9. Предельные одноатомные спирты

Определения и обозначения

Предельный одноатомный спирт — органическое соединение с одной гидроксильной группой, связанной с предельным углеводородным радикалом. «Предельный» означает, что между атомами углерода нет двойных или тройных связей, а «одноатомный» указывает на одну группу –OH. Эти слова помогают отличить такие спирты от веществ с кратными связями или несколькими группами –OH.

Гидроксильная группа — функциональная группа –OH, определяющая характерные свойства спиртов. Функциональной называют часть молекулы, от которой зависят типичные реакции вещества. В записи спирта –OH входит в молекулу и соединена с атомом углерода, поэтому это не гидроксид-ион OH⁻.

Общая формула предельных одноатомных спиртов — CₙH₂ₙ₊₁OH, где n — число атомов углерода в молекуле. Например, при n = 2 формула записывается как C₂H₅OH, а при n = 3 — C₃H₇OH. По формуле можно определить состав спирта, если известно число атомов углерода.

Гомологический ряд — ряд веществ, соседние представители которого отличаются на группу –CH₂–. Так, этанол C₂H₅OH и пропанол C₃H₇OH — соседние спирты ряда. Понятие ряда позволяет сравнивать вещества с похожим строением и предсказывать закономерное изменение их свойств.

Как это устроено

Спирт относят к предельным, если его углеродная цепь не содержит двойных и тройных связей, и к одноатомным, если в его молекуле одна группа –OH. Углеводороды состоят только из углерода и водорода, а спирты содержат ещё кислород. Поэтому спирт нельзя считать просто алканом: замена атома водорода на –OH меняет характер его химических реакций.

Группа –OH полярна: электронная плотность распределена в ней неравномерно, поэтому эта часть молекулы может участвовать в реакциях, в которых углеводородная цепь обычно не реагирует. Так объясняется характерное взаимодействие спиртов с активными металлами и возможность замещения группы –OH. Углеводородная часть влияет прежде всего на физические свойства: с увеличением её длины возрастает доля неполярного участка молекулы.

Формулу ряда можно получить из строения алкана: его углеводородный радикал имеет состав CₙH₂ₙ₊₁, а присоединённая к нему группа –OH даёт запись CₙH₂ₙ₊₁OH. Увеличение n на единицу добавляет к молекуле фрагмент –CH₂–, поэтому представители ряда имеют сходное строение, но не одинаковые свойства. Более длинная цепь обычно усиливает межмолекулярное притяжение и одновременно затрудняет растворение спирта в воде.

В названии спирта сначала находят самую длинную углеродную цепь, содержащую атом углерода с группой –OH. Затем цепь нумеруют с того конца, от которого группа получает наименьший возможный номер, и этот номер указывают в названии: например, CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃ — бутан-2-ол. Номер нужен, потому что группа –OH может находиться у разных атомов углерода одной и той же цепи.

Между молекулами спиртов образуются водородные связи: атом водорода группы –OH одной молекулы притягивается к атому кислорода другой. Для разрыва таких взаимодействий при кипении нужна дополнительная энергия, поэтому температуры кипения спиртов выше, чем у соответствующих алканов. Вода тоже образует водородные связи, но по мере удлинения неполярной углеводородной цепи её влияние на растворимость становится заметнее, и спирт растворяется хуже.

Характерные реакции предельных одноатомных спиртов

В таблице приведены типичные направления реакций, их общие схемы и условия или наблюдаемый признак. Схемы показывают, какие частицы вступают в реакцию и какие продукты образуются; для конкретного спирта подставляют его формулу. Условия особенно важны для отщепления воды и окисления, поскольку они влияют на результат.

Разбор задач

1. Формула спирта с тремя атомами углерода

Нужно найти формулу по числу атомов углерода и назвать вещество. Берём общую формулу CₙH₂ₙ₊₁OH и подставляем n = 3. Полученную формулу сопоставляем с названием цепи из трёх атомов углерода.

1. Подставляем число атомов углерода: C₃H₇OH.
2. Цепь из трёх атомов углерода называется пропановой; для спирта используем окончание «-ол».
3. Если положение –OH не задано, конкретный изомер определить нельзя; один из возможных спиртов — пропан-1-ол.

Ответ: C₃H₇OH; например, пропан-1-ол. При той же молекулярной формуле возможен пропан-2-ол, поэтому для точного названия нужно знать положение группы –OH.

2. Реакция этанола с натрием

Рассмотрим пример для 0,20 моль этанола, поскольку численное количество спирта в условии не указано. В реакции один моль этанола соответствует половине моля водорода: коэффициенты уравнения сразу задают это соотношение. Сначала уравниваем реакцию, затем используем отношение количеств веществ.

1. Записываем уравнение: 2C₂H₅OH + 2Na → 2C₂H₅ONa + H₂↑.
2. Из уравнения n(H₂) = n(C₂H₅OH) / 2 = 0,20 / 2 = 0,10 моль.
3. Проверяем соотношение: на два моля спирта образуется один моль водорода, значит результат вдвое меньше количества этанола.

Ответ: из 0,20 моль этанола образуется 0,10 моль водорода. Для другого заданного количества нужно подставить его вместо 0,20 моль, сохранив то же соотношение.

3. Получение этена из этанола

Покажем расчёт для 9,2 г этанола при выходе этена 80%, так как конкретные масса и выход в условии не приведены. При внутримолекулярном отщеплении воды один моль этанола даёт один моль этена. Сначала находим теоретическое количество газа, а затем учитываем, что реальный выход меньше теоретического.

1. Записываем реакцию: C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O; условие — концентрированная H₂SO₄ и нагревание.
2. Молярная масса этанола M = 46 г/моль, поэтому n(C₂H₅OH) = 9,2 / 46 = 0,20 моль. По уравнению n(C₂H₄)теор = 0,20 моль.
3. При н. у. Vₘ = 22,4 л/моль, значит Vтеор = 0,20 · 22,4 = 4,48 л. Фактический объём: V = 4,48 · 0,80 = 3,584 л.

Ответ: при выходе 80% получится около 3,6 л этена при н. у. Если исходные масса спирта или процент выхода другие, расчёт выполняют по той же последовательности.

Типичные ошибки

Формулу CₙH₂ₙ₊₁OH иногда применяют к спиртам с несколькими группами –OH. Это неверно: она относится к предельным одноатомным спиртам, а число групп –OH в формуле должно быть равно одной. Перед использованием формулы проверьте, что речь именно об одноатомном спирте.

Группу –OH в спирте путают с гидроксид-ионом OH⁻, потому что их записи похожи. Однако в молекуле спирта группа ковалентно связана с атомом углерода и не является отдельным ионом. Проверка простая: в формуле спирта –OH записывают внутри молекулы, например C₂H₅OH.

При названии цепь иногда нумеруют с более дальнего от –OH конца, ориентируясь на положение заместителя или привычное направление записи. Тогда группа получает неправильный номер, хотя правила требуют наименьшего возможного номера для –OH. Проверьте оба конца цепи и выберите нумерацию, при которой номер этой группы меньше.

При реакции спирта с натрием ошибочно записывают щёлочь, перенося на спирт свойства воды. Но водород в группе –OH замещается натрием, поэтому образуются алкоголят натрия и H₂. Проверяйте уравнение по атомам и помните: щёлочь в этой реакции не является продуктом.

Связь с другими темами

Для изучения спиртов нужны знания о строении алканов, гомологическом ряде, изомерии и составлении структурных формул. Эти понятия помогают выводить формулу ряда и различать спирты с одинаковым составом, но разным строением. Группа –OH встречается и в других классах кислородсодержащих веществ, поэтому её свойства пригодятся при изучении многоатомных спиртов и фенолов. Реакции спиртов с натрием и окисление позволяют строить цепочки превращений органических соединений.

Что запомнить

• Предельные одноатомные спирты содержат одну группу –OH.
• Общая формула ряда — CₙH₂ₙ₊₁OH.
• Соседние спирты гомологического ряда отличаются на –CH₂–.
• Номер положения группы –OH указывают в названии спирта.
• Спирты реагируют с активными металлами с выделением водорода.
• Межмолекулярные водородные связи влияют на температуры кипения и растворимость спиртов.