§ 20. Получение, химические свойства и применение одноатомных предельных спиртов

Определения и обозначения

Одноатомные предельные спирты — органические вещества, в молекулах которых есть одна гидроксильная группа −OH и предельный углеводородный радикал. Их общая формула — C_nH_2n+1OH. По этой формуле можно определить состав гомологов и отличить спирт от углеводорода.

Гидроксильная группа — функциональная группа −OH, соединённая с атомом углерода ковалентной связью. Она придаёт молекуле полярность и определяет характерные реакции спиртов. Поэтому свойства спирта зависят не только от углеродной цепи, но и от положения группы −OH.

Гомологический ряд спиртов — ряд соединений с одинаковой функциональной группой, в котором соседние вещества отличаются на группу −CH₂−. Например, метанол CH₃OH и этанол C₂H₅OH — соседние гомологи. Такое строение помогает проследить постепенное изменение физических свойств.

Спиртовое брожение — получение этанола из глюкозы под действием ферментов дрожжей. Процесс идёт без доступа воздуха и сопровождается выделением углекислого газа: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂. Это биологический способ получения этанола.

Как это устроено

Молекула спирта состоит из углеводородного радикала и группы −OH, например C₂H₅OH. Радикал образован атомами углерода и водорода, а кислород в группе −OH сильно притягивает электроны. Поэтому связь O−H полярна, а молекула спирта имеет полярную часть и неполярную углеводородную часть. При увеличении радикала возрастает влияние неполярной части, поэтому растворимость спиртов в воде постепенно уменьшается.

Этанол получают брожением глюкозы, содержащейся в сахаристом сырье, при участии ферментов дрожжей. Другой способ — гидратация этилена, то есть присоединение воды по двойной связи: C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH. Реакцию проводят при нагревании и в присутствии кислотного катализатора, например H₃PO₄. В лаборатории спирты можно получать действием водных растворов щелочей на галогеналканы: C₂H₅Cl + NaOH → C₂H₅OH + NaCl.

Молекулы спиртов соединяются друг с другом водородными связями между атомом водорода одной группы −OH и атомом кислорода другой. На разрыв этих связей требуется дополнительная энергия, поэтому температуры кипения спиртов выше, чем у углеводородов близкой молекулярной массы. Низшие спирты — жидкости, хорошо смешивающиеся с водой; при удлинении цепи растворимость падает. У высших представителей усиливается неполярная часть, поэтому они могут становиться вязкими жидкостями или твёрдыми веществами.

Химические свойства спиртов определяются полярной связью O−H и возможностью превращать группу −OH в другие частицы. Активные металлы, например натрий, замещают водород этой группы с образованием алкоголята и водорода. При полном горении углерод окисляется до CO₂, а водород — до H₂O. Первичные спирты окисляются ступенчато: сначала до альдегидов, затем до карбоновых кислот; при нагревании с концентрированной H₂SO₄ от них отщепляется вода и образуются алкены.

Состав, свойства и применение одноатомных предельных спиртов

В таблице сопоставлены два первых представителя ряда и свойства, общие для спиртов. Для уравнений сначала определяйте функциональную группу, затем проверяйте число атомов каждого элемента и коэффициенты.

Разбор задач

Задача 1

Условие: Для вещества CH₃CH₂OH определить название, класс и записать уравнение его получения гидратацией этилена.

1. В формуле есть группа −OH, соединённая с углеводородным радикалом C₂H₅. Значит, вещество относится к одноатомным предельным спиртам.
2. Радикал содержит два атома углерода, поэтому название вещества — этанол, или этиловый спирт.
3. При гидратации двойная связь этилена разрывается, а к двум атомам углерода присоединяются H и OH. Уравнение: C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH.

Ответ: этанол; одноатомный предельный спирт; C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH.

Задача 2

Условие: Какой объём водорода выделится при взаимодействии 23 г этанола с избытком натрия?

1. Запишем реакцию: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂. Две молекулы этанола дают одну молекулу водорода.
2. Молярная масса этанола M = 46 г/моль, поэтому n(C₂H₅OH) = 23 г : 46 г/моль = 0,5 моль.
3. По уравнению n(H₂) = 0,5 : 2 = 0,25 моль. При нормальных условиях V_m = 22,4 л/моль, значит V(H₂) = 0,25 · 22,4 = 5,6 л.

Ответ: выделится 5,6 л водорода при н. у.

Задача 3

Условие: Смесь метанола и этанола массой 78 г прореагировала с избытком натрия, при этом выделилось 22,4 л водорода при н. у. Определить массы спиртов.

1. Обозначим массу метанола через x г, а массу этанола — через y г. Тогда x + y = 78.
2. Количество водорода равно 22,4 л : 22,4 л/моль = 1 моль. По реакции 2ROH + 2Na → 2RONa + H₂ общее количество спиртов равно 2 моль.
3. Молярные массы равны 32 и 46 г/моль, поэтому x/32 + y/46 = 2. Подставим y = 78 − x: x/32 + (78 − x)/46 = 2.
4. После решения получаем x = 32 г, y = 46 г. Проверка: 32/32 + 46/46 = 2 моль, а масса смеси равна 78 г.

Ответ: 32 г метанола и 46 г этанола.

Типичные ошибки

Группу −OH иногда принимают за гидроксид-ион OH⁻ и записывают спирты как основания. В молекуле спирта группа −OH связана ковалентно и не является отдельным ионом; проверить себя можно, посмотрев, есть ли заряд.

В реакции с натрием часто ставят коэффициент 1 перед H₂. Правильная запись 2ROH + 2Na → 2RONa + H₂, потому что два атома водорода соединяются в одну молекулу H₂.

Горение путают с мягким окислением. При полном горении всегда получают CO₂ и H₂O, а первичный спирт при последовательном окислении даёт альдегид и затем кислоту.

Межмолекулярное и внутримолекулярное отщепление воды считают одним процессом. При внутримолекулярной дегидратации нагревание с концентрированной H₂SO₄ приводит к алкену, поэтому нужно указать и условия, и тип продукта.

Связь с другими темами

Для изучения спиртов нужны строение и номенклатура алканов, общая формула предельных углеводородов, типы реакций и расчёты по уравнениям. Превращения спиртов ведут к альдегидам, карбоновым кислотам и сложным эфирам. Эти знания применяются при изучении органического синтеза, биологических процессов, топлива, растворителей и техники безопасности.

Что запомнить

• Общая формула одноатомных предельных спиртов — C_nH_2n+1OH.
• Характерная функциональная группа спиртов — −OH.
• Этанол получают спиртовым брожением глюкозы и гидратацией этилена.
• Спирты реагируют с активными металлами с образованием алкоголятов и водорода.
• Первичные спирты при окислении превращаются сначала в альдегиды, затем в карбоновые кислоты.
• При полном горении спиртов образуются углекислый газ и вода.
• Метанол очень токсичен, поэтому его нельзя использовать вместо этанола.