6.3. Химические свойства

Определения и обозначения

Альдегид — кислородсодержащее органическое вещество с карбонильной группой на конце углеродной цепи. Его общая формула — R−CHO, где R — углеводородный радикал или атом водорода. Такое строение объясняет характерные реакции альдегидов, особенно лёгкое окисление.

Кетон — вещество, в котором карбонильная группа соединена с двумя углеводородными радикалами. Общая формула кетонов — R−CO−R′. Эта запись помогает отличить кетон от альдегида и понять, почему кетоны иначе окисляются.

Карбонильная группа — функциональная группа C=O, то есть углерод, соединённый с кислородом двойной связью. Она определяет основные химические свойства альдегидов и кетонов. По положению этой группы и связанным с ней атомам различают два класса веществ.

Реакция серебряного зеркала — качественная реакция на альдегиды, при которой ионы серебра превращаются в металлическое серебро. На стенках пробирки появляется блестящий налёт. Реакция нужна для распознавания альдегидов среди других органических веществ.

Как это устроено

Связь C=O полярна, потому что атом кислорода сильнее притягивает общую электронную пару, чем углерод. Поэтому кислород получает частичный отрицательный заряд, а углерод — частичный положительный. Электронодефицитный углерод легко подвергается атаке частиц, богатых электронами, поэтому для карбонильных соединений характерны реакции присоединения.

Альдегиды окисляются легче кетонов из-за строения карбонильной группы. У альдегида с карбонильным углеродом связан атом водорода, который может замещаться на гидроксильную группу. В результате образуется карбоновая кислота: R−CHO + [O] → R−COOH, тогда как у кетона такого атома водорода нет.

При восстановлении водород присоединяется к карбонильной группе, а двойная связь C=O превращается в более простые связи. В альдегиде образуется группа −CH₂OH, поэтому продуктом становится первичный спирт. В кетоне гидроксильная группа оказывается между двумя углеводородными остатками, и образуется вторичный спирт.

Альдегиды дают реакции серебряного зеркала и Фелинга, потому что способны восстанавливать соединения серебра(I) и меди(II). В реакции серебряного зеркала Ag⁺ превращается в Ag, а в реакции Фелинга образуется кирпично-красный Cu₂O. У кетонов карбонильный углерод связан с двумя радикалами, поэтому большинство кетонов не проявляет таких восстановительных свойств.

Некоторые альдегиды вступают в поликонденсацию — соединение большого числа молекул с выделением небольших молекул, например воды. Они также могут участвовать в полимеризации и образовывать длинные цепи или пространственные сетки. Особенно важен формальдегид: его используют для получения фенолформальдегидных, мочевиноформальдегидных смол и других полимерных материалов.

Химические свойства альдегидов и кетонов

Таблицу удобно использовать как алгоритм сравнения: сначала определите тип вещества, затем найдите нужный тип реакции. Отдельно проверяйте условия, потому что один и тот же реагент при разных условиях может давать разные продукты. Качественные реакции узнают по наблюдаемому признаку — серебряному налёту или красному осадку.

Разбор задач

Задача 1. Окисление этаналя и пропанона

Определим продукты окисления этаналя и пропанона и запишем уравнения реакций. Сначала установим класс каждого вещества по строению. Этаналь — альдегид, а пропанон — кетон.

1. Этаналь имеет формулу CH₃CHO и содержит группу −CHO.
2. Альдегиды при окислении превращаются в карбоновые кислоты с тем же числом атомов углерода.
3. Пропанон имеет формулу CH₃COCH₃ и относится к кетонам, которые мягкими окислителями обычно не окисляются.
4. Уравнение для этаналя: CH₃CHO + [O] → CH₃COOH.

Ответ: из этаналя образуется этановая кислота. Пропанон при мягком окислении реакции практически не даёт. Для его разрушительного окисления потребовались бы более жёсткие условия.

Задача 2. Распознавание этаналя и пропанона

Нужно различить растворы этаналя и пропанона с помощью качественных реакций. Выберем реакцию серебряного зеркала и реакцию Фелинга, так как обе основаны на восстановительных свойствах альдегидов. Опыт проводят отдельно с каждой пробой при нагревании.

1. К первой порции добавляют аммиачный раствор оксида серебра и осторожно нагревают.
2. Если появляется блестящий налёт серебра, в пробе находится этаналь: CH₃CHO + Ag₂O → CH₃COOH + 2Ag.
3. Если налёт не образуется, проверяют вторую порцию раствором Фелинга.
4. Кирпично-красный осадок Cu₂O также указывает на этаналь, а отсутствие осадка характерно для пропанона.

Ответ: этаналь определяется по серебряному зеркалу или кирпично-красному осадку Cu₂O. Пропанон не даёт этих реакций в обычных условиях. Для надёжности можно использовать обе пробы.

Задача 3. Цепочка превращений этанола

Составим цепочку этанол → этаналь → этановая кислота. Этанол является первичным спиртом, поэтому при мягком окислении сначала образуется альдегид. Затем альдегид окисляется дальше до карбоновой кислоты.

1. Первую стадию проводят нагреванием этанола с оксидом меди(II): CH₃CH₂OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O.
2. Также можно использовать дегидрирование на медном катализаторе: CH₃CH₂OH → CH₃CHO + H₂.
3. На второй стадии этаналь окисляют кислородом или другим окислителем.
4. Уравнение второй стадии: 2CH₃CHO + O₂ → 2CH₃COOH.

Ответ: этанол превращается в этаналь при окислении или дегидрировании. Этаналь затем окисляется до этановой кислоты. Условия каждой стадии определяют, остановится ли превращение на альдегиде.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что все карбонильные соединения дают серебряное зеркало. Так думают из-за общей группы C=O, но реакция зависит также от наличия атома водорода при карбонильном углероде. Проверяйте формулу: −CHO указывает на альдегид, а >C=O внутри цепи — обычно на кетон.

Вторая ошибка — путать спирты, образующиеся при восстановлении. Альдегид даёт первичный спирт, кетон — вторичный, поскольку положение будущей группы −OH определяется строением исходного вещества. Проверьте, сколько углеродных остатков связано с атомом углерода, несущим OH.

Третья ошибка — записывать для кетона карбоновую кислоту с тем же числом атомов углерода при мягком окислении. Кетоны устойчивы к таким окислителям, а их жёсткое окисление обычно сопровождается разрывом углеродной цепи. Сначала уточните условия реакции.

Четвёртая ошибка — превращать альдегид сразу в углекислый газ и воду. При обычном мягком окислении продуктом является соответствующая карбоновая кислота. Сверьте уравнение с реагентом и условиями, а затем проверьте число атомов каждого элемента.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение карбонильной группы, номенклатура альдегидов и кетонов, а также свойства спиртов. Объяснение реакций опирается на понятия окисления и восстановления, качественных реакций и электронного строения связей. Эти знания пригодятся при изучении карбоновых кислот, углеводов, получения органических веществ и качественного анализа.

Что запомнить

• Альдегиды содержат группу −CHO, а кетоны — группу >C=O внутри углеродной цепи.
• Карбонильная группа полярна, поэтому её углерод легко вступает в реакции присоединения.
• Альдегиды окисляются до карбоновых кислот.
• Кетоны не окисляются мягкими окислителями.
• При восстановлении альдегидов образуются первичные спирты, а при восстановлении кетонов — вторичные.
• Реакция серебряного зеркала и реакция Фелинга являются качественными реакциями на альдегиды.
• Формальдегид способен участвовать в реакциях образования полимеров и смол.