Хімія. Рівень стандарту. Повторне видання. 10 клас. Григорович
§ 14. Насичені одноатомні спирти: фізичні та хімічні властивості, методи одержання
Пригадайте: водневий зв'язок — це особлива міжмолекулярна взаємодія, що реалізується за рахунок притягання атомів Гідрогену однієї молекули води до атома Оксигену іншої.
Фізичні властивості спиртів
З-поміж спиртів немає газуватих речовин. Перші члени гомологічного ряду насичених одноатомних спиртів — це рідини, а вищі спирти (від С15) — тверді речовини. У гомологічному ряду нерозгалужених спиртів зі збільшенням молекулярної маси підвищуються температури плавлення й кипіння (як і в алканів), а густина спиртів майже не змінюється (табл. 8). Перші три члени гомологічного ряду розчиняються у воді необмежено, а розчинність наступних членів ряду суттєво зменшується. Тверді спирти не мають запаху, тоді як для рідких властиві специфічні запахи. При цьому метанол та етанол за запахом дуже схожі й відрізнити їх майже неможливо.
Таблиця 8. Фізичні властивості насичених одноатомних спиртів
Назва |
М, г/моль |
Густина, г/мл |
tпл., °С |
tкип., °С |
Розчинність у воді |
Метанол СН3ОН |
32 |
0,79 |
-97,5 |
64,5 |
Необмежено розчинний |
Етанол С2Н5ОН |
46 |
0,79 |
-114,5 |
78,3 |
Необмежено розчинний |
Пропан-1-ол С3Н7ОН |
60 |
0,80 |
-126,2 |
97,2 |
Необмежено розчинний |
Бутан-1-ол С4Н9ОН |
74 |
0,81 |
-89,5 |
117,1 |
Розчинний (7 %) |
Пентан-1-ол С5Н11ОН |
88 |
0,81 |
-78,9 |
138,1 |
Погано розчинний (2 %) |
Гексан-1-ол С6Н13ОН |
102 |
0,81 |
-46,1 |
157,5 |
Практично нерозчинний |
Гептан-1-ол С7Н15ОН |
117 |
0,81 |
-30,6 |
176,4 |
Нерозчинний |
Октан-1-ол С8Н17ОН |
130 |
0,82 |
-15 |
195,3 |
Нерозчинний |
Вплив водневого зв'язку на фізичні властивості спиртів
Зверніть увагу, що в ряду насичених одноатомних спиртів, на відміну від насичених і ненасичених вуглеводнів, немає газуватих речовин. Це пояснюється тим, що атоми Оксигену в молекулах спиртів сполучені з атомами Гідрогену і в них є неподілена електронна пара (як у молекул води). Тобто у спиртів та води подібна електронна будова молекул:
Це зумовлює можливість утворення водневого зв’язку між молекулами спиртів. Завдяки водневому зв’язку молекули спиртів, так само як і молекули води, асоційовані: між ними існує додаткова міжмолекулярна взаємодія:
Утворенням водневих зв’язків між молекулами спиртів і молекулами води пояснюється розчинність нижчих спиртів (табл. 8).
Молекули спиртів складаються ніби з двох частин — розчинної у воді (гідрофільної) та нерозчинної (гідрофобної). Гідрофільна частина молекул спиртів — гідроксильна група, у якій існує ковалентний полярний зв’язок між атомами. Гідрофобна частина — вуглеводневий залишок, у якому між атомами переважно ковалентні неполярні зв’язки. Якщо вуглеводневий залишок невеликий, то водневі зв’язки гідроксильної групи з молекулами води спроможні «втримати» молекулу спирту в розчині. Якщо ж молекула спирту має довгий вуглеводневий ланцюг, який «чинить опір» розчиненню, то гідрофільності гідроксильної групи вже не вистачає для розчинення. Тому вищі спирти — нерозчинні у воді.
Хімічні властивості насичених одноатомних спиртів
Для спиртів найбільш характерними є реакції за участі групи -ОН:
- окиснення до альдегідів або карбонових кислот;
- дегідратація (внутрішньо- або міжмолекулярна);
- гідрогенгалогенування;
- взаємодія з дуже активними металами.
1. Окиснення. Для спиртів, як і для вуглеводнів, характерне повне та часткове окиснення.
Повне окиснення — горіння — відбувається внаслідок взаємодії з киснем, а продуктами реакції є вуглекислий газ і вода:
Як і вищі вуглеводні, вищі спирти горять кіптявим полум’ям унаслідок неповного окиснення, під час якого утворюється чадний газ або вуглець (сажа).
Унаслідок часткового окиснення спиртів утворюються альдегіди або карбонові кислоти залежно від реагентів і каталізаторів.
Унаслідок пропускання спиртів над розпеченим мідним або мідно-срібним каталізатором спирти втрачають водень та перетворюються на альдегіди:
Спирти також перетворюються на альдегіди або карбонові кислоти внаслідок взаємодії з різними окисниками (калій дихромат, калій перманганат, кисень тощо).
Демонстраційний дослід: окиснення етанолу купрум(IІ) оксидом
У промисловості під час окиснення спиртів киснем на мідному каталізаторі суміш випарів спирту з киснем пропускають крізь розпечену мідь. Реакція відбувається у дві стадії:
1) взаємодія кисню з міддю:
2Сu + О2 → 2СuО
2) окиснення спирту купрум(ІІ) оксидом:
С2Н5ОН + СuО → СН3СНО + Сu + Н2О
У лабораторії цей процес можна відтворити поетапно. Прожарюємо мідний дріт у полум'ї пальника (а): мідь взаємодіє з киснем. Спостерігаємо, що червона поверхня міді вкривається чорним шаром купрум(ІІ) оксиду.
Потім розжарений дріт занурюємо в пробірку з етанолом (б). Спостерігаємо, що поверхня дроту знов стає червоною, і відчуваємо запах оцтового альдегіду.
Дізнайтеся більше
У біологічній хімії під окисненням розуміють процеси, що призводять до втрати молекулою атомів Гідрогену або приєднання нею атомів Оксигену. Відновлення, навпаки,— це процеси, пов'язані з приєднанням атомів Гідрогену або втратою атомів Оксигену.
Проаналізуйте вивчені вами хімічні властивості органічних сполук. Чи можна такий самий принцип використовувати в органічній хімії?
Мал. 14.1. Дегідратація спиртів: нагрівання етанолу із сульфатною кислотою (а). Під час пропускання утвореного газу крізь бромну воду розчин у пробірці знебарвлюється. Це доводить, що одержана речовина є ненасиченою (б)
2. Дегідратація. Процес відщеплення води називають дегідратацією. За нагрівання спиртів із концентрованою сульфатною кислотою відбувається відщеплення води від спиртів. Але залежно від температури, за якої відбувається реакція, можлива внутрішньомолекулярна або міжмолекулярна дегідратація.
Внутрішньомолекулярна дегідратація. За нагрівання вище за 160 °С атом Гідрогену і група -ОН відщеплюються від однієї молекули спирту, й утворюється алкен (мал. 14.1).
У загальному вигляді схема реакції:
На прикладі етанолу:
Під час дегідратації спиртів, у яких група -ОН сполучена не з першим (крайнім) атомом, можливі два напрямки реакції:
У таких випадках реакція відбувається переважно за напрямком І: атом Гідрогену відщеплюється від найменш гідрогенізованого атома Карбону (того, з яким сполучене менше атомів Гідрогену).
Міжмолекулярна гідратація. Якщо температура близько 140 °С, група -ОН відщеплюється від однієї молекули спирту, а атом Гідрогену — від іншої, унаслідок чого утворюються етери. Наприклад, діетиловий етер, або медичний ефір, утворюється з етанолу. Цю реакцію описують таким хімічним рівнянням:
У цьому випадку концентрована сульфатна кислота є не лише каталізатором, але й водовідіймаючим засобом — речовиною, що активно поглинає воду під час хімічних або фізико-хімічних процесів.
3. Взаємодія з гідроген галогенідами. За наявності концентрованої сульфатної кислоти спирти взаємодіють із гідроген галогенідами (НСl, НВr, НI).
У загальному вигляді схема реакції:
Взаємодія етанолу з гідроген бромідом:
У цій реакції сульфатна кислота також є не лише каталізатором, а й сприяє відщепленню води, тобто є водовідіймаючим засобом.
За таких умов реакція відбувається лише зі спиртами, у яких група -ОН сполучена з кінцевим атомом Карбону (такі спирти називають первинними).
4. Взаємодія з лужними металами. За звичайних умов спирти реагують з активними металами, зокрема лужними, з утворенням солей (алканолятів) та водню (реакція заміщення) (мал. 14.2).
Мал. 14.2. Унаслідок взаємодії спиртів з активними металами виділяється водень
У загальному вигляді рівняння реакції:
2R-OH + 2Na → 2R-ONa + Η2↑
На прикладі метанолу:
Ця реакція є прикладом виявлення кислотних властивостей спиртів. Але дисоціація спиртів у водному розчині настільки незначна (менша за дисоціацію води), що кислотами спирти назвати не можна. Індикатори не змінюють забарвлення за наявності спиртів. Спирти не взаємодіють із лугами.
Одержання етанолу
1. Спиртове бродіння глюкози (без доступу повітря). У промисловості сировиною для одержання етанолу є крохмалевмісні сільськогосподарські культури (пшениця, кукурудза тощо). Гідролізом цієї сировини одержують глюкозу, до якої потім додають дріжджі. Дією ферментів, що виділяють дріжджі, молекули глюкози розщеплюються на молекули етанолу та вуглекислого газу:
С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + 2СО2↑
Цей процес часто використовують у побуті. Вуглекислий газ, що виділяється в процесі бродіння, розпушує дріжджове тісто. Унаслідок бродіння соку ягід чи фруктів утворюється етиловий спирт.
В Україні виробництво спирту відбувається на близько 40 заводах в усіх регіонах України. Загальна їхня потужність становить понад 360 млн л на рік.
2. Гідратація етену. Гідратацію етену ви вже вивчали як хімічну властивість етену:
Зверніть увагу, що і для гідратації, і для дегідратації необхідна сульфатна кислота. Але гідратація відбувається за наявності порівняно розбавленого розчину кислоти, і кислота є лише каталізатором, а дегідратація — за наявності концентрованого розчину, і кислота також є водовідіймаючим засобом.
Хімія навколо нас
Біопаливо
Сьогодні у світі дедалі більше етанолу використовують як пальне для автомобілів. Спирт для цього одержують ферментацією зернових й інших сільськогосподарських культур (просо, цукрова тростина, соя, кукурудза тощо). Такий етанол називають біоетанолом, або біопаливом, оскільки його добули не з викопних ресурсів, а з рослинної сировини. Використання біоетанолу сприяє зменшенню викидів вуглекислого газу в атмосферу: унаслідок згоряння етанолу виділяється вуглекислий газ, що потім засвоюється рослинами, із яких знову одержують етанол. У такий спосіб підтримується колообіг вуглекислого газу без унесення до нього додаткової кількості вуглекислого газу від згоряння викопного палива. У деяких автомобільних двигунах використовують лише етанол. Але частіше його додають до звичайного бензину в різних пропорціях, таку суміш можна використовувати у будь-якому автомобілі. В Україні від 2014 року законодавчо встановлено вміст етанолу в бензині на рівні 7 %. Але на деяких заправках також продають пальне з умістом етанолу 30-40 %. Автомобільне пальне зі значним умістом біоетанолу позначають буквою Е.
Ключова ідея
На фізичні властивості спиртів суттєво впливає водневий зв'язок, що може утворюватися і між молекулами спиртів, і між молекулами спиртів та води. Більшість хімічних властивостей спиртів зумовлені наявністю гідроксильної групи -ОН.
Контрольні запитання
- 199. Схарактеризуйте фізичні властивості спиртів. Поясніть вплив водневого зв'язку на фізичні властивості спиртів.
- 200. Як у гомологічному ряду насичених одноатомних спиртів змінюється: а) агрегатний стан за звичайних умов; б) температура кипіння; в) розчинність у воді; г) розчинність у бензені?
- 201. Поясніть, чому індикатори не змінюють забарвлення у спиртах.
- 202. Схарактеризуйте хімічні властивості та методи одержання спиртів. Запишіть відповідні рівняння хімічних реакцій на прикладі етанолу.
Завдання для засвоєння матеріалу
203. Запишіть рівняння таких перетворень:
- а) С2Н5ОН → С2Н4;
- б) С2Н5ОН → C2H5ONa;
- в) С2Н4 → С2Н5ОН;
- г) С3Н7ОН → С3Н6;
- д) С3Н7ОН → C3H7ONa;
- е) С2Н5ОН → С2Н5Сl.
204. Запишіть рівняння реакцій: а) дегідратації пропан-1-олу; б) реакції пропан-1-олу з бромоводнем. За яких умов вони відбуваються?
205.Запишіть рівняння для здійснення перетворень за схемами:
- а) С2Н6 → С2Н4 → С2Н5ОН → С2Н5Сl;
- б) метан → ? → етан → етен → етанол → вуглекислий газ;
- в) кальцій карбонат → кальцій карбід → етин → етен → етанол.
Комплексні завдання
- 206. Обчисліть об'єм водню (н. у), що виділиться внаслідок дії металічного калію на метанол масою 24 г.
- 207. Обчисліть об'єм етену (н. у.), що можна добути з етанолу масою 11,5 г. Яку масу бромної води з масовою часткою брому 2 % можна знебарвити цією кількістю газу?
- 208. Обчисліть масу солі, що утворюється внаслідок взаємодії натрію з етанолом масою 23 г.
- 209. Унаслідок взаємодії метанолу з натрієм, узатим у надлишку, виділився водень об'ємом 2,24 л (н. у.). Обчисліть масу спирту, що прореагував.
- 210. Унаслідок взаємодії натрію з розчином етанолу в бензені масою 200 г виділився водень об'ємом 56 мл (н. у.). Обчисліть масову частку спирту в цьому розчині.
- 211. Запишіть рівняння реакцій горіння метанолу, етанолу й пропанолу. У скільки разів будуть відрізнятися об'єми газуватих продуктів реакції, утворених унаслідок горіння цих спиртів, узятих кількістю речовини по 1 моль?
- 212. Обчисліть об'єм гідроген броміду, необхідного для взаємодії з етанолом масою 11,5 г.
- 213. Обчисліть об'єм кисню, необхідного для згоряння: а) 230 г етанолу; б) 5 моль метанолу.
- 214. Дегідратацією етанолу було добуто 0,448 л етену (н. у.). Обчисліть масу спирту, що прореагував.
- 215. Унаслідок взаємодії одноатомного спирту масою 3,7 г з натрієм виділився водень об'ємом 560 мл (н. у.). Установіть молекулярну формулу спирту.
- 216. Для спалювання одноатомного насиченого спирту ациклічної будови кількістю речовини 0,1 моль було витрачено 10,08 л кисню (н. у.). Установіть молекулярну формулу цього спирту.
- 217. Метанол у промисловості одержують реакцією сполучення карбон(ІІ) оксиду з воднем. Запишіть рівняння цієї реакції. Обчисліть: а) об'єм водню, необхідного для взаємодії з чадним газом об'ємом 500 л; б) масу одержаного метанолу.
Завдання для розвитку критичного мислення
- 218. Складіть схему перетворень, за якою можна добути етанол із кальцій ацетиленіду. Запишіть відповідні рівняння реакцій.
- 219. Як ви вважаєте, у який спосіб реалізується водовідіймаюча дія речовин: кальцій оксиду, кальцій хлориду (безводного), сульфатної кислоти (концентрованої), фосфор(V) оксиду? У якому випадку відбувається хімічна взаємодія (яка саме), а в якому — фізико-хімічна (яка саме)? Чи впливає на це можливість утворення молекулами водневого зв'язку?
- 220. Що ми спостерігатимемо, якщо наллємо невелику порцію метанолу в склянку: а) з водою, б) октаном? Відповідь поясніть.
- 221. На практиці реакцію спиртів із гідроген галогенідами проводять в умовах якомога меншої кількості води в реакційній суміші. Для цього в колбі змішують концентровану сульфатну кислоту, спирт і галогенід. Запишіть рівняння реакції одержання бромоетену з етанолу, калій броміду та сульфатної кислоти.
- 222. Використовуючи значення електронегативностей елементів, порівняйте полярність зв'язків С-Н і О-Н. Молекули яких речовин — спиртів чи вуглеводнів — більш полярні? Як це позначається на фізичних властивостях цих речовин?
- 223. Спирти практично не проводять електричного струму, тоді як луги, що також містять гідроксильну групу, у розплавленому стані або у водному розчині проводять електричний струм. Чим це можна пояснити?
- 224. Як ви вважаєте, чим можна пояснити, що спирти виявляють слабкі кислотні властивості?
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України