§ 21. Многоатомные спирты

Определения и обозначения

Многоатомные спирты — органические соединения, содержащие в молекуле две или более гидроксильные группы –OH, связанные с углеродными атомами. Гидроксильная группа — это атом кислорода и связанный с ним атом водорода. Чтобы определить, относится ли вещество к многоатомным спиртам, нужно найти именно такие группы и подсчитать их.

Этиленгликоль — двухатомный спирт с формулой C₂H₄(OH)₂. Его структурная формула: HO–CH₂–CH₂–OH. Две группы –OH находятся у соседних атомов углерода, а запись строения показывает, как именно они присоединены к углеродной цепи.

Глицерин — трёхатомный спирт с формулой C₃H₅(OH)₃. Структурная формула: HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH. В ней три группы –OH расположены у трёх атомов углерода цепи; такое представление помогает отличить спирт от соединений, в которых кислород входит в другие функциональные группы.

Качественная реакция на многоатомные спирты — взаимодействие со свежеполученным гидроксидом меди(II), при котором осадок растворяется и образуется ярко-синий раствор. Качественной называют реакцию, по заметному результату которой распознают вещество или группу веществ. Этот признак особенно характерен для спиртов с соседними группами –OH.

Как это устроено

Принадлежность к многоатомным спиртам определяет число групп –OH, а не общее количество атомов кислорода в формуле. У этиленгликоля две такие группы, поэтому он двухатомный, а у глицерина их три, поэтому он трёхатомный. Метанол CH₃OH содержит только одну группу –OH и относится к одноатомным спиртам. Подсчёт групп помогает классифицировать вещество, даже если его молекулярная формула сама по себе не показывает строение.

Связи между группами –OH и водой называются водородными: они возникают между атомами водорода и кислорода соседних молекул. Несколько групп –OH в одной молекуле позволяют образовать больше таких взаимодействий с водой, поэтому этиленгликоль и глицерин хорошо в ней растворяются. Между молекулами глицерина тоже возникает много водородных связей. Для их перемещения друг относительно друга требуется больше усилий, поэтому глицерин вязкий.

Активные металлы, например натрий, взаимодействуют с водородом в гидроксильных группах. В результате атомы водорода замещаются металлом, а водород выделяется в виде газа H₂. Если реагируют все группы –OH, то каждый моль глицерина отдаёт три атома водорода, то есть образует полтора моля H₂. Поэтому в уравнении важно учитывать все гидроксильные группы, а не только одну.

Свежий гидроксид меди(II) — голубой осадок, который получают непосредственно перед опытом. Многоатомные спирты с соседними группами –OH связывают ионы меди(II), поэтому осадок растворяется и появляется ярко-синий раствор. Именно изменение вида смеси, а не просто наличие осадка, служит признаком реакции. Такой опыт позволяет отличить подходящий многоатомный спирт от одноатомного спирта, который не даёт этой характерной реакции.

Свойства определяют области применения веществ. Этиленгликоль входит в состав охлаждающих жидкостей, потому что его растворы используют для отвода тепла и защиты от замерзания; при этом само вещество токсично и опасно при попадании внутрь. Глицерин удерживает влагу и хорошо смешивается с водой, поэтому его применяют в медицине и косметике. Его также используют в пищевой промышленности, где он выполняет технологические функции.

Сравнение этиленгликоля и глицерина

Сначала сравните число групп –OH: оно помогает связать строение молекул с реакциями. Затем сопоставьте свойства и области применения — например, вязкость глицерина с его строением. Помните, что общая качественная реакция не означает одинаковую токсичность или одинаковое применение веществ.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие из веществ HO–CH₂–CH₂–OH, CH₃OH и HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH относятся к многоатомным спиртам. Укажите число групп –OH в каждом подходящем веществе.

1. Найдём в каждой формуле группы –OH, а не просто атомы кислорода.
2. В HO–CH₂–CH₂–OH их две, значит, это многоатомный спирт — этиленгликоль.
3. В CH₃OH одна группа –OH, поэтому это одноатомный спирт. В HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH три группы –OH, значит, это многоатомный спирт.

Ответ: HO–CH₂–CH₂–OH содержит 2 группы –OH, HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH — 3 группы –OH; CH₃OH к многоатомным спиртам не относится.

Задача 2. Составьте уравнение реакции глицерина с натрием, если все три гидроксильные группы вступают в реакцию.

1. В каждой группе –OH натрий замещает один атом водорода. В одной молекуле глицерина таких атомов три.
2. Запишем продукты: глицерин превращается в C₃H₅(ONa)₃, а атомы водорода образуют H₂.
3. Для целого числа молекул H₂ возьмём две молекулы глицерина: в них шесть атомов водорода замещаются шестью атомами натрия. Получается уравнение 2C₃H₅(OH)₃ + 6Na → 2C₃H₅(ONa)₃ + 3H₂.

Ответ: 2C₃H₅(OH)₃ + 6Na → 2C₃H₅(ONa)₃ + 3H₂.

Задача 3. При реакции 9,2 г глицерина с избытком натрия все три группы –OH прореагировали. Рассчитайте объём водорода при нормальных условиях.

1. Найдём количество глицерина: M(C₃H₈O₃) = 92 г/моль, n = m/M = 9,2/92 = 0,1 моль.
2. Из уравнения реакции следует, что 2 моль глицерина дают 3 моль H₂. Значит, 1 моль глицерина даёт 1,5 моль водорода, а 0,1 моль — 0,15 моль.
3. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Тогда V(H₂) = n × 22,4 = 0,15 × 22,4 = 3,36 л.

Ответ: при нормальных условиях выделится 3,36 л водорода.

Типичные ошибки

Ошибка — считать многоатомным спиртом любое вещество, в формуле которого есть несколько атомов кислорода. Такое происходит, когда учитывают состав, но не проверяют строение: кислород может входить в разные функциональные группы. Сначала найдите именно связи –OH с углеродными атомами и посчитайте эти группы. Если у вещества несколько атомов кислорода, но только одна группа –OH или её нет вовсе, оно не обязательно многоатомный спирт.

Иногда формулу записывают без указания положения групп –OH. Тогда трудно понять, к каким атомам углерода они присоединены, и можно перепутать спирт с соединением другого класса. Проверяйте структурную запись: в HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH видно три группы –OH и места их присоединения. Молекулярная формула сообщает состав, но не всегда позволяет восстановить строение.

Ярко-синий раствор с гидроксидом меди(II) путают с обычным осадком. Ошибка возникает, если запомнить только, что в опыте присутствует медь, и не обратить внимания на наблюдение. Для качественной реакции характерно растворение свежего голубого осадка и появление ярко-синего раствора. Сверьте с этим признаком результат опыта, а также учитывайте наличие соседних групп –OH.

В расчётах по реакции глицерина с натрием иногда учитывают только одну группу –OH. Так делают по аналогии с одноатомным спиртом, не рассматривая строение глицерина. При условии, что реагируют все три группы, на одну молекулу глицерина приходится три атома замещённого водорода и 1,5 молекулы H₂. Проверяйте коэффициенты по уравнению и сохраняйте число атомов каждого элемента.

Связь с другими темами

Для изучения многоатомных спиртов нужно знать строение органических молекул, уметь читать структурные формулы и понимать, что функциональная группа определяет свойства вещества. Полезно вспомнить строение одноатомных спиртов: так легче увидеть, чем отличается число групп –OH. Тема продолжает разговор о химических свойствах спиртов и пригодится при изучении углеводов и других органических соединений с несколькими гидроксильными группами. Навык распознавать группы –OH помогает связывать строение вещества с его реакциями.

Что запомнить

• Многоатомные спирты содержат в молекуле две или более группы –OH.
• Этиленгликоль — двухатомный спирт, глицерин — трёхатомный.
• Несколько групп –OH способствуют образованию водородных связей между молекулами.
• Многоатомные спирты реагируют с активными металлами с выделением водорода.
• Ярко-синий раствор при взаимодействии с гидроксидом меди(II) — качественный признак многоатомного спирта с соседними группами –OH.
• Этиленгликоль токсичен; обращаться с ним нужно осторожно.