Содержание
Спиртами называют производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещены на гидроксильные группы (–OH).
По числу гидроксильных групп спирты делят на одноатомные, двухатомные, трёхатомные и многоатомные.
Предельными одноатомными спиртами называют класс химических веществ, отвечающий общей формуле CnH2n+1OH и содержащий в своей молекуле функциональную гидроксильную группу –OH, связанную с углеводородным радикалом.
Родоначальником гомологического ряда предельных одноатомных спиртов является метиловый спирт, или метанол. Его структурная формула CH3OH.
Метиловый спирт представляет собой бесцветную жидкость с характерным запахом, которая смешивается с водой во всех отношениях. Его температура кипения равна +64,7 °С, температура плавления –93,9 °С. В промышленности его получают из смеси оксида углерода (II) и водорода в присутствии катализатора — окиси цинка и хрома при высокой температуре:
Метиловый спирт реагирует с щелочными металлами с образованием соответствующих метилатов, вступает в обратимые реакции с галогенводородными кислотами, а также в окислительно-восстановительные реакции:
При межмолекулярной дегидратации метилового спирта (катализатор — концентрированная серная кислота) происходит образование простого эфира:
Метиловый спирт применяют в производстве формальдегида, полимерных материалов, в качестве растворителя в различных процессах.
Метиловый спирт очень ядовит. Известны многочисленные случаи тяжёлых отравлений этим соединением, часто со смертельным исходом.
Ближайший гомолог метилового спирта — этиловый спирт, или этанол. Его структурная формула CH3–CH2–OH. Он представляет собой бесцветную жидкость с характерным запахом. Смешивается с водой во всех отношениях. Его температура кипения равна +78,3 °С, температура плавления –114,2 °С.
Разработано несколько промышленных методов получения этанола. Наиболее важными являются спиртовое брожение сахаристых веществ, например глюкозы в присутствии дрожжей, а также каталитическая гидратация этилена:
Этиловый спирт реагирует с щелочными металлами с образованием соответствующих этилатов, вступает в обратимые реакции с галогенводородными кислотами, а также в окислительно-восстановительные реакции:
При межмолекулярной дегидратации этилового спирта (катализатор — концентрированная серная кислота) происходит образование простого эфира:
Если в реакцию этерификации взять смесь метилового и этилового спиртов одним из продуктов реакции может быть эфир несимметричного строения:
Этиловый спирт широко применяется в химической промышленности для производства красителей, ядохимикатов, пороха, пластмасс, уксусной кислоты и т. д. Этиловый спирт применяют в медицине и парфюмерии.
Трехатомные спирты. Эти спирты содержат три гидроксильные группы при разных углеродных атомах. Общая формула трёхатомных спиртов CnH2n-1(OH)3. Простейшим представителем трехатомных спиртов является глицерин. Его структурная формула HOCH2–CH(OH)–CH2OH. Он представляет собой бесцветную сиропообразную жидкость, сладкую на вкус. Смешивается с водой и этиловым спиртом во всех отношениях. Его температура кипения равна +290 °С, температура плавления +17 °С.
Получают глицерин омылением жиров, а также из непищевого сырья.
Глицерин способен образовывать жиры при реакции с карбоновыми кислотами, а его реакция со смесью азотной и серной кислот приводит к образованию тринитрогилцерина NO2–OCH2–CH(O–NO2)–CH2O–NO2— мощного взрывчатого вещества.
При взаимодействии глицерина со свежеосаждённым гидроксидом меди образуется глицерат меди, имеющий характерный ярко-синий цвет. Эта реакция является качественной для определения глицерина.
Глицерин применяют для изготовления полиэфирных полимеров, взрывчатых веществ, в парфюмерии, текстильной и пищевой промышленности.
Уксусная кислота H3CC(O)OH представляет собой бесцветную жидкость с резким запахом. Безводная уксусная кислота, имеющая температура плавления 16,6 °С называется ледяной.
Уксусная кислота широко распространена в природе. Она образуется при уксуснокислом брожении жидкостей, содержащих спирт, содержится в растениях и т. д.
В промышленности уксусную кислоту получают из уксусного альдегида или жидкофазным окислением углеводородов в присутствии солей марганца в качестве катализатора, например:
Уксусная кислота является слабой кислотой. Её производные называют ацетаты.
Она вступает в реакцию с основаниями и амфотерными гидроксидами (реакция нейтрализации), основными и амфотерными оксидами. Во всех случаях образуются соль и вода:
Уксусная кислота может реагировать с активными металлами с образованием солей и выделением водорода:
При хлорировании уксусной кислоты в присутствии красного фосфора образуется хлоруксусная кислота:
Уксусную кислоту используют в качестве полупродукта при производстве ацетонового шелка, красителей и др. Уксусную кислоту также широко применяют в пищевой промышленности. Водные растворы уксусной кислоты с концентрацией 70—80% называются уксусной эссенцией, а с концентрацией 3—5% — столовым уксусом.
Стеариновая кислота СН3(СН2)16СООН представляет собой бесцветные кристаллы с температурой плавления 69,6 °С. В воде стеариновая кислота очень мало растворима. Эта кислота входит в состав животных и растительных жиров, которые и служат источником её получения. Используют стеариновую кислоту в фармацевтической и косметической промышленности. Её натриевая соль — стеарат натрия СН3(СН2)16СООН образуется в результате взаимодействия стеариновой кислоты с гидроксидом или карбонатом натрия.
Стеарат натрия является основной составной частью обычного твёрдого мыла, а стеарат калия — жидкого мыла.
Тренировочные задания
1. Для метанола верны следующие утверждения:
1) это жидкость с характерным запахом, хорошо растворимая в воде
2) содержит в своём составе карбоксильную группу
3) содержит в своём составе гидроксильную группу
4) не горит на воздухе
5) реагирует с бромной водой
2. Для метанола верны следующие утверждения:
1) это газ при нормальных условиях
2) атомы углерода в нём находятся в состоянии sp-гибридизации
3) реагирует с металлическим натрием
4) реагирует с гидроксидом натрия
5) горит на воздухе
3. Для этанола верны следующие утверждения:
1) это жидкость с характерным запахом, не растворимая в воде
2) это низкокипящий газ, хорошо растворимый в воде
3) реагирует с гидроксидом натрия
4) реагирует с хлороводородом
5) реагирует с калием
4. Для этанола верны следующие утверждения:
1) его используют в медицине и пищевой промышленности
2) реагирует с концентрированными щелочами
3) не вступает в окислительно-восстановительные реакции
4) при дегидратации даёт ацетилен
5) при дегидратации даёт этилен
5. Для глицерина верны следующие утверждения:
1) все атомы в его молекуле находятся в состоянии sp-гибридном состоянии
2) реагирует с водой
3) даёт ярко-синее окрашивание со свежеосаждённым раствором гидроксида меди (II)
4) реагирует с угольной кислотой
5) реагирует с азотной кислотой
6. Для глицерина верны следующие утверждения:
1) это предельный двухатомный спирт
2) это предельный трехатомный спирт
3) реагирует с бромной водой
4) реагирует с железом
5) реагирует с натрием
7. Для уксусной кислоты верны следующие суждения:
1) это жидкость с характерным резким запахом, нерастворимая в воде
2) это жидкость с характерным резким запахом, хорошо растворимая в воде
3) все атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации
4) атом углерода карбоксильной группы находится в состоянии sp2-гибридизации
5) сгорает на воздухе с образованием углекислого газа и водорода
8. Для уксусной кислоты верны следующие суждения:
1) сильнее соляной кислоты, но слабее угольной кислоты
2) сильнее угольной кислоты, но слабее соляной кислоты
3) не реагирует с основаниями
4) окисляет серу
5) реагирует со щелочами
9. Для стеариновой кислоты верны следующие суждения:
1) это непредельная одноосновная кислота
2) содержит в своём составе карбоксильную группу и углеводородный радикал C17H35
3) сильнее уксусной кислоты
4) сильнее соляной кислоты
5) в виде сложных эфиров входит в состав растительных и животных жиров
10. Для стеариновой кислоты верны следующие суждения:
1) это твёрдое вещество белого цвета, не растворимое в воде
2) реагирует с сульфатом натрия
3) реагирует с гидроксидом натрия
4) относится к сильным кислотам
5) содержит в своём составе углеводородный радикал формулы C15H31
Свойства спиртов
Получение спиртов
Спирты — производные углеводородов, в молекулах которых есть одна или несколько гидроксильных групп OH.
Все спирты делятся на одноатомные и многоатомные
Одноатомные спирты
Одноатомные спирты — спирты, у которых имеется одна гидроксильная группа.
Бывают первичные, вторичные и третичные спирты:
— у первичных спиртов гидроксильная группа находится у первого атома углерода, у вторичных — у второго, и т.д.
Свойства спиртов, которые являются изомерными, во многом похожи, но в некоторых реакциях они ведут себя по-разному.
Спирт этиловый
Сравнивая относительную молекулярную массу спиртов (Mr) c относительными атомными массами углеводородов, можно заметить, что спирты имеют более высокую температуру кипения. Это объясняется наличием водородной связи между атомом H в группе ОН одной молекулы и атомом O в группе -ОН другой молекулы.
При растворении спирта в воде образуются водородные связи между молекулами спирта и воды. Этим объясняется уменьшение объёма раствора (он всегда будет меньше, чем сумма объёмов воды и спирта по отдельности).
Наиболее ярким представителем химических соединений этого класса является этиловый спирт. Его химическая формула C2H5-OH. Концентрированный этиловый спирт (он же — винный спирт или этанол) получают из разбавленных его растворов путём перегонки; действует опьяняюще, а в больших доза — это сильный яд, который разрушает живые ткани печени и клетки мозга.
Муравьиный спирт (метиловый)
При этом нужно отметить, что этиловый спирт полезен в качестве растворителя, консерванта, средства понижающего температуру замерзания какого-либо препарата. Ещё один не менее известный представитель этого класса — метиловый спирт (его ещё называют — древесный или метанол). В отличии от этанола метанол смертельно опасен даже в самых малых дозах! Сначала он вызывает слепоту, затем просто "убивает"!
Многоатомные спирты
Многоатомные спирты — спирты, имеющие несколько гидроксильных групп OH.
Двухатомными спиртами называются спирты,содержащие две гидроксильные группы (группа ОН); спирты содержащие три гидроксильные группы — трёхатомные спирты. В их молекулах две или три гидроксильные группы никогда не оказываются присоединёнными к одному и тому же атому углерода.
Многоатомный спирт — глицерин
Двухатомные спирты ещё называют гликолями, так как они обладают сладким вкусом, — это характерно для всех многоатомных спиртов
Многоатомные спирты с небольшим числом атомов углерода — это вязкие жидкости, высшие спирты — твёрдые вещества. Многоатомные спирты можно получать теми же синтетическими методами, что и предельные многоатомные спирты.
1. Получение этилового спирта (или винный спирт) путём брожения углеводов:
Суть брожения заключается в том, что один из простейших сахаров — глюкоза, получаемый в технике из крахмала, под влиянием дрожжевых грибков распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Установлено, что процесс брожения вызывают не сами микроорганизмы, а выделяемые ими вещества — зимазы. Для получения этилового спирта обычно используют растительное сырьё, богатое крахмалом: клубни картофеля, хлебные зёрна, зёрна риса и т.д.
2. Гидратация этилена в присутствии серной или фосфорной кислоты
3. При реакции галогеналканов со щёлочью:
4. При реакции окисления алкенов
5. Гидролиз жиров: в этой реакции получается всем известный спирт — глицерин
Кстати, глицерин входит в состав многих косметических средств как консервант и как средство, предотвращающее замерзание и высыхание!
Свойства спиртов
1) Горение: Как и большинство органических веществ спирты горят с образованием углекислого газа и воды:
При их горении выделяется много теплоты, которую часто используют в лабораториях (лабораторные горелки). Низшие спирты горят почти бесцветным пламенем, а у высших спиртов пламя имеет желтоватый цвет из-за неполного сгорания углерода.
2) Реакция со щелочными металлами
При этой реакции выделяется водород и образуется алкоголят натрия. Алкоголяты похожи на соли очень слабой кислоты, а также они легко гидролизуются. Алкоголяты крайне неустойчивы и при действии воды — разлагаются на спирт и щелочь. Отсюда следует вывод, что одноатомные спирты не реагируют со щелочами!
3) Реакция с галогеноводородом
C2H5-OH + HBr —> CH3-CH2-Br + H2O
В этой реакции образуется галогеноалкан (бромэтан и вода). Такая химическая реакция спиртов обусловлена не только атомом водорода в гидроксильной группе, но и всей гидроксильной группой! Но эта реакция обратима: для её протекания нужно использовать водоотнимающее средство, например серную кислоту.
4) Внутримолекулярная дегидратация (в присутствии катализатора H2SO4)
В этой реакции при действии концентрированной серной кислоты и при нагревании происходит дегидратация спиртов. В процессе реакции образуется непредельный углеводород и вода.
Отщепление атома водорода от спирта может происходить в его же молекуле (то есть происходит перераспределение атомов в молекуле). Эта реакция является межмолекулярной реакцией дегидратации. Например, так:
В процессе реакции происходит образование простого эфира и воды.
5) реакция с карбоновыми кислотами:
Если добавить к спирту карбоновую кислоту, например уксусную, то произойдёт образование простого эфира. Но сложные эфиры менее устойчивы, чем простые эфиры. Если реакция образования простого эфира почти необратима, то образование сложного эфира — обратимый процесс. Сложные эфиры легко подвергаются гидролизу, распадаясь на спирт и карбоновую кислоту.
6) Окисление спиртов.
Кислородом воздуха при обычной температуре спирты не окисляются, но при нагревании в присутствии катализаторов идёт окисление. Примером может служить оксид меди (CuO), марганцовка (KMnO4), хромовая смесь. При действии окислителей получаются различные продукты и зависят от строения исходного спирта. Так, первичные спирты превращаются в альдегиды (реакция А), вторичные — в кетоны (реакция Б), а третичные спирты устойчивы к действию окислителей.
- — a) для первичных спиртов
- — б) для вторичных спиртов
- — в) третичные спирты оксидом меди не окисляются!
Что касается многоатомных спиртов, то они имеют сладковатый вкус, но некоторые из них ядовиты. Свойства многоатомных спиртов похожи на одноатомные спирты, при этом различие в том, что реакция идёт не по одной к гидроксильной группе, а по нескольким сразу.
Одно из основных отличий — многоатомные спирты легко вступают в реакцию гидроксидом меди. При этом получается прозрачный раствор ярко сине-фиолетового цвета. Именно этой реакцией можно выявлять наличие многоатомного спирта в каком-либо растворе.
Взаимодействуют с азотной кислотой:
С точки зрения практического применения наибольший интерес представляет реакция с азотной кислотой. Образующийся нитроглицерин и динитроэтиленгликоль используют в качестве взрывчатых веществ, а тринитроглицерин — ещё и в медицине, как сосудорасширяющее средство.
Этиленгликоль
Этиленгликоль — типичный представитель многоатомных спиртов. Его химическая формула CH2OH — CH2OH. — двухатомный спирт. Это сладкая жидкость, которая способно отлично растворяться в воде в любых пропорциях. В химических реакциях может участвовать как одна гидроксильная группа (-OH), так и две одновременно.
этиленгликоль
Этиленгликоль — его растворы — широко применяются как антиобледенительное средство (антифризы). Раствор этиленгликоля замерзает при температуре -34 0 C, что в холодное время года может заменить воду, например для охлаждения автомобилей.
При всей пользе этиленгликоля нужно учитывать, это это очень сильный яд!
Глицерин
Все мы видели глицерин. Он продаётся в аптеках в тёмных пузырьках и представляет собой вязкую бесцветную жидкость, сладковатую на вкус. Глицерин — это трёхатомный спирт. Он очень хорошо растворим в воде, кипит при температуре 220 0 C.
Химические свойства глицерина во многом сходны со свойствами одноатомных спиртов, но глицерин может реагировать с гидроксидами металлов (например, гидроксидом меди Cu(OH)2), при этом образуются глицераты металлов — химические соединения, подобные солям.
Реакция с гидроксидом меди — типовая для глицерина. В процессе химической реакции образуетс ярко-синий раствор глицерата меди
Эмульгаторы
Эмульгаторы — это высшие спирты, эфиры и другие сложные химические вещества, которые при смешивании с другими веществами, например жирами, образуют стойкие эмульсии. Кстати, все косметические средства также являются эмульсиями! В качестве эмульгаторов часто используют вещества, представляющие собой искусственный воск (пентол, сорбитанолеат), а также триэтаноламин, лицетин.
Растворители
Растворители — это вещества, используемые в основном для приготовления лаков для волос и ногтей. Они представлены в небольшой номенклатуре, так как большинство таких веществ легко воспламенимо и вредно для организма человека. Наиболее распространённым представителем растворителей является ацетон, а также амилацетат, бутилацетат, изобутилат.
Есть также вещества, называемые разбавители. Они, в основном применяются вместе с растворителями для приготовления различных лаков.
41. Метанол и этанол
Метиловый спирт, или метанол, его особенности:
1) структурная формула – СН 3 ОН;
2) это бесцветная жидкость с температурой кипения 64,5 °C;
3) ядовит (может вызывать слепоту, смерть);
4) в больших количествах метиловый спирт получается синтезом из оксида углерода (II) и водорода при высоком давлении (20–30 МПа) и высокой температуре (400 °C) в присутствии катализатора (около 90 % ZnО и 10 % Сr 2 O 3 ): СО + 2Н 2 -> СН 3 ОН;
5) метиловый спирт образуется и при сухой перегонке дерева, поэтому его называют также древесным спиртом. Применяется он в качестве растворителя, а также для получения других органических веществ.
Этиловый (винный) спирт, или этанол, его особенности:
1) структурная формула – СН 3 СН 2 ОН;
2) температура кипения 78,4 °C;
3) этанол – это одно из важнейших исходных веществ в современной промышленности органического синтеза.
Способы получения этанола:
1) для получения используются различные сахаристые вещества (виноградный сахар, глюкоза, которая путем «брожения» превращается в этиловый спирт). Реакция протекает по схеме:
C 6 H 12 O 6 (глюкоза) -> 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 .
2) глюкоза в свободном виде содержится, например, в виноградном соке, при брожении которого получается виноградное вино с содержанием спирта от 8 до 16 %;
3) исходным продуктом для получения спирта может служить полисахарид крахмал, который содержится, например, в клубнях картофеля, зернах ржи, пшеницы, кукурузы;
4) для превращения в сахаристые вещества (глюкозу) крахмал предварительно подвергают гидролизу.
Для этого мука или измельченный картофель заваривается горячей водой и по охлаждении в него добавляется солод.
Солод – это проросшие, а затем подсушенные и растертые с водой зерна ячменя.
В солоде содержится диастаз, который действует на процесс осахаривания крахмала каталитически.
Диастаз – это сложная смесь ферментов;
5) по окончании осахаривания к полученной жидкости прибавляются дрожжи, под действием ферментов которых (зимазы) образуется спирт;
6) его отгоняют и затем очищают повторной перегонкой.
В настоящее время осахариванию подвергается также полисахарид – целлюлоза (клетчатка), которая образует главную массу древесины.
Для этого целлюлоза подвергается гидролизу в присутствии кислот (например, древесные опилки при 150–170 °C обрабатываются 0,1–5 %-ной серной кислотой под давлением 0,7–1,5 МПа).
