§ 19. Одноатомные предельные спирты

Определения и обозначения

Одноатомные предельные спирты — органические вещества с одной гидроксильной группой, соединённой с предельным углеводородным радикалом. Предельный означает, что между атомами углерода нет двойных и тройных связей. Это определение помогает отличать спирты данного класса от многоатомных спиртов и непредельных соединений.

Гидроксильная группа — функциональная группа –OH, состоящая из атомов кислорода и водорода. Функциональная группа — часть молекулы, которая особенно сильно влияет на её химические свойства. Поэтому именно –OH определяет многие реакции спиртов.

Предельный углеводородный радикал — остаток алкана, образующийся при удалении одного атома водорода. Например, из метана получают радикал –CH₃, а из этана — –C₂H₅. Радикал образует углеродную часть молекулы спирта и влияет на её физические свойства.

Гомологический ряд спиртов — ряд одноатомных предельных спиртов, соседние члены которого отличаются на группу –CH₂–. Так расположены метанол CH₃OH, этанол C₂H₅OH и пропанол C₃H₇OH. Ряд позволяет проследить, как изменение размера молекулы влияет на свойства.

Как это устроено

Строение спирта удобно записывать формулой R–OH: R обозначает углеводородный радикал, а –OH — гидроксильную группу. Для одноатомных предельных спиртов используется формула CₙH₂ₙ₊₁OH, потому что радикал образуется из алкана CₙH₂ₙ₊₂ после удаления одного атома водорода. Например, для этанола при n = 2 получается C₂H₅OH, то есть C₂H₆O.

Связь O–H и связь C–O полярны: кислород сильнее притягивает электроны, поэтому на нём возникает частичный отрицательный заряд. Полярные молекулы спирта притягиваются к молекулам воды и друг к другу, образуя водородные связи. Поэтому спирты растворяются в воде лучше алканов, а для разрыва межмолекулярных связей при кипении требуется сравнительно много энергии.

Название спирта строят по названию самой длинной углеродной цепи, содержащей группу –OH. Цепь нумеруют с конца, ближайшего к этой группе, а её положение указывают цифрой перед суффиксом «-ол»: CH₃–CH₂–CH₂–OH — пропан-1-ол. Такая нумерация нужна, чтобы положение главной функциональной группы получило наименьший номер.

При увеличении углеводородного радикала в гомологическом ряду растёт молекулярная масса и усиливается притяжение между молекулами, поэтому повышается температура кипения. Одновременно полярная часть занимает меньшую долю молекулы, а её углеводородная часть становится относительно значительнее. Поэтому растворимость в воде обычно уменьшается: метанол, этанол и пропанол смешиваются с водой хорошо, а высшие спирты — хуже.

Спирты горят, потому что их углерод и водород окисляются кислородом до CO₂ и H₂O. Натрий замещает водород в группе –OH, поэтому образуются алкоголят натрия и H₂: 2ROH + 2Na → 2RONa + H₂. При окислении первичного спирта сначала получается альдегид, а затем карбоновая кислота; в этих превращениях изменяется состояние углеродного атома, связанного с –OH.

Состав, свойства и реакции одноатомных предельных спиртов

В таблице сначала находят строение вещества, затем по нему определяют название и ожидаемые свойства. Для решения задач особенно полезны формула CₙH₂ₙ₊₁OH и уравнение реакции с натрием. При сравнении спиртов учитывайте одновременно полярную группу –OH и размер углеводородного радикала.

Разбор задач

1. Формулы и названия спиртов

Нужно записать формулы метанола, этанола и пропан-1-ола. Сначала определяем число атомов углерода в названии, затем присоединяем группу –OH к концу цепи. После этого проверяем число атомов водорода по общей формуле CₙH₂ₙ₊₁OH.

1. Метанол: одна углеродная цепь, структурная формула CH₃–OH, молекулярная формула CH₄O.
2. Этанол: цепь из двух атомов углерода, структурная формула CH₃–CH₂–OH, молекулярная формула C₂H₆O.
3. Пропан-1-ол: цепь из трёх атомов углерода, группа –OH у первого атома, структурная формула CH₃–CH₂–CH₂–OH, молекулярная формула C₃H₈O.

Ответ: метанол — CH₃OH и CH₄O; этанол — C₂H₅OH и C₂H₆O; пропан-1-ол — CH₃CH₂CH₂OH и C₃H₈O. Цифра 1 в последнем названии показывает положение гидроксильной группы. Без этой цифры строение может быть указано неполно.

2. Реакция этанола с натрием

Дано: m(C₂H₅OH) = 0,46 г, натрий в избытке. Требуется составить уравнение и найти объём водорода при н. у. Сначала переводим массу этанола в количество вещества, затем используем соотношение коэффициентов 2:1.

1. Уравнение реакции: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂.
2. Молярная масса этанола M = 46 г/моль, поэтому n(C₂H₅OH) = 0,46 / 46 = 0,01 моль.
3. По уравнению n(H₂) = 0,01 / 2 = 0,005 моль.
4. При н. у. Vₘ = 22,4 л/моль, значит V(H₂) = 0,005 · 22,4 = 0,112 л.

Ответ: образуется этилат натрия C₂H₅ONa и выделяется 0,112 л, или 112 мл, водорода. Деление на два обязательно, поскольку две молекулы спирта дают одну молекулу H₂. Избыток натрия означает, что весь этанол может вступить в реакцию.

3. Определение формулы спирта по продуктам горения

Дано: m(спирта) = 4,6 г, m(CO₂) = 8,8 г, m(H₂O) = 5,4 г. По углекислому газу находим количество углерода, а по воде — количество атомов водорода. Затем по разности масс определяем кислород и составляем формулу.

1. n(CO₂) = 8,8 / 44 = 0,2 моль, следовательно, n(C) = 0,2 моль.
2. n(H₂O) = 5,4 / 18 = 0,3 моль, поэтому n(H) = 0,6 моль.
3. m(C) = 0,2 · 12 = 2,4 г, m(H) = 0,6 · 1 = 0,6 г; m(O) = 4,6 − 2,4 − 0,6 = 1,6 г, n(O) = 0,1 моль.
4. Соотношение C:H:O = 0,2:0,6:0,1 = 2:6:1, поэтому формула C₂H₆O.

Формула C₂H₆O соответствует общей формуле одноатомных предельных спиртов и может быть записана как C₂H₅OH. Ответ: искомый спирт — этанол. Проверка по массе подтверждает результат: 2 · 12 + 6 · 1 + 16 = 46 г/моль.

Типичные ошибки

Ошибка — считать спиртом любое вещество, содержащее кислород. Для данного класса обязательна именно группа –OH, связанная с углеводородным радикалом, а не просто атом кислорода. Проверяйте структурную формулу: должна быть запись R–OH и только одна такая группа.

Иногда общую формулу записывают как CₙH₂ₙ₊₂O и забывают о строении. Такая запись показывает только состав и совпадает с формулой некоторых других изомеров, но не указывает, где находится –OH. Проверяйте, что формула преобразуется в CₙH₂ₙ₊₁OH.

При назывании цепь нередко начинают нумеровать с неправильного конца. В результате гидроксильная группа получает больший номер, чем это возможно. Проверьте оба конца цепи и выберите направление с наименьшим номером для –OH.

В реакции с натрием забывают коэффициенты и принимают количество водорода за количество спирта. Уравнение 2ROH + 2Na → 2RONa + H₂ показывает, что водорода в два раза меньше. После расчёта сопоставьте найденные количества с этим соотношением.

Связь с другими темами

Для изучения спиртов нужны знания об алканах: их строении, общей формуле и углеводородных радикалах. Также необходимо уметь различать молекулярную и структурную формулы и применять правила номенклатуры.

Тема служит основой для изучения многоатомных спиртов, фенолов, альдегидов и карбоновых кислот. Сравнение группы –OH в разных веществах помогает понять, почему похожие по составу соединения обладают разными свойствами.

Знания о спиртах применяются в расчётах по уравнениям реакций, задачах на горение, массовую долю элементов и объём газов. Особенно полезны навыки работы с молярной массой и количеством вещества.

Что запомнить

• Одноатомные предельные спирты содержат одну группу –OH.
• Общая формула спиртов этого класса — CₙH₂ₙ₊₁OH.
• Гидроксильная группа определяет характерные химические свойства спиртов.
• Названия спиртов имеют суффикс «-ол», а положение группы –OH указывают цифрой.
• Низшие спирты хорошо растворяются в воде благодаря водородным связям.
• Спирты горят с образованием углекислого газа и воды.
• При взаимодействии спиртов с активными металлами выделяется водород.