Химия · Органическая химия · 10 класс

Спирты и простые эфиры

Почему у этанола и диметилового эфира формула одна, а температуры кипения различаются более чем на 100 °C?

Ситуация

Спирт для дезинфекции из аптеки, антифриз в радиаторе машины и глицерин в креме для рук — всё это спирты: в молекуле есть группа –OH. Этанол образуется, когда виноградный сок бродит, а похожий на него и по запаху, и по виду метанол — сильный яд: несколько миллилитров могут ослепить человека. А диметиловый эфир, у которого формула такая же, как у этанола, при комнатной температуре — газ. Насколько меняет свойства вещества одна группа –OH и как отличить спирты друг от друга?

Тема

Спирты и простые эфиры. Дезинфицирующий спирт, антифриз и крем с глицерином: одноатомные и многоатомные спирты; синий цвет с Cu(OH)₂

Ключевые понятия

–OH-группа и водородная связь
С Na, CuO, Cu(OH)₂
Эфиры — изомеры

Формулы

C_{n} H_{2 n + 1} OH

Гомологический ряд предельных одноатомных спиртов: метанол $CH_{3} OH$ , этанол $C_{2} H_{5} OH$ , пропанол $C_{3} H_{7} OH$ … Общая формула $C_{n} H_{2 n + 2} O$ — такая же и у простых эфиров.

2 C_{2} H_{5} OH + 2 Na \overset{}{\to} 2 C_{2} H_{5} ONa + H_{2} ↑

Спирты с активными металлами: водород в связи O–H замещается металлом (практическая работа 3.10). Из 1 моль Na получается 0,5 моль $H_{2}$ .

C_{2} H_{5} OH + CuO \overset{\overset{}{t}}{\to} CH_{3} CHO + Cu + H_{2} O

Первичный спирт окисляется оксидом меди(II) до альдегида: чёрная проволока снова становится красной медью.

C_{6} H_{12} O_{6} \overset{\overset{}{д р о ж ж и}}{\to} 2 C_{2} H_{5} OH + 2 CO_{2} ↑

Спиртовое брожение: глюкоза под действием ферментов дрожжевых грибков превращается в этанол и углекислый газ.

2 C_{3} H_{5} (OH)_{3} + Cu (OH)_{2} \overset{}{\to} Cu (C_{3} H_{7} O_{3})_{2} + 2 H_{2} O

Качественная реакция многоатомных спиртов: свежий осадок $Cu (OH)_{2}$ превращается в тёмно-синий раствор (практическая работа 3.5).

Теория

Одноатомные спирты: ряд, названия, изомерия (3.1)

Спирты — соединения, в молекуле которых атом(ы) водорода в углеводороде замещён(ы) гидроксильной группой –OH. Ряд предельных одноатомных спиртов: $CH_{3} OH$ метанол, $C_{2} H_{5} OH$ этанол, $C_{3} H_{7} OH$ пропанол… общая формула $C_{n} H_{2 n + 1} OH$ . По тому, с каким углеродом связана –OH, спирты бывают первичные (C связан ещё с одним C: пропанол-1), вторичные (с двумя C: пропанол-2) и третичные (с тремя C: 2-метилпропанол-2). Названия: выбирают самую длинную цепь, содержащую –OH, нумеруют с конца, ближайшего к –OH, к названию алкана добавляют «-ол» и указывают положение –OH: $CH_{3} - CH (OH) - CH_{3}$ — пропанол-2. Изомерия: углеродного скелета (бутанол-1 и 2-метилпропанол-1), положения –OH (бутанол-1 и бутанол-2) и межклассовая — с простыми эфирами (этанол и диметиловый эфир — оба $C_{2} H_{6} O$ ).

Водородная связь и физические свойства

Связь O–H сильно поляризована: атом H притягивается к кислороду соседней молекулы — это водородная связь (O–H···O, ≈ 0,19 нм). Молекулы как бы «слипаются», поэтому спирты кипят при гораздо более высокой температуре, чем алканы близкой массы: метанол 64,7 °C (этан −88,6 °C), этанол 78,3 °C (пропан −42,1 °C). С удлинением цепи температура кипения растёт, а разветвление её понижает: бутанол-1 117,7 °C, 2-метилпропанол-2 82,4 °C. Низшие спирты смешиваются с водой неограниченно (с водой они тоже образуют водородные связи), а начиная с бутанола растворимость резко падает. Метанол — сильный яд: при попадании внутрь в организме превращается в формальдегид и муравьиную кислоту; известны случаи, когда даже 4–15 мл необратимо повреждали зрительный нерв, а смертельная доза — несколько десятков миллилитров. Отличить его от этанола по запаху или виду нельзя. Этанол тоже наркотическое вещество, он отравляет печень и мозг.

Получение и химические свойства (3.2; практ. 3.10)

Получение: этанол — брожением сахаристых веществ с дрожжами (виноград; крахмал зерна сначала расщепляется до сахара; дрожжи выживают примерно до 15–18 % этанола, чистый спирт получают перегонкой) и в промышленности — гидратацией этилена ( $H_{3} PO_{4}$ , ≈ 300 °C, водяной пар под высоким давлением). Метанол — из «синтез-газа»: $CO + 2 H_{2} \overset{}{\to} CH_{3} OH$ (катализатор Cu/ZnO, нагревание, давление). Свойства: 1) с активными металлами выделяется $H_{2}$ и образуется алкоголят; спирты — более слабая кислота, чем вода (p $K_{a}$ этанола ≈ 15,9), поэтому реакция идёт спокойнее, чем с водой, а алкоголят в воде даёт щелочную среду; 2) группа –OH замещается на галоген: $C_{2} H_{5} OH + HBr \overset{}{\to} C_{2} H_{5} Br + H_{2} O$ (кислород присоединяет H⁺ — основные свойства спиртов); 3) дегидратация: с $H_{2} SO_{4}$ при ≈ 170 °C — этилен, при ≈ 140 °C — диэтиловый эфир; 4) окисление: с CuO — альдегид, при нагревании над медью — дегидрирование ( $C_{2} H_{5} OH \overset{}{\to} CH_{3} CHO + H_{2}$ ), горение: $C_{2} H_{5} OH + 3 O_{2} \overset{}{\to} 2 CO_{2} + 3 H_{2} O$ . Применение: растворитель, добавка к топливу, 70 %-й этанол — дезинфицирующее средство, лекарственные настойки; метанол — синтез формальдегида и уксусной кислоты. В Узбекистане этиловый спирт производят, например, на предприятии «Биокимё» в Янгиюле.

Многоатомные спирты: этиленгликоль и глицерин (3.3–3.5)

Этиленгликоль $HO - CH_{2} - CH_{2} - OH$ (двухатомный) и глицерин $HO - CH_{2} - CH (OH) - CH_{2} - OH$ (трёхатомный) — сладкие на вкус, вязкие, смешивающиеся с водой жидкости; из-за множества групп –OH температура кипения у них высокая: 197,3 °C и 290 °C. Этиленгликоль — основа антифриза (60 %-я смесь замерзает при ≈ −45 °C) и сырьё для лавсана; его молекулы, соединяясь эфирными связями, дают диэтиленгликоль и полиэтиленгликоли (лекарства, косметика). Этиленгликоль получают гидратацией оксида этилена. Он — сильный яд: из-за сладкого вкуса особенно опасен для детей и животных. Глицерин применяют в косметике, медицине, пищевой промышленности, из него получают нитроглицерин; он входит в состав жиров (жир — сложный эфир глицерина). Качественная реакция (практическая работа 3.5): в пробирку наливают 2 мл раствора NaOH и несколько капель $CuSO_{4}$ — выпадает синий осадок $Cu (OH)_{2}$ ; если добавить глицерин (или этиленгликоль) и встряхнуть, осадок растворяется и образуется тёмно-синий раствор — комплекс глицерата меди(II). Одноатомные спирты так не действуют: синий осадок не меняется.

Простые эфиры (3.8)

Простые эфиры $R - O - R^{'}$ — два углеводородных радикала, соединённых кислородным «мостиком»: диметиловый эфир $CH_{3} - O - CH_{3}$ , метилэтиловый эфир, диэтиловый эфир $C_{2} H_{5} - O - C_{2} H_{5}$ . Они — межклассовые изомеры спиртов с такой же формулой: $C_{2} H_{6} O$ — этанол и диметиловый эфир, $C_{4} H_{10} O$ — бутанол и диэтиловый эфир. В молекуле эфира нет O–H, поэтому молекулы между собой водородных связей не образуют: диметиловый эфир кипит при −24 °C, диэтиловый — при 34,6 °C (бутанол-1 — при 117,7 °C). Получение: нагревание спирта с $H_{2} SO_{4}$ (конц.) при ≈ 140 °C — межмолекулярная дегидратация. С натрием не реагирует. Диэтиловый эфир — хороший растворитель, очень летуч и чрезвычайно горюч, его пары образуют с воздухом взрывоопасную смесь; при длительном хранении накапливаются взрывоопасные пероксиды. В XIX веке он был одним из первых средств для наркоза. Диметиловый эфир применяют в аэрозольных баллонах и как заменитель дизельного топлива.

Безопасность и границы модели

Безопасность: не пробуйте спирты на вкус — метанол и этиленгликоль ядовиты; работайте в защитных очках. Не берите натрий руками (пинцет), бросайте в безводный спирт только мелкий кусочек, остальное храните под керосином; выделяющийся водород взрывоопасен в смеси с воздухом. Держите спирт и эфир вдали от открытого пламени, с эфиром работайте только в вытяжном шкафу. Если щёлочь попала в глаза — промойте большим количеством воды. Модель: температура водяной бани приближается к 20 + 82·(мощность) °C по закону первого порядка, жидкость в пробирке не нагревается выше температуры кипения; кусочек натрия — шар, уменьшающийся с постоянной скоростью (длительность реакции приблизительная); газ в шприце измеряется при 20 °C и 101,3 кПа, расширение паров спирта и воздуха не учтено; молярный объём при н. у. $V_{m}$ = 22,4 л/моль. Время брожения ускорено (1 с = 6 ч), выход теоретический; принято, что в пузырьках $CO_{2}$ в известковой воде сначала поглощается ≈ 0,4 %, а после выпадения осадка — ≈ 0,1 %. Молекулы показаны с реальными длинами и углами связей (1 Å ≈ 3 см), анимации реакций показывают лишь то, какая связь рвётся и какая образуется — реальный механизм содержит больше стадий.

Знаете ли вы?

16 октября 1846 года в Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне зубной врач Уильям Мортон на глазах у публики усыпил больного парами диэтилового эфира и провёл хирургическую операцию без боли.
70 %-й этанол дезинфицирует лучше чистого (почти безводного) спирта: чтобы разрушить белок микробов, нужна и вода, а чистый спирт быстро «затвердевает» поверхность клетки и не успевает проникнуть внутрь.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Алканы и циклоалканы — 10 класс
Алкены и алкадиены — 10 класс
Полимеры, каучук, волокна — 10 класс
Алкины, бензол и стирол — 10 класс
Природный газ, нефть и каменный уголь — 10 класс
Фенол, альдегиды и кетоны — 10 класс
Кислоты, эфиры и мыло — 10 класс
Углеводы: глюкоза и крахмал — 10 класс
Распознавание органических веществ — 10 класс
Стереохимия и конформации — 2 курс