§ 20. Многоатомные спирты

Определения и обозначения

Многоатомный спирт — органическое соединение, содержащее две или более гидроксильные группы –OH, связанные с насыщенными атомами углерода. Гидроксильная группа — функциональная группа, определяющая многие свойства спиртов. Число таких групп помогает отличить многоатомный спирт от одноатомного.

Этиленгликоль — двухатомный спирт состава HO–CH₂–CH₂–OH; его систематическое название — этан-1,2-диол. Он используется в антифризах и других охлаждающих жидкостях, но ядовит. Обозначения 1,2 показывают положение гидроксильных групп в цепи.

Глицерин — трёхатомный спирт состава HO–CH₂–CHOH–CH₂–OH, систематическое название — пропан-1,2,3-триол. Это бесцветная вязкая жидкость, хорошо смешивающаяся с водой. Три группы –OH объясняют его гигроскопичность и широкое применение.

Качественная реакция на многоатомные спирты — взаимодействие со свежеполученным гидроксидом меди(II), Cu(OH)₂. Голубой осадок растворяется, и появляется ярко-синий раствор комплексного соединения. Такая реакция позволяет обнаружить некоторые многоатомные спирты среди других органических веществ.

Как это устроено

Принадлежность к многоатомным спиртам определяется не количеством атомов кислорода, а числом групп –OH. Две или более такие группы должны быть присоединены к насыщенным атомам углерода, то есть к атомам, связанным только одинарными связями. Например, этиленгликоль содержит две группы –OH, а этанол — только одну.

Многоатомные спирты образуют отдельный класс, потому что несколько гидроксильных групп одновременно влияют на свойства одной молекулы. У одноатомного спирта одна группа –OH определяет реакционную способность, а у многоатомного таких центров несколько. Поэтому в реакциях может участвовать каждая группа, хотя её поведение зависит и от соседних атомов.

Формулу и название строят по углеродной цепи. В этиленгликоле два атома углерода образуют цепь этан, а группы –OH находятся у первого и второго атомов: этан-1,2-диол. В глицерине три атома углерода и три группы –OH, поэтому название — пропан-1,2,3-триол.

Многоатомные спирты хорошо растворяются в воде, потому что их группы –OH образуют с водой водородные связи. Те же связи притягивают молекулы друг к другу, поэтому для кипения требуется больше энергии, чем у похожих веществ с одной группой –OH. Межмолекулярное сцепление также объясняет вязкость и способность глицерина удерживать влагу, то есть его гигроскопичность.

Химические свойства многоатомных спиртов связаны с группами –OH. Они реагируют с активными металлами с выделением водорода, горят с образованием углекислого газа и воды, а при этерификации образуют сложные эфиры. Со свежим Cu(OH)₂ некоторые из них дают ярко-синий раствор комплексного соединения, что используют как качественную реакцию.

Состав, строение и свойства важнейших многоатомных спиртов

Таблица помогает сравнить два главных представителя и отделить их индивидуальные признаки от общих свойств класса. В строке о формулах смотрите на число атомов углерода и групп –OH, а в строке о названии — на их положение. Уравнения реакций показывают, что в превращениях учитываются все гидроксильные группы.

Разбор задач

Задача 1. Распознавание веществ

Для веществ HO–CH₂–CH₂–OH, CH₃–CH₂–OH и HO–CH₂–CHOH–CH₂–OH определим класс, число гидроксильных групп и названия. Сначала нужно пересчитать именно группы –OH, а затем выбрать главную углеродную цепь. Такой порядок не позволяет принять атом кислорода за отдельную гидроксильную группу.

1. В HO–CH₂–CH₂–OH две группы –OH, значит это многоатомный спирт; название — этан-1,2-диол, или этиленгликоль.
2. В CH₃–CH₂–OH одна группа –OH, значит это одноатомный спирт; название — этанол.
3. В HO–CH₂–CHOH–CH₂–OH три группы –OH, значит это многоатомный спирт; название — пропан-1,2,3-триол, или глицерин.

Ответ: этиленгликоль — двухатомный спирт, этанол — одноатомный, глицерин — трёхатомный. Положение групп указано цифрами в систематических названиях.

Задача 2. Реакция глицерина с натрием

Рассчитаем объём водорода, выделившегося при взаимодействии 9,2 г глицерина с избытком натрия. Молярная масса глицерина C₃H₈O₃ равна 92 г/моль. В реакции участвуют все три группы –OH.

1. Записываем уравнение: 2C₃H₅(OH)₃ + 6Na → 2C₃H₅(ONa)₃ + 3H₂.
2. Находим количество глицерина: n = 9,2 г / 92 г/моль = 0,10 моль.
3. По уравнению 1 моль глицерина образует 1,5 моль H₂, поэтому n(H₂) = 0,10 · 1,5 = 0,15 моль.
4. При н. у. Vₘ = 22,4 л/моль, значит V(H₂) = 0,15 · 22,4 = 3,36 л.

Ответ: выделится 3,36 л водорода при нормальных условиях. На реакцию израсходуется 0,30 моль натрия.

Задача 3. Различение трёх спиртов

Нужно различить этанол, этиленгликоль и глицерин доступными реактивами. Сначала используют свежий Cu(OH)₂, а затем учитывают количество гидроксильных групп по объёму выделившегося водорода. Работать с натрием следует только в безопасных лабораторных условиях.

1. К отдельным пробам добавляют свежий Cu(OH)₂: с этанолом остаётся голубой осадок, а с этиленгликолем и глицерином он растворяется с образованием ярко-синего раствора.
2. Для подтверждения к пробам добавляют избыток натрия: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂; HO–CH₂–CH₂–OH + 2Na → NaO–CH₂–CH₂–ONa + H₂.
3. Для глицерина: 2C₃H₅(OH)₃ + 6Na → 2C₃H₅(ONa)₃ + 3H₂. При одинаковом количестве вещества спиртов объёмы H₂ относятся как 1 : 2 : 3 для этанола, этиленгликоля и глицерина.

Ответ: этанол определяют отсутствием синего раствора, а два многоатомных спирта различают по количеству водорода при одинаковом количестве вещества. Одна только реакция с Cu(OH)₂ отличает этанол от многоатомных спиртов, но не всегда разделяет их между собой.

Типичные ошибки

Ошибка: считать спирт многоатомным из-за нескольких атомов кислорода. Её допускают, когда не различают атом кислорода и группу –OH. Проверьте структурную формулу и пересчитайте именно фрагменты –OH.

Ошибка: присоединять несколько гидроксильных групп к одному атому углерода или нарушать его валентность. Причина — механическая запись формулы без проверки числа связей. У каждого атома углерода должно быть четыре валентные связи, а в обычных формулах этих спиртов группы –OH распределены по цепи.

Ошибка: в реакции с натрием учитывать только одну группу –OH. Так получают неверный расход металла и объём водорода. Сначала посчитайте гидроксильные группы в одной молекуле, затем поставьте соответствующий коэффициент.

Ошибка: описывать пробу с Cu(OH)₂ как появление обычного голубого осадка. Голубой осадок получают при добавлении реактива, но у подходящего многоатомного спирта он растворяется. Самостоятельная проверка — записать наблюдение полностью: появляется ярко-синий раствор комплекса.

Связь с другими темами

Для изучения многоатомных спиртов нужны знания о строении органических веществ, валентности углерода, функциональной группе –OH и свойствах одноатомных спиртов. Без этого трудно правильно составить структурную формулу и уравнять реакцию.

Тема продолжает раздел о химических свойствах спиртов: многоатомные спирты также реагируют с активными металлами, горят и вступают в этерификацию. Несколько групп –OH лишь усиливают влияние водородных связей и меняют соотношение реагентов.

Знания пригодятся при изучении сложных эфиров, жиров, углеводов и органического синтеза. Они также помогают понять применение глицерина и опасность этиленгликоля, который токсичен.

Что запомнить

• Многоатомные спирты содержат две или более гидроксильные группы.
• Гидроксильные группы должны быть связаны с насыщенными атомами углерода.
• Этиленгликоль — двухатомный спирт, а глицерин — трёхатомный.
• Чем больше гидроксильных групп, тем сильнее влияние водородных связей на физические свойства вещества.
• Многоатомные спирты реагируют с активными металлами с выделением водорода.
• Свежий Cu(OH)₂ используют для качественного обнаружения многих многоатомных спиртов.
• Этиленгликоль ядовит, а глицерин широко применяется благодаря растворимости, вязкости и гигроскопичности.