Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Величко

Оксигеновмісні сполуки

Оксигеновмісні сполуки відіграють визначальну роль у функціонуванні живих організмів — рослин і тварин, входять до складу їжі (це відомі вам жири і вуглеводи), є основою деревини, з них виготовляють папір, волокна, вони є складниками мила та інших мийних засобів, ліків тощо. Відомі вам з курсу xiмії 9 класу терміни «спирт», «етанова кислота», «естер», «жир», «глюкоза» — це назви оксигеновмісних органічних речовин. Саме їх та багато інших сполук ви докладно вивчатимете в цьому розділі органічної хімії.

  • Розгляньте таблицю і пригадайте, що таке функціональна (характеристична) група.

Оксигеновмісні органічні сполуки

Спирти і феноли

Наприкінці вивчення теми ви зможете:

  • назвати спирти за правилами номенклатури;
  • скласти формули спиртів за їхніми назвами та назви — за формулами;
  • скласти формули структурних ізомерів спиртів;
  • схарактеризувати водневі зв’язки;
  • пояснити електронну будову спиртів і фенолу;
  • описати фізичні властивості сполук;
  • пояснити реакційну здатність спиртів і фенолу;
  • записати рівняння реакцій окиснення, заміщення, дегідратації;
  • пояснити електронну суть взаємного впливу атомів у молекулах спиртів і фенолу;
  • пояснити дію етанолу на організм людини;
  • розповісти про методи добування сполук та їхнє застосування; класифікувати спирти;
  • засвоїти терміни: внутрішньо- й міжмолекулярна дегідратація, фенол.

§ 11. Насичені одноатомні спирти

СКЛАД І БУДОВА МОЛЕКУЛ. Як вам уже відомо, наявність у молекулі однієї або кількох функціональних (характеристичних) гідроксильних груп, сполучених з вуглеводневою групою, є ознакою класу органічних речовин, що їх називають спиртами. Насичені одноатомні спирти можна розглядати як сполуки, що є похідними насичених вуглеводнів (алканів), у яких один атом Гідрогену заміщений на гідроксильну групу. Міжнародна назва цих сполук — алканоли, іноді застосовують тривіальну назву — алкоголі.

Залежно від будови вуглеводневої групи розрізняють спирти насичені, ненасичені, ароматичні, а за кількістю гідроксильних груп — одно- і багатоатомні. Вам відомі насичені одноатомні спирти метанол і етанол, що містять залишок насиченого вуглеводню й одну гідроксильну групу, а також трьохатомний спирт гліцерол.

Пригадаймо їхні формули:

Зв’язок О—Н поляризований, оскільки атом більш електронегативного Оксигену відтягує до себе електронну густину зв’язку. Внаслідок поляризації на атомі Гідрогену виникає частковий позитивний заряд, а на атомі Оксигену — частковий негативний:

Полярність зв’язку впливає на властивості спиртів.

Метанол розпочинає гомологічний ряд насичених одноатомних спиртів. Характеристики гомологів наведено в табл. 6. Моделі молекул метанолу й етанолу зображено на мал. 18.

Загальну формулу насичених одноатомних спиртів можна вивести із загальної формули насичених вуглеводнів заміщенням атома Гідрогену на гідроксильну групу:

Таблиця 6

Характеристики насичених одноатомних спиртів

Мал. 18. Моделі молекул метанолу (а) та етанолу (б)

ІЗОМЕРІЯ. НОМЕНКЛАТУРА. Насиченим одноатомним спиртам властива структурна iзомерiя, зумовлена будовою карбонового скелета i положенням гiдроксильної групи. Для спирту складу С4Н9ОН можливі такі ізомери:

За систематичною номенклатурою назви насичених одноатомних спиртів (алканолів) нерозгалуженої будови утворюють від назв алканів додаванням до назв суфікса -ол (метан — метанол, пропан — пропанол). Щоб назвати спирт розгалуженої будови, треба пронумерувати найдовший карбоновий ланцюг, починаючи від атома, найближчого до гідроксильної групи; перед назвою вказати місце і назви алкільних замісників у абетковому порядку; після назви головного ланцюга цифрою позначити місце гідроксильної групи і додати суфікс -ол.

Наприклад: 4-етил-3-метилгексан-2-ол

  • Складіть назви ізомерів бутанолу, що їх наведено вище.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ. ВОДНЕВИЙ ЗВ’ЯЗОК. Насичені одноатомні спирти — рідкі або кристалічні (вищі спирти) речовини, безбарвні, зі специфічним спиртовим запахом.

Серед спиртів, на відміну від вуглеводнів, немає газуватих речовин. Температури плавления і кипіння спиртів значно вищі, ніж вуглеводнів з майже такою самою відносною молекулярною масою (табл. 7).

Таблиця 7

Температури кипіння вуглеводнів і спиртів

Формула вуглеводню

tкип, °С

Формула спирту

tкип, °С

С2Н6

-89

CH3OH

64,5

C3H8

-42

С2Н5ОН

78,4

С4Н

-0,5

С3Н7ОН

97,4

С5H12

36

С4Н9ОН

117,4

С6H14

69

C5H11OH

137,8

Таку відмінність температур можна пояснити наявністю додаткової взаємодії між молекулами спирту. Для з’ясування природи цієї взаємодії звернемося до неорганічної хімії й розглянемо температури кипіння сполук Гідрогену з деякими елементами IV—VII груп Періодичної системи (мал. 19). Зверніть увагу, що зі збільшенням відносної молекулярної маси цих сполук їхні температури кипіння підвищуються. Виняток становлять гідроген флуорид, вода та амоніак, константи яких дуже відрізняються від констант сполук сусідніх елементів у підгрупі. Маючи найнижчі відносні молекулярні маси, вони характеризуються найвищими температурами кипіння, тобто молекули цих сполук міцніше зв’язані між собою. Чому?

Мал. 19. Залежність температур кипіння сполук неметалічних елементів з Гідрогеном від їхньої відносної молекулярної маси

Зв’язки між атомами Гідрогену й електронегативними атомами N, О, F поляризовані, на атомах Гідрогену виникає частковий позитивний заряд:

За рахунок притягання позитивно зарядженого атома Гідрогену однієї молекули і негативно зарядженого атома Оксигену, Нітрогену чи Флуору іншої молекули утворюється т. зв. водневий зв’язок (позначають трьома крапками). Гідроген є ніби містком між двома електронегативними атомами:

Так само утворюються водневі зв’язки між полярними молекулами спирту:

Водневий зв’язок належить до слабких зв’язків, однак для того щоб рідина, в якій молекули асоційовані за рахунок водневих зв’язків, перетворилася на пару (закипіла), потрібно затратити додаткову енергію на руйнування цих зв’язків.

Отже, порівняно високі температури кипіння спиртів (а також води, амоніаку, гідроген флуориду) пояснюються наявністю водневих зв’язків між їхніми молекулами.

Унаслідок утворення водневих зв’язків між молекулами води і спиртів останні розчиняються у воді:

Проте це характерно лише для нижчих спиртів, у яких гідроксильна група становить значну частину молекули. Перші три члени гомологічного ряду необмежено розчинні; у наступних гомологів з подовженням карбонового ланцюга його частка в молекулі збільшується, тому розчинність спиртів зменшується.

У цьому можна переконатися на досліді. У чотири пробірки з водою добавимо однакову кількість метанолу, етанолу, бутанолу, пентанолу. Спостерігатиметься повне розчинення перших двох спиртів і значно менша розчинність двох інших.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ. Реакції повного й часткового окиснення. Як і всі органічні речовини, спирти горять з виділенням теплоти. Підпалимо зразки метанолу, етанолу, пропанолу, пентанолу в порцелянових чашках. Помітна відмінність у характері горіння спиртів: від майже несвітного синюватого полум’я метанолу до кіптявого — пентанолу.

2СН3—ОН + 3О2 —> 2СО2 + 4Н2О; △H < 0

  • Поясніть характер горіння спиртів різного складу, спираючись на знання характеру горіння вуглеводнів.

Частково окиснюють спирти калій дихромат або калій перманганат у кислому середовищі, при цьому утворюються карбонові кислоти:

Реакції заміщення. Оскільки електронна густина зв’язку О<—Н зміщена до Оксигену, можна припустити, що для спиртів можливі реакції з відщепленням Гідрогену. Проте проба спирту на електропровідність дає негативний результат; практично не спостерігається й електролітичної дисоціації спирту у воді.

Отже, атом Гідрогену хоча й набуває рухливості, але хімічний зв’язок О—Н за таких умов не розривається.

Спробуємо провести реакцію з активнішими реагентами. Вмістимо шматочок металічного натрію в пробірку з 2 мл етанолу й закриємо її пробкою зі скляною трубкою, відтягнутою на кінці. Відбувається реакція заміщення з виділенням водню:

  • Як можна переконатися, що виділяється справді водень?

У цій реакції виявляються слабкі кислотні властивості спирту:

Загальна назва аніонів у продуктах заміщення Гідрогену на металічний елемент — алканоляти (алкоголяти). Добутий нами натрій етанолят можна виділити у твердому вигляді.

Мал. 20. Анестезія медичним ефіром (1885 р.)

Пригадайте, що реакція натрію з водою відбувається бурхливо, водень виділяється значно енергійніше, ніж у реакції натрію з етанолом. Очевидно, позначається вплив вуглеводневої групи: Гідроген стає менш рухливим і відщеплюється важче порівняно з Гідрогеном води.

З подовженням карбонового ланцюга активність спиртів у реакції з натрієм спадає. У цьому виявляється взаємний вплив атомів у молекулі.

Реакція дегідратації. Перебіг такої реакції визначається зовнішніми умовами. Якщо етанол нагрівати до температури понад 170 °С із сильною кислотою, наприклад концентрованою сульфатною, або пропускати пару спирту над каталізатором (Аl2О3), то відбуватиметься реакція внутрішньомолекулярної дегідратації з утворенням етену:

  • Складіть рівняння реакції дегідратації пропанолу. Назвіть речовину, що утворюється.

Якщо ж температура нагрівання не перевищує 140 °С і спирт узято в надлишку, то відбувається реакція міжмолекулярної дегідратації з утворенням сполуки, що належить до класу етерів загальної формули R—О—R1.

З етанолу утворюється етоксіетан:

Із середини XIX ст. етоксіетан (у медицині вживають термін «медичний ефір») відомий як засіб для знеболення (мал. 20). Першу операцію під ефірним наркозом провів бостонський хірург Дж. Уоррен у 1846 р. У воєнно-польовій хірургії його вперше застосував видатний хірург М. І. Пирогов.

ДОБУВАННЯ ЕТАНОЛУ. Загальним методом добування спиртів є гідроліз галогенопохідних вуглеводнів:

На практиці використовують водний розчин натрій гідроксиду або карбонату.

Етанол утворюється також у результаті реакції гідратації етену:

Найдавніший метод добування етанолу — це спиртове бродіння глюкози, що міститься у винограді, інших фруктах. Процес відбувається під дією природних каталізаторів — ензимів (ферментів), що їх виробляють дріжджі деяких видів. У загальному вигляді процес спиртового бродіння можна подати рівнянням:

Насправді утворюється суміш спиртів та інших речовин, у якій лише 12 % етанолу. Для його виділення використовують метод дистиляції, або перегонки (мал. 21, 22). У результаті утворюється т. зв. ректифікат, що містить 96 % етанолу і 4 % води.

Етанол добувають також гідратацією етену. Добутий у такий спосіб спирт використовують для технічних потреб.

Використання етанолу надзвичайно широке. Це розчинник для виготовлення фармацевтичних препаратів (настоянок, екстрактів тощо), парфумерних і косметичних виробів, есенцій, лаків (політури для меблів). Етанолом як бактерицидним засобом обробляють рани. У харчовій промисловості з нього виготовляють алкогольні напої.

З етанолу в промислових масштабах виробляють оцтову кислоту, хлороформ, медичний ефір та ін. У багатьох країнах суміш бензину з етанолом (до 10 %) використовують як пальне.

  • Схарактеризуйте переваги використання такої суміші з погляду зменшення шкідливих викидів у атмосферу.

Етанол, призначений для технічних цілей, називається денатуратом. Цей продукт містить домішки, що змінюють запах, смак і колір етанолу і роблять його непридатним для споживання.

Мал. 21. Апарат для перегонки спирту (1500 р.)

Мал. 22. Сучасний перегонний куб

Дія етанолу на організм. З курсів хімії і біології ви вже знаєте про згубну дію алкогольних напоїв на організм людини, що призводить до тяжкого захворювання — алкоголізму. Поясніть на основі цих знань та залучаючи додаткову літературу, чому алкоголь особливо небезпечний для молодого організму.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  • 1. Що таке функціональна (характеристична) група?
  • 2. Які сполуки називають спиртами?
  • 3. Як позначається вплив атома Оксигену на розподілі електронної густини в молекулі спирту?
  • 4. Чим зумовлена ізомерія насичених одноатомних спиртів? Наведіть приклади.
  • 5. Поясніть причину аномально високої температури кипіння води.
  • 6. Поясніть уплив водневих зв’язків на фізичні властивості спиртів.
  • 7. Наведіть рівняння хімічних реакцій спиртів, що відбуваються з розриванням зв’язків С—ОН і СО—Н.
  • 8. Поясніть уплив умов на перебіг реакції дегідратації етанолу.
  • 9. Складіть рівняння реакцій за схемою перетворень:

CnH2n + 2 —> CnH2n + 1Br —> CnH2n + 1OH

Додаткові завдання

1. Укажіть ізомери і гомологи серед наведених сполук, зважаючи на ізомерію між класами етери — одноатомні спирти.

  • А ізомери: 1 і 6, 2 і 5 гомологи: 1, 4, 5
  • Б ізомери: 1 і 4 гомологи: 5 і 2
  • В ізомери: 2 і 3 гомологи: 4 і 6

2. Складіть структурні формули ізомерних спиртів складу С5Н12О.

3. Етин — газ, гідроген ціанід — рідина (н. у.), хоча молекулярні маси цих сполук приблизно однакові. Поясніть це.

4. Які хімічні властивості етанолу підтверджують, що його формула С2Н5—ОН?

5. Порівняйте властивості метанолу з властивостями води і метану. Зробіть узагальнювальний висновок.

6. Які хімічні властивості, на вашу думку, матиме бензиловий спирт

7. Напишіть рівняння послідовних перетворень: етанолу на етан; метану на метанол; вуглецю на метанол.

8. Унаслідок повного згоряння речовини масою 13,8 г утворилося 26,4 г вуглекислого газу і 16,2 г води. Визначте молекулярну формулу цієї речовини, якщо густина її пари за воднем дорівнює 23.