"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Спирты — органические вещества, в молекулах которых гидроксильная группа –ОН связана с углеродом углеводородного радикала. Число таких групп определяет, будет спирт одноатомным или многоатомным, а строение углеродной цепи — его название и свойства. Спирты используют как растворители, топливо и сырьё для органического синтеза. Чтобы понять их поведение, нужно учитывать и полярную группу –ОН, и углеводородную часть молекулы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Спирты — класс органических соединений, в которых гидроксильная группа связана с атомом углерода углеводородного радикала. Радикал — часть молекулы, образованная из углеводорода удалением атома водорода. Это определение помогает отличить спирты от веществ, где группа –ОН связана, например, с металлом.
Гидроксильная группа –ОН состоит из атома кислорода и атома водорода, соединённых ковалентной связью. Кислород сильнее притягивает общую электронную пару, поэтому связь O–H полярна. Группа влияет и на химические реакции, и на взаимодействие молекул спирта с водой.
Одноатомные спирты содержат одну группу –ОН, а многоатомные — две или более. По числу групп можно определить тип спирта по формуле: например, этанол C₂H₅OH одноатомен, а этиленгликоль HO–CH₂–CH₂–OH двухатомен. Это различие помогает сравнивать их свойства и предсказывать реакции.
Предельные одноатомные спирты — спирты с одной группой –ОН и предельной углеродной цепью, в которой между атомами углерода только одинарные связи. Их общая формула CₙH₂ₙ₊₂O, или CₙH₂ₙ₊₁OH. К представителям относятся метанол, этанол и пропанол; положение –ОН указывают в названии, если возможны разные варианты, например пропан-1-ол и пропан-2-ол.
Принадлежность к спиртам определяется не одним наличием –ОН, но и тем, с чем эта группа связана. Если она присоединена к атому углерода углеводородного радикала, вещество относят к спиртам; связь с металлом даёт гидроксид металла. Число групп –ОН позволяет разделить спирты на одноатомные и многоатомные. Поэтому при разборе формулы сначала находят группу и проверяют её окружение, а затем считают такие группы.
У предельных одноатомных спиртов атомы углерода образуют цепь только с одинарными связями, а один атом водорода заменён на –ОН. Для n атомов углерода формула получается CₙH₂ₙ₊₂O, или CₙH₂ₙ₊₁OH: например, этанол C₂H₆O. Соседние члены ряда отличаются на группу –CH₂–, поэтому при увеличении цепи постепенно меняются физические свойства. Одинаковая функциональная группа при этом задаёт общие типичные химические реакции.
В названии выбирают самую длинную углеродную цепь, содержащую атом углерода с –ОН. Цепь нумеруют с того конца, который ближе к группе, чтобы её номер был наименьшим; затем к названию соответствующего алкана добавляют суффикс «-ол» и указывают положение группы. Так, CH₃–CH(OH)–CH₃ — пропан-2-ол. Если есть ответвления, их также обозначают номерами, но выбор и нумерация главной цепи в первую очередь должны учитывать –ОН.
Связь O–H полярна, а кислород может участвовать в образовании водородных связей — притяжений между молекулами с участием водорода группы –ОН. Поэтому молекулы спиртов притягиваются друг к другу сильнее, чем молекулы соответствующих углеводородов, и на кипение требуется больше энергии. Водородные связи с водой помогают спиртам растворяться, но длинная неполярная углеводородная часть этому мешает. Поэтому короткоцепочечные спирты растворяются лучше, чем спирты с длинной цепью; многие низшие спирты — жидкости.
Химические свойства спиртов объясняются строением группы –ОН и всей молекулы. С активными металлами, например натрием, спирт отдаёт водород группы и образует алкоголят и H₂; спирты при этом не следует считать сильными кислотами. При горении в избытке кислорода углерод превращается в CO₂, а водород — в H₂O. Окисление проводят в иных условиях и получают продукты, зависящие от строения спирта; при межмолекулярной дегидратации две молекулы соединяются с отщеплением воды, образуя простой эфир.
Сопоставляйте вещества по строкам таблицы: число групп –ОН задаёт тип спирта, а состав и строение помогают понять его свойства. Растворимость и агрегатное состояние зависят не только от числа групп, но и от длины углеродной цепи, поэтому в таблице приведены общие характеристики. Для конкретного вещества уточняйте условия реакции и его формулу.
| Признак | Одноатомные спирты | Двухатомные спирты | Трёхатомные спирты |
|---|---|---|---|
| Число гидроксильных групп | 1 | 2 | 3 |
| Общая формула или характерная запись | CₙH₂ₙ₊₂O | HO–R–OH | R(OH)₃ |
| Пример и название | C₂H₅OH, этанол | HO–CH₂–CH₂–OH, этиленгликоль | HO–CH₂–CHOH–CH₂–OH, глицерин |
| Растворимость в воде | Убывает с ростом углеродной цепи | Обычно высокая | Обычно высокая |
| Характерные физические свойства | Низшие — жидкости, летучесть уменьшается с ростом цепи | Вязкие жидкости | Вязкая жидкость |
| Реакция с активными металлами | Алкоголят и H₂ | Соль с заменой водорода в –ОН и H₂ | Соль с заменой водорода в –ОН и H₂ |
| Горение и окисление | Горение даёт CO₂ и H₂O; продукты окисления зависят от строения | Горение даёт CO₂ и H₂O; возможно окисление | Горение даёт CO₂ и H₂O; возможно окисление |
| Основные области применения | Растворители, топливо, химическое сырьё | Растворители, теплоносители, химическое сырьё | Косметика, фармацевтика, производство материалов |
Задача 1. Определите класс спирта, число атомов углерода, положение –ОН и название вещества CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃. Начните с поиска группы –ОН, затем выберите самую длинную цепь, содержащую связанный с ней атом углерода. После этого пронумеруйте цепь со стороны, ближайшей к группе.
Ответ: одноатомный спирт с четырьмя атомами углерода; гидроксильная группа у второго атома; бутан-2-ол. Проверьте, что в выбранной цепи действительно больше нельзя включить атомы углерода и что группа –ОН получила наименьший номер.
Задача 2. Запишите уравнения реакций этанола с натрием, при полном горении и при окислении оксидом меди(II). В каждом случае определите продукты по типу реакции, затем расставьте коэффициенты. Для окисления первичного спирта CuO в школьном опыте образуются альдегид, медь и вода.
Ответ: уравнения записаны с коэффициентами 2, 2; 1, 3, 2, 3; и 1, 1, 1, 1, 1 соответственно. Не подменяйте окисление полным горением: при них получаются разные продукты. Указанные продукты окисления относятся к реакции этанола с CuO при нагревании.
Задача 3. Массовая доля углерода в предельном одноатомном спирте равна 52,2%. Найдите формулу спирта и запишите уравнение его полного сгорания. Обозначьте число атомов углерода через n, подставьте общую формулу CₙH₂ₙ₊₂O и вычислите долю углерода, используя относительные атомные массы C = 12, H = 1, O = 16.
Ответ: C₂H₅OH, этанол; уравнение полного сгорания приведено выше. Проверка массовой доли нужна, чтобы убедиться, что выбранная формула подходит исходным данным.
Ошибка — считать спиртом любое соединение с группой –ОН. Её допускают, потому что запоминают только функциональную группу, не проверяя связь. В спирте –ОН должна быть связана с атомом углерода углеводородного радикала; в NaOH группа связана с натрием, поэтому это гидроксид. Проверяйте, какой атом непосредственно соединён с кислородом группы.
Ошибка — неверно выбрать главную цепь или пронумеровать её с неправильного конца. Тогда название указывает не то положение –ОН, хотя сама структура может быть нарисована верно. Выбирайте самую длинную цепь, содержащую нужный атом углерода, и сравнивайте номера группы при нумерации с двух сторон. Правильное название получает наименьший возможный номер для –ОН.
Ошибка — называть спирты сильными основаниями или кислотами, перенося на них свойства гидроксидов металлов. Причина — одинаковое обозначение –ОН, которое скрывает разное строение связи. Спирты реагируют с активными металлами, но это не делает их растворами щёлочей. Проверяйте вывод по формуле и уравнению реакции, а не только по наличию –ОН.
Ошибка — путать окисление, горение и дегидратацию. Во всех случаях спирт превращается в другие вещества, поэтому реакции иногда смешивают, не учитывая условия. При полном горении образуются CO₂ и H₂O, при окислении продукт зависит от спирта и окислителя, а межмолекулярная дегидратация даёт эфир и воду. Перед записью уравнения определите тип реакции, реагенты и ожидаемые продукты.
Для изучения спиртов нужны знания о строении органических веществ, углеводородных радикалах, изомерии и структурных формулах: без них трудно распознать группу –ОН и правильно назвать вещество. Полярность связи, водородные связи и окислительно-восстановительные реакции помогают объяснить физические свойства и химические превращения; расчёты по уравнениям нужны для решения задач. Позже те же представления пригодятся при изучении фенолов, альдегидов, карбоновых кислот, углеводов, синтетических волокон и органического синтеза.
Почему спирты хорошо растворяются в воде не одинаково?
Группа –ОН образует водородные связи с молекулами воды, поэтому помогает спирту растворяться. У короткоцепочечных спиртов её влияние велико, а с удлинением неполярная углеводородная часть начинает преобладать и растворимость обычно уменьшается. Несколько групп –ОН, напротив, часто повышают растворимость.
Чем спирт отличается от гидроксида металла?
В спирте группа –ОН связана с атомом углерода углеводородного радикала, например C₂H₅–OH. В гидроксиде металла она связана с металлом: NaOH. Поэтому спирты и гидроксиды металлов — разные классы веществ и проявляют разные свойства.
Как определить, является ли вещество одноатомным или многоатомным спиртом?
Нужно посчитать гидроксильные группы –ОН, связанные с углеродными атомами. Одна группа означает одноатомный спирт, две и более — многоатомный. Например, этанол C₂H₅OH одноатомен, а этиленгликоль HO–CH₂–CH₂–OH двухатомен.
Почему у спиртов температура кипения выше, чем у соответствующих углеводородов?
Молекулы спиртов притягиваются друг к другу водородными связями, которые возникают между группами –ОН. Чтобы разделить молекулы при кипении, требуется дополнительная энергия. У соответствующих углеводородов таких связей нет.
Как по названию спирта составить его структурную формулу?
Сначала постройте углеродную цепь с числом атомов, указанным корнем названия, и пронумеруйте её так, чтобы группа –ОН получила нужный номер. Затем поставьте –ОН у указанного атома углерода и добавьте водороды так, чтобы каждый атом углерода образовал четыре связи. Например, бутан-2-ол имеет формулу CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃.
§ 12. Спирты
