§ 5. Многоатомные спирт

Определения и обозначения

Многоатомный спирт — органическое соединение, содержащее две или более гидроксильные группы –OH, связанные с атомами углерода. Считать нужно именно группы –OH, а не все атомы кислорода в молекуле. Это определение позволяет отличить спирты от других органических веществ и разделить спирты по числу функциональных групп.

Двухатомный спирт — многоатомный спирт с двумя гидроксильными группами; его общий вид можно записать как R(OH)₂, где R обозначает углеводородную часть молекулы. Пример — этиленгликоль HO–CH₂–CH₂–OH. Число групп –OH в формуле помогает понять, сколько участков молекулы может участвовать в реакциях спиртов.

Трёхатомный спирт содержит три гидроксильные группы. Пример — глицерин CH₂OH–CHOH–CH₂OH, в котором каждая из трёх групп –OH связана с атомом углерода. Такое название указывает на строение вещества и помогает предсказать его свойства и реакции.

Глицерин — трёхатомный спирт состава C₃H₅(OH)₃, то есть C₃H₈O₃; его молярная масса равна 92 г/моль. Это бесцветная вязкая жидкость без запаха, хорошо смешивающаяся с водой и поглощающая влагу из воздуха. Глицерин используют в медицине, косметике, пищевой промышленности и производстве полимеров, поэтому знание его строения важно не только для химии.

Как это устроено

Принадлежность вещества к многоатомным спиртам определяется числом гидроксильных групп –OH, каждая из которых присоединена к атому углерода. У одноатомного спирта такая группа одна, у многоатомного — две или больше. Поэтому наличие нескольких атомов кислорода само по себе ничего не доказывает: кислород может входить, например, в состав других функциональных групп, не являющихся спиртовыми.

В этиленгликоле HO–CH₂–CH₂–OH две гидроксильные группы, расположенные у разных атомов углерода. В глицерине CH₂OH–CHOH–CH₂OH их три: по одной у каждого атома углерода цепи. Сопоставление структурных формул с определением позволяет сразу классифицировать эти вещества и видеть, сколько групп –OH способно вступить в реакцию.

Связь O–H полярна: атом кислорода притягивает электронную плотность сильнее водорода. Поэтому гидроксильные группы соседних молекул могут образовывать водородные связи, а вода способна образовывать такие же связи с молекулами спирта. Чем больше групп –OH, тем больше возможностей для этих взаимодействий; этим объясняются хорошая растворимость многоатомных спиртов в воде и высокие температуры кипения по сравнению с похожими молекулами без нескольких групп –OH.

Активный металл, например натрий, замещает водород в группах –OH; атомы замещённого водорода соединяются попарно и образуют H₂. Для полного замещения у глицерина реагируют все три группы: 2C₃H₅(OH)₃ + 6Na → 2C₃H₅(ONa)₃ + 3H₂↑. На одну молекулу глицерина при таком превращении приходится 1,5 молекулы H₂, а не одна; сравнивать выход газа нужно на равное количество вещества, поскольку на равную массу количество молекул разных спиртов может отличаться.

Свежеполученный Cu(OH)₂ — голубой осадок гидроксида меди(II). Молекулы многоатомного спирта с несколькими близко расположенными группами –OH взаимодействуют с ионами меди и образуют растворимый комплекс, поэтому осадок растворяется и появляется ярко-синяя окраска. Одноатомный спирт такой комплекс не образует, что делает пробу качественной; свежий осадок нужен, потому что старый может хуже взаимодействовать с раствором.

Сравнение этиленгликоля и глицерина

Сначала сравнивайте число групп –OH и структурные формулы: это показывает, к какому типу многоатомных спиртов относится каждое вещество. Затем сопоставляйте реакции и свойства, помня, что качественная проба с Cu(OH)₂ выявляет многоатомный спирт, но не различает этиленгликоль и глицерин между собой. Строка о безопасности особенно важна при обсуждении этиленгликоля: его применение в охлаждающих жидкостях не означает, что он безопасен для человека.

Разбор задач

Задача 1. Определить, какие вещества CH₃OH, HO–CH₂–CH₂–OH, CH₃–CHOH–CH₃ и CH₂OH–CHOH–CH₂OH относятся к многоатомным спиртам, назвать их и указать число групп –OH. Решение: сначала в каждой формуле найдём группы –OH, затем проверим, что они связаны с атомами углерода. По числу таких групп классифицируем каждое вещество.

1. В CH₃OH есть одна группа –OH, связанная с углеродом. Это метанол, одноатомный спирт.
2. В HO–CH₂–CH₂–OH две группы –OH у двух атомов углерода. Это этиленгликоль, двухатомный спирт.
3. В CH₃–CHOH–CH₃ одна группа –OH. Это пропан-2-ол, одноатомный спирт.
4. В CH₂OH–CHOH–CH₂OH три группы –OH. Это глицерин, трёхатомный спирт.

Ответ: многоатомные спирты — этиленгликоль с двумя группами –OH и глицерин с тремя; два остальных вещества одноатомные.

Задача 2. Найти объём водорода при взаимодействии 9,2 г глицерина с избытком натрия при нормальных условиях. Сначала запишем уравнение полного замещения всех трёх гидроксильных групп: 2C₃H₅(OH)₃ + 6Na → 2C₃H₅(ONa)₃ + 3H₂↑. По коэффициентам видно, что на 2 моль глицерина получается 3 моль водорода.

1. Находим количество глицерина: n = m/M = 9,2/92 = 0,1 моль.
2. Используем соотношение из уравнения: n(H₂) = 0,1 × 3/2 = 0,15 моль.
3. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Поэтому V(H₂) = 0,15 × 22,4 = 3,36 л.

Ответ: образуется 3,36 л водорода. Избыток натрия означает, что количество глицерина, а не металла, ограничивает выход газа.

Задача 3. В двух пробирках находятся этиленгликоль и глицерин, а для сравнения есть одноатомный спирт. Предложить качественный способ обнаружения многоатомных спиртов и записать уравнения реакций. Свежий Cu(OH)₂ можно получить смешиванием растворов сульфата меди(II) и щёлочи; его осадок затем добавляют к пробам.

1. Для получения осадка записываем реакцию: CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄.
2. В пробирках с этиленгликолем и глицерином осадок растворяется, появляется ярко-синий раствор комплексного соединения меди(II).
3. В пробирке с одноатомным спиртом осадок остаётся, характерного ярко-синего раствора не возникает. Значит, проба отличает многоатомные спирты от одноатомного.

Ответ: этиленгликоль и глицерин обнаруживаются по растворению свежего Cu(OH)₂ с образованием ярко-синего раствора. Этой пробой нельзя различить между собой два многоатомных спирта: для этого понадобился бы другой способ анализа.

Типичные ошибки

Ошибка — считать многоатомным спиртом любое вещество, содержащее несколько атомов кислорода. Так путают число атомов элемента с числом функциональных групп, хотя в молекуле кислород может входить в разные фрагменты. Проверьте себя: найдите именно группы –OH и убедитесь, что каждая соединена с атомом углерода.

Ошибка — называть глицерин трёхатомным углеводородом. Вероятно, слово «трёхатомный» ошибочно воспринимают как указание на число атомов углерода, но оно указывает на три гидроксильные группы. В формуле глицерина действительно три атома углерода, однако класс вещества определяют по трём группам –OH.

Ошибка — записывать при реакции многоатомного спирта с натрием одну молекулу H₂ вне зависимости от числа групп –OH. Так переносят шаблон одноатомного спирта, не учитывая, что у многоатомного вещества может замещаться несколько атомов водорода. Проверьте уравнение подсчётом групп и атомов: при полном замещении одной группы на H₂ нужно два атома натрия, а коэффициенты должны уравнивать все атомы.

Ошибка — описывать пробу с Cu(OH)₂ как обычное образование осадка или не указывать ярко-синюю окраску. Осадок получают заранее, а затем именно многоатомный спирт растворяет свежий гидроксид меди(II) с появлением ярко-синего раствора. Проверьте, что в описании опыта указаны свежий осадок и наблюдение после добавления спирта, а не только факт смешивания растворов.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать многоатомные спирты, нужно знать строение и номенклатуру одноатомных спиртов, функциональную группу –OH, свойства воды и правила составления уравнений реакций. Реакции с натрием связывают тему с химическими свойствами спиртов, а качественная проба — с распознаванием функциональных групп; пригодятся также знания об окислении органических веществ. Позже свойства групп –OH помогут понять образование сложных эфиров и полимеров, а сами многоатомные спирты встретятся при изучении антифризов, углеводов и биологически важных соединений.

Что запомнить

• Многоатомные спирты содержат две или более гидроксильные группы –OH, связанные с атомами углерода.
• Этиленгликоль — двухатомный спирт, а глицерин — трёхатомный.
• Несколько групп –OH усиливают образование водородных связей, поэтому многоатомные спирты хорошо растворяются в воде.
• Многоатомные спирты реагируют с активными металлами с выделением водорода; уравнение должно учитывать все реагирующие группы –OH.
• Свежий Cu(OH)₂ при взаимодействии с многоатомным спиртом образует ярко-синий раствор.
• Глицерин применяют в медицине, косметике, пищевой промышленности и производстве полимеров.
• Этиленгликоль ядовит, поэтому обращаться с ним нужно особенно осторожно.