§ 16. Предельные одноатомные спирты: химические свойства, применение и получение

Определения и обозначения

Предельный одноатомный спирт — органическое соединение с одной гидроксильной группой –OH, связанной с насыщенным атомом углерода. Общая формула таких веществ — C_nH_2n+1OH. Она помогает распознавать состав спиртов и выводить формулы отдельных представителей, например этанола C₂H₅OH.

Гидроксильная группа –OH — функциональная группа спиртов. Функциональная группа — часть молекулы, которая особенно сильно влияет на её химическое поведение. Поэтому именно наличие –OH объясняет реакции спиртов с натрием, окисление и дегидратацию.

Окисление спирта — превращение спирта в другие органические вещества под действием окислителя. Окислитель принимает электроны или добавляет кислород, а итог зависит от строения спирта и условий реакции. Первичные и вторичные спирты при этом дают разные продукты.

Дегидратация спирта — отщепление от его молекулы воды. Если вода уходит из одной молекулы, образуется алкен, а если взаимодействуют две молекулы спирта, получается простой эфир. Термин помогает отличать два направления реакции при нагревании.

Как это устроено

Свойства спирта связаны с двумя важными связями его молекулы. Связь O–H полярна: кислород сильнее притягивает общую электронную пару, поэтому водород может замещаться активным металлом. Связь C–O тоже полярна и при определённых условиях может разрываться, что позволяет проводить замещение или отщепление.

При реакции с натрием замещается не фрагмент C–O, а водород гидроксильной группы. Натрий отдаёт электрон, а образующийся атомарный водород соединяется с другим таким же атомом в молекулу H₂. Общая схема: 2ROH + 2Na → 2RONa + H₂↑, например 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑.

При горении углерод спирта полностью окисляется до CO₂, а водород — до H₂O. Чтобы составить уравнение, сначала ставят коэффициент 2n перед CO₂ и коэффициент n + 1 перед H₂O для формулы C_nH_2n+1OH, затем уравнивают кислород. Для этанола получается C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O.

В первичном спирте углерод с группой –OH связан только с одним углеродом, поэтому при окислении от него могут отщепиться водород и образоваться альдегид. Дальнейшее присоединение кислорода превращает альдегид в карбоновую кислоту. Вторичный спирт связан с двумя углеродными группами, поэтому он окисляется до кетона, например пропан-2-ол — до пропанона.

При нагревании спирта с кислотой вода может отщепляться двумя способами. При внутримолекулярной дегидратации атомы уходят из соседних частей одной молекулы, и между углеродами возникает двойная связь: образуется алкен. При межмолекулярной дегидратации две молекулы соединяются через кислород, поэтому образуется простой эфир; температура и соотношение реагентов направляют процесс.

Химические свойства предельных одноатомных спиртов

В таблице сначала найдите тип превращения, затем сопоставьте его с условиями и продуктом. Схема показывает общую закономерность, а пример помогает перенести её на конкретное вещество. Обозначение [O] используют как условную запись окислителя.

Разбор задач

1. Какой объём водорода выделится при взаимодействии 9,2 г этанола с избытком натрия?

Натрий взят в избытке, поэтому количество водорода определяет этанол. В реакции две молекулы спирта образуют одну молекулу H₂. Сначала найдём количество этанола, затем по уравнению — количество и объём газа.

1. Запишем уравнение: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑.
2. Молярная масса этанола M = 46 г/моль, поэтому n(C₂H₅OH) = 9,2 / 46 = 0,2 моль.
3. По соотношению 2 : 1 получаем n(H₂) = 0,2 / 2 = 0,1 моль.
4. При н. у. V_m = 22,4 л/моль, значит V(H₂) = 0,1 · 22,4 = 2,24 л.

Ответ: выделится 2,24 л водорода при нормальных условиях.

2. Запишите уравнения последовательного окисления этанола до уксусной кислоты и укажите промежуточное соединение.

Этанол является первичным спиртом, поэтому его окисление идёт через альдегид. Для этанола промежуточным соединением будет этаналь, или уксусный альдегид. Затем альдегид окисляется до уксусной кислоты.

1. Первый этап: C₂H₅OH + [O] → CH₃CHO + H₂O.
2. Промежуточный продукт CH₃CHO — этаналь, относящийся к альдегидам.
3. Второй этап: CH₃CHO + [O] → CH₃COOH.
4. Складывая этапы, видим переход от спирта к альдегиду, а затем к карбоновой кислоте.

Ответ: C₂H₅OH → CH₃CHO → CH₃COOH; промежуточное соединение — этаналь.

3. Из этена необходимо получить этанол, а затем сжечь его. Запишите уравнения обеих реакций и вычислите объём кислорода, нужный для полного сгорания 2 моль этанола.

Сначала к двойной связи этена присоединяется вода, то есть происходит гидратация алкена. Полученный этанол сгорает по уравнению полного окисления. Коэффициент перед кислородом показывает, что на 1 моль этанола требуется 3 моль O₂.

1. Гидратация: C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH, обычно в присутствии кислотного катализатора.
2. Горение: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O.
3. Для 2 моль спирта нужно n(O₂) = 2 · 3 = 6 моль.
4. Объём при н. у.: V(O₂) = 6 · 22,4 = 134,4 л.

Ответ: C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH; для сгорания 2 моль этанола требуется 134,4 л O₂.

Типичные ошибки

Замещение не той связи. Иногда считают, что натрий разрывает связь C–O. На самом деле замещается водород группы –OH, поэтому в продукте сохраняется связь C–O и образуется алкоголят. Проверка: в уравнении должны появиться RONa и H₂.

Неправильное количество водорода. Запись ROH + Na → RONa + H₂ не уравнена: справа два атома водорода, а слева один. Нужны две молекулы спирта и два атома натрия. Проверяйте число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки.

Смешение продуктов окисления. Первичный спирт ошибочно превращают сразу в кетон, хотя его первый продукт — альдегид. Вторичный спирт, напротив, даёт кетон. Определите, со сколькими углеродными группами связан атом углерода при –OH.

Неверный продукт дегидратации. Условия около 140 °C обычно способствуют межмолекулярному образованию эфира, а более сильное нагревание — внутримолекулярному образованию алкена. Ошибка возникает, если не указать температуру и не проверить число молекул спирта. В реакции с алкеном одна молекула спирта теряет воду, а в реакции с эфиром участвуют две.

Связь с другими темами

• Для понимания спиртов нужны знания о строении органических веществ, валентности углерода, функциональных группах и составлении уравнений реакций. Эти основы помогают распознавать формулы и расставлять коэффициенты.
• Спирты связаны с алкенами и галогеналканами: из алкенов их получают гидратацией, а из галогеналканов — гидролизом. Поэтому свойства исходных веществ подсказывают способы синтеза спиртов.
• Дальше знания о спиртах понадобятся при изучении альдегидов, карбоновых кислот и простых эфиров. Реакции окисления и дегидратации показывают, как органические вещества переходят друг в друга.

Что запомнить

• Предельные одноатомные спирты имеют общую формулу C_nH_2n+1OH.
• Гидроксильная группа –OH определяет характерные свойства спиртов.
• При реакции спирта с натрием образуются алкоголят и водород.
• Первичные спирты при окислении дают альдегиды, вторичные — кетоны.
• Дегидратация спиртов может приводить к алкенам или простым эфирам.
• Этанол можно получить гидратацией этена и брожением глюкозы.
• Спирты применяют как растворители, топливо и сырьё для химического синтеза.