§ 15. Спирты

Определения и обозначения

Спирты — органические соединения, содержащие одну или несколько гидроксильных групп, связанных с углеводородным радикалом. Радикал — часть молекулы, образованная из углеводорода удалением атома водорода; например, CH₃– — метильный радикал. Поэтому формулу этанола можно представить как C₂H₅–OH: углеводородная часть соединена с группой –OH. Это определение помогает отличить спирт по строению, а не только по наличию кислорода.

Гидроксильная группа — группа атомов –OH, состоящая из одного атома кислорода и одного атома водорода. В спиртах она непосредственно связана с углеродным атомом углеводородного радикала, например CH₃–OH. В карбоновых кислотах группа –OH входит в состав группы –COOH и связана с тем же углеродом, что и атом кислорода, соединённый двойной связью. Поэтому карбоновую кислоту нельзя считать спиртом только из-за наличия фрагмента –OH.

Одноатомные спирты — это спирты, молекулы которых содержат одну гидроксильную группу. Примеры — метанол CH₃OH и этанол C₂H₅OH; в каждом случае на молекулу приходится одна группа –OH. Такой признак важен для классификации и записи реакций: именно гидроксильная группа участвует, например, во взаимодействии спирта с натрием. Число атомов углерода или водорода на этот признак не влияет.

Многоатомные спирты — спирты, в молекулах которых две или более гидроксильные группы. Например, в этиленгликоле HO–CH₂–CH₂–OH их две, а в глицерине HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH — три. По числу –OH можно определить вид спирта, даже если в его формуле есть другие атомы кислорода. Это различие важно и для сравнения физических свойств веществ.

Как это устроено

Группа –OH соединена с углеводородным радикалом, и именно такое окружение задаёт принадлежность вещества к спиртам. При распознавании формулы нужно проверить, что –OH не входит в состав другой функциональной группы, например –COOH. Функциональной называют группу атомов, от которой зависят характерные свойства класса соединений. Такое чтение формулы помогает не перепутать спирт с карбоновой кислотой, даже если в обеих структурах виден фрагмент –OH.

Спирты делят по числу гидроксильных групп на одноатомные и многоатомные, а по характеру радикала — на предельные, непредельные и ароматические. В предельном радикале между атомами углерода только одинарные связи; пример — этанол. В непредельном есть кратная связь, а ароматический радикал содержит бензольное кольцо. Метанол и этанол — одноатомные предельные спирты, глицерин — многоатомный предельный спирт; такая классификация позволяет описывать строение точнее, чем одним названием класса.

Название спирта образуют от названия соответствующего углеводорода, добавляя суффикс -ол и, если нужно, номер группы –OH. Сначала выбирают самую длинную углеродную цепь, которая содержит углерод, связанный с гидроксильной группой, затем нумеруют её с ближайшего к –OH конца. Например, CH₃CH₂CH(OH)CH₃ — бутан-2-ол: цепь содержит четыре атома углерода, а группа –OH находится у второго. Для формулы важно указать положение группы, иначе можно получить соединение с другим строением.

Связь O–H полярна: кислород сильнее притягивает общую электронную пару, чем водород. Между молекулами спирта возникают водородные связи — притяжение между атомом водорода одной молекулы и атомом кислорода другой. На их разрыв требуется энергия, поэтому температуры кипения спиртов выше, чем у похожих по размеру углеводородов. Вода тоже образует такие связи с –OH, отчего короткоцепочечный этанол смешивается с ней; по мере удлинения неполярной углеводородной части растворимость обычно снижается.

В реакции с активными металлами, например натрием, атом водорода группы –OH замещается металлом и выделяется водород. При горении спирт окисляется кислородом до углекислого газа и воды, если кислорода достаточно. Окисление может идти и мягче: первичный этанол превращается в этаналь, а дальнейшее окисление приводит к уксусной кислоте. Таким образом, реакции зависят от строения: группа –OH определяет взаимодействие с металлом, а тип углеродного атома при ней влияет на продукты окисления.

Строение и свойства некоторых спиртов

Сравнивайте вещества по строкам: так видно, как число групп –OH связано со свойствами, а строение — с применением и опасностью. Формулы помогают проверить число гидроксильных групп, а описание растворимости и реакций показывает, какие свойства стоит ожидать от каждого вещества. Указанные применения не означают, что спирт безопасен для самостоятельного использования.

Разбор задач

1. Название и вид спирта

Назовите спирт состава CH₃CH₂CH(OH)CH₃ и укажите, к какому виду спиртов он относится.

1. Выбираем цепь, содержащую атом углерода с –OH: в ней четыре атома углерода, значит, основа названия — бутан.
2. Нумеруем цепь с ближайшего к –OH конца. Группа присоединена ко второму атому углерода, поэтому название — бутан-2-ол.
3. В формуле одна группа –OH, следовательно, спирт одноатомный. В цепи только одинарные связи, поэтому он также предельный.

Ответ: бутан-2-ол, одноатомный предельный спирт.

2. Этанол и натрий

Составьте уравнение реакции этанола с натрием и найдите количество водорода, выделившегося при взаимодействии 0,20 моль этанола с избытком натрия.

1. В реакции замещается водород группы –OH, а свободный водород образует молекулы H₂. Записываем и уравниваем: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂.
2. По уравнению 2 моль этанола дают 1 моль H₂. Значит, n(H₂) = 0,20 ÷ 2 = 0,10 моль.
3. Проверяем, что натрия достаточно: по условию он взят в избытке, поэтому ограничивающим реагентом является этанол.

Ответ: уравнение реакции приведено выше; выделится 0,10 моль водорода.

3. Полное сгорание этанола

При полном сгорании 9,2 г этанола образовались углекислый газ и вода. Составьте уравнение реакции и вычислите объём CO₂ при н. у.

1. Уравниваем реакцию по атомам: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O. Из уравнения следует, что 1 моль этанола образует 2 моль CO₂.
2. Молярная масса этанола M(C₂H₆O) = 46 г/моль. Количество вещества: n(C₂H₅OH) = 9,2 ÷ 46 = 0,20 моль.
3. Находим количество углекислого газа: n(CO₂) = 0,20 × 2 = 0,40 моль. При н. у. молярный объём газа равен 22,4 л/моль, поэтому V(CO₂) = 0,40 × 22,4 = 8,96 л.

Ответ: уравнение C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O; объём углекислого газа — 8,96 л.

Типичные ошибки

Ошибка: считать спиртом любое соединение, где записана группа –OH. Её допускают, когда ориентируются на отдельный фрагмент, не анализируя всю молекулу. В спирте –OH связана с углеводородным радикалом, а в карбоновой кислоте является частью –COOH. Проверьте, к какому атому или группе присоединена гидроксильная группа.

Ошибка: определять одноатомность по числу атомов кислорода. В многоатомном спирте считаются группы –OH, а не атомы O; кроме того, кислород может входить в состав иных групп. Чтобы проверить классификацию, найдите в структурной формуле все фрагменты –OH. Их одна — спирт одноатомный, две или больше — многоатомный.

Ошибка: начинать нумерацию цепи с конца, удалённого от –OH. Так иногда поступают, потому что сначала замечают разветвление или привычно нумеруют цепь в другом направлении. В названии спирта группа –OH должна получить наименьший возможный номер. Перенумеруйте цепь с обоих концов и выберите вариант, где номер группы меньше.

Ошибка: при реакции спирта с натрием записывать выделяющийся водород как H или не уравнивать реакцию. В свободном состоянии водород образует двухатомные молекулы H₂, а коэффициенты должны сохранять число атомов каждого элемента. Используйте уравнение 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂ и проверьте баланс C, H, O и Na по обе стороны стрелки.

Связь с другими темами

Для изучения спиртов нужно знать, как устроены органические молекулы, что такое углеводородный радикал, и уметь учитывать валентность при составлении формул. Также понадобятся правила уравнивания реакций и расчётов по коэффициентам. Тема продолжает изучение углеводородов и кислородсодержащих соединений. Понимание строения спиртов пригодится при переходе к альдегидам, карбоновым кислотам, углеводам и органическому синтезу.

Что запомнить

• Спирты содержат одну или несколько гидроксильных групп –OH, связанных с углеводородным радикалом.
• Число гидроксильных групп определяет, является спирт одноатомным или многоатомным.
• Положение группы –OH учитывают в названии спирта.
• Водородные связи между молекулами влияют на температуры кипения и растворимость спиртов.
• Спирты реагируют с активными металлами с образованием алкоголятов и водорода.
• При полном сгорании спиртов образуются углекислый газ и вода.
• Метанол ядовит; этанол также опасен для здоровья.