Підручник з Хімії. 10 клас. Величко - Нова програма

Альдегіди й кетони. Карбонові кислоти

Нові поняття й терміни:

альдегід, кетон, карбонільна, альдегідна функціональні групи, формалін, реакція «срібного дзеркала», реакція Кучерова.

§ 29. АЛЬДЕГІДИ Й КЕТОНИ

Склад і будова молекул. Альдегіди й кетони належать до так званих карбонільних сполук, тобто таких, що містять функціональну карбонільну групу—С=О. У альдегідах ця група сполучена з атомом Гідрогену та з вуглеводневою групою, а в кетонах — з двома вуглеводневими групами. Загальні їх формули такі:

Функціональну групу —СНО називають альдегідною. Назва походить від слів алкоголь і дегідрування (тобто дегідрований алкоголь).

Найпростіший альдегід — метаналь (мурашиний, або формальдегід), найпростіший кетон — пропанон (ацетон).

У карбонільній групі атом Карбону утворює три σ-зв’язки, розміщені під кутом 120^о один до одного. Тому цілком імовірно, що атоми Карбону й Оксигену перебувають у стані sр²-гібридизації, і σ-зв’язок між ними утворюється за рахунок перекривання гібридних електронних орбіталей.

Як саме відбувається sр²-гібридизація електронних орбіталей атома Оксигену? Його електронна формула 1s²2s²2p⁴.

У момент утворення молекули в результаті «змішування» двох s- і трьох p-електронних орбіталей (разом п’ять) утворюються три гібридні електронні орбіталі, з яких дві несуть по два електрони, а одна — один електрон. Одноелектронна орбіталь перекривається із такою атома Карбону з утворенням σ-зв’язку (мал. 96).

Мал. 96. Схема утворення σ-зв'язків у молекулі метаналю

Негібридизовані p-електронні орбіталі атомів Карбону й Оксигену перекриваються з утворенням π-зв’язку (мал. 97). Так між атомами Карбону й Оксигену встановлюється подвійний зв’язок. Із подібною схемою утворення зв’язку ви ознайомилися під час вивчення будови етену.

Мал. 97. Схема утворення π-зв'язку в молекулі метаналю

Варто зазначити, що проблему гібридизації для атомів Оксигену в науці остаточно не розв’язано.

Ізомерія. Номенклатура. Насиченим альдегідам і кетонам властива структурна ізомерія карбонового скелета.

Складіть декілька формул структурних ізомерів альдегідів і кетонів, наведених у таблиці 14 (с. 154).

Таблиця 14

Характеристики альдегідів і кетонів

Систематичні назви альдегідів утворюють від назв алканів із відповідним числом атомів Карбону додаванням суфікса -аль, назви кетонів — додаванням суфікса -он. Положення карбонільної групи в кетонах позначають цифрою перед суфіксом, пронумерувавши карбоновий ланцюг від кінця, до якого ближче розміщена ця група.

Формули й назви деяких інших карбонільних сполук наведено в таблиці 14, масштабні моделі молекул — на мал. 98.

Мал. 98. Моделі молекул етаналю (а) і пропанону (б)

Фізичні властивості. Альдегіди й кетони — леткі рідини (метаналь — газ). Переважна більшість їх має характерний запах. Температури кипіння цих сполук нижчі порівняно зі спиртами, що засвідчує відсутність міжмолекулярних водневих зв’язків.

Нижчі альдегіди й кетони, у яких переважає полярна частина над неполярною (вуглеводневою групою), добре розчинні у воді, інші — розчиняються в органічних розчинниках. Між молекулами альдегідів і води утворюються водневі зв’язки:

Хімічні властивості. Рівняння реакцій альдегідів і кетонів наведено на с. 155.

Реакції альдегідів і кетонів

У карбонільній групі електронна густина подвійного зв’язку зміщена до електронегативного атома Оксигену, тому молекула поляризується:

Альдегіди більш полярні, ніж кетони, оскільки вуглеводневі групи кетонів зменшують частковий позитивний заряд на атомі Карбону карбонільної групи. Унаслідок цього альдегіди є хімічно активнішими сполуками порівняно з кетонами.

Альдегіди легко окиснюються різними окисниками до карбонових кислот. Кетони окиснюються лише сильними окисниками, причому з розривом карбон-карбонових зв’язків з обох боків карбонільної групи. У результаті утворюється суміш карбонових кислот.

Альдегіди вступають у реакції окиснення з купрум(ІІ) гідроксидом й амоніаковим розчином аргентум(І) оксиду.

Лабораторний дослід 3

Окиснення етаналю купрум(ІІ) гідроксидом

У пробірці добудьте купрум(ІІ) гідроксид, добавивши до кількох краплин розчину купрум(ІІ) сульфату розчин натрій гідроксиду. До осаду, що утворився, добавте 1 мл розчину етаналю, суміш нагрійте. У пробірці утворюється жовтий осад купрум(І) гідроксиду, що відразу розкладається на купрум(І) оксид червоного кольору й воду:

Альдегід можна окиснити й аргентум(І) оксидом

Ретельно вимиємо пробірку содою і водою. Наллємо в неї 1 мл амоніакового розчину аргентум(І) оксиду й обережно добавимо декілька краплин розчину метаналю. Нагріємо пробірку в стакані з гарячою водою. На стінках посудини осідає металічне срібло:

Цю реакцію називають реакцією «срібного дзеркала» (мал. 99).

Мал. 99. Реакція «срібного дзеркала»

Проведені реакції характерні для альдегідів, їх використовують для аналітичного визначення цих сполук.

Зважаючи на наявність подвійного зв’язку, можна припустити, що карбонільні сполуки легко вступають у реакції приєднання. Приєднуючи водень, альдегіди перетворюються на первинні спирти, а кетони — на вторинні.

Отже, альдегіди й кетони відновлюються до спиртів. З іншого боку, спирт можна окиснити до альдегіду.

Лабораторний дослід 4

Окиснення спирту до альдегіду

Мідний дріт розжарте в полум’ї спиртівки. Коли він вкриється мідною окалиною (CuО), опустіть його у пробірку з етанолом. Відчувається характерний запах етаналю.

Зверніть увагу на колір мідного дроту — окалина відновилася до металічної міді:

Доповніть свої записи в темі «Спирти» інформацією про властивість спиртів окиснюватися до альдегідів, запишіть відповідне рівняння реакції.

Розглянуті реакції окиснення й відновлення важливі для здійснення взаємних перетворень речовин різних класів.

Альдегіди можуть вступати в реакції полімеризації та поліконденсації. Якщо сполучаються три молекули етаналю, то утворюється тример, так званий метальдегід, що використовують як сухе паливо під назвою «сухий спирт»:

На відміну від полімеризації внаслідок реакції поліконденсації не лише утворюється полімер, а й виділяється низькомолекулярна речовина, наприклад вода. Значний практичний інтерес становить реакція поліконденсації формальдегіду й фенолу, в результаті якої утворюється цінний полімер — феноло-формальдегідна смола.

Добування. Загальний метод добування альдегідів і кетонів — окиснення спиртів: первинних — до альдегідів, вторинних — до кетонів. Метаналь утворюється окисненням метанолу, етаналь — окисненням етанолу, ацетон — окисненням пропан-2-олу:

Етаналь добувають також гідратацією етину за наявності каталізатора — суміші сульфатної кислоти й меркурій(П) сульфату. Цю реакцію відкрив російський учений М. Г. Кучеров у 1881 р.:

Реакція відбувається через утворення проміжного продукту — вінілового спирту. Проте сполука з гідроксигрупою біля атома, сполученого подвійним зв’язком, нестійка, тому відбувається її ізомеризація в альдегід.

Оскільки сполуки Меркурію токсичні, було розроблено інший спосіб добування етаналю — окисненням етену, що є доступнішою сировиною:

Застосування. Водний розчин метаналю (формальдегіду) (36—37 %-й) із домішкою метанолу називають формаліном і застосовують як засіб для дезінфекції та консервант анатомічних препаратів.

Формальдегід є також сировиною для виробництва фенолоформальдегідних пластмас.

Із метаналю й амоніаку добувають уротропін (гексаметилентетрамін), який використовують у виробництві пластмас, вибухівки та як лікарський засіб. Сполука є харчовою добавкою (консервант Е 239), використання її в Україні заборонено.

Етаналь (оцтовий альдегід) використовують для добування етанової (оцтової) кислоти. У невеликих кількостях він утворюється під час обміну речовин в організмі людини, зокрема в результаті метаболізму алкоголю. Надлишок ацетальдегіду дуже шкідливий і викликає неприємні відчуття, це використовується для лікування від алкоголізму.

Пропан-2-он (ацетон) — добрий розчинник лаків і нітроцелюлози; використовують його також у синтезі лікарських засобів.

Альдегіди й кетони зумовлюють запах і смак деяких харчових продуктів: наприклад, гептан-2-он — запах сиру, а бензальдегід (похідна бензену) — деяких фруктів (мал. 100, 101). Складіть формули цих сполук.

Мал. 100. Кетон гептан-2-он зумовлює запах сиру

Мал. 101. У складі деяких плодів є бензальдегід

Висновки

• Альдегіди й кетони містять функціональну карбонільну групу.

• У карбонільній групі атоми Карбону й Оксигену перебувають у стані sр²-гібридизації.

• Подвійний зв’язок карбонільної групи поляризований за рахунок зміщення електронної густини до атома Оксигену.

• Нижчі альдегіди й кетони утворюють водневі зв’язки з водою.

• Наявність полярної карбонільної групи й подвійного зв’язку визначає хімічну активність альдегідів і кетонів, причому альдегіди значно активніші за кетони.

• Альдегіди легко окиснюються до карбонових кислот, відновлюються до первинних спиртів, здатні до реакцій полімеризації.

• Кетони відновлюються до вторинних спиртів і окиснюються з розриванням хімічних зв’язків і утворенням сумішей карбонових кислот.

• Реакції з купрум(ІІ) гідроксидом та амоніаковим розчином аргентум(І) оксиду використовують для аналітичного визначення альдегідів.

• Загальний спосіб добування альдегідів і кетонів — окиснення спиртів. Ацетальдегід добувають також гідратацією етину.

• Формальдегід є сировиною для виробництва пластмас; етаналь — сировина для виробництва етанової кислоти; пропанон використовують як розчинник.

Завдання для самоконтролю

1. Яку функціональну групу називають карбонільною?

2. Що таке альдегідна група?

3. У чому полягає відмінність хімічної будови альдегідів і кетонів?

4. Поясніть утворення sр²-гібридних електронних орбіталей атома Оксигену.

5. Поясніть утворення подвійного зв’язку в карбонільній групі.

6. Чи можливі водневі зв’язки між молекулами: альдегідів; кетонів; альдегідів і води; кетонів і води?

7. Чим зумовлена хімічна активність альдегідів?

8. Чому кетони менш активні порівняно з альдегідами?

9. Наведіть рівняння реакцій приєднання за місцем подвійного зв’язку в карбонільній групі.

10. До яких сполук відбувається окиснення: альдегідів; кетонів?

11. Які реакції використовують для розпізнавання альдегідів?

12. Що таке реакція Кучерова? Як вона відбувається?

13. Який спосіб добування етаналю є найбільш перспективним?

Додаткові завдання

14. Чому в назвах альдегідів, на відміну від кетонів, не зазначають місце функціональної групи?

15. Поясніть причину відмінності температур кипіння сполук з близькими відносними молекулярними масами:

пентан +36 ^оС, бутаналь +79 ^оС, бутан-1-ол +117,4 ^оС.

16. Укажіть продукти часткового окиснення пропан-2-ону.

А метанова кислота

Б етанова кислота

В пропанова кислота

Г етанол

17. Які продукти утворюються в результаті поступового гідрування альдегіду акролеїну H₂C=CH—CHO? Складіть рівняння реакцій, назвіть продукти. Які властивості речовин виявляються в цих реакціях?

18. Складіть рівняння реакцій за схемою:

19. Як хімічним способом розрізнити гліцерол і етаналь?

20. Як хімічним способом розпізнати етанол?

21. Як двома способами добути етанол з етину?

22. Складіть рівняння реакцій за наведеною схемою перетворень:

23. Альдегід масою 2,4 г прореагував із амоніаковим розчином аргентум(І) оксиду, при цьому виділилося срібло масою 14,4 г. Визначте хімічний склад альдегіду і напишіть його структурну формулу, а також формулу ізомеру.

24. У реакції «срібного дзеркала» з розчину етаналю масою 10 г було відновлено срібло масою 7,2 г. Визначте відсотковий уміст розчину.

25. У результаті окиснення пропан-2-олу утворився пропан-2-он. Визначте суму коефіцієнтів у рівнянні реакції.

А 20

Б 30

В 14

Г 7

26. Альдегіди — токсичні сполуки, завдають шкоди нервовій системі, здатні накопичуватись в організмі. Водночас вони містяться в автомобільних вихлопних газах, а етанол є продуктом анаболізму алкоголю. Підготуйте повідомлення про користь і шкоду альдегідів.