§ 24. Свойства и применение альдегидов

Определения и обозначения

Альдегид — органическое вещество, содержащее альдегидную группу –CHO, связанную с углеводородным радикалом или атомом водорода. Общая формула предельных одноатомных альдегидов — CₙH₂ₙO. Эта формула помогает отличать их от других классов органических веществ.

Альдегидная группа –CHO — функциональная группа, включающая карбонильную группу C=O и атом водорода. Она всегда находится на конце углеродной цепи и определяет характерные химические свойства соединения. По этой группе распознают альдегиды и составляют их названия.

Формальдегид — простейший альдегид HCHO, или метаналь. Это бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворимый в воде; его водный раствор называют формалином. Вещество токсично, но его используют для получения смол, пластмасс и дезинфицирующих средств.

Ацетальдегид — альдегид CH₃CHO, или этаналь. Он образуется при окислении этанола и является промежуточным веществом для получения уксусной кислоты и других продуктов. Название и формула показывают, что к группе –CHO присоединён метильный радикал.

Как это устроено

В альдегидной группе атом кислорода сильнее притягивает общую электронную пару, чем углерод. Поэтому связь C=O полярна: на углероде возникает частичный положительный заряд, а на кислороде — частичный отрицательный. Полярность объясняет способность низших альдегидов взаимодействовать с водой и их сравнительно высокие температуры кипения по сравнению с неполярными углеводородами близкой молекулярной массы.

Низшие альдегиды хорошо смешиваются или заметно растворяются в воде, потому что полярная группа –CHO образует взаимодействия с молекулами воды. При увеличении углеводородного радикала неполярная часть молекулы становится больше и сильнее мешает такому взаимодействию. Поэтому растворимость уменьшается, запах становится более характерным для органических веществ, а температуры кипения обычно растут вместе с молекулярной массой.

Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот, потому что у карбонильного атома углерода есть водород. В процессе окисления этот атом водорода и связь с ним заменяются на гидроксильную группу, поэтому фрагмент –CHO превращается в –COOH. Общая схема реакции такова: R–CHO + [O] → R–COOH.

Аммиачный раствор оксида серебра содержит частицы серебра, способные принять электроны. Альдегид отдаёт электроны и окисляется до кислоты, а серебро восстанавливается до металла: R–CHO + Ag₂O → R–COOH + 2Ag. Если чистую пробирку равномерно нагреть, серебро оседает на её стенках блестящим слоем — получается «серебряное зеркало».

При восстановлении альдегид принимает водород, и карбонильная группа превращается в фрагмент –CH₂OH. Так образуется первичный спирт: R–CHO + H₂ → R–CH₂OH. В отличие от окисления, где увеличивается содержание кислорода и получается кислота, восстановление уменьшает степень окисления углерода и ведёт к спирту.

Свойства, реакции и применение альдегидов

Таблица связывает наблюдаемое свойство с уравнением реакции и практическим результатом. При решении задач сначала определяйте, какая группа изменяется, затем выбирайте соответствующее уравнение. Обозначение R означает углеводородный радикал, состав которого зависит от конкретного альдегида.

Разбор задач

Задача 1. Структурные формулы

Условие: запишите структурные формулы метаналя и этаналя, назовите их и укажите альдегидную группу. Сначала найдём углеродный скелет каждого вещества. Затем присоединим к его концу группу –CHO.

1. Метаналь содержит один атом углерода: H–C(=O)–H, сокращённо HCHO. Альдегидная группа — фрагмент –C(=O)H.
2. Этаналь содержит два атома углерода: CH₃–C(=O)–H, сокращённо CH₃CHO. Группа –CHO находится справа и связана с метильным радикалом CH₃–.

Ответ: HCHO — метаналь, CH₃CHO — этаналь; в обеих формулах присутствует альдегидная группа –CHO.

Задача 2. Реакции этаналя

Условие: составьте уравнения реакций этаналя с аммиачным раствором оксида серебра и с водородом. В первом случае определяем окисление, а во втором — восстановление. Продукт реакции выбираем по изменению группы –CHO.

1. При окислении этаналя образуется уксусная кислота: CH₃CHO + Ag₂O → CH₃COOH + 2Ag.
2. Коэффициент 2 перед Ag нужен потому, что в одной формульной единице Ag₂O содержатся два атома серебра.
3. При присоединении водорода карбонильная группа превращается в спиртовую: CH₃CHO + H₂ → CH₃CH₂OH. Продуктом является этанол.

Ответ: CH₃CHO + Ag₂O → CH₃COOH + 2Ag; CH₃CHO + H₂ → CH₃CH₂OH. В первой реакции образуется серебряное зеркало, во второй — этанол.

Задача 3. Количество и масса серебра

Условие: при окислении 0,1 моль этаналя аммиачным раствором оксида серебра определить количество вещества и массу выделившегося серебра. Используем уравнение CH₃CHO + Ag₂O → CH₃COOH + 2Ag. По нему 1 моль альдегида даёт 2 моль серебра.

1. Находим количество серебра: n(Ag) = 2n(CH₃CHO) = 2 · 0,1 = 0,2 моль.
2. Используем молярную массу серебра M(Ag) ≈ 108 г/моль.
3. Вычисляем массу: m(Ag) = nM = 0,2 · 108 = 21,6 г.

Ответ: количество серебра равно 0,2 моль, масса — 21,6 г.

Типичные ошибки

Альдегидную группу записывают как –COOH, путая её с карбоксильной группой кислот. Ошибка возникает из-за сходства обозначений и наличия атома кислорода. Проверьте себя: в –CHO у карбонильного углерода есть водород, а в –COOH — гидроксильная группа.

Считают, что все альдегиды одинаково растворяются в воде. На самом деле полярная группа остаётся одной, а неполярный радикал при удлинении цепи увеличивается. Если радикал стал больше, растворимость обычно должна уменьшиться.

Реакцию «серебряного зеркала» называют восстановлением альдегида. Альдегид здесь отдаёт электроны и окисляется до кислоты, тогда как восстанавливаются ионы серебра. Проверьте продукты: появление R–COOH означает окисление исходного альдегида.

В уравнении с оксидом серебра ставят один атом Ag вместо двух или забывают коэффициент перед серебром. Причина ошибки — невнимательный подсчёт атомов в Ag₂O. Сверьте число атомов серебра слева и справа: из одной частицы Ag₂O образуются два атома Ag.

Связь с другими темами

Для понимания альдегидов нужны знания о строении органических веществ, функциональных группах, номенклатуре, а также об окислении и восстановлении. Эти понятия позволяют читать формулы и предсказывать направление реакций.

Тема продолжает изучение спиртов и связана с карбоновыми кислотами: первичные спирты окисляются до альдегидов, а альдегиды — до кислот. Так прослеживается превращение одной функциональной группы в другую.

Знания об альдегидах пригодятся при изучении углеводов, биологического окисления, полимеров и производственных процессов. Реакция «серебряного зеркала» также служит примером качественного анализа органических веществ.

Что запомнить

• Альдегиды содержат функциональную группу –CHO.
• Общая формула предельных одноатомных альдегидов — CₙH₂ₙO.
• Альдегиды окисляются до соответствующих карбоновых кислот.
• Реакция «серебряного зеркала» является качественной реакцией на альдегидную группу.
• При восстановлении альдегиды превращаются в первичные спирты.
• Формальдегид применяют для получения смол, пластмасс и дезинфицирующих средств.
• Многие альдегиды токсичны, поэтому требуют осторожного обращения.