярная формула C₅H₁₂O, сокращённая структурная формула CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂OH, относительная молекулярная масса Mᵣ = 88. При расчёте нельзя забывать водород из группы −OH.
Задача 3. Сравните растворимость в воде и температуры кипения этанола и бутан-1-ола. Оба вещества имеют по одной группе −OH, значит, оба могут образовывать водородные связи. Различие нужно объяснять не исчезновением группы, а удлинением углеводородной части бутанола.
Ответ: этанол растворяется в воде лучше, чем бутан-1-ол, а кипит при более низкой температуре. Причина различий — увеличение неполярной углеводородной части и молекулярной массы при сохранении группы −OH.
Записывают для спиртов формулу алкенов CₙH₂ₙ, потому что замечают похожий индекс n и не учитывают группу −OH. Но формула спиртов — CₙH₂ₙ₊₁OH, а при подсчёте всех атомов — CₙH₂ₙ₊₂O. Проверьте себя подсчётом водорода: отдельно учтите его в радикале и в группе −OH.
Иногда гидроксильную группу считают заместителем «вне» углеродной цепи и не включают в состав молекулы. На деле атом кислорода и атом водорода из −OH входят в молекулярную формулу. Проверка простая: пересчитайте все символы в структурной формуле и сравните их с формулой вещества.
Одноатомные спирты ошибочно понимают как вещества, состоящие из одной молекулы спирта. Термин обозначает не количество молекул, а число гидроксильных групп в одной молекуле. Чтобы проверить название класса, найдите все группы −OH: если она одна, спирт одноатомный.
Высокую растворимость всех спиртов объясняют только наличием −OH и забывают об углеводородном радикале. Группа способствует взаимодействию с водой, но неполярная часть мешает ему, и её влияние растёт с длиной цепи. Сравните низший и высший спирты: если радикал длиннее, растворимость обычно меньше.
Для понимания спиртов нужны знания о строении атома углерода, его валентности, ковалентной связи и алканах. Сравнение с гомологическим рядом алканов помогает вывести формулу спиртов и понять, откуда берётся фрагмент −CH₂−. Полярность молекул и водородная связь объясняют растворимость и температуры кипения. Позже строение спиртов поможет разбирать их химические свойства, окисление, получение этанола и применение в промышленности и быту.
Почему спирты относят к кислородсодержащим органическим веществам?
В молекулах спиртов есть атомы углерода и водорода, образующие углеводородную часть, и атом кислорода в группе −OH. Поэтому спирты относятся к органическим веществам, содержащим кислород.
Чем предельный одноатомный спирт отличается от алкана?
В алкане все связи между атомами углерода одинарные, а атомы водорода связаны с углеродным скелетом. В спирте один атом водорода заменён группой −OH, поэтому появляется кислород и меняются свойства вещества.
Почему формулу спирта можно записать как CₙH₂ₙ₊₁OH и как CₙH₂ₙ₊₂O?
Запись CₙH₂ₙ₊₁OH отдельно показывает углеводородную часть и группу −OH. Если посчитать атомы вместе, получится CₙH₂ₙ₊₂O: атомы водорода из радикала и группы дают 2n + 2.
Почему этанол хорошо смешивается с водой, а растворимость высших спиртов уменьшается?
Группа −OH спирта способна образовывать водородные связи с молекулами воды, поэтому низшие спирты хорошо растворяются. При удлинении углеводородной цепи возрастает неполярная часть, которая хуже взаимодействует с водой.
Почему температуры кипения спиртов растут с увеличением длины углеродной цепи?
Молекулы спиртов удерживаются друг возле друга водородными связями, а с ростом молекулярной массы усиливается и межмолекулярное притяжение. Чтобы разделить молекулы при кипении, требуется больше энергии, поэтому температура кипения обычно повышается.
§ 18. Предельные одноатомные спирты. Гомологический ряд. Состав, строение и физические свойства
